高溫SQUID 磁強(qiáng)計(jì)應(yīng)用于探測震前地磁場變化的一些淺見

王赤軍 王寶珍

(中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所 河北廊坊 065000)

地震是大自然中的一種地質(zhì)現(xiàn)象,是對人類危害極大的一種地質(zhì)災(zāi)害。1976年的唐山大地震和2008年四川汶川大地震給國人帶來了極大的傷痛。然而讓國人無法接受的是某些專家不知是什么原因,在央視訪談節(jié)目中渲染地震不可知論。雖然我們無法不讓地震發(fā)生,但應(yīng)該可以認(rèn)識它,了解它會(huì)在何時(shí)何地發(fā)生,有多大破壞力,可進(jìn)行有針對性的防災(zāi),減災(zāi)。盡管地震的發(fā)生過程非常復(fù)雜,有很多我們尚未了解的領(lǐng)域需要去認(rèn)識它、研究它,當(dāng)然要想短期內(nèi)完全搞清楚也是不可能的,了解、認(rèn)識尚須時(shí)日,事實(shí)上我國有準(zhǔn)確地震預(yù)報(bào)的范例,盡管他被所謂的專家稱為不屑一顧的低水平,應(yīng)該說這些能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的低水平比那些一點(diǎn)動(dòng)靜都沒有的高水平要好得多,他們好歹在地震前能弄出很大動(dòng)靜來,而那些“高水平”的專家在地震前卻一點(diǎn)動(dòng)靜都沒有。

關(guān)于地震發(fā)生的過程可能有很多不同的見解,地震發(fā)生的表象是突發(fā)性的,但實(shí)際形成是一個(gè)長期的、緩變的過程,它應(yīng)該有一個(gè)較長時(shí)間的孕震過程。地下應(yīng)力的能量積累過程既是長期的,也是非常復(fù)雜的,如果能在這個(gè)過程中就能開始認(rèn)識它,無疑對人類的減災(zāi)會(huì)有極大的益處,因?yàn)樗鼘⒔o予人類更多的減災(zāi)躲避時(shí)間。在這個(gè)過程中地下一切變化都應(yīng)該有表現(xiàn)為物理參量變化的信息,無奈的是我們沒有完全認(rèn)識它。難于抓住這些信息的原因是多種多樣的,首先是難于確定是什么樣的變化,無從下手;其次是沒有足夠靈敏度的測試儀器來檢測它;再則就當(dāng)前的檢測儀器的水平即使已經(jīng)知道是什么樣的信號也無法在浩瀚的噪聲中分辯出需要的信號,難于下手。在地震科學(xué)研究中,前人為了抓住這些信息做了大量有益的探索,發(fā)現(xiàn)孕震過程中有壓磁效應(yīng)、感應(yīng)磁效應(yīng)、電動(dòng)磁效應(yīng)等,這是非常重要的,但無奈的是以前沒有更高精度的測量儀器來測磁場信號,所以無法獲取預(yù)想到的信號,更無法進(jìn)行更為深入的研究,盡管如此這些學(xué)者在有限的條件下仍做了大量的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)以證明這些效應(yīng)的存在,目的是試圖在可能的條件下能準(zhǔn)確地分離出地震前兆參量,并以此進(jìn)行準(zhǔn)確的地震預(yù)報(bào)。

地震預(yù)報(bào)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程,既不能漏報(bào),也不能虛報(bào),虛報(bào)和漏報(bào)都會(huì)造成直接經(jīng)濟(jì)損失,漏報(bào)的損失將更為慘重。預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確的關(guān)鍵在于能否有效地識別在孕震過程中出現(xiàn)的真正的特征量,抓住對特征量的研究,才有望在進(jìn)行地震短臨預(yù)報(bào)上取得實(shí)質(zhì)性的突破!盡管這很困難,是一個(gè)世界性的難題,但決不能成為推卸責(zé)任的理由。

