韓 冰 湯 吉* 趙國(guó)澤 王立鳳 董澤義 范 曄 孫貴成

1)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)承德地震監(jiān)測(cè)中心站，河北 067000

0 引言

與地震相關(guān)的電磁異常研究一直是地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)領(lǐng)域渴望取得突破性進(jìn)展的方向。其中最受關(guān)注的是地震發(fā)生前的電磁異?；蛲接诘卣鹌屏阉查g直接輻射出的電磁異常(Honkuraetal.，2000；Hayakawaetal.，2010；Okuboetal.，2011)，這些信號(hào)在地震前出現(xiàn)，通常表現(xiàn)為電磁場(chǎng)幅值的逐漸增強(qiáng)或多個(gè)臺(tái)站同步出現(xiàn)尖峰異常，對(duì)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)意義重大。但是，這2種信號(hào)在實(shí)際的電磁場(chǎng)觀測(cè)中不易識(shí)別，且無(wú)法提供充分的證據(jù)確定此電磁信號(hào)與某次地震的孕育和發(fā)生有直接聯(lián)系。然而，地震波到達(dá)時(shí)引起的電磁場(chǎng)波動(dòng)，即地震波同震電磁信號(hào)是電磁觀測(cè)中確切與地震有直接聯(lián)系的一種信號(hào)。

早期的同震電磁信號(hào)研究主要基于地磁場(chǎng)觀測(cè)。Johnston等(1987，1994，2006)在North Palm Spring地震和Landers地震發(fā)生時(shí)觀測(cè)到地磁場(chǎng)的同震偏移。隨著觀測(cè)儀器的發(fā)展，利用高采樣率大地電磁儀可以對(duì)同震電磁信號(hào)的變化進(jìn)行更細(xì)致的觀測(cè)，如Honkura等(2000)、Matsushima等(2002)在Izmit地震及余震期間觀測(cè)到同震電磁信號(hào)，并將其應(yīng)用于地震精定位中。汶川地震后，湯吉等(2008，2010)在武都觀測(cè)到多次余震事件的同震電磁信號(hào)，徐光晶等(2009)也觀測(cè)到云南寧洱MS6.4 地震余震的同震電磁信號(hào)。這些同震電磁信號(hào)在波形和頻率上具有和地震波一致的特點(diǎn)，但相比于地震信號(hào)，同震電磁信號(hào)對(duì)電阻率、流體含鹽度和黏滯度等區(qū)域介質(zhì)的性質(zhì)更加敏感，可為研究地震波傳播機(jī)制、地震能量轉(zhuǎn)換及信號(hào)接收區(qū)近地表介質(zhì)的特性提供幫助(Huangetal.，2015)。與此同時(shí)，針對(duì)同震電磁信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理的研究也在不斷深入(Honkuraetal.，2004；高永新，2010；Huangetal.，2015；Renetal.，2015；Sunetal.，2019；Gaoetal.，2020；江鵬，2021)，不同學(xué)者提出了多種對(duì)觀測(cè)信號(hào)的解釋機(jī)制，如動(dòng)電效應(yīng)、地震發(fā)電機(jī)效應(yīng)、壓電效應(yīng)、壓磁效應(yīng)及磁棒旋轉(zhuǎn)感應(yīng)磁場(chǎng)效應(yīng)等。但由于地震孕育過(guò)程本身的復(fù)雜性，且受到構(gòu)造背景、記錄環(huán)境等多種因素的影響，使用單一的某種機(jī)制對(duì)觀測(cè)現(xiàn)象進(jìn)行解釋是很困難的(Gaoetal.，2020)，大多數(shù)同震電磁信號(hào)的產(chǎn)生是以某種機(jī)制為主導(dǎo)，其他各種機(jī)制共同作用的結(jié)果(Sunetal.，2019)。

