0 引言

地震预测预报是当今世界的科学难题，近年来国内外学者利用电磁学方法研究地震的孕育与发生过程，记录到震前大量电磁异常，尤其是甚低频（VLF）到超低频（ELF）电磁异常信号，这些信号出现在震前几天或几小时，提供了明显的短临地震信息。因此，在大地震短期预报中，利用地震的电磁现象进行研究逐渐被认同，电磁方法成为一种有前途的地震研究方法（高曙德等, 2010, 2013；张建国等, 2011, 2013；孙维怀等，2012）。

“十五”期间，中国地震局在全国安装12套极低频电磁观测仪器。红山基准地震台（以下简称红山台）于2007年5月安装架设ELF电磁观测仪器，2009年8月按照统一规范进行连续观测，仪器总体运行良好。本文通过对该仪器观测资料的分析处理，探讨河北及国内大地震前后观测的电磁场功率谱密度及视电阻率中短期异常和变化规律。

1 地质构造背景

红山基准地震台（以下简称红山台）为河北省地磁基准台，地处隆尧县城西北9 km处，海拔37 m。红山台所在地区构造上属于邢台地堑区，东临沧县隆起，北接冀中坳陷，西为太行山隆起，南为隆尧断裂。邢台地堑总体构造以NNE向为主，内部发育一系列NNE—NE向断裂带，局部发育NW—NWW向断裂。受板块构造影响，华北地区的主压应力方向以NEE—SWW为主导，构造应力张量结构以走滑性质为主，兼有一定的正断性质。红山台周围地质构造复杂，基层断裂纵横交错。特别是东南部束鹿断陷为新生代断陷盆地，断陷内新构造运动发育强烈，第三系以来的沉积层厚达700—2 000 m。台站基岩为震旦纪石英砂岩，部分基岩出露，广布第四纪冲洪积相堆积（徐继山等，2011）。红山台地质构造见图 1。

2 数据观测及处理 2.1 数据观测

红山台使用俄罗斯ACF-4M型ELF电磁观测仪进行电磁场观测。电极采用正NS—EW向布设，观测4个分量的电磁场信号：2个分量水平电场（EW向E_x和NS向E_y）、2个分量水平磁场（NS向的H_x和EW向的H_y），目前主要观测天然电磁场，观测频率范围为0.1—800 Hz，电场传感器采用Pb-PbCl₂不极化电极，与磁场传感器（感应线圈）共同埋入地下，连接线采用80 cm深度埋地敷设（范晔等，2013）。台站观测仪器布设见图 2。

红山台每日分2个时段进行电磁观测，记为01、02，每个时段记录3个观测频段，记为D₁、D₂、D₃，其中D₃为高频段（1—800 Hz），D₂为中频段（1—400 Hz），D₁为低频段（0.1—40 Hz），各频段采样率分别为3 200 Hz、1 600 Hz、160 Hz。各频段每日观测时间统计见表 1。

2.2 视电阻率、功率谱计算

ELF观测仪具有计算机网络设置功能，使用专用软件设置仪器的各项参数、自动记录开机时间和记录长度。记录数据传输到计算机后，使用软件进行处理，对时间序列进行FFT（快速傅式变换）变换，实现时间域到频率域的转换，得到电场、磁场的自功率谱S(E)、S(H)及视电阻率ρ_xy和ρ_yx和阻抗相位Z（陈小斌等，2006；范晔等，2013）。其中Z和ρ由下式计算得到。

$ Z = {E_x}/{H_y}\;\;\;\;\;{\rho _{xy}} = 0.2T{\left| Z \right|^2} $

其中，E_x为电场水平强度，H_y为垂直于E_x的磁场强度，T为周期。

频率域功率谱S_E(f)可由下式计算得到。

$ {S_E}\left(f \right) = \int {{R_E}\left(t \right)} {e^{ - i2\pi ft}}{\rm{d}}t $

