靜寧地電場異常信息提取及映震分析

張遠(yuǎn)富趙 斐李旭升尹欣欣

1）中國甘肅744000平?jīng)鲋行牡卣鹋_

2）中國蘭州730000甘肅省地震局

靜寧地電場異常信息提取及映震分析

張遠(yuǎn)富1）趙 斐1）李旭升1）尹欣欣2）

1）中國甘肅744000平?jīng)鲋行牡卣鹋_

2）中國蘭州730000甘肅省地震局

采用線性平滑濾波和小波分析方法，對靜寧地震臺地電場資料進(jìn)行處理，認(rèn)為中強(qiáng)地震前映震能力較好。異常變化特征主要表現(xiàn)為，南北測向和東西測向同時出現(xiàn)反向異常變化，在震前1個月內(nèi)，持續(xù)10天左右，可以為該臺周圍中強(qiáng)地震短臨預(yù)測提供參考。

地電場；濾波；小波分析；異常提取；映震能力

0 引言

國內(nèi)外開展地電場觀測用于地震預(yù)測研究積累了許多經(jīng)驗(yàn)，在理論方法、觀測技術(shù)、觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面取得很大進(jìn)展（趙潔等，2009）。理論研究和室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，地震前存在異常電信號（張學(xué)民等，2007），但混雜于正常大地電場變化背景中不易識別（田山等，2009）。顯然，尋找分離正常變化與異常信號的方法是大地電場法預(yù)報(bào)地震的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容。如何從觀測資料中提取可靠的地震前兆，是地震短臨預(yù)報(bào)的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，觀測環(huán)境遭到破壞，尤其是地電臺站占地面積大，保護(hù)難度大（楊興悅等，2012），觀測資料攜帶的工頻干擾信息日趨明顯；大地電場的長趨勢正常變化特征常掩蓋異常變化信號。本文主要考慮去除干擾和長趨勢變化的分析處理方法，對靜寧地震臺（以下簡稱靜寧臺）2008年和2013年的資料進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)中強(qiáng)地震前異常變化。

1 地電場觀測背景

靜寧地電場臺址周圍小構(gòu)造發(fā)育，以六盤山活動斷裂帶為主。靜寧臺地電場為2007年新建觀測點(diǎn)，使用北東、北南、東西向3個測道進(jìn)行電場觀測，布極方式采用L型。長極距300 m，短極距為100 m。觀測儀器采用ZD9A-Ⅱ型大地電場觀測儀，各道每分鐘采樣一次，日均值為24×60個分值的平均值，有利于壓制瞬間電場隨機(jī)變化。2008—2013年靜寧地電場資料連續(xù)、可靠，觀測資料平均連續(xù)率大于97%，平均完整率大于95%，相關(guān)系數(shù)均值大于0.9，差值均值小于2.5。各項(xiàng)指標(biāo)均符合觀測規(guī)范要求（中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2001；錢家棟等，2004）。

2 5級以上地震地電場異常變化

2.1 資料選取

由于電磁波在地殼中衰減快，無法進(jìn)行長距離傳播，本文主要考慮臺站能夠記錄到的地震前異常信息。西方科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，以變形形式發(fā)生的地殼變化、地震波速的改變、從地殼中輻射出的氣體以及地殼電阻率變化等，不僅在震源區(qū)可以觀測到，也能在更大范圍的條帶上記錄到。基于這種特性發(fā)展了一種擴(kuò)展理論，即地殼的變形、破裂形成一個主要的錯動區(qū)域，稱為地震孕育帶（Miachkin V M et al，1975）。對此區(qū)域的尺度進(jìn)行估算（Dobrovolsky I R et al，1979），得到 r =100.43M。其中，地殼水平彈性變形采用10-8量級，r是地震孕育帶的半徑（km），M是震級。由公式計(jì)算：對于一次6級地震，孕震區(qū)半徑是380km；7—8級地震范圍是1 023—2 754km。所以本文對5—6.5級地震選取范圍是350km；6.5—8.0級地震是1 200km。綜合考慮，本文只選擇MS＞ 5.0地震作為研究對象，計(jì)11次地震，參數(shù)見表1。

表 1 地震參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of earthquake parameters

2.2 異常信息提取

2.2.1 干擾剔除。通常觀測到的地電場是地球內(nèi)部物理場，由大地電場和自然電場組成。大地電場主要是地球高層大氣中各種電流體系（電離層、磁層、對流層的電流系等）在地球內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電場；自然電場是地殼中某些物理、化學(xué)作用引起的電場。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，與地震有關(guān)的是自然電場異常，其成因是，在孕震體及周圍，受統(tǒng)一應(yīng)力場變化影響，地下流體的沖流、過濾、定向作用使自然電場出現(xiàn)異常（馬欽忠等，2004）。由靜寧臺2008—2013年北南向、東西向長極距日均值曲線（圖1）可見兩部分相對明顯信息，即環(huán)境噪音干擾（降雨、大風(fēng)、灌溉等）的高頻信息及太陽活動、季節(jié)變化等因素造成的長趨勢特征變化（韓和平等，2006）。與地震有關(guān)信息被掩蓋，提取地震異常信息必須去除干擾因子。

環(huán)境噪聲主要表現(xiàn)為高頻（周期一般是數(shù)小時到3天）干擾，變幅較大（變化幅度遠(yuǎn)大于2倍標(biāo)準(zhǔn)差）。采用3點(diǎn)線性平滑濾波去除環(huán)境噪聲，其中變幅較大，且周期小于3天的數(shù)據(jù)，采用5點(diǎn)移動平均值替換。去除長趨勢特征信息選用小波5階趨勢分析方法。

