雍珊珊 王新安 郭琴夢(mèng) 劉聰 楊超 王晶 蔣冰慧

北京大學(xué)深圳研究生院集成微系統(tǒng)科學(xué)與工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室, 深圳518055; ? E-mail: yongshanshan@pku.edu.cn

地震電磁擾動(dòng)觀測(cè), 即電磁波觀測(cè)[1], 是捕捉地震短臨異常的方法之一。電磁擾動(dòng)現(xiàn)象在巖石破裂實(shí)驗(yàn)和地震事件中均存在, 一些觀測(cè)和研究也表明其具有臨震特性[2–8], 是重要的地震前兆。過(guò)去的研究中有大量關(guān)于地震電磁異常的報(bào)道, 其中以超低頻頻段居多。張建國(guó)等[9]發(fā)現(xiàn), 2008 年汶川地震之前, 地震中心周邊 20 Hz 以下的電磁擾動(dòng)信號(hào)在震前一個(gè)月出現(xiàn)異常, 其中距離較近的臺(tái)站電磁異常對(duì)應(yīng)的頻段相對(duì)較高。姜峰[10]利用滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)法分析岷縣–漳縣 6.5 級(jí)地震中心周邊的電磁信號(hào), 發(fā)現(xiàn) 0.01 Hz 的低頻頻段與地震序列出現(xiàn)較強(qiáng)的異步相關(guān)性。韓鵬[11]在分析 2000 年伊豆群島地震群期間日本 3 個(gè)觀測(cè)臺(tái)站的地磁信號(hào)時(shí), 發(fā)現(xiàn)小波變換的 db5 小波基對(duì)應(yīng)的 0.01Hz 頻段與地震有較強(qiáng)的相關(guān)性。Bernardi 等[12]、Hayakawa 等[13]和Smirnova 等[14]在對(duì)日本和美國(guó)加州地區(qū)的地震研究中也發(fā)現(xiàn)較普遍的超低頻頻段電磁異?，F(xiàn)象。

截至 2010 年, 全國(guó)范圍內(nèi)有電磁擾動(dòng)臺(tái)站約150 個(gè)。電磁擾動(dòng)臺(tái)以電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)為觀測(cè)對(duì)象, 觀測(cè)頻段覆蓋超低頻、甚低頻和低頻, 觀測(cè)儀器性能差異大, 埋設(shè)方式、標(biāo)記方法和觀測(cè)數(shù)據(jù)輸出形式不一致, 對(duì)觀測(cè)環(huán)境的要求以及實(shí)際所處的環(huán)境均不同, 使得針對(duì)這些觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析可信度和泛化性等均存疑。為了系統(tǒng)性地論證地震電磁擾動(dòng)分量的異常變化與地震的相關(guān)性, 本團(tuán)隊(duì)研制了多分量地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)(AETA), 并在全國(guó)范圍進(jìn)行廣泛的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析[15–17], 提供了長(zhǎng)期、穩(wěn)定和一致性較好的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

本文基于 AETA 電磁擾動(dòng)的觀測(cè)數(shù)據(jù), 對(duì)信號(hào)來(lái)源和地震相關(guān)性進(jìn)行分析, 探討 AETA 電磁擾動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和適用性, 期望可以對(duì)基于電磁擾動(dòng)的地震短臨前兆觀測(cè)及其應(yīng)用于地震短臨預(yù)測(cè)的可信度和泛化性進(jìn)行討論。

1 AETA 電磁擾動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與分析方法

1.1 AETA 電磁擾動(dòng)觀測(cè)

多分量地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng) AETA 由地聲傳感探頭、電磁傳感探頭、地面處理終端以及云平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析系統(tǒng)組成, 用于感知來(lái)自地下的電磁擾動(dòng)和地聲信號(hào), 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其變化。采集的數(shù)據(jù)通過(guò)有線或無(wú)線傳輸?shù)皆破脚_(tái), 可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)訪問(wèn)云平臺(tái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。AETA 系統(tǒng)的框架和實(shí)物照片如圖 1 所示。

圖1 AETA 系統(tǒng)的框架(左)和實(shí)物照片(右)Fig. 1 System diagram (left) and picture (right) of AETA