由30個(gè)連續(xù)觀測(cè)電磁臺(tái)站組成的極低頻電磁臺(tái)網(wǎng)在近7a的觀測(cè)中記錄到多次地震的同震電磁信號(hào)。前人對(duì)同震電磁信號(hào)的研究大多數(shù)只針對(duì)某次地震及其余震的電磁場(chǎng)變化或機(jī)理，并未針對(duì)電磁信號(hào)變化幅值、延續(xù)時(shí)長(zhǎng)、頻率與震級(jí)、震中距、震源深度等變量之間的直接關(guān)系進(jìn)行研究。本文以極低頻臺(tái)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以同震電磁信號(hào)為主要研究對(duì)象，對(duì)近年來(lái)景谷臺(tái)周圍發(fā)生的中強(qiáng)地震引起的電磁波變化的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)振幅與震級(jí)的相互關(guān)系進(jìn)行了研究；另外，2014年10月景谷M6.6地震和2014年10月景谷M5.9地震發(fā)生后，周圍多個(gè)臺(tái)站記錄到了同震電磁信號(hào)，在時(shí)間域和頻率域?qū)@些信號(hào)進(jìn)行對(duì)比研究，以總結(jié)同震電磁信號(hào)的變化規(guī)律，并嘗試對(duì)其中一些特殊現(xiàn)象進(jìn)行解釋。

1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

依托“十一五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，“極低頻探地(WEM)工程”地震預(yù)測(cè)分系統(tǒng)建設(shè)了中國(guó)第1個(gè)同時(shí)觀測(cè)天然源電磁場(chǎng)(頻率范圍為1000～0.001Hz)和人工源電磁場(chǎng)(頻率范圍為300～0.1Hz)的地震電磁臺(tái)網(wǎng)，即CSELF(Control Source Extremely Low Frequency)臺(tái)網(wǎng)(趙國(guó)澤等，2003，2010，2012)。本文涉及的川滇地區(qū)臺(tái)站的分布情況如圖1 所示，這些臺(tái)站自2013年完成儀器安裝至今已記錄近7a的數(shù)據(jù)。各臺(tái)站統(tǒng)一布設(shè)了德國(guó)Metronix公司生產(chǎn)的大地電磁儀ADU-07e(王立鳳等，2016)，電傳感器為Pb-PbCl2電極，磁傳感器為MFS06e磁棒。儀器記錄5個(gè)分量的電磁場(chǎng)原始時(shí)間序列，包括NS向電場(chǎng)Ex、EW向電場(chǎng)Ey、SN向磁場(chǎng)Hx、EW向磁場(chǎng)Hy及垂直向磁場(chǎng)Hz。天然源有3個(gè)采樣率，其中4096Hz(高頻)和256Hz(中頻)每10min記錄1次數(shù)據(jù)，記錄時(shí)長(zhǎng)分別為4s和64s；16Hz(低頻)連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，但每周中止4min用于同步GPS時(shí)鐘。因高頻數(shù)據(jù)受到50Hz強(qiáng)信號(hào)干擾，使得同震電磁信號(hào)難以識(shí)別，本文只使用16Hz天然源低頻數(shù)據(jù)。

圖1 川滇地區(qū)極低頻觀測(cè)臺(tái)站的位置分布圖Fig.1 Distribution of CSELF stations in Sichuan and Yunnan.

2 同震電磁信號(hào)的特點(diǎn)與分析

2.1 景谷臺(tái)同震電磁信號(hào)分析

表1 地震的基本信息Table 1 General information of earthquakes

圖2 臺(tái)站及地震震中分布圖Fig.2 Distribution of CSELF stations and earthquakes.三角形表示極低頻臺(tái)站位置，圓圈表示地震震中

