舒曼谐振的背景变化及在地震监测中的应用

【摘要】：舒曼谐振是由全球雷暴产生闪电电流自然激发的电磁波，在地球和电离层构成的谐振空腔（波导）中传播。共振频率主要由地球的尺寸决定，基频为波长等于地球周长的驻波，其频率约为7.83Hz，高阶谐波频率值大约以6Hz递增，舒曼谐振的频率处于极低频电磁波频率范围内。由于共振作用，舒曼谐振频率的电磁波能量明显高于其他频率。由于其独特的场源与传播环境，一直以来舒曼谐振被用来探测全球闪电活动或研究全球气候变化。最近几年，有研究发现地震前会出现舒曼谐振的高阶频率振幅突增和固有频率偏移现象，因此，引起利用舒曼谐振频率的异常变化来进行地震监测方面的研究。 识别地震电磁异常，摸清电磁场的背景变化规律是前提。本文利用我国12个极低频电磁监测台站观测到的部分天然场电磁数据，处理和分析了舒曼谐振几个频率的电、磁场分量的自功率谱密度曲线，获得舒曼谐振随季节和纬度变化的一些特点。并以几个记录较齐全的台站实测数据为例，分析地震前后舒曼谐振频率电磁场的曲线形态和能量变化。 人工源极低频电磁波技术是用人工方法产生大功率交变电磁场的新技术，为了更好的说明地震前会引发电磁异常现象，利用人工源发射台模拟震前辐射的电磁场，计算了采用不同发射电偶极矩对舒曼谐振电、磁场自功率谱幅度的影响。全文的主要工作概括如下： 1）北半球中低纬度地区观测到的舒曼谐振随季节和纬度的变化特点研究。 对12个极低频台站的数据进行汇总和统一处理，选取数据质量较好，记录较全的台站进行分析。抽取出舒曼谐振频率的电、磁场自功率谱数据，利用电磁场的自功率谱密度描述电磁场的强度。并统计出各台站电、磁场强度分布范围，经过数据预处理、滑动平均去噪等一系列处理，得到舒曼谐振的背景变化规律。研究表明：同一地点观测到的电、磁场强度呈现出季节性变化，表现出夏季强冬季弱的趋势，并且是以一年为周期的正弦变化；对处于同一纬度而经度不同的台站，电磁场幅度变化较小，但处于不同纬度的台站，观测到的电、磁场强度随着纬度的增大而减小，在夏季和秋季这个现象更加明显。 论文从场源角度解释了这一现象：舒曼谐振是由闪电激发的电离层与地面之间的全球电磁震荡，因此共振活动反映了全球的闪电活动。夏季和近赤道地区雷电活动较频繁，观测到的舒曼谐振水平电、磁场强度就会大些。 2）对台站实测地震电磁异常进行分析。 统计了自2009年有极低频观测数据记录以来国内5级以上和国外6.5级以上地震的详细信息，考虑到震中距的影响，计算地震与各台站的震中距。选取震中距小于等于500km的Ms=5～6级地震，震中距小于等于1200km的Ms=6～7级地震和震中距小于2500km的大于Ms=7级的地震进行分析。结合地震信息，分析台站观测的电、磁场功率谱曲线中的异常现象。发现在地震频发期会扰乱台站电、磁背景场变化，使曲线偏离正常的年变化形态，这说明地震确实会引发电磁异常现象。 地震电磁目前主要是基于对观测数据的经验分析，需要大量地震事件的积累和密集的台站观测数据的对比，对信号的细节特征进行分析，研究地震和电磁现象的关系和规律。 3）利用人工源模拟地震前的电磁辐射，计算发射源采用不同发射电偶极矩对舒曼谐振电磁场功率谱强度的影响。 利用人工源极低频电磁波场强计算软件，用人工源发射台信号模拟地震前产生的等效电流引起的电磁辐射。计算在不同发射电偶极矩情况下，近区、远区、波导区舒曼谐振频率的电、磁场强度，并通过快速傅里叶变换等处理将电、磁场强转换为自功率谱。 假设某地震震前产生等效电流的电磁辐射，根据软件计算出近区、远区、波导区各个场分量的场强辐射图，每个场分量选择三个点：零线处、最大值区和最远点。通过对比发现以下特征：发射电流越大，辐射强度也越大；观测点若选在零线处，即使距离发射源较近，观测到的电磁场强度也很弱，不及最大值区间和最远处的场强。 4）数值模拟与极低频台站观测到的舒曼谐振背景场对比研究。 由于台站仅观测了四个水平分量的电、磁场，并且是采用直角坐标系，因此这里只能对比近区、远区的计算结果。若地震前能产生4000Akm～20000Akm的电磁辐射，距离发射源150公里处的远区接收到的电、磁场强度，相比于台站观测的背景场，都会有4个数量级以上的突跳出现；如果观测点处于场分量的零线位置，即使距离发射源很近，接收到的电、磁场强度相对于台站观测的背景场，也会分辨不出来。这说明电磁场辐射具有很强的方向性，也可以解释是有些地震发生前，观测不到震前电磁异常前兆的原因之一。 本论文研究成果将对今后地震电磁异常判断、台站选址和数据处理方式等具有参考价值。对判断地震孕育区微破裂辐射电磁波的主体方向和地震电磁发生机制的研究提出另一个角度的认识。