截至目前, 我們已經(jīng)在川滇藏、首都圈、廣東和臺(tái)灣等地區(qū)布設(shè) 221 個(gè) AETA 臺(tái)站, 累計(jì)觀測(cè)時(shí)間為 3 年多, 積累了豐富的觀測(cè)數(shù)據(jù)。AETA 電磁擾動(dòng)傳感探頭采用自主研發(fā)的感應(yīng)式磁傳感器[18],將傳感與信號(hào)采集和供電集成在一起, 采用直流供電, 其輸出為數(shù)字信號(hào)。電磁擾動(dòng)傳感探頭的性能參數(shù)如下: 1) 頻率范圍為 0.1 Hz～10 kHz; 2) 動(dòng)態(tài)范圍為 0.1～1000 nT; 3) 靈敏度>20 mV/nT@0.1 Hz～10 kHz; 4) 數(shù)據(jù)分辨率為 18 bits; 5) 直徑為 90 mm, 高度為 850 mm, 線纜長(zhǎng)度為 40 m。

AETA 電磁傳感探頭觀測(cè)的原始數(shù)據(jù)分為<200 Hz 的低頻數(shù)據(jù)和<10 kHz 的全頻數(shù)據(jù), 圖 2 為一個(gè) 1 秒鐘的低頻原始數(shù)據(jù), 采樣頻率為 500 Hz。

由圖 2 可以看出, 電磁擾動(dòng)低頻原始數(shù)據(jù)的信號(hào)形態(tài)以正弦波為主。通過(guò)小時(shí)、天甚至更長(zhǎng)的時(shí)間尺度觀測(cè), 發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)變化分為兩種: 一種是形態(tài)變化, 如正弦波變鋸齒狀和不規(guī)則狀; 另一種是信號(hào)幅度變化。第一種情況往往是信號(hào)的頻率成分發(fā)生變化, 第二種情況是信號(hào)的幅度因外界場(chǎng)或源的調(diào)制作用而發(fā)生改變。為了反映這兩種變化, 本文提出幅度均值和峰值頻率兩種特征值。幅度均值是按照取 1 分鐘內(nèi)信號(hào)幅值的平均值作為特征值輸出,得到電磁擾動(dòng)的均值, 電磁擾動(dòng)均值分為<200 Hz的低頻均值和<10 kHz 的全頻均值。峰值頻率是通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變化提取頻譜圖, 選取其中占比最大的頻率值為峰值頻率。AETA 云平臺(tái)對(duì)實(shí)時(shí)采集的電磁擾動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值和峰值頻率提取的計(jì)算。

圖2 AETA 電磁擾動(dòng)低頻原始數(shù)據(jù)Fig. 2 AETA electromagnetic original data in low frequency range

1.2 分析方法

本文采用對(duì)比法和震例關(guān)聯(lián)法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。對(duì)比法是對(duì)地表環(huán)境中電磁信號(hào)的干擾來(lái)源進(jìn)行總結(jié), 然后與 AETA 電磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)變化進(jìn)行比對(duì), 判斷其是否相關(guān)。

震例關(guān)聯(lián)法是通過(guò)提取震前一定時(shí)間范圍內(nèi)AETA 電磁擾動(dòng)均值特征的特殊形態(tài)和異常波動(dòng),以及 AETA 電磁擾動(dòng)峰值頻率頻段分布, 與地震事件關(guān)聯(lián)分析來(lái)判斷是否存在相關(guān)性。選取的地震事件為過(guò)去 3 年觀測(cè)期間發(fā)生在 AETA 覆蓋區(qū)域內(nèi)及邊緣地帶的兩次 Ms 6.0 級(jí)以上地震事件: 2017 年 8月 8 日 21:19:46 四川省九寨溝縣(103.82°E, 33.20°N)Ms 7.0 級(jí)地震, 2019 年 6 月 17 日 22:55:43 四川宜賓市長(zhǎng)寧縣(104.90°E, 28.34°N) Ms 6.0 級(jí)地震。