景谷臺(tái)站的連續(xù)記錄使我們可以獲取地震發(fā)生前、發(fā)生時(shí)及發(fā)生后電磁場(chǎng)的變化情況。圖3 為2015年11月13日景谷M4.6地震前18s—震后90s距離震中29.4km的景谷臺(tái)站記錄到的地震波形數(shù)據(jù)(圖3a—c)及電磁場(chǎng)波形數(shù)據(jù)(圖3d—h)，其中黑色虛線表示地震發(fā)生的時(shí)刻。為便于觀察同震信號(hào)的波形，我們對(duì)縱坐標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，各圖形左上角的值為歸一化時(shí)除以的倍數(shù)，實(shí)際數(shù)值為圖形顯示數(shù)值乘以倍數(shù)值。由圖可知，在地震發(fā)生約8s后，電磁場(chǎng)信號(hào)Ex、Ey、Hx、Hy、Hz的幅值明顯增強(qiáng)，其波形的整體特點(diǎn)與地震波相似，但電磁場(chǎng)不同分量之間的變化并不完全同步，在幅值及形態(tài)上都有明顯差異。圖4 展示了其他6次地震前后電磁場(chǎng)信號(hào)的變化曲線，從中可明顯觀察到不同震級(jí)對(duì)電磁場(chǎng)的影響差別很大。震級(jí)較大的幾次地震(圖4a，c，d)的同震電磁信號(hào)很強(qiáng)，在同一縱坐標(biāo)范圍內(nèi)，背景電磁場(chǎng)完全被壓成一條直線，無(wú)法看出其曲線形態(tài)；而震級(jí)較小(圖3，4b，4e)或震級(jí)雖大但震中距較遠(yuǎn)的地震(圖4f)，背景信號(hào)波形并未完全被壓制。

圖3 2015年11月13日景谷M4.6地震發(fā)生前后的地震波及電磁波變化時(shí)間序列Fig.3 Seismic and electromagnetic signals observed at Jinggu Station before and after Jinggu M4.6 earthquake on November 13，2015.由上到下分別為地震波分量BHE、BHN、BHZ和電磁場(chǎng)分量Ex、Ey、Hx、Hy、Hz，黑色虛線表示地震發(fā)生的時(shí)刻

圖4 各地震發(fā)生前后的地震波及電磁波變化時(shí)間序列Fig.4 Seismic and electromagnetic signals observed at Jinggu Station before and after each earthquake.空白表示數(shù)據(jù)缺失，黑色虛線表示地震發(fā)生時(shí)刻。其中圖a和f進(jìn)行了GPS校正

并非所有地震都能引起電磁波的同步變化。圖5 為云南墨江M4.1地震的地震波形數(shù)據(jù)(圖5a—c)和電磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)(圖5d—h)。地震波傳播至景谷臺(tái)時(shí)，僅在垂直磁場(chǎng)分量Hz中可觀測(cè)到同震電磁信號(hào)，其他分量并未出現(xiàn)明顯的同震信號(hào)。由此可知，當(dāng)?shù)卣鸩ㄒ鸬牡孛嬲饎?dòng)較小時(shí)，其引起的電磁場(chǎng)的變化量級(jí)與背景場(chǎng)相同甚至更低，此時(shí)無(wú)法觀察到或只能在某些分量中觀察到同震電磁信號(hào)。另外，電磁干擾較大臺(tái)站的電磁場(chǎng)背景噪聲很強(qiáng)，地面震動(dòng)引起的電磁波同震信號(hào)往往也難以被觀察到。這7次同震電磁信號(hào)的縱波與橫波的時(shí)間差很小，難以區(qū)分，故電磁場(chǎng)表現(xiàn)為幅值逐漸增強(qiáng)的特征，在面波到達(dá)時(shí)幅值達(dá)到最大值，然后逐漸衰減，最終回歸背景值。這些變化規(guī)律與地震波基本相同。

圖5 2018年9月8日墨江M4.1地震發(fā)生后的地震波及電磁波變化時(shí)間序列Fig.5 Seismic and electromagnetic signals observed at Jinggu Station after the Mojiang M4.1 earthquake on September 8，2018.

圖6 景谷M6.6地震后的時(shí)間序列細(xì)節(jié)圖Fig.6 The detail of time series after Jinggu M6.6 earthquake.