其中，R_E(t)为时间域信号。

3 观测记录变化规律

天然电磁场信号微弱，易受到各种干扰的影响。检查红山台2014年3月7日—2015年12月31日观测日志，查看每日观测和数据缺失记录，去除人为干扰、雷雨等自然环境干扰因素的影响，确保电磁数据在仪器正常运行状态下进行记录和处理。

使用Matlab编写软件，绘制每日各频率段电磁场分量的自功率谱叠加曲线，从中挑选舒曼谐振背景变化规律明显且质量较好的数据，同时在D₁—D₃频段中分别筛选代表频率1 Hz、8 Hz、39 Hz、82 Hz、178 Hz、580 Hz；编写频率提取软件，抽取选定代表频段数据，绘制随时间变化的电磁场分量自功率谱和视电阻率观测曲线。

由电磁场功率谱曲线得到红山台选定频段电磁场强度日常分布范围，见表 2，去除电磁场强度日常分布范围外的明显异常值，尽量保证观测数据的可靠性。

红山台观测到的天然电磁场的电场和磁场分量的自功率谱曲线变化趋势整体具有较好的一致性，见图 3。与磁场数据相比，电场数据受干扰影响普遍较大，主要是因为，电场信号受台站所在区域地质构造、观测场地环境、人为干扰等因素影响较大，具有较强的局部效应，而磁场信号则具有更好的信噪比和区域可对比性（范晔等，2013）。由图 3中1 Hz、39 Hz、178 Hz的磁场NS和EW道自功率谱曲线可观察到明显的背景变化规律。红山台地处北半球中纬度地区，随着春夏秋冬的季节变化，磁场曲线具有夏季升高、冬季回落的规律，且以1年为周期，高频178 Hz的磁场强度明显弱于低频1 Hz、39 Hz的磁场强度，因此磁场强度随着频率增加缓慢减弱。电场数据同样呈现夏强冬弱的变化规律，但变化规律没有磁场数据显著。

4 异常分析

极低频电磁异常信息一般出现在地震发生前数日至数十日，在震中距几百千米范围内均可记录到异常信息（郝建国等，1995）。河北及邻区小震频发，大震缺少，选取2014—2015年河北及邻区3级以上且红山台与震中距离200 km左右的4次地震，以及距震中均1 000 km以上的云南鲁甸6.5级地震、尼泊尔8.1级地震，对记录6次地震的ELF资料，计算自功率谱，分析视电阻率变化。参与分析的地震参数见表 3。

4.1 自功率谱变化

绘制红山台2014—2015年电磁场观测数据1 Hz、39 Hz、178 Hz的自功率谱变化曲线，见图 4（图中蓝色曲线表示H₁、E₁、红色曲线表示H₂、E₂）。从图 4可见：①在2014年8月3日鲁甸6.5级地震发生前10天内，电场和磁场功率谱在不同频率段均有显著变化，变化幅度分别高于正常值约1个数量级，电场功率谱在各频率段均存在1个显著的台阶变化，地震发生后，数据恢复正常，台阶消失；②2015年4月19日文安3.0级地震、4月25日尼泊尔8.1级地震发生前十几天内，各频率段电场和磁场功率谱变化显著，变化幅度分别高于正常值1—6个数量级不等，尤其电场功率谱变化显著，明显的向上突跳和阶跃，为脉冲集丛现象，而磁场功率谱变化为向下的阶跃和突跳，在地震发生后，数据变化恢复正常，查看国家地磁台网中心磁暴记录，以上地震发生时段无太阳活动和磁暴；③表 3中给出的河南范县、山西太原及原平3次地震在1 Hz、39 Hz、178 Hz电场、磁场自功率谱曲线中并未有明显震前异常，可能是因为震级较小，能量衰减较快，在受干扰较大的自功率谱曲线中无异常出现。对于鲁甸6.5级、尼泊尔8.1级强震，ELF观测资料的震前电磁效应明显。