本文采用的 AETA 電磁擾動(dòng)信號(hào)的特征形態(tài)為電磁擾動(dòng)日周期波動(dòng)(圖 3(a), (b)和(d))和 SRSS 波(Sunrise & Sunset, 圖 3(c))[19]。日周期波動(dòng)(即電磁擾動(dòng))均值呈現(xiàn)日周期變化規(guī)律, 全國(guó)范圍的 AETA臺(tái)站都發(fā)現(xiàn)該均值形態(tài), 包括地震頻發(fā)區(qū)與地震少發(fā)區(qū)。日周期變化規(guī)律并非在每個(gè)臺(tái)站的每個(gè)時(shí)段都可以觀察到, 該信號(hào)的出現(xiàn)在時(shí)間和空間上均有一定的選擇性。在日周期的變化中有一種特殊的變化形態(tài), 該形態(tài)的變化與所處臺(tái)站的日升日落同步,日升時(shí)均值階躍下降并保持, 日落時(shí)均值階躍上升并保持, 我們稱其為日升日落波形 SRSS。該波形具有較強(qiáng)的時(shí)空選擇性, 我們?cè)诓糠?AETA臺(tái)站發(fā)現(xiàn) SRSS 波, 出現(xiàn)該波形的臺(tái)站占比約為10%, 大多數(shù)在地震頻發(fā)或歷史大震區(qū)。

圖3 AETA 電磁擾動(dòng)均值日周期波動(dòng)示例[19]Fig. 3 Example of daily periodic AETA electromagnetic average data[19]

本文采用的異常波動(dòng)提取方法為異常波形描述法, 根據(jù)對(duì)震前 10 天內(nèi)數(shù)據(jù)波動(dòng)的變化情況確定是否為異常。對(duì)于日周期波形采用 PCA[14]分析方法,對(duì)于非日周期的波動(dòng), 采用標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算波動(dòng)值, 以10 天為時(shí)間窗口, 計(jì)算該時(shí)間窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差, 識(shí)別波動(dòng)較大的區(qū)域及其空間分布。

2 AETA 電磁擾動(dòng)觀測(cè)的信號(hào)來(lái)源與機(jī)理

2.1 大地電磁場(chǎng)觀測(cè)噪聲與 AETA 電磁擾動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比

在地表環(huán)境中測(cè)量電磁場(chǎng)信號(hào), 必然會(huì)受環(huán)境噪聲和人文噪聲的干擾, 導(dǎo)致數(shù)據(jù)的可解釋性和可靠性受到嚴(yán)重影響。已知的環(huán)境噪聲和人文噪聲分為雷電干擾、磁暴與磁亞爆、地磁脈動(dòng)以及工頻干擾[20]。雷電噪聲以 3～30 kHz 的甚低頻電磁信號(hào)為主[21], 且呈現(xiàn)時(shí)間上的短時(shí)(微妙)波動(dòng)。AETA 的觀測(cè)信號(hào)在 10 kHz 范圍內(nèi), 信號(hào)分為<200 Hz 的低頻均值和<10 kHz 的全頻均值信號(hào), 本文使用的所有數(shù)據(jù)均為<200 Hz 的低頻均值, 雷電噪聲對(duì)這個(gè)頻段的數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生顯著的或可識(shí)別性的影響。磁暴與磁亞爆信號(hào)分為急始型和緩始型, 前者通常以發(fā)生突然的跳躍性變化為主, 在全球均可觀測(cè)到;后者則表現(xiàn)為緩慢增加, 很難精確地定位發(fā)生的具體時(shí)間, 但持續(xù)時(shí)間通常為一天到幾天, 頻率為幾十分鐘的單個(gè)脈沖[22]。本文選取 2018 年 5 月 27 日和 2018 年 9 月 9 日兩次磁暴, 對(duì)應(yīng)的時(shí)間范圍分別為 6 月 6 至 6 月 22 日和 9 月 2 日至 9 月 17 日。將兩次磁暴對(duì)應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)的 Dst 指數(shù)(來(lái)自日本京都地磁數(shù)據(jù)中心, http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstae/index.html)和同時(shí)期分布在全國(guó)范圍內(nèi) 7 個(gè) AETA 觀測(cè)臺(tái)站的電磁擾動(dòng)均值數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比, 分析磁暴對(duì)電磁擾動(dòng)信號(hào)的干擾影響, 結(jié)果如圖 4 所示。

由圖 4 可以看出, 在磁暴期間, Dst 指數(shù)劇烈變化, 7 個(gè) AETA 臺(tái)站的電磁擾動(dòng)均值幾乎不受影響。在 2018 年 5 月 27 日的磁暴期間, LJ 臺(tái)(26.9°N,100.23°E)的電磁擾動(dòng)均值波動(dòng)有規(guī)律地變化, 從無(wú)波動(dòng)變?yōu)槿罩芷诓▌?dòng)。該變化始于磁暴期間, 但磁暴結(jié)束后, 日周期的波動(dòng)仍然保持, 所以此變化與本次磁暴不相關(guān)。

