地震電磁輻射異常資料的統(tǒng)計(jì)分析

我國地震發(fā)射異常的特點(diǎn)越來越多的科學(xué)家對(duì)異常輻射異常的短臨前景做出了回應(yīng)。雖然有很多科學(xué)家認(rèn)為,至今還沒有確切的證據(jù)能證明地殼中的電磁信號(hào)和震前過程有著必然的聯(lián)系,然而伴隨地震的發(fā)生,出現(xiàn)的電磁異?，F(xiàn)象已是不爭的事實(shí)。我國研究地震電磁輻射資料并用來預(yù)報(bào)地震是在1976年唐山7.8級(jí)地震后逐步發(fā)展起來的,經(jīng)過30多年的努力,我國已經(jīng)建立了地震電磁輻射觀測臺(tái)網(wǎng),取得了豐富的震前電磁輻射異常資料。長期積累的地震電磁輻射觀測資料表明,地震電磁輻射異常的特點(diǎn)受震級(jí)的大小、震中距的不同、觀測環(huán)境、臺(tái)站所處的地下地質(zhì)構(gòu)造模式、介質(zhì)類型、觀測儀器、觀測頻段以及地震類型等因素的影響,各地取得的觀測資料不是整齊劃一的,但異常資料都有一定的波形特點(diǎn)、變化幅度和持續(xù)時(shí)間。筆者收集整理了1989年以來在國內(nèi)刊物上公開發(fā)表的地震電磁類文章50余篇(本文的參考文獻(xiàn)只給出主要的文獻(xiàn)),從中摘錄M≥3.0震例232個(gè),統(tǒng)計(jì)其觀測儀器及其性能指標(biāo),總結(jié)分析了地震電磁輻射異常資料的特征和異常指標(biāo)。1儀器和介質(zhì)的分布在地震電磁觀測中,觀測儀器的性能直接影響到觀測資料的質(zhì)量。根據(jù)震例,統(tǒng)計(jì)其觀測儀器9種12個(gè)型號(hào),表1為觀測儀器的性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表。由表1表明,地震電磁觀測分為電場分量和磁場分量觀測,大部分有SN向和EW向二個(gè)觀測項(xiàng),有些只觀測垂向分量或者沒有明確的觀測方向;各種儀器的采樣率和靈敏度不同;觀測頻率最低為0.01Hz,最高達(dá)到38.5kHz,大部分儀器觀測的優(yōu)勢頻段為0.01～10Hz。探頭類型不同,布極方式基本可分為架空、地面放置和埋地,埋地深度一般在1～6m。山西省地震局DWMJ-89和DJY-2000型電磁波脈沖記錄儀的磁探頭一般放在山洞或地下室;云南省地震局JD-03型及日本TOA型井中電磁波觀測儀的天線則放在深井中。2地震輻射前的異常特征根據(jù)收集的資料,電磁輻射異常特征的描述,主要有異常的持續(xù)時(shí)間、形態(tài)特點(diǎn)和方向性及不均勻性等。2.1異常多發(fā)生在震前時(shí)間的震級(jí)之中,一般在震前1040.0的震級(jí)狀況,一般在震前102020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020級(jí)任何地震前記錄到的異常信息都有一定的持續(xù)時(shí)間,只是異常的持續(xù)時(shí)間受震級(jí)大小、震中距長短、臺(tái)站所處的地下地質(zhì)構(gòu)造模式、地下介質(zhì)均勻情況等諸多因素的影響,同一地震,在不同的地方記錄到的異常時(shí)間也不相同。一般認(rèn)為,異常時(shí)間和震級(jí)有著很大的關(guān)系,異常時(shí)間短,未來地震的震級(jí)小;異常時(shí)間越長,未來地震的震級(jí)越大;多數(shù)儀器記錄表明,異常大多在震前幾小時(shí)、幾天或幾十天出現(xiàn)異常信號(hào),有些上百天。吳伯榮等用甘肅CGY-1A型磁感應(yīng)探頭記錄結(jié)果,分析了甘肅及鄰近地區(qū)MS≥4.0地震前的電磁波異常特征表明,第一組異常信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間一般在震前幾小時(shí)至幾天,最長不超過一個(gè)月,震級(jí)越大,首次異常出現(xiàn)的時(shí)間也越早。