實(shí)際上,我國國家地震局有不少學(xué)者對此都有較深入的研究。但目前地震局的地磁臺站、實(shí)驗(yàn)室的磁測儀器中,目前最精密的是核旋磁力儀及光泵磁力儀,盡管光泵磁力儀的磁場靈敏度可達(dá)0.01n T(10-11T),但是它們只能觀測磁場的幅度大小,無法觀測其他一些磁場信號相關(guān)的重要的物理量,而且磁場靈敏度也還嫌不夠,再者有些驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)還有一些不盡人意的地方,極有深入一步研究的必要。譬如說,在壓磁效應(yīng)的驗(yàn)證試驗(yàn)中了解到,當(dāng)對某種巖石施壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓磁效應(yīng),但需要進(jìn)一步確定的是巖石加壓就有磁效應(yīng)還是巖石裂了后才有磁效應(yīng)?觀察到一系列在地震發(fā)生時(shí)所特有的物理現(xiàn)象(如會(huì)產(chǎn)生與發(fā)生地震類似的電場信號、聲發(fā)射等,見后圖),從而驗(yàn)證了壓磁效應(yīng)的存在,如果是后者稱其為壓磁效應(yīng)就不貼切了叫壓裂磁效應(yīng)更為貼切些,問題的關(guān)鍵在于這并不是一個(gè)物理現(xiàn)象的命名這么簡單,而是隱匿著極大的研究空間,提示我們進(jìn)行基礎(chǔ)理論科學(xué)研究。據(jù)此實(shí)驗(yàn)者認(rèn)為這個(gè)觀測到的磁信號是一個(gè)超低頻的磁場信號。應(yīng)該說這是一個(gè)非常好的、非常成功的一個(gè)試驗(yàn),此實(shí)驗(yàn)所獲得的結(jié)果如下圖所示本實(shí)驗(yàn)是國家地震局地球物理所郝錦琪研究員所做,下面曲線也是她提供的。由此可想到的是對此還應(yīng)有更深入的研究,進(jìn)一步探明此效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理及充分必要條件,例如:①產(chǎn)生壓磁效應(yīng)及其磁信號頻率與介質(zhì)有無關(guān)系?②是不是對所有類型的巖石施壓時(shí)都會(huì)產(chǎn)生壓磁效應(yīng)?③產(chǎn)生的頻率高低與介質(zhì)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)還是與介質(zhì)的形狀大小有關(guān)?④這個(gè)效應(yīng)是壓磁效應(yīng)還是壓裂磁效應(yīng)?