圖4 AETA 電磁擾動(dòng)均值波動(dòng)與兩次磁暴數(shù)據(jù)Fig. 4 Fluctuation of AETA electromagnetic average data and two magnetic storms data

一般認(rèn)為, 地磁脈動(dòng)是低于 1 Hz 的低頻電磁場(chǎng), 屬于短周期變化, 振幅范圍在幾十 nT 內(nèi), 持續(xù)時(shí)間為幾分鐘至幾小時(shí), 其形態(tài)可分為兩大類, 一類為連續(xù)脈動(dòng)(Pc), 另一類為不規(guī)則脈動(dòng)(Pi)。在AETA 的電磁信號(hào)中也可觀察到類似的變化形態(tài),對(duì)地磁脈動(dòng)與地震的相關(guān)性已有一些研究[23–24]。本文認(rèn)同地磁脈動(dòng)變化可能與地震相關(guān), 可能是AETA 電磁觀測(cè)的信號(hào)來(lái)源之一。

AETA 電磁傳感探頭的頻譜范圍涵蓋工頻頻段,信號(hào)中不可避免地會(huì)包含環(huán)境中的工頻信號(hào)。對(duì)AETA 電磁擾動(dòng)原始信號(hào)的分析表明, 工頻信號(hào)是作為一個(gè)載波信號(hào)而存在。AETA 臺(tái)站多數(shù)分布在專業(yè)的地震臺(tái), 少數(shù)分布在單位辦公區(qū)和學(xué)校等,因此環(huán)境中的工頻噪聲特征相對(duì)較弱, 并且穩(wěn)定。AETA 電磁均值數(shù)據(jù)的變化存在多種形態(tài), 包括向上或向下的尖脈沖、階躍跳變保持和趨勢(shì)性變化等, 部分臺(tái)站的數(shù)據(jù)形態(tài)還具有日周期特征和日升日落同步變化的特征。因此, 我們認(rèn)為 AETA 電磁擾動(dòng)傳感探頭觀測(cè)的信號(hào)雖然包含工頻信號(hào), 但電磁擾動(dòng)體現(xiàn)的并不是工頻信號(hào)的變化特征, 而是其他來(lái)源, 可能與地震的發(fā)生相關(guān)。

2.2 AETA 電磁擾動(dòng)觀測(cè)信號(hào)來(lái)源分析

根據(jù)電磁擾動(dòng)傳感探頭的感知原理, 并結(jié)合麥克斯韋方程式, 對(duì) AETA 電磁擾動(dòng)信號(hào)來(lái)源進(jìn)行理論推導(dǎo)。

根據(jù)電磁場(chǎng)基本理論, 麥克斯韋方程組的表示如下:

D,E,B和H分別是電位移矢量、電場(chǎng)、磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng),δf和jf分別是自由電荷和傳導(dǎo)電流,ε,μ和σ分別為介質(zhì)的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。

AETA 電磁擾動(dòng)傳感探頭以磁感應(yīng)的方式探測(cè)電磁場(chǎng)中的磁場(chǎng)變化。根據(jù)實(shí)際觀測(cè)的信號(hào)可知,磁場(chǎng)信號(hào)的頻率成分相對(duì)穩(wěn)定, 以幅值變化為主。電磁傳感探頭的磁感應(yīng)公式如下:

其中,e(t)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),N為感應(yīng)線圈匝數(shù),S0為磁芯橫截面積,μa為有效導(dǎo)磁率,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

由于 AETA 只觀測(cè)垂直的磁場(chǎng)變化, 因此假設(shè)水平磁場(chǎng)變化分量為 0。將式(8)代入麥克斯韋方程組的式(2)中, 可得

根據(jù)式(5), 式(9)可等價(jià)為

由于 AETA 電磁傳感探頭只檢測(cè)垂直的感應(yīng)磁場(chǎng),因此式(9)中只包含垂直分量, 式(10)中的x和y分量為 0。所以式(10)可簡(jiǎn)化為

假定驅(qū)動(dòng)自由電荷運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)背景場(chǎng)為一個(gè)固定的交變場(chǎng), 自由電荷在水平面上的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閱我环较?。進(jìn)一步假設(shè)在水平面上, 電位移矢量D只有一個(gè)方向, 即假設(shè)Dy=0, 則式(11)可簡(jiǎn)化為

式(12)可進(jìn)一步推導(dǎo)如下:

