2017年九寨沟7级地震前电磁扰动异常分析
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第39卷 第3期地 震Vol.39,No.3 2019年7月EARTHQUAKE Jul.,2019 2017年九寨沟7级地震前电磁扰动异常分析*
黄继攀1,2,3,王新安1,2,3,雍珊珊1,2,王 墨1,3,刘 众1,3
(1.北京大学深圳研究生院集成微系统实验室,广东深圳 518055;2.北京大学深圳地震
监测预测研究中心,广东深圳 518055;3.北京大学信息科学技术学院,北京 100871)
摘要:地震前的电磁扰动现象曾被多次观测到,但需进一步研究。
在中国地震局的支持下,可
以监测电磁扰动数据的多分量地震监测系统———AETA在中国境内已经布设了200余套。
2017年8月8日,四川省九寨沟县发生7级地震。
震中周边500km范围内当时已经布设22套
AETA设备。
基于滑动四分位距法(时间窗为27d)分析了这些台站震前30d的数据。
11个台
站出现了异常,其中震中周边200km内的6个台站有4个发生异常。
同时,正异常明显多于
负异常。
另外,大部分异常发生在夜间(20时~6时)。
关键词:九寨沟地震;电磁扰动;时间序列分析;异常
中图分类号:P315.62 文献标识码:A 文章编号:1000-3274(2019)03-0084-11
引言
大地震是一种具有高度破坏性的自然灾害,经常造成巨大的人员伤亡和财产损失。
现代地震学中,已经有不少对地壳形变、应变应力、重力、电离层、氡气、地磁等的观测工作[1~7]。
考虑到地震的复杂性,应该观测更多的地震前兆信号。
电磁扰动虽然有前人研究,但基本上是研究了个别地震的个别台站的电磁扰动现象[8~12]。
地声方面无论是古代文献[13]还是地震经历者均有较多震例,但近年来相关的研究比较少,研究中震例和台站也较少[14,15]。
自2012年起,我们开始研制多分量地震监测系统AETA(Acoustic and electromagnet-ic testing all in one system),可以同时监测电磁扰动和地声信号[16~19],可形成较密的前兆台网,让单震例下多台站的电磁扰动异常相互验证,同时实现了一定规模的地声前兆监测台网。
2017年8月8日,中国四川省九寨沟县发生MS7.0地震,震中为103.82°E,33.20°N,震源深度20km。
地震发生时,我们在中国地震局的支持下已经在震中周边500km范围内布设了22套AETA设备。
本文将用滑动四分位距法分析这些台站的电磁扰动数据异常。
*收稿日期:2018-11-05;修改回日期:2019-03-18
基金项目:深圳市科技创新计划项目(KJYY20170721151955849;JCYJ20170412151159461)
作者简介:黄继攀(1991-),男,河南商丘人,博士研究生,主要从事地震监测预测研究。
通讯作者:王新安,教授。
E-mail:anxinwang@pku.edu.cn
图1 AETA系统框图
1 系统简介
首先,对多分量地震监测系统AE-
TA做个简介。
它有2个子系统,数据采集系统与数据分析系统。
(1
)数据采集系统:包括埋于地下2m的电磁扰动探头和地声探头,以及地面机柜中的数据预处理终端;
(2
)数据分析系统:包括布设在阿里云上的云服务器、数据分析客户端和数据分析网页。
整个设备有2种———电磁扰动传感器和地声传感器。
电磁扰动传感器与法国Demeter
卫星上IMSC传感器[2
0,21]和中国电磁卫星上磁传感器[22]
原理相同,基于法拉第电磁感应定律,感应出垂直方向变化的磁场,得到感应电动势,进而经过放大、滤波、模数转换等处理。
其性能指标如下:
(1)0.1Hz~10kHz,0.1nT~1
000nT电磁信号,灵敏度大于20mV/nT@0.1Hz~10kHz,18bit分辨率,低频采样率500Hz,高频采样率30kHz;(2)尺寸:直径90mm,长度850mm;
(3
)垂直安装。
地声传感器基于压电薄膜传感器[
23]
,地声信号经过压电薄膜感应出电荷,进而经过电荷放大器、滤波器、放大电路和AD转换等处理。
其性能指标如下:
(1)0.1Hz~50kHz,灵敏度3LSB/p
a@0.1Hz~50kHz,18bit分辨率,低频采样率500Hz,高频采样率150kHz
;(2)尺寸:直径265mm,高度68mm;(3
)水平安装。
图2 探头实际安装情形(a)和数据处理终端(b
) 在设备可靠性方面,A
ETA设备作为地震前兆监测的新型仪器,研发完成
后由卓翼科技[24,25]
进行生产。
AETA设
