宽频带地震电磁辐射探测系统研制

一、成果概况

空间电场在地球大气中无处不在，其存在和特征与许多自然现象相关。地震科学也将地电场（包括大气电场）作为一种可能与地震过程相关的对象进行观测和研究。宽频带地震电磁辐射探测系统包括空间电场传感器和高速数据采集器两部分。空间电场传感器基于置于空间电场中的导体感生与空间电场成正比的电位的原理研制，具有体积小，频带宽（0.1Hz-100kHz）的特点（图1）。高速数据采集器部分的数据采样率高达512kHz，并通过GPS模块实现优于100ns的高精度时钟同步（图2）。本宽频带地震电磁辐射探测系统具有观测电磁辐射细节特征的能力，并且在四个台站记录到同个事件的情况下，理论上可以通过事件脉冲的到时差进行信号源的定位。

2013-2015年间，宽频带地震电磁辐射探测系统在云南6个台站布设观测台网，进行了实验观测（图3）。2014年5月7日13时59分20秒丽江台和永胜台仪器同时刻触发了事件记录（图4），发现两者波形非常相似，到时差约80μs，很可能是同源雷电脉冲信号。丽江与永胜台直线距离约66km，信号先到达丽江台，信号源至少离永胜台45km。表明，宽频带地震电磁辐射探测系统能够揭示电磁脉冲信号的细节特征，并且可以解析同一信号到达不同台站的到时差，有可能进行信号源的定位。

图1空间电场传感器

图2高速数据采集器

图3云南实验观测台网站点分布

图4丽江台和永胜台同源信号记录（上：原始时序，下：永胜台数据前移约80微秒）

二、主要创新点

1、宽频带地震电磁辐射探测系统的空间电场传感器具有频带宽、场地限制小的优点

地震电场的观测方法大致分为三类，一类是将两个电极都埋在地下的大地电场或自然电场观测方法，另一类是将电极一端埋在地下、另一端置于近地表大气中的大气电场观测方法，还有一类是利用无线电接收天线进行观测的电磁波方法。其中大地电场或自然电场观测方法大多数是观测水平向地震电场异常变化，是地震电场观测研究最普遍也是最主要一种方法。由于地震电场异常信号非常微弱，而背景干扰信号强，为了有效提取地震电场异常信息，对电极的选择和埋设、观测点的选取都有比较高的要求，并且往往电极之间相距较远的距离，因此对观测场地的要求较高。目前大气电场观测仪器，如DC型大气电场仪和KDY型旋转式大气电场仪等基本只能观测静电场或准静电场，并且其存在旋转运动机构，不利于长期稳定观测。无线电接收天线当观测低频信号时其尺寸增大增长，也不利于场地布设。本系统的空间电场传感器频带较宽，低频截止频率和高频截止频率决定于接口电路参数，因此容易调节。而且传感器体积小，对场地要求不高，极其便于布设。

2、宽频带地震电磁辐射探测系统宽频带观测能够获得更加清晰的波形细节信息和同源信号到达不同台站的到时差，对于电磁辐射信号的具体辨识具有现实意义。

对地震事件前的观测数据分析表明，震前可能存在低频电磁扰动，目前常规地震电磁辐射观测采取低频段具有一定的合理性，不过由于雷电等电磁干扰源具有很宽的频带范围，仍有必要结合宽频带观测以便能够更可靠地区分信号源。地震预测是与地震前兆观测密切相关的，确定性地震前兆的认识和获得是其中的难点之一。地震电磁辐射被认为是最有希望的地震短临前兆之一，然而地震电磁辐射观测处于复杂的地球电磁环境中，各种干扰甚至位于优势地位，因此提取确实与地震相关的电磁信号是当前地震电磁辐射观测研究面临的关键问题之一。研究表明，地震电磁辐射可能具有很宽的频带，而不同特征的宽频脉冲信号在限带观测情况下获得的波形非常相似，难以区分，且与原波形有较大差别。地震与雷电或其它干扰因素属于不同的物理过程，其产生的地磁辐射信号在特征和传播途径上很大可能不同。因此，如果利用宽频带观测并综合利用辐射源的位置、辐射信号特征与其它辅助观测手段等多重信息来进行地震电磁辐射信号的辨识，有望获得更可靠的观测资料。宽频带地震电磁辐射探测系统提供了一种新的地震电磁辐射观测和研究手段。