根據(jù)式(9)和(14)可得

再根據(jù)式(1)可知

由于電位移矢量D的垂直分量引起的磁場(chǎng)變換不在檢測(cè)范圍內(nèi), 同時(shí)水平面上只保留x分量的值, 因此式(16)可以簡(jiǎn)化為

由式(15)和(17)可得

由此,

根據(jù)式(19)可知, AETA 電磁擾動(dòng)傳感探頭感知的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與其周邊的自由電荷呈正比:

根據(jù)上述推導(dǎo)可知, 傳感器感知的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)與所處區(qū)域內(nèi)的自由電荷相關(guān)。自由電荷的數(shù)量變化會(huì)在傳感探頭上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)電磁學(xué)理論, 自由電荷必須在外場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下變速運(yùn)動(dòng)才可以產(chǎn)生電磁場(chǎng)。因此, 我們認(rèn)為環(huán)境中的背景交變電磁場(chǎng)為這些自由電荷的運(yùn)動(dòng)提供了外力, 從而產(chǎn)生感生交變磁場(chǎng)。

2.3 AETA 電磁擾動(dòng)觀測(cè)的信號(hào)源機(jī)理

地震電磁學(xué)的物理基礎(chǔ)關(guān)注源和介質(zhì)。根據(jù)地下應(yīng)力積累導(dǎo)致巖石破裂產(chǎn)生地震的猜想, 人們將破裂過(guò)程中微裂隙發(fā)育過(guò)程與伴隨的電磁輻射現(xiàn)象相聯(lián)系。丁鑒海等[25]開展室內(nèi)巖石破裂實(shí)驗(yàn), 觀察到電磁輻射現(xiàn)象, 并研究電磁輻射的頻段、方向性和信號(hào)特征, 分析地震前兆產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素。還有一些研究發(fā)現(xiàn)巖石在破裂過(guò)程中發(fā)射帶電粒子[26–28], 其輻射機(jī)制可能是巖石破裂過(guò)程中摩擦產(chǎn)生熱輻射和壓電效應(yīng), 或者是斷裂面上電荷分離產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng), 使得空氣擊穿放射電子。

AETA 電磁擾動(dòng)觀測(cè)信號(hào)源可能來(lái)自環(huán)境中的自由電荷量變化, 這與文獻(xiàn)[26–28]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。另外, 我們?cè)谟^測(cè)中發(fā)現(xiàn), 1 Hz 以下的超低頻信號(hào)占主要比例, 比如在 2019 年 6 月 13 日樂(lè)山地區(qū)的五通橋臺(tái)發(fā)現(xiàn)超低頻的信號(hào)(深灰色), 如圖 5所示。我們通過(guò)對(duì)九寨溝防震減災(zāi)局 AETA 臺(tái)2019 年 3—7 月的電磁擾動(dòng)頻率成分分析, 也發(fā)現(xiàn) 5 Hz 以下的信號(hào)強(qiáng)度變強(qiáng)(圖 6 中方框標(biāo)識(shí)的深灰色),與周邊 150 km 范圍內(nèi)的地震(灰色豎線)具有較好的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系。這與巖石破裂實(shí)驗(yàn)中釋放超低頻(0.01～20 Hz)電磁輻射信號(hào)[2]相符。

圖5 五通橋AETA 臺(tái)2019 年6 月13 日某3 分鐘電磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)頻率成分占比Fig. 5 Frequency component proportion of a 3-minute electromagnetic disturbance data from Wutongqiao AETA station on June 13, 2019

圖6 九寨溝防震減災(zāi)局AETA 臺(tái)站2019 年3—7 月電磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)頻率成分占比Fig. 6 Frequency proportion of electromagnetic disturbance data from Jiuzhaigou AETA station from March to July 2019

根據(jù)赫姆霍茲方程, 電磁場(chǎng)在地下介質(zhì)中振幅衰減到地面振幅值的 1?e時(shí), 為趨膚深度或穿透深度δ[29]:

假定地球介質(zhì)電阻率為 500 ?m, 頻率為 1 Hz的信號(hào)的穿透深度為 11 km。因此我們觀測(cè)到的 1 Hz 以下超低頻信號(hào)很可能來(lái)自震源處。