备在卓翼科技出厂前进行了性能测试、老化测试和防水测试等,设备的可靠性和稳定性得到了保证。
电磁扰动传感器的频响测试、灵敏度测试、噪声水平测试和一致性测试在中科院河北怀来遥感综合试验站磁屏蔽室完成(2016年12月)
,相关指标达到了要求。
这两种传感器埋于地下2m。
AE-
TA设备绝大多数安装于县级和乡镇级
的中国地震局台站,周围的环境足够安静,尽可能地降低了诸如施工、高压电网等人类活动对设备的干扰。
图2展示了具体的安装情形和摆放AETA终端的机柜。
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截至2018年12月,在中国地震局的支持下,已经在川滇地区、首都圈、广东和台湾地区布设了200余套设备,图3是当前的仪器分布图。
图3 AETA在中国分布
2 数据与分析方法
2.1 数据
本文的数据分析对象是九寨沟周边500km范围内的22个台站的电磁扰动数据。
这22个台站的位置详情见表1。
数据可以从我们的数据分析客户端或者网页(http:∥www.ae-ta.cn)获取。
使用的数据分量是低频(0.1~200Hz
)电磁扰动数据,精度是1h。
图4给出了地震前后60天共120d的原始数据,横坐标中0对应着地震发生当天(2017-08-08)。
可以看到平静状态的数据如SF和KDGZ,每天较为规律的波动,如果波动幅值较小,长期来看近似一根直线。
平静状态下,不同台站的电磁扰动信号的幅值和形态虽不完全相同,但普遍存在日变特征信号(图4中幅值较大的JZG、SP、MX、LD等台站可以明显地看到)。
2.2 分析方法
在地震前兆数据分析领域中,滑动四分位距法是一种流行的异常分析方法[
4,26~28]。
根据前人研究[
9,10,12,29,30]
,震前电磁扰动异常多在地震发生时到震前一个月之间,这里分析地震前后30d的异常值。
由于地下电磁扰动信号很可能受到太阳活动的影响[31]
,这里采用太阳辐射周期27d[3
1,32
]作为滑动时间窗口。
每次滑动步长为1d。
在每个滑动窗口内,同一时刻的数据(比如每天7时的数据)组成一个数组,组内进行升序排序,处在1/4位置的数称之为Q1,1/2位置的数为中位数Median,3/4位置的数为Q3。
这样,滑动四分位距
IQR便可以被计算,公式为
IQR=Q3-Q1(1)IQR约等于1.34倍的标准差。
在这里,使用2倍的IQR作为异常检测阈值,相当于2.7倍的标准差,具有99.3%的检测异常置信概率。
这样,采用式(2)和(3)便可以确定正常数据的上下限。
滑动窗口后那一天的数据(第28d的数据)EMD如果在上下限之内,则认为
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9卷
表1 22个AETA台站的位置信息
台站名台站缩写经纬度东经/(°)北纬/(°)震中距
/k
m布设时间
台站名
台站缩写经纬度东经/(°)北纬/(°)震中距
/km
布设时间
九寨沟JZG(104.25,33.26)40.55 2017-06-
10名山MS(103.15,30.19)340.64 2017-06-
04松潘SP(103.60,32.65)64.51 2017-06-12宝兴BX(102.82,30.25)341.38 2017-06-05平武PW(104.55,32.41)111.23 2017-06-08康定姑咱KDGZ(102.17,30.12)376.39 2016-12-
21青川QC(105.23,32.59)148.09 2017-06-
07泸定LD(102.23,29.92)394.59 2016-12-
22茂县MX
(103.85,31.69)167.93 2017-06-
13峨眉山EMS(103.50,29.59)402.56 2017-06-05汶川WC(103.59,31.48)192.47 2017-06-13犍为QW(103.94,29.21)443.81 2017-06-
08马尔康MEK(102.22,31.90)208.29 2017-06-13金口河JKH(103.08,29.22)448.11 2017-06-
06什邡SF(104.16,31.13)232.39 2017-06-05石棉挖角SMWJ(102.34,29.23)463.32 2016-12-19都江堰DJY(103.65,30.98)247.37 2016-12-27石棉山洞SMSD(102.34,29.23)463.32 2016-12-18金川JC(102.07,31.47)253.05 2017-06-
12沐川MC(103.90,28.96)471.53 2017-06-11小金县
