极低频电磁观测数据异常提取方法研究

极低频电磁观测数据异常提取方法研究

曲骞

大连地震台辽宁省大连市116000

摘要：本文主要针对极低频电磁观测数据异常展开分析，思考了极低频电磁观测数据异常的提取方法，明确了提取的一些关键点和提取的要素，希望可以为今后的极低频电磁观测数据异常处理工作提供参考。

关键词：极低频电磁，观测数据，异常

前言

在出现极低频电磁观测数据异常的情况下，我们要尽快分析其异常的出现的原因，只有这样才能够尽快处理异常情况，从而保证相关工作顺利进行，相关设备正常运转。

1、地震电磁场观测数据处理技术新进展

过去几十年的观测表明，地震之前的电磁效应是确实存在的，如果能够说明电磁异常和地壳内部过程的关系，就能够对地震作出预报（Johnston等，1999），电磁法被认为是最有可能首先取得突破性进展的研究领域之一，是获得地震预警信息的首选方法.Bleier等（2005）建议建设以电磁法为主的预警系统.近些年的研究进一步发现地震前的电磁异常现象和地震事件之间具有相当高的相关性.而在这些研究中交变电磁场法发挥了重要作用。

当前在把电磁法应用于地震电磁异常观测时，一个不可回避的事实是急需发展新的技术，提高对各种电磁异常现象的观测识别和捕捉能力.20世纪末至21世纪初发展起来的人工源极低频电磁技术（CSELF）和卫星观测技术是该领域的最新进展。

CSELF技术是为了提高观测电磁场的精度，提高对电磁场异常发生时间和空间的确定性程度而提出和发展起来的.它是在一个固定地区建设大功率交变电磁场信号发射台，在距离发射台数千公里范围内建设观测台网，组成台网的各台站同步观测同一个大功率人工源电磁波信号，捕捉其中可能存在的电磁异常现象.观测试验成功记录到6500多公里外的人工源信号，并记录到地震前后电、磁场频谱和电阻率的异常变化。

由法国等发射的用于地震电磁辐射异常探查的试验卫星DEMETER于2004年6月升空，这是世界上第一颗专门用于地震异常观测的试验卫星，在运行6年半期间观测到大量可能与地震活动有关的电磁异常现象.DEMETER卫星的专门研究组通过对全部6年半观测数据的研究分析发现，该期间全球所有5级以上地震前4个小时内、震中距440km内的电磁场异常现象出现的概率极高，并明确指出：尽管已经有地震前各种电离层前兆现象的报道（例如温度、等离子体密度、电导率等的异常变化），但是研究交变电磁场的异常变化是这些研究中最重要的手段.这期间其他可观测电磁场的卫星也加强了关于地震电磁异常现象的研究（Pulinets，2006）.利用卫星观测技术，在一定程度上弥补了由于海域、地形恶劣等地面台站难以建设的空白区的观测。

2、小波极大值方法在极低频电磁观测数据异常提取中的应用

对信号进行分析，最常用的方法就是傅里叶变换，它能揭示信号在频率域的特点，但其本身仍然存在缺陷，即不能提供信号在时域上的特征。小波变换的思想就是建立在可自动调节长度的视窗函数之上，它精确地揭示了信号在时间和频率方面的分布特点，可以同时分析信号在时域和频域中的特征，并可用多种分辨率来分析信号。把小波极大值方法应用于某地地震后观测的电磁场数据中，以观测到的视电阻率曲线和阻抗相位曲线的光滑度作为评价数据质量的依据，选择其中数据质量较好的频段作为分析的重点，所分析的频段范围为0.1～1Hz，对其中0.207Hz，0.278Hz，0.373Hz，0.5Hz，0.671Hz，0.9Hz6个频点的数据进行分析，研究电磁场的变化。由于观测过程中电极位置发生了变化，因此只分析磁场Hx（SN向）、Hy（EW向）和Hz（垂直）的观测数据。经过前期处理，得到了3个磁场分量在6个频点的自功率谱随着时间变化的曲线，对每条曲线求取小波极大值和Lipschitz指数α，并把同一磁场分量的6个不同频点的小波极大值结果进行比较，观察其随时间的变化规律，并结合Lipschitz指数α值的大小来判断出现的极大值是否为异常点。