假設(shè)環(huán)境中的工頻交變電磁場(chǎng)是驅(qū)動(dòng)地表自由電荷運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)源之一, 可根據(jù)式(21)計(jì)算得到工頻交變電磁場(chǎng)可穿透的地下介質(zhì)深度約為 1.57 km。那么震源處釋放的電子流是否可以從震源處的地方傳遞到地表 1.57 km 以內(nèi)的區(qū)域呢？

通過(guò)分析, 我們發(fā)現(xiàn)電磁擾動(dòng)均值的日周期、日升日落同步和保持型階躍跳變的特性以及這些特性的時(shí)空選擇性, 并得出這些信息并不是人為活動(dòng)引起, 也不是單純由太陽(yáng)和月球的作用引起, 其變化與來(lái)自地球內(nèi)部某種信號(hào)或物質(zhì)性質(zhì)的變化相關(guān)。He 等[30]觀察到電離層的電子密度變化, 并提出地表電荷與空間電離層的空間電荷形成互相感應(yīng)的場(chǎng), 用來(lái)解釋空間電離層在大震前異常的物理機(jī)理。在空間有電荷數(shù)目的變化, 可以推斷在對(duì)應(yīng)的地表也有類似的變化。我們認(rèn)為地表的電荷數(shù)目變化與來(lái)自地球深處(如地幔)大量帶電粒子的溢出相關(guān)。

可以將地球粗略地劃分為地殼、地幔以及地核(硬核和軟核), 在地幔中有大量熔融物質(zhì)在做對(duì)流運(yùn)動(dòng)。熔融物質(zhì)中存在很多帶電粒子, 隨著熔融物質(zhì)在地殼內(nèi)的對(duì)流運(yùn)動(dòng), 在地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)的離心力作用下不斷沖擊地殼, 使得在地殼的不同位置可能不斷地溢出帶電粒子至地表, 尤其是在孕震區(qū)域, 溢出量相對(duì)較大。公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)綜合作用下的離心力在白天和晚上存在差別, 與 AETA 電磁擾動(dòng)傳感探頭觀測(cè)到的日升日落同步的幅值變化相對(duì)應(yīng)。

3 AETA 電磁擾動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與地震的相關(guān)性

我們以九寨溝 Ms 7.0 地震和長(zhǎng)寧 Ms 6.0 級(jí)地震為實(shí)例, 分析 AETE 電磁擾動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與地震的相關(guān)性。截至 2020 年初, 全國(guó)在網(wǎng)運(yùn)行的 AETA 臺(tái)站達(dá) 221 個(gè)。如圖 7 所示, 本研究使用的臺(tái)站均分布在川滇地區(qū), 共計(jì) 140 多個(gè)臺(tái)站。

圖7 川滇地區(qū) AETA 臺(tái)站分布以及九寨溝 Ms 7.0 地震和長(zhǎng)寧 Ms 6.0 地震震中位置Fig. 7 Distribution of AETA stations in Sichuan-Yunnan region and epicentre locations of Jiuzhaigou Ms 7.0 and Changning Ms 6.0 earthquakes

3.1 九寨溝縣 Ms 7.0 級(jí)地震震前 AETA 數(shù)據(jù)分析

2017 年 8 月 8 日 21:19:46 在四川省九寨溝縣(103.82°E, 33.20°N)發(fā)生 Ms 7.0 級(jí)地震, 震源深度為 20 km。此次地震發(fā)生前, 四川省共有 AETA 觀測(cè)臺(tái)站 36 個(gè)。對(duì)地震前 10 天內(nèi)的 AETA 電磁擾動(dòng)均值進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)有 10 個(gè)臺(tái)站出現(xiàn) SRSS 波。通過(guò) PCA 分析, 我們發(fā)現(xiàn)在九寨溝防震減災(zāi)局臺(tái)站(104.25°E, 33.26°N)出現(xiàn)漸變的熱條帶, 距離震中約 40 km (圖 8)。該條帶在震前 4 天出現(xiàn), 一直持續(xù)到震后 15 天, 在此期間地震余震頻發(fā)[16,31]。這樣的異常信號(hào)通常出現(xiàn)在地震發(fā)生前幾天到十幾天以內(nèi), 屬于典型的臨震異常信號(hào)。

圖8 九寨溝Ms 7.0 級(jí)地震前電磁SRSS 波以及異常臺(tái)站分布和九寨溝臺(tái)站PCA 分析結(jié)果Fig. 8 Distribution of electromagnetic SRSS waves and anomalous stations before the Jiuzhaigou Ms 7.0 earthquake and PCA anomaly in Jiuzhaigou Station

