張建國 關(guān)華平

1)河北省地震局邯鄲中心臺(tái),邯鄲 056006

2)中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所,北京 100036

張北 6.2級(jí)地震前電磁波頻譜分析＊

張建國1)關(guān)華平2)

1)河北省地震局邯鄲中心臺(tái),邯鄲 056006

2)中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所,北京 100036

基于波譜的 FFT和小波變換理論,研究了張北地震前北京東三旗地磁臺(tái)電磁波頻譜變化特征。結(jié)果表明:1)張北地震前異常信息確實(shí)存在;2)電場(chǎng)較磁場(chǎng)異常顯著,且NS分量強(qiáng)于 EW分量;3)異常出現(xiàn)的時(shí)間主要集中在 1997年12月31日、1998年1月1日,在時(shí)間進(jìn)程上顯示了明顯的階段性變化,這可能反映了地震不同孕育階段的特征。

張北地震;電磁波;頻譜;FFT;小波變換

1 引言

1998年河北省張北地區(qū)的Ms6.2地震,是近年來我國東部地區(qū)發(fā)生的一次較大地震。

地震孕育和發(fā)生過程中往往會(huì)產(chǎn)生低頻電磁輻射,監(jiān)測(cè)震前電磁信號(hào)異常,已成為一種重要的地震預(yù)測(cè)方法[1-3]。本文通過對(duì)張北地震前電磁輻射分析研究,旨在揭示震前短臨異常信息。

2 處理方法[4,5]

對(duì)于數(shù)字信號(hào),有：

Mallat重構(gòu)算法為:

在地球物理領(lǐng)域,db小波應(yīng)用比較廣泛,本研究也采用 db6階小波分析。

3 資料選取與計(jì)算結(jié)果分析

采用北京東三旗臺(tái)張北地震 (1998-01-11)前電磁波數(shù)據(jù),電磁波儀器有電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩個(gè)測(cè)項(xiàng),每個(gè)測(cè)項(xiàng)又分 EW和NS分量,數(shù)據(jù)采集為每秒 50個(gè)數(shù)值,觀測(cè)頻段為 0.01～10 Hz(ULF)。為了較好地揭示震前短臨異常變化,僅選取震前 1997-12-30—1998-01-07日的電磁波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 FFT頻譜分析[6]

從圖 1可以明顯看出電場(chǎng) EW分量正常頻譜形態(tài),優(yōu)勢(shì)頻率主要集中在低頻端,但在 1月 3日頻譜主頻率上升為0.023 Hz,顯示了異常信息,但 4日又恢復(fù)正常頻譜形態(tài),10日發(fā)生地震;電場(chǎng)NS分量優(yōu)勢(shì)頻譜也主要集中在低頻 (0～0.023 Hz),但在 12月 31日和 1月 1日的主頻出現(xiàn)了 0.15和 0.38 Hz的高頻異常信息,而其他日期沒有出現(xiàn)高頻,均集中在低頻端,10日發(fā)生了地震。NS分量異常信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間提前于EW分量。

從圖 2可以看出,磁場(chǎng) EW分量正常頻譜形態(tài),但在 1月 4日主頻率出現(xiàn)了 0.023 Hz左右的突起,顯示出異常形態(tài),并一直持續(xù)到 7日,10日發(fā)生了張北地震;磁場(chǎng) NS分量頻譜主頻在震前 1997-12-31—1998-01-07日一直集中在 0～0.023 Hz低頻段,沒有出現(xiàn)異常形態(tài)。

為了集中揭示震前頻譜變化特征,我們?cè)龠x取以上時(shí)段電磁波數(shù)據(jù)分析其頻譜特征,從圖 3看出,電場(chǎng) EW和 NS分量頻譜變化規(guī)律基本一致,優(yōu)勢(shì)頻率相同;磁場(chǎng)的 EW和NS分量頻譜形態(tài)一致,優(yōu)勢(shì)頻率也大致相同。

3.2 小波變換

通過對(duì)電場(chǎng) EW分量6階小波細(xì)節(jié)分析可以看出(圖 4),震前 12月 30日開始,小波細(xì)節(jié)分析均出現(xiàn)間斷的低頻擾動(dòng),但不顯著。從 12月 31日開始擾動(dòng)明顯加強(qiáng),到 1月 1日擾動(dòng)已相當(dāng)顯著而振幅強(qiáng)烈。但 2—7日擾動(dòng)開始減弱并逐漸恢復(fù)平靜,10日發(fā)生了地震;電場(chǎng) NS分量的低頻擾動(dòng)信息出現(xiàn)于 12月 30日,1月 1日擾動(dòng)加強(qiáng),2日后擾動(dòng)逐漸減弱至平靜。但從 5日開始又出現(xiàn)明顯的擾動(dòng)現(xiàn)象,后逐漸減弱,10日發(fā)生地震。

從磁場(chǎng) EW分量 6階小波細(xì)節(jié)分析圖(圖 5)看出,震前 12月 31日—1月 1日出現(xiàn)擾動(dòng)信號(hào)后開始減弱,于 1月 4日開始又出現(xiàn)明顯擾動(dòng)并持續(xù)到7日,10日發(fā)生地震;磁場(chǎng) NS分量在震前 12月 31日—1月 1日磁擾動(dòng)顯著,1月 2日基本恢復(fù)平靜,但 3—7日又出現(xiàn)了周期性擾動(dòng)并持續(xù)減弱,后于10日發(fā)震。

圖 1 電磁波(電場(chǎng))FFT頻譜變化圖Fig.1 FFT spectrum changes of electromagnetic wave(electric field)atDongsanqi station before the Zhangbei earthquake

