陶方宇 陸棟梁 應(yīng)允翔 孫亮亮

摘 要：本文描述了金寨地震臺(tái)DPDC-2低頻電磁擾動(dòng)儀和GS-2000電磁擾動(dòng)儀的觀測(cè)原理及其運(yùn)行環(huán)境，利用金寨地震臺(tái)最近兩年的數(shù)字觀測(cè)資料，分析該臺(tái)電磁波變化與降雨的關(guān)系，認(rèn)為兩者之間存在著一定的相關(guān)關(guān)系，降雨是造成電磁波突變的主要原因，并嘗試通過數(shù)學(xué)方法剔除資料中的降雨影響。

關(guān)鍵詞：低頻電磁擾動(dòng)儀 電磁波 降雨量 相關(guān)關(guān)系

中圖分類號(hào)：P426 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）01（a）-0079-04

Abstract：This paper describes the observational principle and operating environment of DPDC-2 low frequency electromagnetic disturbance instrument and GS-2000 electromagnetic disturbance instrument of Jinzhai Seismic Station. Based on the digital observation data of Jinzhai Seismostation in recent two years， this paper analyzes the changes of electromagnetic wave and rainfall Relations， that there is a certain correlation between the two， rainfall is the main cause of electromagnetic wave mutation， and try to exclude the mathematical effects of rainfall in the data.

Key Words：Low frequency electromagnetic disturbance instrument； Electromagnetic wave； Rainfall； Correlation

電磁波前兆觀測(cè)是利用固定觀測(cè)點(diǎn)上的特定裝置系統(tǒng)，定時(shí)觀測(cè)地球介質(zhì)的電磁波，研究其隨時(shí)間的變化和這種變化的空間分布規(guī)律，以尋求與地震孕育過程之間的內(nèi)在聯(lián)系。電磁擾動(dòng)傳感器是利用電學(xué)中“磁感應(yīng)”原理設(shè)計(jì)而成的[1]。利用這種傳感器觀測(cè)地震前兆，對(duì)推動(dòng)地震預(yù)報(bào)具有重要意義。但是，由于觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)及環(huán)境變化等原因，在觀測(cè)資料中常常會(huì)出現(xiàn)與地震孕育及地殼區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)的變化。降雨就是其中比較顯著的影響因素，很多研究都表明降雨與電磁波的季節(jié)性變化之間存在較好的相關(guān)關(guān)系[2]。

金寨臺(tái)電磁波觀測(cè)自2014年觀測(cè)至今，積累了兩年時(shí)間的資料，2006年金寨氣象三要素實(shí)現(xiàn)數(shù)字化觀測(cè)，降雨量也實(shí)現(xiàn)時(shí)值記錄，這些都為研究電磁波與降雨關(guān)系提供了理想的觀測(cè)條件。金寨地震臺(tái)周圍中強(qiáng)地震活動(dòng)較弱，臺(tái)站200km范圍內(nèi)最大地震為2014年霍山地區(qū)4.2級(jí)地震。

本文根據(jù)近兩年的數(shù)字化資料初步分析兩者之間的關(guān)系，研究降雨對(duì)金寨臺(tái)電磁波數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化的原因，并嘗試通過數(shù)學(xué)方法剔除資料中的降雨影響。

1 臺(tái)址條件

金寨地震臺(tái)位于安徽省金寨縣梅山鎮(zhèn)，地處大別山梅山-龍河口斷裂帶，距離梅山水庫(kù)2km，距霍山縣佛子嶺水庫(kù)40km，海拔50m。臺(tái)基屬變質(zhì)巖，巖體完整性好。金寨地震臺(tái)始建于1971年，是安徽省地震工作隊(duì)最早一批臺(tái)站之一。北西西向展布的梅山—龍河口斷裂從其西南部的梅山水庫(kù)穿過。臺(tái)站前后各有一條北西西向的斷裂穿過。在地處構(gòu)造莫霍面的斜坡地帶，本地區(qū)地形地貌表現(xiàn)出獨(dú)特的現(xiàn)代地質(zhì)構(gòu)造差異特征。鑒于金寨地震臺(tái)所處位置的特殊性，選擇該臺(tái)站作為電磁波觀測(cè)較為理想，2014年4月和8月在安徽省地震局的幫助指導(dǎo)下在金寨地震臺(tái)大院內(nèi)新增DPDC-2低頻電磁擾動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)和GS-2000-DC電磁擾動(dòng)儀，對(duì)于臺(tái)站地震監(jiān)測(cè)能力有了較大的提高。鉆井孔臺(tái)址在金寨地震臺(tái)內(nèi)（井深35m）。地層主要是灰褐色雜土，粘性且含少量淤泥，結(jié)構(gòu)較酥散，土層厚5～6m表現(xiàn)可塑狀態(tài)，通過對(duì)巖石芯的分析結(jié)果，此鉆井適合安裝低頻電磁擾動(dòng)儀。