XJX
(102.36,31.00)280.63 2017-06-
05马边
MB
(103.54,28.83)486.65 2017-04-
12图4 各个台站地震前后60d的原始数据序列
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是正常数据,超出上下限的数据则被认为是异常数据,超出的部分称为异常值ΔEMD。
UB=Median+2IQR
(2
)LB=Median-2IQR
(3)Δ
EMD=EMD-UB (EMD>UB) 0 (LB<EMD<UB)EMD-LB (EMD<LB烅烄
烆
)(4
)3 结果与讨论
3.1 结果
使用滑动四分位距法检测到的异常值,如图5所示。
同样,横坐标中0对应着地震发生当天。
从图5中,可以看到异常发生在JZG、QC、MX、JC、EMS、JKH、MCSP、DJY和
QW台站。
其中,九寨沟台站在震前30d的20~24时发生轻度异常,震前8d的0~4时发生4个小时的负异常、13~18时发生5个小时的正异常,震前7d到震后6d每天的5~6时发生持续异常,形成了条带;青川台站在震前27d的6~8时出现明显异常,震前20d的20~24时出现明显异常;茂县台站在震前9d、6d、5d、3d和2d的7~20时出现约10~20mV异常;金川台站在震前8d到震后7d出现持续的负异常,幅值在-60~-10
mV之间;峨眉山台站在震前25d、16d、15d、11d、5d和0d的0~6时间出现正异常,震前17d和震前1d的20~24时间出现正异常;金河口台站在震前23d和震前19d的0~6时间出现正异常;沐川台站的震前24d和18d的10~24时出现正异常,震前12d和震
前1d的6~8时也出现正异常。
更清晰的异常情况,如表2所示。
表2 电磁扰动数据异常总结表
台站异常时间/d异常时间(UTC+8h
)异常幅值(mV)
JZG-30~-28,-8~+4
0:00~6:00,13:00~18:00,21:00~24:00+10~+40,-20~-5
QC-26,-20 6:00~8:00,20:00~24:00+10~+30
MX-9,-6~-5,-3~-2
7:00~20:00
+10~+20JC-8~-4,-1~+7 0:00~24:00
-60~-10EMS-25,-16~-15,-11,-5,-1~0
0:00~6:00,20:00~24:00+10~+40JKH-23~-19 0:00~6:00+10~+40MC-30~-18,-12~-1 10:00~24:00,6:00~8:00
+10~+20SP-30~-29
0:00~5:00,0:00~24:00+10~+15DJY-28,-26,-23,-20,-16
0:00~6:00,18:00~24:00+10~+15
QW
-25~-16
0:00~5:00,20:00~4:00
+5~15,-15~-5
3.2 讨论
从表2可以看到,大部分异常发生在夜间(20~6时)。
同时,在异常的台站中,正异常远远多于负异常,这很可能是这一区域地震前的电磁扰动异常规律。
地震通常被认为是板块运动等构造活动导致的,为了探究上述异常是否与活动地块边
界有关系,绘制图7。
图7中地块边界数据、板块移动方向和速度来自张培震等[33,34]
的活动构造数据。
从图7中可以看到九寨沟地震发生在巴颜喀拉地块的东侧边界上,结合表1和表2,震中周边200km内的6个台站有4个表现出了正异常。
华南一级地块边缘的EMS、
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9卷
图5 基于滑动四分位距法检测到的低频电磁扰动异常
白色区域代表数据缺失
MC、JHK和QW一带也表现出了正异常。
从图6上来看,异常集中出现在九寨沟震中周
边区域和峨眉山区域,已经用红色虚线圆圈进行表示。
关于电磁扰动异常的机理,目前尚未定论,动电效应和微破裂机制被认为是最可能的
机制[
11,35~38]。
九寨沟震中周边区域部分台站异常的出现,很可能是动电效应或者微破裂导致的局部地下电性结构发生改变的结果。
峨眉山区域的几个台站处于在震前也出现异常,可能是地下电性结构发生改变。
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图6 异常台站分布
3.3 地声信号和长期的电磁扰动信号变化情况
AETA台站同时有电磁扰动探头和地声探头,九寨沟地震前可能地声也发生了异常。
于是对地声数据进行分析,分析对象为原始数据的均值、振铃计数和峰值频率,发现震前不少台站出现异常,如图7所示,红色五角星表示地震发生当天。