4.2 视电阻率变化

红山台为电磁场定点观测台站，观测点附近各地层电阻率基本稳定，计算R_xy、R_yx方向的视电阻率，并绘制观测曲线（图略），可知R_yx方向曲线较为平滑，R_xy方向显示突跳较多。因此，分别绘制1 Hz、39 Hz、178 Hz视电阻率R_yx方向曲线，分析视电阻率变化特征。从趋肤公式可知，1 Hz、39 Hz、178 Hz分别对应红山台地下由深部至浅部的视电阻率，即由高阻至低阻，越向上至地表，松散第四纪沉积物电阻率越低。绘制3个频率段R_yx方向的ELF视电阻率变化曲线，见图 5，可以看出，鲁甸6.5级地震、尼泊尔8.1级地震和文安3.0级地震与不同频率段视电阻率变化均有较好的对应关系，视电阻率向上或向下明显跳动，变化的异常幅度达1—2个数量级，应与震级大小、震中距、红山地质构造环境等相关；39 Hz、178 Hz（中高频段）的视电阻率变化较1 Hz（低频段）更显著，充分说明视电阻率具有方向性和频率所选性。

5 结论

本文利用红山台2014年3月7日—2015年12月31日ELF观测的天然电磁场数据，采用电磁场功率谱密度对背景变化规律及观测资料异常特征进行分析，并通过视电阻率变化辅佐分析，得到以下结论。

（1）电磁场强度呈现夏季强冬季弱的变化趋势，电场信号受干扰影响较大，磁场信号则具有更好的信噪比和区域可对比性。

（2）红山台各地层电阻率基本稳定，1 Hz视电阻率高于39 Hz，39 Hz视电阻率高于178 Hz，从趋肤公式可知，1 Hz、39 Hz、178 Hz分别对应红山台地下由深部至浅部视电阻率，即由高阻至低阻，越向上至地表，松散第四纪沉积物电阻率较低。

（3）电磁场自功率谱及视电阻率变化曲线中出现的一些突跳并未伴随地震发生，有些地震未发现明显异常变化，可能原因为地震震级较小，电磁信号较弱，有效信号淹没在环境噪声中。台站ELF记录天然电磁场信号，场源主要来自雷电产生的电磁场和高空电离层扰动产生的电磁场以及各类人为干扰、环境干扰，也有来自地震前的电磁辐射，但单个地震台站无法确定观测的异常是否来自人为干扰、雷电信号或震前异常，因此，为了从复杂的电磁环境中提取相对较微弱的地震电磁信号，需要加强对信号提取方法的研究，需要采用同台站多手段或其他台站相同观测手段进行对比分析及异常跟踪，并考虑传统的数学分析方法与一些信号处理分析方法的结合使用。

（4）选取的1—178 Hz电磁场自功率谱在2014年8月3日鲁甸6.5级地震，2015年4月19日文安3.0级地震和4月25日尼泊尔8.1级地震发生前十几天内均发生显著变化，包括台阶、向下的阶跃变化以及脉冲集丛现象，异常幅度为正常月份变化的1—6个数量级。且地震发生后数据恢复正常变化。查看国家地磁台网中心磁暴记录，以上地震发生时段均无太阳活动和磁暴。

（5）鲁甸6.5级地震、文安3.0级地震和尼泊尔8.1级地震前，视电阻率均有显著变化，视电阻率向上或向下明显跳动，变化的异常幅度达到1—2个数量级，与地震震级大小、震中距、红山地质构造环境等相关。中高频段变化显著，充分说明视电阻率具有方向性和频率所选性，与电磁场自功率谱变化对应性较好。

在开展电磁研究时，中国地震局地质研究所赵国泽研究员、汤吉研究员、王立凤老师给予指导和帮助，红山基准地震台提供ELF数据，河北省局测震台网提供地震目录，在此一并表示感谢。