圖1 花崗閃長巖主破裂前后11道參量變化圖

地震前兆特征量究竟應(yīng)該是什么?是否有唯一性及上面提出的四個(gè)問題?弄清楚這些問題是至關(guān)重要的,譬如說,只獲得磁場信號幅度的異常能作為判定發(fā)生地震唯一的特征量是大有疑問的?因?yàn)槲覀兡壳皩o特征疊加在一起的磁場信號是無法區(qū)分這些信號中哪些是地震前兆產(chǎn)生的特征量,哪些是干擾量。我們能否借助于現(xiàn)代科學(xué)的探測儀器發(fā)現(xiàn)這個(gè)變化的特征量呢?這是我們需要研究的課題。以前在測量地磁場時(shí),大多關(guān)心的是其幅度的大小,這實(shí)際上只是信號的一部分——它只是信號的功率譜,伴隨幅度量同時(shí)出現(xiàn)的信號頻率、相位、矢量特征和頻率特征等參量因?yàn)闆]測到而沒被利用。震前信號的幅度異常可能是地震的前兆信號,但問題在于如何證明得到的地磁信號就一定是地震的前兆信號,而不是其它干擾噪聲。區(qū)分它是非常困難的事,因?yàn)榇艌鲈捶浅６?有宇宙空間的、地球內(nèi)的、人文的等等,所以單憑磁信號的幅度異常不能當(dāng)作地震的前兆的唯一性特征,不能作為確定地震前兆的唯一特征量,現(xiàn)在有些研究人員將震前地磁場的某些信號的特殊形態(tài)認(rèn)為就是地震的前兆,實(shí)際上這是一個(gè)非常不充分的證據(jù),還需要其它相關(guān)量來加以佐證,因?yàn)闊o法證明這是一個(gè)普遍規(guī)律,極有可能是一個(gè)特定條件下的個(gè)案,沒有普遍意義。如果把信號的頻率、相位、矢量特征等參量同時(shí)加以利用,或許就有可能組成識別地震前兆的特征量。但用核旋磁力儀及光泵磁力儀等來抓住全部特征量是有困難的,因?yàn)椴还苁呛诵帕x還是光泵磁力儀所測得的是磁場信號的標(biāo)量,并不能反映信號真實(shí)的完整的狀態(tài)。在孕震過程中,只有當(dāng)應(yīng)力大到一定程度時(shí),才會(huì)使地下巖體破裂。不難理解的是,當(dāng)應(yīng)力產(chǎn)生的能量積累時(shí),其能量會(huì)從最薄弱的地方釋放。因此在大震前應(yīng)伴有小震發(fā)生。小震對人類生活沒有太大影響,但小震同樣會(huì)給出地震特征信息,只要能抓住發(fā)生對人類危害不大的小震發(fā)出的信息,就有可能得到大震的前兆信息,有可能預(yù)報(bào)大的有感地震。當(dāng)然,地震預(yù)報(bào)遠(yuǎn)非那么簡單。高溫SQU ID磁強(qiáng)計(jì)的傳感器SQU ID是一個(gè)非常靈敏的弱磁測量傳感器,能分辨極微小的磁場幅值變化,和磁場的相位變化、頻譜變化,與頻譜儀配合可測量磁場變化的功率譜和頻率譜。其中SQU ID磁強(qiáng)計(jì)是獲取原始信號的儀器,頻譜儀則對獲取的信號進(jìn)行譜分析。有了這兩個(gè)譜的資料,就有可能更全面分析信號的特征,就有捕獲地震前兆特征量的可能。更重要的是它可對地磁場進(jìn)行三分量監(jiān)測,利用信號的矢量特征可以追溯找到產(chǎn)生該磁場的場源所在,極有可能會(huì)有益于地震預(yù)報(bào),起碼能給地震預(yù)報(bào)帶來更多的有用信息、取得更大的研究空間。這也是我們需要對此深入研究的重要理由之一。弄清本文提出的四個(gè)問題極有可能使判定發(fā)生地震的特征量浮出水面。如果發(fā)生壓磁效應(yīng)產(chǎn)生的磁信號頻率與介質(zhì)有關(guān),那么必須研究什么樣的介質(zhì)發(fā)生什么樣的頻率,這樣當(dāng)對地面以下的地層結(jié)構(gòu)了解后,一旦監(jiān)測到與地下結(jié)構(gòu)介質(zhì)有關(guān)的特征頻率就可判斷出在該地區(qū)有可能發(fā)生地震,這就抓住了發(fā)生地震的真正的特征量。但首先還必須弄清楚產(chǎn)生的頻率高低與介質(zhì)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)還是與介質(zhì)的形狀大小有關(guān),如與介質(zhì)的形狀大小無關(guān)則此特征量具唯一性,如與介質(zhì)的形狀大小有關(guān)則還須進(jìn)一步深入研究,問題會(huì)變得復(fù)雜得多。

綜上所述高溫超導(dǎo)技術(shù)是可以在震前監(jiān)測地磁場的變化有所作為的,高溫超導(dǎo)技術(shù)若能在地震預(yù)報(bào)中得到應(yīng)用,第一可使這項(xiàng)高科技成果轉(zhuǎn)化為真正的生產(chǎn)力,第二我們可期望用此新的技術(shù)平臺將地震預(yù)報(bào)推上一個(gè)新的臺階而造福于人類。

這個(gè)新的技術(shù)平臺能給我們帶來的好處還不止這些,如果地震的起因真是由于地殼板塊運(yùn)動(dòng)所致,那么就有可能在全球范圍內(nèi)設(shè)立監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測地磁場變化情況,就有可能在地震之前更多的時(shí)間提前預(yù)測到地震即將發(fā)生,這對減災(zāi)、防災(zāi)顯然是非常有利的。