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云南地区震前舒曼谐振异常特征研究

苗园青  
【摘要】:中国是一个地震多发的国家,地震灾害给人民的生命健康及国家的经济发展带来了巨大的灾难和损失。但由于地震孕育机理的复杂性,地震监测预报仍然是一个世界性科学难题,尚处于探索阶段。近年来,大量的观测资料表明地震发生前后震中附近会出现不同频率范围的电磁辐射,地震电磁前兆研究越来越受到各国科学家的重视,被认为是最为有效的短临监测手段之一。 基于中国地震电磁试验卫星项目建立空-地立体观测系统的实际需求,在我国首次开展了局域网舒曼谐振观测试验。本文利用云南地区永胜、通海、巧家、芒市四个0~30Hz的舒曼谐振电磁前兆监测台的地磁观测数据,研究舒曼异常信号幅度和极化比与地震的对应关系,为将来中国地震电磁卫星与地基电磁台站观测数据资料对比分析、地震-电离层耦合效应研究等提供技术支持。 论文调研了地基被动型、地基主动型及卫星探测三类地震电磁观测手段的研究现状,重点分析了地基舒曼谐振观测在地震领域中的研究应用。对比分析了压磁、压电、动电等几种可能的地震电磁辐射机制。介绍电磁波传播的基本原理,推导了舒曼谐振在理想腔体中的电势、特征向量、中心频率公式。阐述了地-电离层谐振腔体内舒曼谐振的原理及激发源的时空分布,并介绍了云南舒曼谐振地震前兆观测台的位置分布、系统结构及仪器参数。 利用各台观测的磁场谱密度数据分析了舒曼观测的背景变化特征,其中比较明显的有舒曼谐振季节性变化,在4月到9月夏季期间各阶谐振波对应的谱密度显著强于其他月份,反映了该时段全球闪电频发对舒曼谐振的激发效应;同时分析了舒曼谐振中心频率的日变化特征,对应于当地日出时刻和日落时刻中心频率快速下降出现双谷值,反映舒曼谐振中心频率的日变化特性与电离层日出、日落时刻电离层高度、电子密度及电导率等参数的剧烈变化有很好的对应性。 全面收集了几个观测站一年多来的观测数据,基于谱密度、极化比、日均值、脉冲数统计等方法,对云南地区2010年8月到2011年6月期间13次M4.0级以上地震事件进行震例分析,发现其中有5次地震事件出现震前舒曼异常现象。论文就其中异常较为显著的盈江M5.8级地震、红河州M4.2级地震和临沧东部M4.2级地震进行详细分析。结果发现,谱密度异常通常出现在震前几天,在地震当日增强幅度最大,震后逐渐恢复,以高阶谐振频率对应的谱密度显著增强为特征,与国外地震舒曼异常的研究结果一致。极化比异常出现在震前几天到一周的时间,以第1阶、第2阶谐振频率对应的极化比值异常增强为特征,极化比值超过1且持续时间达数小时。 最后,我们总结了云南地区地震舒曼异常的特征:异常主要出现在震前几天到一周左右,震后两到三天逐渐消失;其中谱密度异常和极化比异常较为显著,谱密度幅值异常表现为各阶谐振频率对应的谱密度随阶数升高而减弱的规律被打破,某些高阶谐振频率对应的谱密度异常增强十几dB;而极化比异常则表现为极化比值随谐振阶数增加而增大的规律被打破,某些低阶谐振频率对应的极化比异常增强且比值大于1,异常持续数小时才逐渐消失。 国外的观测资料和云南舒曼谐振台站的观测数据均显示舒曼谐振的中心频率、谱密度等参数具有较好的稳定性,且舒曼谐振异常和地震活动之间存在一定关联性,是一种可行的地震电磁前兆监测方法,为地震电磁监测提供了新思路。目前国际上对地震舒曼谐振异常方面的研究尚未取得实质性进展,地震电磁信号与舒曼谐振信号的耦合机理和理论计算模型均有待进一步深入研究。


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