然而，臺(tái)站記錄到的2014年10月7日M6.6景谷地震的電磁信號(hào)與其他地震的記錄存在明顯差異。如圖4a 所示，電磁場(chǎng)在縱波到達(dá)時(shí)出現(xiàn)超強(qiáng)幅值的尖峰信號(hào)，但這種信號(hào)在地震波形數(shù)據(jù)中并未出現(xiàn)。為更清晰地觀察同震電磁信號(hào)形態(tài)，我們將電磁場(chǎng)各分量的縱軸修改為圖4a 的0.4倍，如圖6a 所示。從圖中可以觀察到，雖然地震波與電磁波有一些一致性，但其細(xì)節(jié)差異很大，地震波記錄由于幅值過(guò)大而出現(xiàn)了消頂現(xiàn)象，但在其保留的波形中可以觀察到地震波由縱波到橫波、面波的增強(qiáng)現(xiàn)象，且消頂現(xiàn)象多出現(xiàn)在面波達(dá)到之后的時(shí)段，由此可知電磁場(chǎng)的強(qiáng)尖峰變化并不是由地面震動(dòng)所引起的。為更清晰地觀察尖峰信號(hào)的形態(tài)，將時(shí)段限制在13：49：45—12：49：48之間，如圖6b 所示。可以看出，2個(gè)水平磁場(chǎng)為一個(gè)強(qiáng)尖峰前后伴隨一強(qiáng)一弱2個(gè)小尖峰，且同步出現(xiàn)，但NS向磁場(chǎng)與EW向磁場(chǎng)反向。而垂直磁場(chǎng)分量只有一個(gè)最強(qiáng)尖峰信號(hào)，且出現(xiàn)的時(shí)間晚于水平分量。我們對(duì)產(chǎn)生該信號(hào)的幾種可能性進(jìn)行了討論：1)Okubo等(2011)于日本Iwate-MiyagiM7.2地震時(shí)，在距離震中26km的電磁臺(tái)站也觀測(cè)到較強(qiáng)的電磁信號(hào)，該信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)間與地震發(fā)生時(shí)刻相同，被認(rèn)為是巖石破裂產(chǎn)生的電磁信號(hào)直接傳播至臺(tái)站所致，并通過(guò)模擬指出這種現(xiàn)象可能由壓磁效應(yīng)引起。但本文發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)電磁信號(hào)在地震發(fā)生后約6s與縱波同步出現(xiàn)，且該信號(hào)的頻率較高，與壓磁效應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)頻段不同，故認(rèn)為其不太可能是巖石破裂產(chǎn)生的信號(hào)。2)與其他震例對(duì)比發(fā)現(xiàn)，同震電磁信號(hào)與地震波在量級(jí)上正相關(guān)，當(dāng)?shù)孛嬲饎?dòng)較強(qiáng)時(shí)，同震電磁信號(hào)的幅值也相對(duì)越強(qiáng)，但本信號(hào)出現(xiàn)在P波初期，此時(shí)地面震動(dòng)最弱，故該電磁信號(hào)也不太可能由地面震動(dòng)所致，無(wú)法用地面強(qiáng)震動(dòng)對(duì)此信號(hào)進(jìn)行解釋。排除以上2種可能，則偶然電磁強(qiáng)干擾與地面震動(dòng)相互疊加或地震發(fā)生時(shí)儀器發(fā)生故障可能是引起電磁信號(hào)強(qiáng)烈變化的原因。

幅值是同震電磁信號(hào)中的重要參數(shù)。景谷臺(tái)與其附近發(fā)生的多次地震的震中距相差不大，為了對(duì)比震級(jí)對(duì)電磁波幅值的影響，我們計(jì)算了各地震震時(shí)與震前電磁場(chǎng)各分量最大幅值的比，并將結(jié)果繪制于圖7 中，其中橫軸為震級(jí)，縱軸為比值。由于本文涉及的震例中有2組相同震級(jí)，為顯示區(qū)別，菱形表示2014年12月景谷M4.7地震和2018年9月景谷M5.9地震，圓形表示另外2次同級(jí)地震。由圖可知，在震中距約為30km時(shí)，5級(jí)以下地震的電磁場(chǎng)水平分量將增強(qiáng)幾倍；約6級(jí)地震的電磁場(chǎng)水平分量將增強(qiáng)約1個(gè)數(shù)量級(jí)；對(duì)于6.6級(jí)景谷地震，其電磁場(chǎng)水平分量增強(qiáng)約2個(gè)數(shù)量級(jí)。垂直向磁場(chǎng)的增強(qiáng)倍數(shù)比水平分量更大，5級(jí)以下地震的增強(qiáng)幅度都可能超過(guò)1個(gè)數(shù)量級(jí)，6.6級(jí)地震的電磁波強(qiáng)度則可達(dá)背景值的1000倍。

