地震預(yù)測人工源極低頻電磁新技術(shù)(CSELF)和第一個觀測臺網(wǎng)

趙國澤 王立鳳 詹 艷 湯 吉 肖騎彬陳小斌 王繼軍 蔡軍濤 汪 曉 楊 靜

(中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點實驗室，北京 100029)

0 引言

1999年IUGG指出，“地震發(fā)生時的電磁異常現(xiàn)象已被大量觀測到，地震災(zāi)難性事件之前的電磁效應(yīng)是確實存在的，如果能夠說明它們與地殼物理過程之間的關(guān)系，就能對地震事件做出預(yù)報”(Johnston et al.，1999)。美國學(xué)者指出，“地震預(yù)警信號主要來自電磁現(xiàn)象”，電磁法被認為是最有可能首先取得地震預(yù)測突破性進展的方法之一(Bleier et al.，2005)。衛(wèi)星和地面電磁觀測表明，地震事件與電磁異常之間的相關(guān)性達到80%(Pulinets，2006)至90%(ОИФЗРАН，1997)。但以前的地面觀測多數(shù)是僅觀測電場或磁場的傳統(tǒng)電法或磁法，頻率范圍都在1Hz以下，沒有包括對地震事件敏感的超低頻/極低頻(SLF/ELF)頻帶。一些利用天然源電磁場的觀測，由于受到日益嚴重的人文干擾，限制了其應(yīng)用效果。

20世紀80年代，前蘇聯(lián)研發(fā)了可產(chǎn)生大功率人工源電磁信號的磁流體發(fā)電機的MHD方法(Velikhov et al.，1996)，并在伏龍芝地震試驗場觀測到地震前地殼電阻率的異常變化。但因其產(chǎn)生的信號僅能覆蓋100km范圍，且設(shè)備龐大笨重，所以沒有得到推廣。美、蘇在冷戰(zhàn)時期發(fā)展了人工源大功率超低頻/極低頻(SLF/ELF)電磁技術(shù)，主要用于對潛深水通信。冷戰(zhàn)結(jié)束后，他們先后提出把該技術(shù)用于地震預(yù)測和資源探測等領(lǐng)域。

1996年，俄羅斯科學(xué)院向中國有關(guān)部門提出，希望通過中俄合作發(fā)展該技術(shù)，應(yīng)用于地震預(yù)測等。在馬宗晉院士親自指導(dǎo)和幫助下，此后的10多年間，我們開展了卓有成效的研究，參加了國家重大工程建設(shè)，建成了中國第一個人工源大功率超低頻/極低頻發(fā)射臺，并已經(jīng)在國家有關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用;開展了多次較大規(guī)模的觀測試驗，不僅證明在遠離發(fā)射源數(shù)千km的地區(qū)能夠有效地接收記錄到人工源電磁波信號，而且在僅有的3次連續(xù)觀測試驗期間，有2次在觀測臺站附近約100km距離的地方發(fā)生了地震，并都記錄到地震前明晰的電磁場異?，F(xiàn)象。

通過多次觀測試驗和深入理論方法研究，對該項技術(shù)的物理基礎(chǔ)、方法建設(shè)和實施過程，特別是在地震預(yù)測研究中的應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)問題，有了更深入的認識，積累了更豐富的經(jīng)驗。在中國地震局的支持下，于“十五”計劃期間建成了由12個臺站組成的、分布在不同省市自治區(qū)的觀測臺網(wǎng)，有的臺站記錄到2008年汶川8.0級地震前的電磁場異常數(shù)據(jù)(高曙德等，2010)?；谠擁椉夹g(shù)的有效性和前期大量研究成就，國家發(fā)改委把發(fā)展該技術(shù)和在重點地震危險區(qū)建設(shè)觀測臺網(wǎng)列入“十一五”計劃“國家重大科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施”項目，目前正在實施中。