圖 2 電磁波(磁場(chǎng))FFT頻譜變化圖Fig.2 FFT spectrum changes of electromagnetic wave (magnetic field)at Dongsanqi station before the Zhangbei earthquake

圖 3 電磁波 FFT頻譜變化圖 (1997-12-31T21：38：59—21：43：15)Fig.3 FFT spectrum change of electromagnetic wave on Dec.31,1997 during T21：38：59-T21：43：15

4 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

1)張北地震前電磁波的 FFT頻譜確實(shí)存在著異常信息,且電場(chǎng)較磁場(chǎng)異常顯著。

從 FFT頻譜圖中可以清晰看出,電場(chǎng) NS分量于 1997-12-31—1998-01-01日的優(yōu)勢(shì)頻率與正常頻譜的優(yōu)勢(shì)頻率相比,顯示出明顯異常信息;NS分量反應(yīng)強(qiáng)烈,這可能說明臺(tái)站地理位置與震中方位有關(guān)。另外,從圖 3可以看出,在選取時(shí)段內(nèi)兩個(gè)分量上頻譜形態(tài)均出現(xiàn)了周期性變化規(guī)律,顯示出明顯的異常信息。電場(chǎng) EW和NS分量頻譜形態(tài)和優(yōu)勢(shì)頻率基本相同;磁場(chǎng)的 EW和NS分量頻譜形態(tài)和優(yōu)勢(shì)頻率也大致相同。

圖 4 6階小波細(xì)節(jié)變化圖(電場(chǎng))Fig.4 6th-order wavelet detail analysis of electromagnetic wave(electric field)at Dongsanqi station before the Zhangbei earthquake

2)小波細(xì)節(jié)分析研究表明,張北地震前也存在異常信息。

圖 5 6階小波細(xì)節(jié)變化圖(磁場(chǎng))Fig.5 6th-order wavelet detail analysis of electromagnetic wave(magnetic field)at Dongsanqi station before the Zhangbei earthquake

從電磁波的 6階小波細(xì)節(jié)分析來看,電場(chǎng)信號(hào)兩個(gè)分量均在12月31日出現(xiàn)低頻擾動(dòng),1月1日擾動(dòng)增強(qiáng),2日后擾動(dòng)減弱至平靜,但 NS分量在5—7日又出現(xiàn)強(qiáng)烈擾動(dòng),而 EW分量反應(yīng)較平靜,也說明震中與臺(tái)站方位有關(guān)。磁信號(hào)也在 12月 1日—1月 1日出現(xiàn)顯著擾動(dòng),均在 2日恢復(fù)平靜,但隨后NS分量比 EW分量又提前一天出現(xiàn)強(qiáng)擾,說明NS分量反映震前信息的能力強(qiáng)于 EW分量。

3)異常出現(xiàn)的時(shí)間主要集中在 12月 31日、1月 1日。但從小波細(xì)節(jié)分析來看,在以后的時(shí)段大部分又出現(xiàn)間斷性異常信息,這似乎遵循“平靜-異常出現(xiàn)-恢復(fù)平靜-再異常-短時(shí)平靜-發(fā)震-恢復(fù)平靜”的地震孕育、發(fā)展和發(fā)生規(guī)律(因 8—10日無資料分析,只能大至推測(cè))。電場(chǎng)異常信號(hào)強(qiáng)于磁場(chǎng), NS分量強(qiáng)于 EW分量。

4)大量分析研究表明[7-9],電磁波短臨異常信息可能出現(xiàn)在震前十幾天左右,這與本文研究結(jié)果相吻合。

1 卓賢軍,等.地震預(yù)測(cè)中的電磁衛(wèi)星[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2005,(2)：1-10.

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3 王繼軍,等.中國地震電磁現(xiàn)象的巖石實(shí)驗(yàn)研究[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2005,(2)：22-28.

4 成禮智,等.小波的理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社, 2004.

5 劉序儼,等.定點(diǎn)形變數(shù)字觀測(cè)中高頻信號(hào)特征及提取方法[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2006,(增)：5-10.

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7 李美,盧軍.地震電磁輻射前兆異常特征和異常指標(biāo)關(guān)系研究[J].地震,2008,28(4)：112-120.

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9 牛繼榮,張環(huán),張富芳.天祝電磁波地震前異常信息變化初探[J].高原地震,2004,16(4)：34-41.

ANALYSIS OF ELECTROMAGNETIC SPECTRUM BEFORE ZHANGBEIMs6.2 EARTHQUAKE

Zhang Jianguo1)and Guan Huaping2)

(1)Handan Central Seism ostation,Earthquake Adm inistration of Hebei Province,Handan 056006 2)Institute of Earthquake Science,CEA,B eijing 100036)

On the basis of the FFT spectrum and wavelet transfor m theory,the changing characteristics of electromagnetic wave frequence spectran of Dongsanqi station in Beijing before the Zhangbei earthquake are studied. The results are as follows.1)Anomalies did exist before the Zhangbei earthquake.2)Anomalous signals of the electric field are more significant than those of the magnetic field,and the NS component is stronger than the EW component.3)Anomalies appeared concentrately on Dec.31,1997 and Jan.1,1998 and there were significant phase changes that itmight reflect the different stage characteristics of earthquake preparation.

Zhangbei earthquake;electromagnetic wave;spectrum;fast fourier transform(FFT);wavelet transfor m

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0029-04

2009-08-23

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)“華北地區(qū)電磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化特征研究”(059217);中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)(02092408);河北省地震局重點(diǎn)項(xiàng)目“河北地區(qū)電磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化特征研究”(冀震發(fā)[2010]20號(hào))

張建國,男,1974年生,高工,碩士,主要從事電磁監(jiān)測(cè)與研究工作.E-mail：zhangjg_909@163.com

P315.72+1

A