圖7 振幅比與震級(jí)的關(guān)系Fig.7 Relation of EM amplitude ratio and the magnitude of the earthquakes.

震級(jí)與震源所釋放的能量有關(guān)，可表示為

lgE=4.8+1.5M

(1)

式中，M為震級(jí)，E為地震能量，單位為J。根據(jù)上式可推導(dǎo)出：

(2)

即：地震震級(jí)每提高1級(jí)，則地震能量提高約31.6倍；地震震級(jí)每提高2級(jí)，則地震能量提高1000倍。本文所討論的景谷M6.6與景谷M4.6地震具有相似的震源深度，2個(gè)地震的能量比為1000倍，我們也同樣計(jì)算出其電磁場(chǎng)強(qiáng)度的能量比(振幅比值的平方)，如表2 所示?？梢钥闯觯珽x分量最接近1000倍，2個(gè)水平磁場(chǎng)分量則在1500～3000倍之間，但垂直向磁場(chǎng)可達(dá)18568倍，這說(shuō)明同震電場(chǎng)可能主要以地面震動(dòng)引起的變化為主導(dǎo)，而磁場(chǎng)除受地面震動(dòng)引起的波動(dòng)外還存在其他方面的影響，特別是對(duì)于垂直分量而言。

表2 2次地震振幅增強(qiáng)對(duì)比值Table 2 Comparison of enhanced amplitude between the M6.6 and M4.6 earthquakes

2 次4.7級(jí)地震的震中距相近，但震源深度分別為8km和15.4km，可以看到除Hx分量外，震源較淺地震的同震電磁信號(hào)強(qiáng)度都大于或等于震源較深的地震。2次5.9級(jí)地震的震源深度相近，但震中距較大的墨江地震各分量電磁場(chǎng)的增強(qiáng)幅度都明顯小于震中距較小的景谷地震。綜上可知，震級(jí)、震源深度、電磁臺(tái)站所處位置對(duì)電磁場(chǎng)的變化都有不同程度的影響。Huang等(2015)通過(guò)模擬對(duì)比指出，震源較淺或震中距較小都可能引起更強(qiáng)的電磁場(chǎng)波動(dòng)，但并不是所有的震例都符合這樣的規(guī)律，下文將對(duì)一些特殊情況進(jìn)行展示和闡述。

2.2 2次較強(qiáng)地震

表3 地震及臺(tái)站信息Table 3 Information of earthquake and stations

圖8 景谷M6.6地震發(fā)生前后的電磁場(chǎng)時(shí)間序列圖Fig.8 Time series of electromagnetic field during the Jinggu M6.6 earthquake.空白表示數(shù)據(jù)缺失；虛線表示地震發(fā)生時(shí)刻

圖9 景谷M5.9地震發(fā)生前后的電磁場(chǎng)時(shí)間序列圖Fig.9 Time series of electromagnetic field during the Jinggu M5.9 earthquake.虛線表示地震發(fā)生時(shí)刻

