云南ELF电磁观测资料的异常特征分析

孙维怀 汤 吉 张 平 杨学慧

1)云南省地震局通海地震台，通海 652700

2)中国地震局地研究所，北京 100029

3)云南省地震局前兆台网，昆明 650023

云南ELF电磁观测资料的异常特征分析

孙维怀1)汤 吉2)张 平3)杨学慧1)

1)云南省地震局通海地震台，通海 652700

2)中国地震局地研究所，北京 100029

3)云南省地震局前兆台网，昆明 650023

通过对云南省通海地震台2009年1月至2010年12月ELF电磁观测数据的处理分析，研究云南省及邻区中强地震前后，电磁场强度、视电阻率的变化特征。结果表明，1Hz、39Hz的电磁场功率谱在多次地震临震前分别比正常月份约大0.2～1.4个数量级。表现为在地震及余震序列中，电、磁场功率谱有明显的突跳，变化幅度与震级大小、震中距等有关;同时视电阻率的异常变化也比较明显。

ELF 电磁 功率谱 视电阻率 短临异常

0 引言

地震预报特别是地震的短临预报，是当今地震科学领域里的一大难题。正如一些地震学者所说:地震前兆异常似乎是一个与成功预报地震相联系的最为复杂和最为困难的问题。在所有地震预测的方法中，电磁学方法起着重要的作用(关华平等，1999)。

近年来国际上在地震电磁领域的前兆观测方面取得了一定的成效，发现在SLF/ELF/ULF等频段(0.01～n×103Hz)的电磁场记录到与地震有关的异常现象，而且该频段电磁信号可反映深达震源附近电阻率的变化(Uyeda et al.，2002;Bleier et al.，2005;Casolino，2005)。关于电磁场在地震孕育和发生过程中的变化，国内外很多学者在多个地震之前都捕捉到一些典型的变化形式(Eftaxias et al.，2001;Sharma et al.，2005;孙维怀，2008)。2008 年5 月12 日四川汶川(31.02°N，103.37°E)发生MS8.0地震，在地震后1年时间内，研究者发表了许多有关该地震的从基本结构到现场观测所发现的一些电磁现象的研究成果(赵国泽等，2009;高曙德等，2010)，ELF频段电场和磁场数据也出现了异常电磁辐射。汤吉等在汶川8.0级地震发生后，在震区进行了余震序列电磁异常连续监测，观测到多次余震事件的电磁同震现象(汤吉等，2008)。

“十五”期间，在云南省中部地区，小江断裂与红河大断裂的山字形断裂交会附近的通海地震台架设了ACF－4M型ELF电磁仪。本文通过对该仪器的观测资料处理，探讨了云南及邻区发生地震前后，观测到的电磁场功率谱密度及视电阻率的长、中、短期的异常和变化规律。

1 ACF－4M型ELF仪器布设和观测及2009—2010年台站邻区地震分布

通海地震台ELF仪器观测参数见表1。布设方式见图1。

表1 通海台ELF仪器布设参数Table 1 The ELF instrument layout parameters at Tonghai station

图1 通海台ELF布设方式Fig.1 The ELF instrument layout mode at Tonghai station.

通海地震台每日将仪器设置在电磁场相对平静的凌晨时间段内进行观测，在2009—2010年的观测中，云南及邻区发了十几次中强地震(表2)。震中分布图如图2。

表2 云南及邻区2009—2010年发生的中强地震(速报)Table 2 The moderate and strong earthquakes in Yunnan and its adjacent areas from 2009 to 2010(according to earthquake quick report catalog)

图2 云南省2009—2010年中强地震震中分布图Fig.2 Distribution of moderate-strong earthquakes in Yunnan Province from 2009 to 2010.

2 观测资料的处理

2.1 ELF观测数据的功率谱计算

将2009年1月1日至2010年12月31日通海地震台观测ELF各频段的电场(E)和磁场(H)进行了整理和分析，计算信号的自功率谱S(E)和S(H)，其中S(E1)表示EW向电场功率谱，S(H1)表示SN向磁场功率谱，S(E2)表示SN向电场功率谱，S(H2)表示EW向磁场功率谱。

在功率谱计算中，将时间域的信号RE(t)通过FFT变化，得到其频率域功率谱(钱复业等，1996)

变形为

选用每天连续记录3h的D1频段(频率范围:0.1～40Hz，采样频率为160Hz)数据，采用快速傅里叶变换将连续的时间序列数据变换为频谱序列，其傅氏变换的长度为n=4 096。经处理后，得到电磁场各分量的自、互功率谱密度序列。我们选用该记录频段相对高频的39Hz和具有中等频率的1Hz数据作为分析对象，从每天处理后的功率谱密度序列中抽取1Hz和39Hz资料，得到优势频率在时间序列上的功率谱变化。用1Hz和39Hz频率的电场、磁场的自功率谱绘图，得到这2个频率随时间变化的曲线(高曙德等，2010)。

