基金项目:国家科技支撑计划(2006BAC01B03-04-06)资助.
(1.华南理工大学 理学院 物理系,广州 510641; 2.山东省地震局,济南 250014; 3.山东省龙口市地震局,山东 龙口265701)
(1.Physical Departmant of College of Science of South China University of Techology,Guangzhou 510641,Guangdong,China)(2.Earthquake Administration of Shandong Province,Jinan 250014,Shandong,China)(3.Earthquake Administration of Longkou Municipality,Longkou 265701,Shandong,China)
precursory-observation network,electromagnetic disturbance observation,abnormal information quantity S
备注
基金项目:国家科技支撑计划(2006BAC01B03-04-06)资助.
通过对2006年山东省地震电磁扰动监测台网的电磁扰动异常资料的分析,定义了地震电磁扰动异常信息量S,并用来定量研究异常信息的特征。结果 表明,S值大小可能与地震的震级有关,并且反映了区域应力场的活动强度和研究区f域的地震活动。最后从物理机制和震例两个方面对S作了进一步论述。
We analyze the abnormal data observed by Shandong Earthquake Precursory Electromagnetic Disturbance Observational Network and quantitively study the abnormal characteristics with the definition of the electromagnetic disturbance abnormal information S.The results show that S reflects the earthquake activity and intensity of the stress field and has related to the potential earthquake's magnitude.Further,we also discuss S on the physics and other example of the earthquake.
引言
事实表明,中强地震发生前震源区存在着强烈的电磁扰动异常信息,如1966年邢台地震和1976年唐山地震前出现的无线电信号受干扰和日光灯无电自亮等现象(毛桐恩,1989)。这些异常信息,对于地震监测预报,特别是地震短临预报具有重要的意义。但由于地震监测预报的复杂性,人们对异常信息和地震的关系还不能给出精确的数学物理描述,最近十多年来对地震电磁扰动异常存在一定的虚报、漏报(丁鉴海等,2006),但国内外研究表明,电磁方法是最有可能突破地震短临预测的方法之一(王继军等,2005; Hattori et al,2002)。因此,研究电磁扰动异常特征并以此预报地震是当前地震科研中的一个很有意义的课题。
2005年底,山东省地震局在中国地震局科技
监测司和地震预测研究所的帮助下,全面重组了山东省电磁扰动地震前兆短临监测网。2006年部分台站开始运行,并获得了一些实际观测资料。笔者在对这些资料进行分析的基础上,定义了电磁扰动异常信息量S,并对中强地震发生前S值的特征进行了分析。
1 2006年山东省地震前兆电磁扰动异常监测资料
1.1 台网概况山东省地震前兆电磁扰动短临监测网均匀分布在省内三大主要地震防御区带——聊考带、沂沭带、胶东半岛及两侧海域。2006年已建成7个省属台和2个地方台。各台站的具体位置见图1,具体参数见表1。省属台站使用仪器均为中国地震局地震预测研究所生产的EMAOS-L型电磁辐射观
表1 山东省地震前兆电磁扰动短临监测网台站情况表
Tab.1 Observational network of precursory electromagnetic disturbance in Shandong Province1.2 2006年台网内各台站监测到的异常在地震监测预报中,判定异常的原则为:主异常大于正常值5~10倍以上,且异常延续时间大于3 min,电磁信号基本同步。依据这一原则,可以判定2006年10月以前山东电磁扰动前兆台网一共发现10个台项的异常信号,它们与2006年河南范县地震和河北文安县地震活动有关。
(1)与范县地震有关的电磁异常信号
2006年1月29日,河南范县发生3.6级地震,距震中40 km的山东鄄城台的4个电磁测项在1月18日出现异常,其它台均无任何异常。
2006年4月9日,范县再次发生4.6级地震。据震后研究,地震主破裂走向为北东向。位于主破裂面垂直方向上、距震中40 km的鄄城台却无任何异常反应。而在震前的3月27、28日,胶州台出现电磁异常信号,时间长达近6个小时,4月1、2、3日又继续出现电磁信号(图2a,2b,2c)。3月29日,费县地方台垂直向深井中记录到两个异常信号(图2e)。由于胶州台和费县地方台位于地震主破裂带上,因此其异常信号应和范县4.6级地震有关。
图2f,2g还显示,曲阜台观测到的超低频(0.1~10 Hz)磁信号平时非常平稳,但在4月3日12时至4日5时南北和东西向均出现异常增强信号,且南北向强于东西向。曲阜台和胶州台、费县台位于同一沂沭断裂上,由此判断其观测到