出現(xiàn) SRSS 波的臺(tái)站主要分布在兩個(gè)斷裂帶上,一個(gè)是九寨溝–松潘–青川–茂縣–寶興縣條帶, 屬于龍門山斷裂帶區(qū)域; 另一個(gè)是金川–寶興–峨眉–犍為縣條帶, 屬于鮮水河斷裂帶區(qū)域。冕寧和西昌小廟兩個(gè)臺(tái)站位于歷史大震區(qū)。

對(duì)此次地震前 10 天的非日周期的臺(tái)站電磁擾動(dòng)均值以及所有臺(tái)站的地聲均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 發(fā)現(xiàn)多個(gè) AETA 臺(tái)站的電磁擾動(dòng)和地聲均出現(xiàn)明顯波動(dòng)(圖 9)。由于此次地震前, 四川有 AETA 臺(tái)站數(shù)量有限, 尤其是震中周邊區(qū)域臺(tái)站數(shù)據(jù)較少, 因震中附近信號(hào)波動(dòng)不明顯, 而是以 SRSS 波分布及其變化為主。根據(jù)波動(dòng)明顯臺(tái)站的數(shù)據(jù), 在四川省主要的大斷裂帶以及歷史大地震區(qū)都出現(xiàn)不同程度的震前異常。

圖9 九寨溝Ms 7.0 級(jí)地震前10 天川滇AETA 臺(tái)站電磁擾動(dòng)和地聲波動(dòng)情況Fig. 9 Electromagnetic disturbance and acoustic fluctuation of Sichuan-Yunnan AETA stations 10 days before the Jiuzhaigou Ms 7.0 earthquake

3.2 長(zhǎng)寧縣 Ms 6.0 級(jí)地震震前 AETA 數(shù)據(jù)分析

2019 年 6 月 17 日 22:55:43 四川省宜賓市長(zhǎng)寧縣(104.90°E, 28.34°N)發(fā) 生 Ms 6.0 級(jí) 地 震, 持 續(xù) 到2019 年 7 月 18 日, 宜賓市周邊發(fā)生多次強(qiáng)震。

此次地震前, 川滇地區(qū)共有 15 個(gè) SRSS 波臺(tái)站,其中 13 個(gè)臺(tái)站分布在四川省, 且主要集中在甘孜–爐霍–小金–寶興–樂(lè)山–犍為條帶上。與該條帶對(duì)應(yīng)的主要斷裂帶為鮮水河斷裂帶以及該斷裂帶往東南的延長(zhǎng)線, 此次地震震中就在該延長(zhǎng)線的東南邊緣,在歷史大震區(qū)九寨溝縣和冕寧臺(tái)站也同步出現(xiàn)SRSS 波。采用 PCA 方法對(duì) SRSS 波臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 結(jié)果表明九寨溝防震減災(zāi)局臺(tái)站(104.25°E,33.26°N)在震前出現(xiàn)短時(shí)的高亮異常點(diǎn)(圖 10), 是典型的臨震異常。

圖10 宜賓長(zhǎng)寧Ms 6.0 級(jí)地震前SRSS 臺(tái)站分布和九寨溝臺(tái)站PCA 分析結(jié)果Fig. 10 Distribution of SRSS stations and PCA analysis results before Changning Ms 6.0 earthquake in Yibin and PCA anomaly in Jiuzhaigou Station

如圖 11 所示, 對(duì)此次地震前 10 天非日周期的臺(tái)站電磁擾動(dòng)均值以及所有臺(tái)站的地聲均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 發(fā)現(xiàn)多個(gè) AETA 臺(tái)站的電磁擾動(dòng)和地聲均出現(xiàn)明顯波動(dòng)。此次地震發(fā)生在 AETA 臺(tái)站覆蓋區(qū)域的西南邊緣, 周邊臺(tái)站不多, 但地震前樂(lè)山沐川防震減災(zāi)局臺(tái)站(103.9°E, 28.96°N)和冕寧的大橋鎮(zhèn)臺(tái)(102.19°E, 28.65°N)均出現(xiàn)顯著的地聲波動(dòng)。同時(shí),甘孜–爐霍–道孚–雅安–樂(lè)山–宜賓條帶自西北到東南也有一些臺(tái)站出現(xiàn)一定程度的地聲波動(dòng), 對(duì)應(yīng)鮮水河斷裂帶及其東南延長(zhǎng)線。電磁擾動(dòng)波動(dòng)顯著的臺(tái)站分布在青川–北川–汶川–雅安–西昌–麗江–大理–騰沖–隴川條帶上, 對(duì)應(yīng)龍門山斷裂帶及其西南延長(zhǎng)線。由此可知, 此次地震前, 四川省主要斷裂帶均出現(xiàn)一定程度的震前異常。