2.2 ELF观测数据的视电阻率、相位计算

对于某一频率的电场和磁场水平分量之比Z=E/H为地球的特征阻抗，表示为

其中Ex为电场的水平强度，Hy为垂直于Ex的磁场强度。相应的视电阻率

其中T为电磁波的周期。对大地电磁测深仪的记录数据进行时频转换，可以得到不同频率的电磁场的频谱，采用公式(1)、(2)，可以得到不同频率的电磁波视电阻率。

2.3 ELF资料的分析

用1Hz和39Hz频率段的电场、磁场计算出自功率谱绘图(图3，4)，发现在多次地震临震前电场、磁场功率谱的变化分别比正常值大1～2个数量级。在2009年7月1—9日姚安6.3级地震前，电场功率谱的变化比正常月份高出1个数量级(1Hz)，磁场功率谱的变化打破正常形态，长时间、大幅度下降。

2009年1月1日至2010年12月31日，云南省及邻区，共发生13次＞4.7级的地震，去除几次强余震，共选取10次地震事件进行分析。从观测到的地震事件与ELF资料变化的对应上可以得到如下结果:ELF观测的电磁场计算电场的自功率谱S(E)、磁场功率谱S(H)对于震中距在400km以上，震级MS＞4.7以上地震，震前参量有异常，异常出现的时间24～48h，S(H)异常幅度达到0.2～1.3个数量级，S(E)异常幅度达到0.4～1个数量级;对于震中距在0～400km，震级MS＞4.7以上地震，震前全参量有异常，异常出现的时间24～72h，S(H)异常幅度达到0.2～1.4个数量级，S(E)异常幅度达到0.2～1.2个数量级(表3)。

在姚安6.3级地震及余震前后，各参量出现了明显的跳动，变化幅度与震级大小、震中距等有关，磁场的自功率谱变化较大，达到0.2～1.5个量级，电场自功率谱变化在0.2～1.2个量级之间;各参量还与信号的频率、布极方位有关，姚安地震系列1Hz、39Hz磁场信号H1(SN向)比H2(EW向)变化强，低频(1Hz)比高频(39Hz)强;同样1Hz、39Hz电场信号E2(EW向)比H2(SN向)变化强，低频(1Hz)比高频(39Hz)强(图3，4);说明接收的电磁场强弱具有方向性和频率可选性。

本文还对2009年1月1日至2010年12月31日，云南省及邻区发生的＞4.7级的地震的视电阻率变化特征进行了分析。从观测到的地震事件与ELF视电阻率资料变化的对应上可以得到如下结果:ELF观测的视电阻率对于与通海台相邻的构造带上，震级MS＞4.7以上的地震，震前参量有异常，异常出现的时间24～72h，视电阻率的异常幅度达到1～4个量级的变化(表4;图 5，6)。在姚安6.3级地震及余震前后，视电阻率的各参量出现了明显的跳动，变化幅度与震级大小、震中距等有关。在与通海台相邻的构造带上的地震，震中距小，低频(1Hz)比高频(39Hz)变化强;震中距大，低频(1Hz)比高频(39Hz)变化弱。同样说明视电阻率强弱具有方向性和频率可选性。

表3 2009年1月1日至2010年12月31日通海台ELF资料计算功率谱变化与对应地震统计Table 3 Statistics of variations of EM fields calculated from ELF records of Tonghai station and the corresponding earthquakes from Jan.1，2009 to Dec.31，2010

对ELF观测资料的分析表明，震前的电磁效应明显，强震前微裂隙的发展过程中产生的“机电能转换效应”引起了电、磁场扰动。电磁谐波异常不仅在强震震源区可以记录到，在远场电磁场记录中也有反映，有效的ELF电磁观测数据的处理方法和地震短临信息提取技术，对研究地震前兆异常信息的时、空特征与中强地震的关系，对未来地震监测、短临地震预测方法的拓展具有实际的意义(毛桐恩等，1999;赵国泽等，2008，2009)。另外，环境噪声是影响电磁信号最大的因素，尤其是电场信号，通海台在更换台站交流参数稳压器的情况下，电场功率谱变化了2个量级，而磁功率谱变化了0.5个量级，这些变化为以后ELF的布设环境提供了参考数据。为了从复杂的电磁环境中提取相对较微弱的地震电磁信号，必须加强对信号提取方法的研究。这既要考虑传统的数学分析方法，又要考虑引入一些信号处理分析方法，甚至有必要考虑将上述方法与地震电磁产生的物理过程研究有机结合从而形成有效的地震预报方法。这方面的探索研究不仅有助于充分发挥观测资料本身应有的价值，也可为观测提供一定的指导和参考依据。

表4 2009年1月1日至2010年12月31日通海台ELF资料计算视电阻率变化与对应地震统计Table 4 Statistics of variations of apparent resistivity calculated from ELF records at Tonghai and the station corresponding earthquakes from Jan.1，2009 to Dec.31，2010