黃維有等分析了DWMJ-89A型儀器在內(nèi)蒙古通遼1993—1999年的記錄資料,得出電磁波異常一般多出現(xiàn)在震前100～120天。從主信號(hào)出現(xiàn)到發(fā)震時(shí)間的認(rèn)識(shí)比較一致,一般為15～20天,且地震發(fā)生時(shí)沒有異常信息,,。2.2般異常表現(xiàn)為波型結(jié)構(gòu)的脈沖波目前,大多對(duì)電磁異常信息形態(tài)特點(diǎn)的描述都比較籠統(tǒng)。如震前異常信號(hào),地表為偏離基線的間斷脈沖、方波脈沖;深井為連續(xù)密集脈沖群串,規(guī)律出現(xiàn)數(shù)組。異常信號(hào)分為低頻脈沖和陣發(fā)性脈沖二類。從異常形態(tài)來看,小地震異常信息似脈沖狀,尖峰形態(tài);大地震異常信息似簇狀、包絡(luò)形態(tài)。地震較大時(shí)一般異常時(shí)間較長,其異常信號(hào)較連續(xù)、密集。地震較小時(shí)異常多表現(xiàn)為間斷、離散,信息不連續(xù),具有明顯的陣發(fā)性。也有描述具體些的,如電磁波異常信號(hào)波形復(fù)雜,大都以離散、間斷脈沖、密集脈沖、連續(xù)密集脈沖及不規(guī)則方波疊加短時(shí)脈沖等形態(tài)出現(xiàn),。陳智勇等研究了HBEM-Ⅲ型電磁輻射觀測儀筆繪記錄的地震前兆異常波形,認(rèn)為,電場電磁輻射信息的筆繪記錄波形復(fù)雜,按其形態(tài)、頻譜及其與地震的關(guān)系,把不同頻率的電磁擾動(dòng)信息分為4個(gè)基本類型。其特點(diǎn)是:A類脈沖波是帶有指數(shù)包絡(luò)的電磁振蕩脈沖波,其中多為準(zhǔn)等幅振蕩波;B類脈沖波為正向和反向幅度不穩(wěn)定的脈沖波;C類準(zhǔn)脈沖波,峰谷圓滑,似準(zhǔn)正弦波形態(tài);D類波為待研究的波形,。對(duì)異常信息起伏過程的認(rèn)識(shí),普遍認(rèn)為震前異常信息遵循弱—強(qiáng)—弱—平靜(發(fā)震)過程或此過程中環(huán)節(jié)的反復(fù)過程,,,,。2.3異常的信號(hào)傳播途徑震前電磁異常的不均勻性體現(xiàn)在,首先對(duì)于同一地震不是在一定范圍內(nèi)的所有測點(diǎn)都有反應(yīng),。其次,地震電磁輻射異常具有一定的方向性,,。周本誠等研究了DPJ-Ⅲ、ULF-Ⅲ和JD-03型觀測儀資料表明,震前電磁異常信號(hào)與天線所處的方位有關(guān),即電磁波異常信號(hào)與磁性天線軸向垂直或接近垂直時(shí)接收到的信號(hào)較強(qiáng);與天線軸向平行或成銳角時(shí),接收到的信號(hào)較弱。再次,電場和磁場的前兆同屬電磁信號(hào)的異常,對(duì)同一地震同一觀測儀器,電、磁異常出現(xiàn)的時(shí)間不同,異常時(shí)間段也不同。往往是電場異常先出現(xiàn),磁場異常后出現(xiàn)。閻計(jì)明認(rèn)為,巖石在受力發(fā)生剪裂過程中,兩組共軛剪裂面總是其中的一組較為發(fā)育,因此巖石發(fā)生微破裂時(shí)電磁波的輻射會(huì)具有明顯的方向;對(duì)同一儀器記錄到的異常信息,其電磁波傳播途徑有來自大氣層反射的、有地下的、也有來自大氣層與地下多次反射或透射的,這樣異常信息在平面上體現(xiàn)出強(qiáng)弱交替分布的條帶規(guī)律。關(guān)華平等研究認(rèn)為,臺(tái)站附近活動(dòng)斷裂較為發(fā)育,有多條不同走向的斷裂在附近通過,一方面成為應(yīng)力易于集中和釋放的“敏感點(diǎn)”;另一方面,地震前巖石微破裂產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)通過斷裂又易于傳播到地表,這可能是觀測臺(tái)對(duì)地震有較好反映的原因之一。