對靜寧臺2013年地電場觀測資料進(jìn)行分析，采用3點(diǎn)線性滑動濾波法去除環(huán)境干擾（毛刺），南北向變幅從92.2 mV/km降到58 mV/km，東西向從98.6 mV/km降到50·8 mV/km（圖2）。以2倍標(biāo)準(zhǔn)差控制線提取異常信息，在原始曲線中南北向和東西向均未提取到明顯異常，通過小波5階趨勢分析去除長趨勢特征，南北向提取6次、東西向提取5次明顯異常信息。可以確定，3點(diǎn)線性滑動濾波和小波5階趨勢分析方法，在地電場資料處理中有效可行。

圖1 靜寧臺地電場日均值曲線Fig.1 Daily observational value curves of telluric electric field at Jingning Seismic Station

圖2 2013年靜寧臺電場資料處理曲線（a）NS測向；（b）EW測向Fig.2 Analysis diagram of data processing at Jingning Seismic Station in 2013

2.2.2 異常提取。由于地電場數(shù)字觀測提高了樣本采樣密度（每分鐘1組測值），使得觀測資料蘊(yùn)含豐富的前兆信息，但分鐘值觀測數(shù)據(jù)中擾動事件（含各種隨機(jī)干擾）較多。為了減小隨機(jī)擾動事件對處理結(jié)果的影響，選用地電場日均值觀測資料進(jìn)行研究。因本文統(tǒng)計(jì)的地震事件主要是2008年汶川地震、2013年蘆山地震及2013年岷縣地震序列，在此對2008年和2013年數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)9次地震中6次地震前均有相似的異常變化（圖3）。

以2倍標(biāo)準(zhǔn)差控制線作為提取數(shù)據(jù)異常的區(qū)間，從圖3不難看出：2008年南北測向7次異常對應(yīng)4次地震；東西測向5次異常對應(yīng)3次地震；2013年南北測向5次異常對應(yīng)2次地震；東西測向4次異常對應(yīng)2次地震。若以兩個測向同時出現(xiàn)異常來判定，則2008年4次異常對應(yīng)3次地震；2013年3次異常對應(yīng)2次地震。由此看來，采用此方法提取的地電場異常信息可以作為地震前兆異常信息。

圖3 靜寧臺地電場測值異常變化曲線（a）2008年日均值；（b）2013年日均值Fig.3 Abnormal changes of telluric electric field at Jingning Seismic Station

2.3 異常特征

通過計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)地震和電場測值變化異常存在一定關(guān)系（表2）。其異常特征主要表現(xiàn)為：①地電場測值變化多出現(xiàn)在地震發(fā)生前5天到1個月，異常結(jié)束后發(fā)震；②異常持續(xù)5—27天，變化幅度南北測向偏大，與震級和距離關(guān)系不明顯；③南北測向和東西測向異常變化形態(tài)多為反向，南北測向多為上升異常，東西測向多為下降異常。

表2 靜寧臺地電場測值異常特征統(tǒng)計(jì)Table 2 Abnormal variations characteristics of telluric electric field at Jingning Seismic Station

2008年9月及2013年6月兩個測向均出現(xiàn)同向異常變化，無地震對應(yīng)，可能由距離相對較近的中小地震引起，本文并未統(tǒng)計(jì)。2008年9月12日武都—寧強(qiáng)5.5級地震及2013年9月20日青海門源5.3級地震，震前電場測值并未出現(xiàn)明顯異常變化，說明大地電場短臨異常的空間復(fù)雜性，有待深入研究。

3 結(jié)論

（1）在地電場觀測資料處理過程中，采用3點(diǎn)線性平滑濾波有效去除高頻環(huán)境噪音干擾，通過小波分析方法去除5階長趨勢特征變化，從而突出自然電場的近場信息和來自地震孕育過程中的斷層構(gòu)造活動信息。

（2）在選取的9次地震中6次地震前均出現(xiàn)異常變化，認(rèn)為靜寧臺資料在中強(qiáng)地震前映震能力較好，可以為該臺周圍發(fā)生中強(qiáng)地震短臨預(yù)測提供參考。

（3）本文僅分析單臺多震異常信息，進(jìn)一步研究需要對比多個臺站多次地震的異常信息，才能得出更準(zhǔn)確的結(jié)論。

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Extracting anomaly information from telluric electric field and analysis of reflecting earthquake ability of Jingning Seismic Station

Zhang Yuanfu1），Zhao Fei1），Li Xusheng1）and Yin Xinxin2）
1） Pingliang Center Seismic Station，Gansu Province 744000，China
2） Earthquake Administration of Gansu Province，Lanzhou 730000，China

In this paper，linear smoothing filter and wavelet analysis method is adopted to process and analyze the telluric electric field data of Jingning Seismic Station.The results show good reflecting earthquake ability for strong earthquakes.The main anomalies characteristics is the reverse abnormal changes of north-south and east-west direction occur simultaneously，anomalies generally appear before one month of the earthquake，anomaly duration is about 10 days.When the earthquake occurred in around the station，this variations characteristic can provide a reference for short-term forecast.

telluric electric field，filtering，wavelet analysis，anomaly extraction，reflecting earthquake ability

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.016

張遠(yuǎn)富（1985—），男，云南宣威人，本科，工程師，主要從事地震臺站監(jiān)測及研究工作。E-mail：bryantomzyf@163.com

本文收到日期：2015-03-06