3 讨论

(1)电场、磁场自功率谱曲线图及视电阻率变化曲线图中出现的许多突跳并没有伴随中强地震的发生。云南是一个地震多发的省份，地质构造复杂。这些突跳的产生，往往与台站附近的小地震有很大的关系。但是，通海ELF台站记录的是天然的电磁场，在电磁场ELF频段，天然电磁场的场源主要来自雷电产生的电磁场和高空电离层扰动产生的电磁场以及地球上各种人文干扰，也有来自震前的电磁辐射。由于单个台站无法确定观测的异常是来自人文干扰、雷电信息还是震前异常。所以，从图中也可以发现，有些异常并没有相应的地震发生。如果有几个ELF台站同时观测，就有可能区分其异常是来自一个区域的场源还是局部的人文干扰或者地震异常。并且，研究发现，地震前的电磁异常与发震断层的走向和观测台站之间的位置有着直接关系。由于震前的电磁辐射具有很强的方向性，有些地震前的电磁异常，观测台站也无法观测到。

图5 2009年、2010年通海台ELF观测的视电阻率(1Hz)曲线Fig.5 The apparent resistivity curves obtained from the ELF observation data(1Hz)of Tonghai station from 2009 to 2010.

2010年典型的图例如图7，39Hz的磁场数据在6月25日至7月1日间发生很大的突跳，省内并没有发生中强地震事件。但在此突跳的时间段内，台站周边发生了6月26日的耿马3.8级地震，震中距350km和7月10日的建水3.8级地震，震中距60km。因此数据的突跳，还要考虑近距离的小震发生的可能。

(2)分析2009年1月1日至2010年12月31日该台ELF观测的电、磁场自功率谱，1～39Hz的电场、磁场自功率谱在多次地震临震前分别比正常月份大0.2～1.4个数量级。在姚安6.3级地震及余震序列中，电、磁场功率谱明显的突跳，磁场功率谱比背景值下降了1个量级，电场功率谱比背景值上升了2个量级。变化的幅度可能与震级大小、震中距等有关，还与发震断层和台站间的方位有关;同时该台视电阻率的异常变化比正常月份大1～4倍的均方差。

(3)环境噪声是影响电磁信号最大的因素，2010年10月该台更换或停止使用台站的交流参数稳压器时，EW向的电场功率谱变化了2个量级，而磁场功率谱下降1个量级，表明该点ELF资料受台站周围用电干扰明显。

地震的孕育和发生是一个极其复杂的过程，当前对这些地震电磁现象的认识和理解依然十分有限。希望本文对ELF电磁观测在地震预测上能够引出一些有益的探讨。

图6 2009年、2010年通海台ELF观测的视电阻率(39Hz)曲线Fig.6 The apparent resistivity curves obtained from the ELF observation data(39Hz)of Tonghai station from 2009 to 2010.

图7 2010年通海台ELF观测的磁场(39Hz)功率谱曲线Fig.7 The power-spectrum curves of magnetic fields obtained from ELF observation data(39Hz)of Tonghai station.

致谢 资料由通海地震台电磁观测组提供，审稿人提出了有益的建议，在此深表感谢!

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RESEARCH ON THE CHARACTERISTICS OF ANOMALIES IN ELF ELECTROMAGNETIC OBSERVATIONS IN YUNNAN PROVINCE

SUN Wei-huai1)TANG Ji2)ZHANG Ping3)YANG Xue-hui1)

1)Tonghai Station of Yunnan Earthquake Administration，Tonghai，Yunnan 652700，China
2)Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
3)Precursory Observation Network，Yunnan Earthquake Administration，Kunming 650023，China

Located in an earthquake-prone region，the geological structures in Yunnan Province are complex.Taking into account that Tonghai County is located at the intersection of Xiaojiang Fault and Honghe Fault，an F － 4M ELF electromagnetic instrument was installed at Tonghai seismic station，which has produced continuous reliable data.The author collected the data and information of the year 2009 ＆ 2010，and did analysis on the variation characteristics of both geomagnetic fields and electrical resistivity.The result shows that the 1Hz and 39Hz electromagnetic power spectra are 0.2 to 1.4 orders of magnitude higher than the normal values immediately before many earthquakes.The anomalies are represented by the abrupt changes of the electric and magnetic field power spectra in earthquake and aftershock sequences，and the amplitude of change is related to the size of earthquake magnitude and the epicentral distance.The electrical resistivity also changes obviously.So，further research on the anomalous characteristics of ELF electromagnetic data will be meaningful to the use of this instrument in earthquake prediction in the future.

ELF，electromagnetic，power spectrum，apparent resistivity，short-impending anomaly

P631.3+25

A

0253－4967(2012)03－0488－12

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2012.03.010

2011－09－27收稿，2012－06－30改回。

中国地震局2010年度地震监测、预报、科研三结合课题“超低频电磁观测在云南及邻区地震预报中的应用研究”资助。

孙维怀，男，1977年生，云南大学地球物理专业毕业，工程师，主要从事电磁学的观测与应用研究，电话:13887766282，E －mail:sunweihmail@sina.com.cn。