3異常提前出現(xiàn)的時(shí)間和異常終止的一般過程表2為摘錄的震前有明顯電磁異常信息的M≥3.0震例參數(shù),共計(jì)232個(gè),其中3.0≤M<4.0震例44個(gè),占總數(shù)的19%;4.0≤M<5.0震例63個(gè),占27.2%;5.0≤M<6.0震例73個(gè),占31.5%;6.0≤M<7.0震例40個(gè),占17.2%;M≥7.0震例12個(gè),占5.1%。根據(jù)文章的敘述,統(tǒng)計(jì)出每個(gè)震例發(fā)生的時(shí)間、震中、震級(jí)(M)、震中距(D),較精確地推算出異常提前出現(xiàn)的時(shí)間(Tb,異常出現(xiàn)時(shí)間到地震發(fā)生的時(shí)間段,異常持續(xù)時(shí)間不到一天的按一天計(jì)算,下同)、震后異常時(shí)間(Ta,地震發(fā)生的時(shí)間到異常完全結(jié)束的時(shí)間段,異常結(jié)束當(dāng)天發(fā)震的為0;異常結(jié)束前發(fā)震的為正;異常結(jié)束后發(fā)震的為負(fù))。表2震例按震級(jí)的大小排列,對(duì)同一震級(jí)的震例按發(fā)震時(shí)間先后順序排列,對(duì)同一個(gè)地震,按不同震中距、不同儀器記錄計(jì)數(shù),這樣,一個(gè)地震的計(jì)數(shù)可能多于1次,記錄數(shù)最大的為1984年5月21日南黃海6.2級(jí)地震,為5次。3.1異常提前的時(shí)間一般地,異常提前出現(xiàn)的時(shí)間隨震級(jí)的增大而增長。異常的提前時(shí)間從幾小時(shí)到幾十天不等,有些上百天。根據(jù)震例表2,統(tǒng)計(jì)計(jì)算地震電磁異常提前出現(xiàn)的時(shí)間(Tb)與未來地震震級(jí)M的關(guān)系見表3,可見,對(duì)3.0≤M<4.0地震,電磁輻射異常信息一般出現(xiàn)在震前10天左右;4.0≤M<5.0地震和5.0≤M<6.0地震的異常提前時(shí)間并沒有很明顯差別,一般為20天左右;6.0≤M<7.0地震異常信息一般出現(xiàn)在震前30天左右;M≥7.0地震異常信息一般出現(xiàn)在震前45天左右。圖1為異常提前的時(shí)間(Tb)與震級(jí)M的關(guān)系分布。從圖1可以看出,Tb=60天是一條明顯的分界線,將異常提前出現(xiàn)時(shí)間小于60天和大于60天的震例分開。據(jù)統(tǒng)計(jì),Tb≤10天的震例102個(gè),占43.9%;Tb≤20天的有161個(gè),占69.4%;Tb≤30天的有186個(gè),占80.2%;Tb≤60天的有217個(gè),占總數(shù)的93.5%,超過60天的只占6.5%。這說明,絕大多數(shù)地震發(fā)生在異常出現(xiàn)后的2個(gè)月以內(nèi)。對(duì)圖1中離散點(diǎn)采用最小二乘法線性擬合,得到的擬合直線,擬合方程為M=4.73+0.013Tb(1)Μ=4.73+0.013Τb(1)誤差(殘差平方和)為258.98。式(1)確定的直線的斜率僅為0.013,為基本平行于Tb軸的一條直線。這個(gè)結(jié)果說明,異常提前出現(xiàn)的時(shí)間從幾小時(shí)到幾十天,有些上百天,與前人的結(jié)論一致。將Tb=20代入(1)式得M=4.99與表3結(jié)果相對(duì)應(yīng),可見,式(1)對(duì)5級(jí)左右的地震是適用的,這與所采用的擬合樣本有關(guān)。Tb的增加不會(huì)引起M值明顯的增大,即隨著震級(jí)段的增加,相應(yīng)Tb的分段增加不明顯,這與表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相一致。未來地震的震級(jí)受異常提前出現(xiàn)的時(shí)間(Tb)的長短影響較小,特別是對(duì)4.0≤M<6.0的地震,異常提前出現(xiàn)的時(shí)間不是預(yù)示未來地震震級(jí)的主要指標(biāo)。3.2震級(jí)與異常傳播的距離關(guān)系震中距表征電磁異常信息傳播的距離。觀測表明,電磁異常信息傳播的距離隨地震震級(jí)的增大而增大。