圖11 宜賓長(zhǎng)寧 Ms 6.0 級(jí)地震前 10 天川滇 AETA 臺(tái)站電磁擾動(dòng)和地聲波動(dòng)情況Fig. 11 Electromagnetic Disturbance and Acoustic fluctuation of Sichuan-Yunnan AETA stations 10 days before the Changning Ms 6.0 earthquake in Yibin

我們還發(fā)現(xiàn), 此次地震前, 川滇地區(qū)很多臺(tái)站均捕捉到 1 Hz 以下超低頻的電磁擾動(dòng)信號(hào)(圖 12)。這些臺(tái)站主要分布在龍門山斷裂帶相關(guān)的東北至西南延長(zhǎng)線上。然而, 震中并不在該條帶上。雖然我們觀測(cè)到與巖石微破裂輻射電磁波的實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)相符[2]的數(shù)據(jù), 但還不能依靠這些數(shù)據(jù)確定震中的位置。

圖12 宜賓長(zhǎng)寧 Ms 6.0 地震前出現(xiàn)超低頻信號(hào)的臺(tái)站分布和馬邊彝族臺(tái) 2019 年 6 月 13 日 12: 00 至 12:01 的頻譜圖Fig. 12 Distribution of the stations with ultra-low frequency signals before the Changning Ms 6.0 earthquake in Yibin and the spectrum of the Mabian Yi Station from 12:00 to 12:01 on June 13, 2019

4 總結(jié)

本文對(duì)多分量地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng) AETA 觀測(cè)數(shù)據(jù)的信號(hào)來(lái)源與地震前兆的相關(guān)性進(jìn)行分析。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)頻特點(diǎn), 與已知的大地電磁觀測(cè)的噪聲類型和特征進(jìn)行比對(duì), 排除了環(huán)境噪聲中雷電干擾和磁暴影響, 提出地磁脈動(dòng)是可能的信號(hào)波動(dòng)來(lái)源之一, 并認(rèn)為工頻信號(hào)的存在不影響數(shù)據(jù)的可識(shí)別性?；诖鸥袘?yīng)原理和麥克斯韋方程式推導(dǎo), 提出 AETA 電磁擾動(dòng)的觀測(cè)輸出可能來(lái)自地表的自由電荷變化和運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)地表自由電荷變化的物理機(jī)理進(jìn)行分析, 提出地震前 AETA 電磁擾動(dòng)的異?？赡芘c來(lái)自地幔熔融物質(zhì)中帶電粒子溢出至地殼有關(guān)。通過(guò)對(duì)與之相關(guān)的特征信號(hào)的捕捉和分析, 為地震短臨預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)依據(jù)和參考。

以 2017 年 8 月 8 日九寨溝 Ms 7.0 級(jí)地震和 2019年 6 月 17 日宜賓長(zhǎng)寧 Ms 6.0 級(jí)地震為例, 分析電磁擾動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與地震的相關(guān)性。根據(jù)兩次地震前AETA 電磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)的情況, 我們提出 SRSS 波會(huì)在主要的大斷裂帶分布區(qū)域存在, 如果出現(xiàn)基于PCA 分析的異常高亮條帶, 則預(yù)示著強(qiáng)震風(fēng)險(xiǎn)。在基于異常判定識(shí)別方法提取電磁擾動(dòng)異常的分析中, 發(fā)現(xiàn)兩次強(qiáng)震前, 在主斷裂帶區(qū)域會(huì)出現(xiàn)時(shí)空聯(lián)動(dòng)的異常現(xiàn)象。在震前主斷裂帶及其延長(zhǎng)線上,多個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)超低頻的電磁擾動(dòng)信號(hào)?；谝陨戏治? 我們認(rèn)為 AETA 電磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)能夠反應(yīng)強(qiáng)震前大斷裂帶及其延長(zhǎng)線或平行的條帶上時(shí)空聯(lián)動(dòng)的異常。但是, 基于這些異常進(jìn)行震中、臨震和震級(jí)的精確判定, 還需要進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證。