圖8a—d分別顯示了景谷MS6.6 地震發(fā)生時(shí)景谷臺(tái)、牟定臺(tái)、新平臺(tái)和大理臺(tái)記錄到的同震電磁信號(hào)。由圖可知，4個(gè)臺(tái)站中一些分量都可以觀測(cè)到同震電磁信號(hào)，但其相互之間的幅值和形態(tài)都有較大區(qū)別：震中距越大，同震電磁信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間越晚，縱、橫波出現(xiàn)的時(shí)間差越大，同震電磁異常波動(dòng)的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。其中大理臺(tái)站最為明顯，異常從13：50：19開始出現(xiàn)，并延續(xù)至13：52：04，持續(xù)約2min，而景谷臺(tái)和新平臺(tái)的異常持續(xù)時(shí)間不足1min；在幅值上，隨著震中距的增加，電磁波動(dòng)幅值并沒(méi)有出現(xiàn)統(tǒng)一減小的趨勢(shì)。以Hx分量為例，由歸一化時(shí)各分量除以的數(shù)值(在各子圖左上角標(biāo)識(shí))可知景谷臺(tái)、牟定臺(tái)、新平臺(tái)和大理臺(tái)的最大振幅約為0.2nT、0.13nT、0.33nT和0.5nT。雖然大理臺(tái)站距離震中較遠(yuǎn)，但其變化幅值最高。圖9a—c給出了景谷MS5.9 地震發(fā)生時(shí)，景谷臺(tái)、牟定臺(tái)和大理臺(tái)的電磁場(chǎng)變化，這3個(gè)臺(tái)站同震電磁信號(hào)的變化規(guī)律與景谷MS6.6 地震相似；同樣，在震動(dòng)幅度上，3個(gè)臺(tái)站Hx分量的最大振幅分別約為0.06nT、0.04nT和0.1nT，距離震中最遠(yuǎn)的大理臺(tái)的變化幅值仍然最高，這說(shuō)明同震電磁信號(hào)的幅值與震中距相關(guān)性較為復(fù)雜，與臺(tái)站和震中的相對(duì)方位、該區(qū)域的構(gòu)造特點(diǎn)及臺(tái)站本身的地下電性結(jié)構(gòu)和整體干擾環(huán)境有關(guān)。Honkura等(2000)在研究Izmit地震時(shí)發(fā)現(xiàn)某個(gè)MT測(cè)點(diǎn)記錄的同震電磁信號(hào)異于其他附近的測(cè)點(diǎn)，具有與大理臺(tái)類似的幅值大、主頻低、延時(shí)長(zhǎng)的特點(diǎn)，并指出這個(gè)測(cè)點(diǎn)位于低阻區(qū)域是引起這種現(xiàn)象的可能原因。大理臺(tái)站視電阻率曲線顯示其附近淺部的電阻率約為100Ω·m，相對(duì)其他幾個(gè)臺(tái)站而言并非低阻，但其視電阻率曲線Rxy和Ryx基本重合，且電阻率在1000～1Hz的頻率范圍內(nèi)保持為20～100Ω·m(圖10)，表明該臺(tái)站所處區(qū)域的淺部電性結(jié)構(gòu)基本為一維性質(zhì)，且延續(xù)較深。謝小碧(1999)指出，一定厚度的松散沉積物會(huì)對(duì)由基巖向上入射的地震波產(chǎn)生放大作用，從而提高當(dāng)?shù)氐牡卣鹆叶?。但由于缺少大理臺(tái)的地震波信息，我們暫時(shí)無(wú)法確定大理臺(tái)電磁信號(hào)的增強(qiáng)是否受到地震波的直接影響。Huang等(2015)在模擬不同地下介質(zhì)參數(shù)對(duì)同震電磁信號(hào)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，相比地震波，電磁場(chǎng)變化對(duì)含鹽度和流體黏滯度更敏感：對(duì)于同一地震，介質(zhì)含鹽度越高、黏滯度越小，則同震電磁信號(hào)振幅越大。大理臺(tái)站距離洱海很近，垂直距離約為2km，這可能是造成其同震電磁信號(hào)增強(qiáng)的原因。

圖10 大理臺(tái)的視電阻率曲線Fig.10 Apparent resistivity curve of Dali Station.

