多分量地震监测系统AETA在张家口地区的应用

宋晓煜 ，李智豪*，刘仲韬，郭凤霞，郝丽

(1.张家口地震监测中心站，河北 张家口 075400；2.河北省地震局，河北 石家庄 050021)

0 引 言

中国属于地震频发国家，全国多个城市位于高烈度区，破坏性地震的发生将会给这些城市造成巨大损失[1]。地震监测是探测地震发生前、发生时以及发生后地球发出的一些信号，通过对地震发生时地震波的监测，能够快速准确地获得地震的发生时刻、位置及破坏程度等重要信息，是防震减灾及应急救援工作的基础依据。而监测地震发生前信号(即前兆信号)的异常变化[2-5]，以及研究这些异常变化与地震的关系，可用于预测地震。

1948年10月中亚阿什哈巴德发生7.5级地震，当时的水文地质工程师意外发现震前水氡浓度异常增高，震后恢复，这一事件引起了前苏联地震学家的注意，认为地震是有前兆的。随后，各国陆续开展了地震预测方法的研究[6]。1975年2月4日的辽宁海城7.3级地震发生之前，震中附近多地探测到了地倾斜、地下流体及大地电流等前兆信号异常[7]，这是世界上第一次成功预测7.0级以上地震的案例，政府在震前向社会发布了地震信息、疏散了人口，极大地减少了伤亡，然而，之后全球范围内的大地震预测中，胜少败多，地震预测依然是全球性的科学难题[6]，目前仍然没有探索出一种可靠的地震预报方法，地震预报任重而道远。

邱泽华认为地震前兆研究受到个案观测严重不足的限制，提出应适当加大区域前兆台网密度[8]。随后，王新安等提出来一种能够支持大区域、高密度布设的多分量地震监测系统—AETA(acoustic & electro-magnetic testing all in one system)，且若干点的实验观测数据在一定程度上反映了映震效果[9]。吕亚轩等通过对九寨沟Ms7.0级地震前后AETA系统观测的电磁场变化特征分析，提出一种新的临震特征，即电磁信号的条带异常[10]。然而，利用AETA系统预测地震是否受地质构造的影响，集中于四川地区的研究结论是否适用于其他地区，均不得而知，故对多分量地震监测系统AETA在张家口地区的应用进行分析研究，以期解决上述疑问。

1 多分量地震监测系统

多分量地震监测系统是由北京大学深圳研究生院集成微系统实验室开发的一套多分量集成地震前兆观测仪器，如图1所示，该系统由地声传感探头、电磁传感探头、地面处理终端，及云平台数据存储和分析系统组成。地声传感探头和电磁传感探头埋设于地下2米或山洞，终端放置在室内，通过有线或无线网络将数据发送到云平台。该系统主要专注于地声及电磁扰动两个分量的监测。具体监测指标如下：

(1)地声监测：监测频段0.1 Hz～50 kHz，从次声波、声波到部分超声波波段。

(2)电磁监测：监测0.1 Hz～10 kHz，0.1 nT～1 000 nT较宽范围的甚低频、超低频电磁波段。

数据产出为以下两方面：

(1)均值：窗口时间内信号幅值的平均值，单位为 V (电压值)，用于标示窗口时间内的信号能量。

(2)振铃计数：窗口时间内正向穿越门槛阈值的点数，是信号变化频次的统计，用于检测是否存在异常的频次事件。

通过对临震、震时、震后过程的多种数据进行采集和记录，并实时通过无线网络发往监测中心，用于地震预测分析。

图1 多分量地震监测系统观测原理

目前在张家口地区安装有11套多分量仪器测点，其分布见图2。

图2 张家口地区测点分布

2 多分量震前异常

本文统计了近3年来张家口地区3级以上地震(表1)震前的多分量异常情况。其中，2019年9月28日蔚县3.1级地震前，11个观测点中有6个测点监测到了震前异常，分别是卧佛寺、张家口、赤城、海流图、张北、康保。2019年12月3日怀安县3.4级地震前，11个观测点中有6个观测点监测到了震前异常，分别是阳原、蔚县、尚义、赤城、张北、康保。2021年2月22日张北县3.0级地震前，11个观测点中有6个观测点监测到了震前异常，分别是海流图、张家口、赤城、怀安、后郝窑、蔚县。2021年6月12日张北县3.2级地震前，11个观测点中有5个观测点监测到了震前异常，分别是尚义、张家口、康保、后郝窑、蔚县。2021年6月22日张北县3.9级地震前，11个观测点中有5个观测点监测到了震前异常，分别是尚义、张家口、康保、后郝窑、蔚县。

表1 张家口近3年3级以上地震概况

(a)低频地声均值震前异常典型曲线； (b) 低频地声振铃计数震前异常典型曲线；(c) 低频电磁均值震前异常典型曲线；(d)低频电磁振铃计数震前异常典型曲线 图3 震前异常典型曲线

选取具有代表性的震前异常进行分析，发现低频地声均值的震前异常表现为单个突跳(图3a)，低频地声振铃计数的震前异常表现为接连突跳或曲线先缓慢上升后波动性变化(图3b)，低频电磁均值的震前异常均表现为方波形态(图3c)，低频电磁振铃计数的震前异常表现为连续几天出现单个突跳或接连突跳(图3d)。

3 分析与讨论

多分量仪器数据产出多，四种数据产出共可分为6种异常情况。但通过对近三年多分量仪器的观测数据分析可知，低频地声均值单个突跳、低频地声振铃计数接连突跳、低频电磁振铃计数单个突跳及接连突跳与发生地震的异常对应率较低，而低频地声振铃计数曲线先缓慢上升后波动性变化及低频电磁均值方波形态与发生地震的异常对应率很高。低频地声均值单个突跳、低频地声振铃计数接连突跳、低频电磁振铃计数单个突跳及接连突跳这4种异常形式出现频率高，每月都会有某些测点的某项数据产出出现上述异常，故推测上述4种异常形式可能是地下一些偏常态化的地声、地磁信号影响产生的，而非震前信号。低频地声振铃计数曲线先缓慢上升后波动性变化及低频电磁均值方波形态的异常形式出现频率较低，绝大多数是出现在地震发生前，故推测这两种异常形式才是真正记录到的地震前兆信号。

基于上述分析，2019年9月28日蔚县3.1级地震前，11个观测点中仅1个测点监测到了有效震前异常，即海流图；2019年12月3日怀安县3.4级地震前，11个观测点中有2个观测点监测到了有效震前异常，分别是尚义和赤城；2021年2月22日张北县3.0级地震前，11个观测点中无观测点监测到有效震前异常；2021年6月12日张北县3.2级地震前，11个观测点中无观测点监测到有效震前异常；2021年6月22日张北县3.9级地震前，11个观测点中有3个观测点监测到了有效震前异常，分别是张家口、康保和后郝窑。异常测点数量与震级有一定的关系，与震中距目前未发现明显关系。

综上所述，认为多分量仪器有一定的地震预报效果，主要参考低频地声振铃计数曲线先缓慢上升后波动性变化及低频电磁均值方波形态变化的异常信号。

4 结 语

通过对近三年张家口地区3级以上地震震前的多分量异常情况进行份析，发现多个台站记录到异常信息，可能是相应地震的前兆异常。结合近三年各测点多分量仪器观测数据分析，发现低频地声均值单个突跳、低频地声振铃计数接连突跳、低频电磁振铃计数单个突跳及接连突跳这4种异常形式并非震前异常信号，而低频地声振铃计数曲线先缓慢上升后波动性变化及低频电磁均值方波形态的异常形式属于震前异常信号，可用于地震预报。