2 儀器原理與概況

2.1 儀器基本原理

假使地下震源體為一長(zhǎng)方體，在孕震期間，震源體兩個(gè)側(cè)面在承受地應(yīng)力不斷增加的同時(shí)，其側(cè)面的電荷也將隨之不斷增加。在結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)中，礦物的壓電性公式為：

P=d×σ

式中，P為單位面積上的電荷數(shù)；d為壓電系數(shù)；σ為應(yīng)力。

DPDC-2電磁擾動(dòng)儀包括四個(gè)部分：主板（含AD）、網(wǎng)絡(luò)接口、電源模塊、傳感器。其中，LES低頻電磁傳感器，由三組磁敏感元件及轉(zhuǎn)換器組成，磁敏感元件可對(duì)南北、東西、垂直三個(gè)磁場(chǎng)分量進(jìn)行觀測(cè)。由轉(zhuǎn)換對(duì)其放大、濾波、變換后，輸出信號(hào)給數(shù)字主機(jī)。

DPDC-2就是基于上述原理，觀測(cè)的物理量是空間低頻電磁場(chǎng)的磁場(chǎng)分量，觀測(cè)頻率為0.1～10Hz，計(jì)算公式根據(jù)電磁感應(yīng)定律有：

Vi=n·dΦ/dt

其中，Vi為線圈感應(yīng)電壓；n為線圈匝數(shù)；Φ為磁通量。

2.2 儀器概況

2014年4月和8月安裝DPDC-2型低頻電磁擾動(dòng)儀和GS-2000-DC地磁擾動(dòng)儀，分別安裝在同一口觀測(cè)井距離井口35m和11m。DPDC-2型低頻電磁擾動(dòng)儀探測(cè)器為圓筒狀，外殼由不銹鋼制成，探測(cè)器直徑120mm，高為1300mm。探測(cè)器全部置于井口面以下35m處，井深50m。

GS-2000-DC電磁擾動(dòng)儀主要由磁擾動(dòng)傳感器、電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀、數(shù)據(jù)采集儀、前兆儀器專用充電機(jī)等設(shè)備構(gòu)成，該儀器把深井傳感器上感應(yīng)到的Z分量電磁擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大處理、轉(zhuǎn)換為電信號(hào)用于記錄地震孕育、能量聚集、釋放過程、震源產(chǎn)生的電磁輻射的異常變化等情況，進(jìn)行臨震預(yù)報(bào)[3]，電磁擾動(dòng)儀還具有對(duì)低頻弱磁場(chǎng)的放大作用。

兩套電磁波儀器自安裝以來，經(jīng)過一個(gè)半月的調(diào)試及運(yùn)行觀測(cè)，基本趨于平穩(wěn)，資料連續(xù)可靠。

3 觀測(cè)資料分析

3.1 電磁波變化同降雨量的關(guān)系

DPDC-2型低頻電磁擾動(dòng)儀和GS-2000-DC地磁擾動(dòng)儀，分別在2014年4月和8月安裝在同一口觀測(cè)井距離井口35m和11m處。DPDC-2型低頻電磁擾動(dòng)儀在2014年4月安裝以后數(shù)據(jù)產(chǎn)出一直較為異常，在經(jīng)過廠家2014年9月更換探頭后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。GS-2000-DC地磁擾動(dòng)儀于2014年8月安裝后由于暫時(shí)無法錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，只是將數(shù)據(jù)每日下載后保存，直到2015年2月才將數(shù)據(jù)加入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比的過程中我們選取了2015年2月以后的連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（1）自觀測(cè)以來，金寨兩套儀器變化的總體形態(tài)基本平穩(wěn)，GS-2000型三通道數(shù)據(jù)受降雨的影響較為顯著，且具有很強(qiáng)的同步性。一段時(shí)間內(nèi)，本地出現(xiàn)較大降雨或持續(xù)降雨，之后一段時(shí)間三通道數(shù)據(jù)則會(huì)快速上升；反之若降雨或降雨量較少，數(shù)據(jù)會(huì)大幅或多次下降。DPDC-2型變化一直比較穩(wěn)定，且該型號(hào)儀器在2015年6月降雨量高峰期間，數(shù)據(jù)丟失。