图2 范县4.6级地震前山东电磁扰动异常(a)胶州台北南向电磁波超低频电场(2006-03-20~2006-04-10);(b)胶州台东西向电磁波超低频电场(2006-03-20~2006-04-10);(c)胶州台北南向电磁波超低频磁场(2006-03-20~2006-04-10);(d)胶州台东西向电磁波超低频磁场(2006-03-20~2006-04-10);(e)费县台垂直向;(f)曲阜台南北向;(g)曲 阜台东西向
Fig.2 Abnormal electromagnetic disturbance detected in Shangdong before the MS4.6 earthquake in Fanxian County,Henan Province(a)electric field of ultra-low frequency electromagnetic wave in NS direction at Jiaozhou station(2006-03-20~2006-04-10),(b)electric field of ultra-low frequency electromagnetic wave in EW direction at Jiaozhou station(2006-03-20~2006-04-10),(c)magnetic field of ultra-low electromagnetic wave in NS direction at Jiaozhou station(2006-03-20~2006-04-10),(d)magnetic field of ultra-low electromagnetic wave in EW direction at Jiaozhou station(2006-03-20~2006-04-10),(e)vertical direction at Feixuan station,(f)NS direction at Qufu station,(g)EW direction at Qufu station2006年4月20、22、23、28日烟台台接连出现异常电磁信号,且磁信号远大于正常值,当时,分析人员认为附近可能会发生有感地震,但在20天的预报期内无地震发生。
(2)与文安地震有关的电磁异常信号
2006年7月4日11时56分,河北省文安县发生5.1级地震,地震发生前的6月20日,安丘台的EMAOS-L型观测仪南北向和东西向电、磁共4个测项出现异常信号,此后,6月24日、6月28日至7月4日,接连出现较密集的磁异常信号(图3a,3b,3c),这是建台6年来没有出现过的情况; 7月9日以后,电磁信号均归于平静。
6月20日至21日,胶州台出现密集的电磁异常信号,7月4日以后仪器遭雷击出现故障停测(图3d,3e,3f,3g)。
图3 文安5.1级地震前山东部分电磁扰动前兆异常
(a)安丘台东西向电磁波超低频电场(2006-06-20~2006-07-10);(b)安丘台东西向电磁波超低频磁场(2006-06-20~2006-07-10);(c)安丘台北南向电磁波超低频磁场(2006-06-20~2006-07-04);(d)胶州台北南向电磁波超低频电场(2006-06-20~2006-07-04);(e)胶州台东西向电磁波超低频磁场(2006-06-20~2006-07-04);(f)胶州台北南向电磁波超低频磁场(2006-06-20~2006-07-04);(g)胶州台东西向电磁波超低频磁场(2006-06-20~2006-07- 04);(h)费县台垂直向深井电磁扰动异常;(i)曲阜台南北向电磁扰动异常;(j)曲阜台东西向电磁扰动异常
Fig.3 Precursor abnormal electromagnetic disturbance in Shangdong before the MS5.1 earthquake in Wen'an County,Hebei Province(a)electric field of ultra-low frequency electromagnetic wave in EW direction at Anqiu station(2006-06-20~2006-07-10),(b)magnetic field of ultra-low frequency electromagnetic wave in EW direction at Anqiu station(2006-06-20~2006-07-10),(c)magnetic field of ultra-low frequency electromagnetic wave in NS direction at Anqiu station(2006-06-20~2006-07-04),(d)electric field of ultra-low frequency electromagnetic wave in NS direction at Jiaozhou station(2006-06-20~2006-07-04),(e)magnetic field of ultra-low electromagnetic wave in EW direction at Jiaozhou station(2006-06-20~2006-07-04),(f)magnetic field of ultra-low electromagnetic wave in NS direction at Jiaozhou