根據(jù)震例表2,統(tǒng)計(jì)同一震級(jí)段震級(jí)M與平均震中距(D)的關(guān)系見表4,可見,對(duì)3.0≤M<4.0地震,平均震中距為110km左右;4.0≤M<5.0地震為165km左右;5.0≤M<6.0地震為270km左右;6.0≤M<7.0地震為332km左右;M≥7.0地震為553km左右。這表明,電磁異常對(duì)不同震級(jí)地震的反應(yīng)范圍不一樣,隨著地震震級(jí)的增大,其反應(yīng)范圍也越來越大。若按中強(qiáng)震、強(qiáng)震和大震統(tǒng)計(jì),則M<5.0地震的反應(yīng)范圍為150km左右;5.0≤M<7.0地震為300km左右;M≥7.0地震為550km左右。前后兩震級(jí)段的反應(yīng)范圍基本呈2倍的梯次上升關(guān)系。圖2為震中距(D)與震級(jí)(M)的關(guān)系分布。對(duì)圖2中離散點(diǎn)采用最小二乘法線性擬合,得到的擬合直線如圖2,擬合方程為:M=4.44+0.24D(2)Μ=4.44+0.24D(2)誤差(殘差平方和)為218.39。其中,震中距D的單位為102km。式(2)適用于4.5級(jí)以上的中強(qiáng)震和強(qiáng)震。一個(gè)5級(jí)地震的異常距離為200km左右,這與表4的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相符。一個(gè)6級(jí)地震的異常距離為650km,7級(jí)地震可達(dá)1000km以上。這表明,在一定的震級(jí)范圍內(nèi),震級(jí)和異常傳播的距離存在簡單的線性關(guān)系,震級(jí)越大,電磁異常信息傳播的距離越遠(yuǎn),且震級(jí)每增大一級(jí),異常傳播的距離可增大500km。圖2震級(jí)與震中距(D)關(guān)系3.3異常結(jié)束前后震例的發(fā)生情況電磁異常的各個(gè)階段都有可能發(fā)生地震。有些地震發(fā)生在異常持續(xù)期間,地震發(fā)生后,異常仍持續(xù)一段時(shí)間;有些地震發(fā)生在異常結(jié)束后或結(jié)束后的一段時(shí)間。一般認(rèn)為,地震發(fā)生時(shí)是沒有異常信息出現(xiàn)的。震后電磁輻射異常時(shí)間(Ta)為地震發(fā)生到異常完全結(jié)束的時(shí)間段:在異常結(jié)束當(dāng)天發(fā)震的為0;在異常結(jié)束前發(fā)震的為正;在異常結(jié)束后發(fā)震的為負(fù)。根據(jù)震例統(tǒng)計(jì),若將分為Ta>0、Ta=0和Ta<0,則Ta>0的震例為27個(gè),占總數(shù)的12%;Ta=0的震例為100個(gè),占43%;Ta<0的震例個(gè)數(shù)為105個(gè),占45%,由此得出,有88%的地震發(fā)生在異常結(jié)束后或異常結(jié)束當(dāng)天(圖3a)。在Ta≤0的205個(gè)震例中,-10≤Ta≤0的范圍內(nèi),即地震發(fā)生在異常結(jié)束10天之內(nèi)的震例有190個(gè),占總數(shù)的93%;-20≤Ta<-10的范圍內(nèi),有11個(gè),占5%,這個(gè)結(jié)果表明,有98%的地震發(fā)生在異常結(jié)束后20天以內(nèi),20天以外發(fā)震的僅占2%(圖3b)。4異常表現(xiàn)的距離與震級(jí)的關(guān)系(1)一般情況下,未來地震的震級(jí)越大,異常提前出現(xiàn)的時(shí)間越早。對(duì)3.0≤M<4.0地震,電磁輻射異常信息一般出現(xiàn)在震前10天左右;4.0≤M<6.0地震為20天左右;6.0≤M<7.0為30天左右;M≥7.0地震為45天左右。(2)電磁異常信息傳播的距離隨地震震級(jí)的增大而增大。據(jù)統(tǒng)計(jì),3.0≤M<4.0地震異常信息傳播的平均距離為110km左右;4.0≤M<5.0地震為165km左右;5.0≤M<6.0地震為270k