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MDCB电磁波仪器在地震短临预报中的应用

作者 :宋锦孙旻 宋峰更新时间:2012-11-12

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摘 要:简要介绍了MDCB电磁波法进行地震短临预报的方法,统计了多次预报地震的结果,对这种预报方法进行了研究讨论,并与传统电磁波仪器预报地震的方法进行对比,指出这种预报方法的优点和存在的问题。
关键词:MDCB电磁波;地震;预报;应用
地震短临预报研究目前是世界性的难题,在该方面所取得的任何进展,对人类社会都将具有十分重要的意义。如果对本地区或临区未来可能发生的破坏性地震,能提前作出预报意见,可以减少人民的财产损失和人员伤亡,保障社会稳定。国内外多次大震发生前,均在震中及其邻区发现过大量与电磁波有关的异常现象。1966年邢台地震后,我国即开始了地震电磁波异常现象的研究;1976年唐山地震后,更是有组织地开展了系统观测和研究。80年代以后,电磁波的观测与研究得到快速发展,我国大部分省、市都开展了电磁波的观测与研究,在这方面,已经或将要进行的研究课题十分广泛。 MDCB法地震短临预报研究最早是由煤炭科学研究总院西安分院舜论科学勘探研究中心以舜论为指导思想开创的一种新的研究思想和技术手段,该技术从1993年开始,历经十余年的磨炼,已经在地震短临预报方面形成了一套独立的专家预报系统。

一、 数据处理和预报方法

1、数据的接收和处理
MDCB电磁波法,根据地壳岩石受地应力作用后,震源体发生压电、压磁效应,产生脉冲电磁波,该方法根据探矿原理,选择电磁波超低频三个频点14HZ、6.5HZ、1.6HZ进行观测,根据大地低频窗口特性对应关系,其三个频点电磁波电压值分别反映了三个不同深度(5公里、7公里、10公里)地质体的物性参数。
以八方位MDCB监测仪为例,每20分钟采集一组数据,垂直向三个深度三路值以及八方位(与地平线成45度角的8个方向)各采集100个数,全天共采集到72组数据,再对采集的数据进行计算处理,以文字、图表形式将异常表现出来,从图形中提取出震情活动以及最近震情发展趋势的信息。
对于三路值的计算处理分析:分别计算三路值的均值和差值,均值为100个数据的平均值,差值为最大值与平均值之差。全天的计算结果绘成图形,用三组曲线(每组有差值和均值两条曲线)共6条曲线,分别代表三个深度的均值曲线和差值曲线。差值反映地震前兆;均值反映当地地下地应力变化情况。每组曲线,代表地下某一个深度地质体所反映的地震信息,即地下地应力的变化情况和是否有地震前兆信息的情况。
当曲线在某一水平线作小幅度摆动时,显示无地震前兆,当出现较大幅度摆动或密集脉冲时(这种脉冲分向上和向下两种)一般为有前兆信息。在该图中可以识别台站周围有无破坏性地震背景场。如果台站周围没有破坏性地震的背景场,一般每天的差值曲线变化幅度小,只有当叠加了远处的地震前兆信息时,差值、均值曲线才出现较大幅度的变化。否则台站周围潜伏着破坏性地震的背景场。差值曲线变化幅度一般反应未来震级的大小和距离观测台站的远近。
对八方位数值的处理分析:八方位数据处理方法与三路值不同,全天共采集72组,8个方向的数值,这些数值主要反映这八个方向上采集到的异常次数。对这些数据进行处理,可以图表等直观的形式来显示。主要判断依据:各方位异常次数直方图、均值、差值时变曲线图、八方位时变曲线图、八方位异常静态方位图、八方位异常动态分布图、八方位异常玫瑰图、八方位异常一阶差分图、矢量图、异常合成角度动态图等用于预报地震时分析。

2、异常分析
当有地震前兆时,首先区别是否是前兆异常信息,然后判断是近震信息(脉冲一般向下;均值和差值曲线变化同步),还是远震信息(脉冲一般向上;均值和差值曲线变化不同步)。还可以依据异常持续的时间长短估计未来的震级。根据异常在不同时间段反复出现研究某一方位特定震源区的活动。
判断有无地震前兆信息。主要依据每个方位上的曲线变化幅度而言。当曲线突然在某一水平向下变化时,一般反应近震前兆信息。当曲线突然出现零值现象(包括图1中的曲线)这是一种临震信息,说明地震很快就要发生。
以廊坊台站部分前兆资料为例,山西洪洞等6次地震前,均记录到很明显的异常,见表一。从前兆时间上分析,一般前兆异常发生在震前两、三天。从异常形态上看,近震、远震特征明显。震前三路值、均值、差值变化显著,并且其时变曲线均出现“回零”现象(见图1)