（2）分析出現(xiàn)以上第一種情況的原因?yàn)榻鹫_(tái)電磁波井縱向深度有35m，當(dāng)降雨之后雨水從洞口縫隙進(jìn)入井里，而電磁波井在打井之后，里面天然有水，DPDC-2型裝置于井下35m處，位于井里水面下，而GS-2000型位于11m處，在水面之上，因此DPDC-2型較GS-2000型相對(duì)穩(wěn)定，受降水的影響要小于GS-2000型。因此當(dāng)出現(xiàn)較大降水或持續(xù)降水，GS-2000數(shù)據(jù)則會(huì)快速上升，一段時(shí)間內(nèi)測(cè)區(qū)內(nèi)無降水或降水量較少，數(shù)據(jù)會(huì)大幅或多次下降（見圖1）；DPDC-2型數(shù)據(jù)受降水的影響就沒有GS-2000明顯，反而在降水時(shí)會(huì)出現(xiàn)與GS-2000數(shù)據(jù)反向的小幅度變化（見圖2）。

3.2 不同降雨方式對(duì)電磁波變化的影響

根據(jù)金寨臺(tái)觀測(cè)資料，金寨臺(tái)受降雨影響，主要有以下兩種類型：

（1）緩降型。起始降雨量較小，整個(gè)過程雨量比較均勻，雖然降雨的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（2天以上），但對(duì)電磁波的影響是一個(gè)緩慢的過程（見圖3ace）。

（2）突降型。起始的降雨量較大（≥10mm），這時(shí)大量的雨水會(huì)使表層變?yōu)榈碗娮杞橘|(zhì)，改變地下電磁場(chǎng)的分布，并且降雨和電磁波的突降是同步的（見圖3bdf）。由于這種降雨的特點(diǎn)是雨量集中，持續(xù)時(shí)間一般不超過2天，對(duì)電磁波的影響比較顯著，但影響時(shí)間較短。

當(dāng)電磁波觀測(cè)值在無震時(shí)的應(yīng)力作用下，其形態(tài)的特征與地下水位和降水的形態(tài)（極大值或極小值、上升或下降時(shí)間等）相似[4]，且有一定的重復(fù)性。

3.3 降雨對(duì)電磁波數(shù)據(jù)影響的消除

既然金寨臺(tái)電磁波的變化與降雨存在較好的相關(guān)關(guān)系，如果采用較短時(shí)期的資料，可以認(rèn)為降雨和電磁波變化之間是一個(gè)線性相關(guān)的關(guān)系，可通過“相關(guān)分析校正”[5]（錢家棟等，1985），消除降雨對(duì)電磁波變化的影響，結(jié)果見圖4。我們看到，校正后的電阻率變化中已經(jīng)基本上看不到降雨帶來的影響。

4 結(jié)論

通過以上的分析，我們有以下認(rèn)識(shí)。

（1）金寨地震臺(tái)電磁波觀測(cè)數(shù)據(jù)與年降雨量有一定的相關(guān)關(guān)系，其中GS-2000-DC型與降雨的相關(guān)性要高于DPDC-2型。

（2）不同的降雨方式對(duì)金寨電磁波數(shù)據(jù)的影響是不同的。大量集中降雨對(duì)電磁波數(shù)據(jù)的影響就會(huì)表現(xiàn)得比較明顯。

（3）據(jù)金寨臺(tái)目前觀測(cè)井情況分析，如能加大探測(cè)深度或?qū)㈦姶挪▋x器移到山洞內(nèi)井下，降雨對(duì)電磁波測(cè)量的影響會(huì)有所降低。

參考文獻(xiàn)

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[5] 錢家棟.地電阻率法在地震預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[M].北京：地震出版社，1985.