根据小波极大值和Lipschitz指数α的特点，给出异常判定标准如下：

（1）以Lipschitz指数α≤0，且是局部极小值或出现急剧减小变化为标准，来判定小波极大值曲线是否为信号异常点；

（2）单一分量中小波极大值线在3个及3个以上频率上都出现；

（3）异常在3个磁场分量上都出现。

综合以上标准得到3个可能与地震相关的磁场异常。其中第1个和第2个异常后约12h有对应的地震能量发生相应的变化。第3个异常前约4h地震能量有1个较小的异常变化。看其他极大值的分布，尤其是还有另外2条连续性非常好的极大值曲线，它们对应的Lipschitz指数α在相应的时间上也表现出代表奇异性强的小值，但是这种异常信息只在单个分量上有所体现，不把这些极大值线当成可能与地震相关的电磁异常发生的位置。其他极大值曲线并没有在不同的频率上表现出很好的连续性，这表明可能是某个频率在这个时间出现了一些干扰扰动造成的，这种扰动并不能在造成电磁场在各个分量和整个频段上的同时变化。另外，在5月30日左右在3个分量上都出现小波极大值，且在磁场异常后有地震能量的一个相应的变化，Lipschitz指数α也在一些频率上＜0，但是Lipschitz指数α表示的信号的奇异性不强，所以此处暂不定义为可能与地震相关的磁场异常。

对比分析3组异常，第1组异常（5月15日出现的磁异常）和第2组异常（5月25日出现的磁异常）磁场3个分量在不同频率上的小波极大值都表现出非常好的连续性，对应的Lipschitz指数α表现出1个负尖峰极小值，这说明在此刻电磁场出现了强的异常变化，这个变化影响了磁场3个分量的很宽的频段。另外细看单个磁场分量的极大值曲线，随着小波尺度变化，极大值大小也发生变化，整体上随着尺度的增大，小波极大值点值在变小，这也就说明了异常值在低阶小波（即高频）表现明显，即前2个异常表现出来的是一个高频的类似于尖峰的异常变化。第3组异常（6月6日出现的磁异常）在不同频率上小波极大值曲线表现出的连续性不如前2个异常，它们在某些频点处没有出现小波极大值曲线，而且Lipschitz指数α值接近于0，且随着尺度的变大，小波极大值点的值是逐渐变大的，这是一个相对低频异常的表现，说明此处电磁场的变化不是急剧，而是相对缓和但是幅值很大的变化。

进一步对比1个分量上不同频率处异常大小的变化，可以发现在3组异常都表现出随着频率的升高极大值的大小有微弱的增加，即高频处极大值曲线的颜色相较于低频更暖。此现象在前2组异常表现不明显，但是在第3组异常处表现比较明显。这给出了异常变化与频率的1个关系，即高频电磁场的变化相对低频稍强。但是，这种变化规律在其他观测资料中是否存在并不能确定。

由小波极大值图可以找到电磁场异常出现的位置、大小等信息，但是与地震能量异常变化是否真的有对应关系，或者是怎么样的一种对应关系尚不能确定，但是小波极大值方法首先给我们一个找到信号异常的手段，也给我们一个全新的视角观察电磁信号的异常变化与地震能量信号异常变化的相互关系。

3、结束语

综上所述，在极低频电磁观测数据异常的情况下，我们要尽快采取有效的措施来进行提取，本文主要总结了极低频电磁观测数据异常的提取方法，提出了一些比较可行的方案，可供今后的工作借鉴。

参考文献：

[1]牛露，王莉森，马旭东，韩冰，张晓刚，王秀敏.红山基准地震台ELF电磁观测资料异常特征分析[J].地震地磁观测与研究，2018，39（01）：78-84.

[2]李建凯，汤吉.主成分分析法和局部互相关追踪法在地震电磁信号提取与分析中的应用[J].地震地质，2017，39（03）：517-535.

[3]钱庚，泽仁志玛，张学民，申旭辉.强震前后空间电磁场时空演化特征[J].地震学报，2018，38（02）：259-271+329.

[4]高曙德，狄国荣，苏永刚，高原，张磊，梅东林，陈彦平.ELF电磁仪远程控制和数据传输及编译的实现[J].地震工程学报，2018，38（03）：471-477.

[5]韩冰，汤吉，赵国泽，毕亚新，王立凤，程远志.小波极大值方法及其在电磁异常信号提取中的应用[J].地震地质，2018，37（03）：765-779.