station(2006-06-20~2006-07-04),(g)magnetic field of ultra-low electromagnetic wave in EW direction at Jiaozhou station(2006-06-20~2006-07-04),(h)deep well electromagnetic abnormality in vertical direction at Feixian station,(i)electromagnetic abnormality in NS direction at Qufu station,(j)electromagnetic abnormality in EW direction at Qufu station图3h显示费县地方台垂直向深井电极6月20日出现了异常信号。而曲阜地方台出现的电磁异常信号同期逐步升高,7月2日和5日达到峰值,随后逐步降低(图3i,3j),异常信号东西向强于南北向。
(3)与小震有关的异常
2006年8月25日鄄城台的EMAOS-L型观测仪南北向电、磁和东西向电、磁共4个测项又开始出现异常信号,南北向电异常最高达151 mv/m,磁异常达到正常值10倍以上。异常至9月10日结束。由于9月12日鄄城台以南35 km处发生3.2级地震,地震预报人员认为这些异常信号与该地震有关。
2 电磁扰动异常信息量S的定义及其与震级的关系
笔者根据上述异常资料信息,作出山东省电磁扰动异常时序图(图4)。从图中可看出,河南范县4.6级地震和河北文安5.1级地震前监测到异常的台站数占台网总台数的比例比河南范县较早发生的3.6级地震以及9月12日鄄城台以南35 km处发生的3.2级地震的比例要大。根据这个结论,笔者定义物理量
S=(异常台站数)/(总台站数)×10(1)
来分析电磁扰动异常信息的特征。这里的总台站数是指电磁扰动短临监测网包含的子台数,由表1可知子台总数为9。
根据定义,S应具有信息量的特征,它表示地震发生时电磁扰动空间的几何分布特征,因此称其为电磁扰动异常信息量S。山东省2006年电磁扰动异常信息量S如图4h所示。从图中可见,中强地震前S明显较大。如范县4.6级地震前S=4,文安地震前S>5,且地震一般发生在S极大值开始下降附近。当S较小时,则多为小震或无震异常。这说明S值的大小可能与地震震级有关,即S<3,一般对应地方小震活动,S>4 则一般对应较有影响的中强地震活动。由于我们的研究资料中总台站数的样本太少,这条结论还有待于电磁扰
图4 山东省地震电磁扰动异常时序及异常信息量图
(a)安丘台;(b)胶州台;(c)聊城台;(d)烟台台;
(e)鄄城台;(f)费县台;(g)曲阜台;(h)总信息量
Fig.4 Sequence and quantity of the abnormal electromagnetic disturbance in Shangdong Province.(a)Anqiu station,(b)Jiaozhon station,(c)Liaocheng station,(d)Yantai station,(e)Juancheng station,(f)Feixian station,(g)Qufu station,(h)amount of information3 物理机制的认识
3.1 S的物理意义上文已谈到S具有电磁扰动信息量特征。从物理意义来看,S应和地震前兆异常区相关。一般而言,5级地震的前兆异常区为300~500 km,6级地震为500~1 000 km,7级地震则大于1 000 km。前兆异常区越大,接收到电磁扰动异常信息的台站数就越多,因而S值就越大; 反之,就越小。
3.2 地震多源场理论的支持由地震多源场理论可知,在中强地震孕育过程中,除震源区附近有强烈的应力构造活动外,在震源区外的其他区域和构造上,也同样有受主震孕育过程影响的、能量可能低于震源区的应力构造活动(詹志佳等,1996; 李细光等,2007),因此,地震孕育区(即节点)应存在于一个包括震源及其以外的一定区域内,这就是人们常说的地震前兆异常区。由于应力构造活动发展至一定阶段时,每一个节点将成为一个电磁辐射源(杨兆旺,沈海宝,1997; 陈立德等,1994),所以,震级越大,节点越多,相应的电磁辐射源也就越多,地震前兆异常区就越大,代表地震前兆异常区的S值就越大。因此S值代表了该区域内的构造活动引起的电磁辐射。笔者认为,S<3,一般对应小震活动的电磁辐射,S>4 则对应中强地震活动的电磁辐射。
3.3 电磁扰动异常信息量S值大小影响因素有资料表明(董旭光,苏鸾声,1998; 关华平等,1999; 洪祖展,杨小生,2000):地面存在电磁异常信号观测的“盲点”和“敏感点”,这可能和主破裂带与观测台站之间方位关系以及信号传播至监测台站的方式等有关。所以,S值也可能与方位关系、信号传播方式有关。观测台站如架设在主破裂带上,由于信号沿主破裂带传播,即使震中距较远,震级较小,震前也可能记录到较强的电磁辐射异常。这些观测台站由于能接收到信号将增加S值的大小,对S值有贡献。但河南范县4.6级地震前,位于主破裂面垂直方向、距震中40 km的鄄城台出现异常信号的“盲点”,则该台站在计算S值时将没有贡献。这进一步说明电磁扰动可能通过地表和电离层形成的波导传播,被地面上的天线接收,也可能通过在地壳中由断裂形成的波导直接传播至埋设在地下的天线(冯竞,张世杰,1985; Yoshino,1988)。这两种传播都将对异常信息量S值的计算有贡献。
4 用电磁扰动异常信息量S分析中强地震
