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
ｅｌｅｃｔｒｏｍａ
ｇｎｅｔ
－
ｉｃ
ｔｅｓｔｉｎ
ｇ
ａｌｌ
ｉｎ
ｏｎｅ
ｓ
ｙｓｔｅｍ），
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
Ｍ
Ｓ７．０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：
ａｎｘｉｎｗａｎ
ｇ＠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
２
ｍ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［
２０，
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／
ｐａ
＠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，
ＡＥＴＡ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。５８ ３期
黄继攀等：
２０１７年九寨沟
７级地震前电磁扰动异常分析 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（
ｈｔｔ
ｐ：
∥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［
３１，
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
Ｑ
１，
１／
２位置的数为中位数
Ｍｅｄｉａｎ，
３／
４位置的数为
Ｑ
３。
这样，
滑动四分位距
ＩＱＲ便可以被计算，
公式为
ＩＱＲ
＝Ｑ
３－Ｑ
１（
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６８ 地
震
３９卷