从图7中可以看到,JZG台站震前9d开始出现地声异常一直持续到地震发生当天,附近的PW和QC在震前11d和震前1d均出现地声异常等。
为了进一步地理解震前信号的变化,对几个变化较为平稳信度较大的台站(JZG和MX)的电磁扰动信号进行了较长时间(2017年6月8日~2018年7月3日)
的研究和分析,得到图8。
图8中左侧红色虚线对应着九寨沟7级地震发生时刻。
这段时间内的2017年11月7日九寨沟发生4.5级强余震,2017年11月10日距离MX台站仅仅20km的绵竹发生4.2级地震,因时间较近图中用红色虚线仅标注了2017年11月10日绵竹地震时刻。
从图8中可以看到,距离九寨沟7级地震震中较近的JZG和MX台站,在2017年8月地震发生时,处于较长期正常数据数值偏低的时期,但在短期内又达到了高的峰值;JZG和MX两台站的信号在2017年11月初的2次地震时同样出现了由低值到高值的变化,与九寨沟7级地震时候的波形具有一定的相似性。
0
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图7
九寨沟地震震前地声异常统计图示
图8 几个台站一年以上电磁扰动原始数据
4 结语
本文进一步印证了大地震周边地区多处会出现电磁扰动异常,多分量地震监测系统
AETA监测到了可能与九寨沟大震相关的低频电磁扰动异常,积累了同一大震下多个台站电磁扰动的数据和数据异常经验。
AETA台站的密集布设有望进一步促进地震的监测预测研究,更多关于电磁扰动异常的研究值得去做。
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Shenzhen Graduate School,GuangdongShenzhen 518055,China;3.School of Electronics Engineering
and Computer Science,Peking University,Beijing
100871,China)Abstract:Electromagnetic disturbance phenomena before earthquakes have been observedfor many times,however the correlation should be further studied.We designed a multi-component seismic monitoring system-AETA,to monitor the electromagnetic disturbance.At present more than 200AETA devices have been deployed in China under the supp
ort ofthe Chinese Earthquake Administration.On August 8,2017,a large MS7.0earthquakeoccurred in Jiuzhaigou county of Sichuan Province,China.There are 22sets of devicesinstalled at seismic stations within the 500km range of the epicenter.We analy
zed the3
9 3期 黄继攀等:
2017年九寨沟7级地震前电磁扰动异常分析
observation data of 30days before and after the earthquake using the sliding
interquartilemethod and a 27-day
window.The result shows that abnormal signal appeared at 11sta-tions.Among
them,4out of 6stations within 200km around the epicenter have anoma-lies.And the positive anomaly
is much more than the negative anomaly.Besides,mostanomalies occurred during
night time(20:00~6:00).Key
words: The 2017Jiuzhaigou Earthquake;Electromagnetic Disturbance;Time-seriesanalysis;Anomaly49 地 震 3
9卷 。