1999年9月21日台湾集集7.4级地震前,大陆20个地震电磁扰动监测台监测到了电磁扰动异常信息(表2)。钱书清等(2001)研究了该震例,认为在震前3个月有9个台站出现明显的地震前兆电磁扰动异常,并分析了异常的前兆特征。根椐这些资料笔者计算了其异常信息量S并作出台湾集集7.4级地震电磁扰动前兆异常信息量S图(图5)。
表2 台湾集集7.4级地震前大陆地震电磁扰动异常进程表
Tab.2 Procedure of abnormal electromagnetic disturbance detected in the Chinese mainland before MS7.4 Chichi,Taiwan earthquake从表2可看出,1999年7~9月,异常台站数逐步增加,从图5中也可看出信息量S逐渐上升,至9月达到极大值,超过5。此后,S开始下降,在下降的过程发生了台湾集集7.4级地震。
图5 台湾集集7.4级地震电磁扰动异常时序及异常信息量图
(a)上海崇明台;(b)浙江加善台;(c)福建福州台;(d)福建闽清台;(e)福建安福台;
(f)福建莆田台;(g)福建尤溪台;(h)广东佛山台;(i)广东汕头台;(j)台湾信息量
Fig.5 Sequence and quantity of the abnormal electromagnetic disturbance of MS7.4 Chichi,Taiwan earthquake(a)Chongming station in Shanghai,(b)Jiashan station in Zhejiang,(c)Fuzhou station in Fujian,(d)Minqing station in Fujian,(e)Anfu station in Fujian,(f)Putian station in Fujian,(g)Youxi station in Fujian,(h)Foshan station in Guangdong,(i)Shantou station in Guangdong,(j)amount of information in Taiwan5 结论
综上所述,地震电磁扰动异常可以看作是台站所在地局部应力地质构造活动引起的。由于局部应力场受区域应力场控制,因而电磁扰动异常量S最能表现地质构造活动引起的电磁辐射空间分布大小。当S<3时,表明只有局部应力活动,中强地震发生的可能性较低,但如果在更大区域范围内,各个构造带(区)都在按照一定的规则和韵律活动,S值就会接近或大于5,那么,发生中强地震的可能性就很大了。
本文在计算地震前兆电磁扰动异常信息量时,只考虑了异常台站的个数,而各台站在异常信息量计算中所占的权重并没有考虑,这需要进一步研究。因为在大区域中的地震活动带中,监测主干构造活动的台站与监测次级构造活动的台站在接收地震电磁扰动信息量的大小方面是不同的。
山东省地震局魏焕研究员生前为本研究提供了原始数据,并撰写了论文提纲。本文纪念他为地震电磁扰动监测事业做出的贡献。
- 陈立德,包德修,邹永菊,等.1994.震前深井电磁短临前兆信息的观测和研究[J].西北地震学报,16(2):36-44.
- 丁鉴海,申旭辉,潘威炎,等.2006.地震电磁前兆研究进展 [J].电波科学学报,21(5):791-800.
- 董旭光,苏鸾声.1998.电磁波手段中强震前短临异常特征研究[J].东北地震研究,14(4):46-53.
- 冯竞,张世杰.1985.产生地震电磁前兆的一种机制[J].地震研究,8(1):33-37.
- 关华平,张宏魁,鲁跃,等.1999.怀来台震前超低频电场与地震关系研究[J].地震,19(2):142-148.
- 洪祖展,杨小生.2000.地震电磁辐射观测技术应用研究[J].地震学刊,20(3):38-43.
- 李细光,史水平,黄洋,等.2007.广西及其邻区现今构造应力场研究[J].地震研究,30(3):235-240.
- 毛桐恩.1989.中国震前电磁波观测与试验研究[J].地球物理学报,32(专辑I):500-504.
- 钱书清,郝锦绮,周建国,等.2001.1999年9月21日台湾集集MS7.4地震前ULF电磁信号及其与模拟实验结果的比较[J].地震学报,23(3):322-327.
- 王继军,赵国泽,詹艳,等.2005.中国地震电磁现象的观测与研究[J].大地测量与地球动力学,25(2):11-19.
- 杨兆旺,沈海宝.1997.电磁辐射异常信息的分析与思考[J].地震学刊,(4):17-21.
- 詹志佳,高金田,张洪利,等.1996.震磁前兆研究[J].地震研究,19(4):340-345.
- 中国地震局.2001.地震前兆数字观测技术规范(试行)(电磁观测)[S].北京,地震出版社.
- Hattori K,Akinaga Y,Hayakawa M,et al .2002.ULF magnetic anomaly preceding the 1997 Kagoshima Earthquakes,“Seismo Electromagnetics:Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere coupling”[M]. TERRAPUB,Tokyo,19-28.
- Yoshino T.1988.seismogenic emissions and its application on the earthquake prediction[R]//The Technical Report of Institute of Electronic Information and Communications,Tech Rep EMCJ.