2.3 時(shí)頻特征

除同震電磁信號(hào)的時(shí)間域特征外，其在頻率域的變化也同樣值得關(guān)注。Matsushima等(2002)發(fā)現(xiàn)一些同震電磁信號(hào)的自功率譜在2～5Hz出現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)象，但并非在全部觀測(cè)點(diǎn)的全部分量中都出現(xiàn)該現(xiàn)象。Kumar等(2020)也對(duì)這種頻率域變化進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)信號(hào)主要在3～6Hz附近增強(qiáng)，這說(shuō)明在頻率域同震電磁信號(hào)的變化比較復(fù)雜，很難一概而論，在地震波到達(dá)后的不同時(shí)段有一些區(qū)別，震中距和震級(jí)也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生很大影響。為此，本文使用小波變換，嘗試在時(shí)頻域?qū)ν痣姶判盘?hào)的變化特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

小波變換是一種分析非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的有效方法(Morletetal.，1982；Grossmanetal.，1984)，在地球物理學(xué)、地震勘探等各項(xiàng)研究中得到了廣泛應(yīng)用。連續(xù)小波變換(Continue Wavelet Transform，CWT)的定義為

(3)

由于部分臺(tái)站對(duì)景谷6.6級(jí)地震的記錄分量不完整，本文只對(duì)景谷5.9級(jí)地震發(fā)生前后景谷臺(tái)、牟定臺(tái)和大理臺(tái)5個(gè)分量的電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，得到橫軸為時(shí)間、縱軸為頻率的小波譜(圖11)，以分析同震電磁信號(hào)在時(shí)-頻域的變化特點(diǎn)。由圖可知，地震波傳播至臺(tái)站時(shí)，電磁信號(hào)在小波譜中出現(xiàn)了明顯的能量增強(qiáng)現(xiàn)象，對(duì)比時(shí)間序列可以看出能量增強(qiáng)主要出現(xiàn)在橫波與面波時(shí)段，而縱波幅值較小，其在小波能量譜圖中并不明顯，只能觀察到一些頻率較為分散的弱增強(qiáng)現(xiàn)象。為了對(duì)比3個(gè)臺(tái)站電磁信號(hào)的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)和頻率的差異，我們?cè)谛〔芰孔V中把明顯增強(qiáng)的部分用矩形標(biāo)出，其中黃色矩形主要標(biāo)注強(qiáng)度較大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的低頻部分，紅色矩形標(biāo)注零星分布的高頻增強(qiáng)部分。通過(guò)小波能量譜可知，3個(gè)臺(tái)站電磁異常的主要頻率為1～2Hz，持續(xù)出現(xiàn)在整個(gè)地震發(fā)生過(guò)程中。除在頻率為1～2Hz處存在能量增強(qiáng)現(xiàn)象外，在地震發(fā)生的起始階段可觀察到明顯的高頻增強(qiáng)部分。景谷臺(tái)震中距最近，其能量主要集中在5Hz附近；而震中距較遠(yuǎn)的牟定臺(tái)和景谷臺(tái)，其能量則集中在2～3Hz處。以上現(xiàn)象說(shuō)明，隨著震中距的增加，同震電磁信號(hào)的高頻成分逐漸減少。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，景谷臺(tái)和大理臺(tái)Ex和Ey的高頻成分相對(duì)于磁場(chǎng)分量更少，尤其是大理臺(tái)，其2個(gè)電場(chǎng)分量中幾乎沒(méi)有高頻成分，這種現(xiàn)象也可在其時(shí)間序列中(圖9c)觀察到。這可能是由于電場(chǎng)與磁場(chǎng)產(chǎn)生的機(jī)制不同，導(dǎo)致其在頻率上存在差異。Gao等(2020)對(duì)九寨溝MW6.5 地震時(shí)劍閣極低頻臺(tái)站觀測(cè)到的同震電磁信號(hào)進(jìn)行了模擬，提出電場(chǎng)同震信號(hào)的產(chǎn)生以發(fā)電機(jī)效應(yīng)為主導(dǎo)，而磁場(chǎng)同震信號(hào)則以磁棒旋轉(zhuǎn)感應(yīng)磁場(chǎng)效應(yīng)為主導(dǎo)。