图1 回零现象


表一 廊坊台站震例资料
发震地点 发震时间 震级 震中距 异常方位 异常数量 异常日期
山西洪洞 03.11.25 Ms5.0 720km 235° 5处异常 03-11-23
河北唐山 04.3.13 Ml3.9 266km 85-105° 12处异常 04-3-5,3-11
河北滦县 04.1.20 Ml3.9 166km 85-105° 12处异常 04-1-8,1-14
河北塘沽 03.12.11 Ms4.0 102km 105° 14处异常 03-12.5,8,9
青海德令哈 04.3.17 Ms5.5 1650km 267° 8处异常 04-3-11,15,16
河北昌黎 04.3.13 Ml4.1 216km 85° 8处异常 03-11-14

3、预报方法
对接收到的数据进行计算分析,处理结果以十四张图表形式显示,这些图表是判别前兆异常和预报地震的关键。具体步骤是:1)判断有无地震前兆异常信息;2)判断是近震还是远震;3)根据异常的情况,结合以往经验,判断未来地震的震级和发震时间;4)分析未来地震的发震方向,利用多个台站,交汇出发震地点;5)综合研究,参考多个台站的资料,统计出地震发震的概率,确定是否作出地震预报。
以2001年2月13日勿南沙地震预报过程为例:从2000年12月下旬开始,西安、灌南、吴江、连云港、泰州5个台站资料显示,5个台站监测的勿南沙方位有明显的异常活动,2001年2月1日至4日连云港市灌南台站连续几天出现异常,从时变曲线图上判断为近震异常,同时吴江、连云港、泰州3个台站资料也同步出现了临震前兆信息,其中泰州台站的资料已经反映出要作地震短临预报的信息,其它两个台站的临震信息不明显,据此判断震级不会太大,如果是一个较大震级的地震,周围台站都应该有所反应。利用4个台站的资料交汇出发震地点在勿南沙附近的海域,利用异常幅度和持续时间与震级大小的相关性经验预测震级,作出了2月7日-2月17日间,勿南沙附近海域将发生5级左右地震的预报。结果2月13日在勿南沙发生了Ml3.6级地震,除震级外,发震时间和地点与预报意见吻合。

二、讨论

与传统电磁波预报地震相比,MDCB法具有很多优点。
1、预报地震的成功率高
经过10多年的探索与研究,利用MDCB法预报地震已经积累了很多宝贵的经验,并且也具有了很多成功的震例。在台站密集地区,MDCB法对未来地震“三要素”可以有较为准确的预报,一般情况下,使用台站数越多,预报的成功率越高。表二,是2003年10月至2004年5月,统计对国内MS>3.0,国外MS>4.0地震所作的预报结果。预报地区的范围为5╳5度。

序号 使用台站数 预报发震地区和方位数 实际发震地区和方位数 成功率(%)
1 3 地区数:10 地区数:8 80
方位数:14 方位数:11 79
2 8 地区数:7 地区数:4 57
方位数:10 方位数:6 60
3 4 地区数:5 地区数:3 60
方位数:11 方位数:10 91
4 3 地区数:6 地区数:4 66
方位数:10 方位数:5 50
5 4 地区数:6 地区数:4 67
方位数:29 方位数:24 86
6 5 地区数:8 地区数:7 87
方位数:35 方位数:30 85
7 2 地区数:3 地区数:2 67
方位数:10 方位数:8 80
平均预报成功率 预报地区 69
预报方位 76
由上表可见,对发震地区和发震方位的预报成功率分别达到了69%和76%。

2、可以用多个台站资料确定未来将发生地震的地区
可以利用方位角交汇,确定异常区域,而常规电磁波监测到只有磁场和电场两个方向,要确定准确的方位比较困难,只能确定大致的方位,即便利用多个常规电磁波台站资料分析,其准确定位的难度也很大。MDCB仪器具有8个方位的传感器(中心台站的仪器具有32方位),通过方位角合成,实现了对异常的全方位监控,利用多个台站资料,可以交泄汇出准确的发震地点。

3、抗干扰,安装容易,预报方法较为简便
MDCB仪器接收的是从震源区内的岩石破裂进而产生的脉冲电磁波,而不是大地电场、磁场变化的信息。这一点不同于目前国内外常用的传统电磁波仪器所监测到的电场或磁场分量。MDCB仪器抗干扰能力强,对台址要求不高,安装方便,只要把仪器摆放在办公室内即可,而传统电磁波仪器对台址要求很高,并且安装起来也很不方便。

三、结论与建议
1、目前,国内很多地区都建立了MDCB监测台站,成功预报地震的实例也很多。MDCB电磁波仪,能够监测到地应力的变化,是地震临震预报有效手段之一,MDCB电磁波法通过地应力测量确定本地区有无震情,这在电磁波地震预报属国内首创。
2、MDCB电磁波的数据处理方法先进,分析软件自动化程度较高,能够生成14种不同的图表,为分析预报提供依据,利用多个台站资料综合分析,大大提高了预报成功率。
3、MDCB电磁波预报地震的方法,还有很多需要改进的,例如,方位角的合成仍存在一定的误差,有关震级、发震时间的经验公式有一定的不确定性,这些还需要进一步的研究。
4、国内现有30多个MDCB台站,应该进一步加强台站间的交流与合作,共同促进技术的提高,利用计算机网络,实现监测资料共享,为地震预报的突破创造条件。

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