3 討論與結(jié)論

從本文的觀測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)分析可得到以下的結(jié)論：

(1)在一定的震中距范圍內(nèi)可觀測(cè)到同震電磁信號(hào)，其波形的總體形態(tài)與地震波相近，這種同震電磁波的幅值遠(yuǎn)大于地球感應(yīng)產(chǎn)生的背景信號(hào)，且其增強(qiáng)幅值與震級(jí)在對(duì)數(shù)域基本滿足線性關(guān)系，但不同電磁場(chǎng)分量的增強(qiáng)程度有所不同，其中垂直向磁場(chǎng)的增強(qiáng)明顯大于水平磁場(chǎng)和電場(chǎng)，約為水平分量的10倍。

(2)對(duì)于同一臺(tái)站接收到的不同地震的電磁異常信號(hào)，在震中距相近時(shí)，震源深度較淺的地震引起的同震電磁信號(hào)的強(qiáng)度較大；震源深度相近時(shí)，距離臺(tái)站較近的地震引起的同震電磁信號(hào)幅度較大。

(3)景谷M6.6地震中，在震中距約為31km的景谷臺(tái)站觀測(cè)到尖峰形態(tài)比同震信號(hào)更突出的信號(hào)，其在地震波到達(dá)之初出現(xiàn)，在距離震中較遠(yuǎn)的其他臺(tái)站并未觀測(cè)到這種尖峰信號(hào)，文中對(duì)其產(chǎn)生的原因進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。

(4)對(duì)2014年10月7日景谷M6.6地震及12月6日景谷M5.9地震在不同臺(tái)站引起的同震電磁信號(hào)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著震中距的增加，信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間越晚，持續(xù)時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，但信號(hào)幅值并非僅受到震中距的影響，在距離最遠(yuǎn)的大理臺(tái)站觀測(cè)到的同震電磁信號(hào)顯現(xiàn)出幅值大、持續(xù)長(zhǎng)、主頻低的特點(diǎn)。這可能與大理臺(tái)近地表介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)有關(guān)。

(5)通過(guò)小波能量譜可以看出，同震電磁信號(hào)的主要頻率在1～2Hz之間，其持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；在同震信號(hào)的初始階段可以觀察到明顯的高頻增強(qiáng)部分，并表現(xiàn)出震中距越大、頻率越低的特點(diǎn)；同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)，同一個(gè)臺(tái)站在大部分情況下記錄到的磁場(chǎng)高頻信息比電場(chǎng)更豐富，這可能與電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生的主導(dǎo)機(jī)制不同有關(guān)。

本文對(duì)景谷臺(tái)站記錄到的多次地震及景谷2次較強(qiáng)地震在周圍臺(tái)站引起的同震電磁現(xiàn)象進(jìn)行了總結(jié)和分析。結(jié)果顯示，同震電磁信號(hào)的變化十分復(fù)雜，其起始時(shí)間、延續(xù)時(shí)長(zhǎng)、幅值大小、頻率范圍存在一些規(guī)律，但在多次地震事件中一些臺(tái)站記錄的數(shù)據(jù)又表現(xiàn)出特殊性，對(duì)其產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行探討是一個(gè)較難的課題。但就觀測(cè)現(xiàn)象而言，極低頻臺(tái)站連續(xù)觀測(cè)的電磁場(chǎng)變化數(shù)據(jù)讓我們對(duì)地球電磁場(chǎng)本身及與地震相關(guān)的電磁信號(hào)有了更全面的認(rèn)識(shí)。積累更多與地震相關(guān)的電磁現(xiàn)象與理論模擬的支持可加深對(duì)地震發(fā)生前、發(fā)生時(shí)和發(fā)生后電磁場(chǎng)變化規(guī)律的理解。

致謝極低頻臺(tái)網(wǎng)運(yùn)維人員的辛苦付出，為本研究提供了質(zhì)量?jī)?yōu)良的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；審稿專家對(duì)本文提出了寶貴建議；中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心(2)http：∥data.earthquake.cn。為本研究提供了數(shù)據(jù)支撐。在此一并表示感謝！