人工源大功率超低頻/極低頻電磁技術(shù)吸收了大地電磁(MT)法的信號覆蓋范圍大、探測深度大、成本低等優(yōu)點，又吸收了人工源電磁法信號強度大、信噪比高等優(yōu)點。特別是當進行大面積(大陸尺度)的地震等災(zāi)害引起的電磁異常監(jiān)測時，所有臺站都觀測同一個發(fā)射臺發(fā)射的已知發(fā)射時間、發(fā)射頻率、信號強度穩(wěn)定的信號，不僅降低了成本，更有利于確定電磁異常出現(xiàn)的時間和地點(趙國澤等，2012)。

中國地震臺站以前利用的傳統(tǒng)電、磁法進行前兆電磁觀測，僅觀測電場或磁場信號，而本技術(shù)能夠同時觀測電、磁場信號，并能夠同時觀測空間電磁場和地下電阻率及其變化，特別有利于進行4維監(jiān)測。該技術(shù)是在現(xiàn)有天然源大地電磁和人工源聲頻大地電磁技術(shù)(CSAMT)的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展，并具有突出優(yōu)點和系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)、觀測方法和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，我們把該技術(shù)命名為人工源極低頻電磁技術(shù)(CSELF，Control Source Extremely Low Frequency)。發(fā)射和接收的人工源信號頻帶包括SLF(300～30Hz)、ELF(30～3Hz)和部分ULF(＜3Hz)。把CSELF技術(shù)和天然源電磁法相結(jié)合，可觀測更寬頻帶的電磁場，稱為擴展CSELF技術(shù)(表1)。

表1 地震預(yù)測CSELF技術(shù)和其他電磁法頻帶對比Table 1 Comparison between CSELF and other electromagnetic methods

本文將簡要介紹CSELF技術(shù)的信號發(fā)射原理、觀測接收技術(shù)、數(shù)據(jù)處理方法以及地震預(yù)測觀測試驗結(jié)果等。

3.中國夢是馬克思主義個人與社會的統(tǒng)一。馬克思認為，人的本質(zhì)不能脫離其現(xiàn)實性，而是一切社會關(guān)系的總和［1］501。中國夢是國家和民族的夢，也是每個中國人的夢。國家富強、民族振興和人民幸福是中國人民和中華民族的共同追求，也是億萬人民的個人理想。社會主義制度下，國家、社會與個人的利益在根本上是一致的。富強、民主、文明、和諧的價值目標，愛國、自由、平等、公正、法治的價值取向和敬業(yè)、誠信、友善的價值準則是中國夢和社會主義核心價值觀在個人、社會和國家層面的具體統(tǒng)一。在特殊性與普遍性、共性與個性的結(jié)合中，中國夢具有了鮮活的時代內(nèi)容和真實意義。

1 CSELF技術(shù)物理基礎(chǔ)

人工源極低頻電磁技術(shù)是在20世紀50年代問世的大地電磁(MT)等電磁法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新方法。它不同于傳統(tǒng)的電法、磁法僅觀測特低頻(ULF，＜1Hz)頻帶范圍內(nèi)的電場或磁場，沒有包括被認為對電磁場異常靈敏的＞1Hz頻率的信號;不同于大地電磁法僅觀測天然源電磁場;也不同于已有的人工源電磁法，如CSAMT等其信號覆蓋范圍僅十幾km且探測深度淺。

CSELF技術(shù)的信號發(fā)射源，是在具有一定面積、具有足夠厚度的地殼高電阻率(達數(shù)千、上萬Ω·m)地區(qū)，架設(shè)長數(shù)十、上百km的十字型或L型的發(fā)射天線，在每條天線兩端各用約1km2面積的接地體，以盡可能小的接地電阻和大地連接。通過大功率發(fā)射機向天線輸送100A以上的極低頻(ELF)等頻率范圍的交變電流?；陔姶挪ㄚ吥w深度原理，由發(fā)射機、天線和大地構(gòu)成巨大的垂向電流環(huán)，其很強的磁矩感應(yīng)生成強電磁場，通過“波導(dǎo)”向遠處傳播，傳播距離達數(shù)千、上萬 km(圖1)。

CSELF技術(shù)不像MT或CSAMT等不需要考慮源的分區(qū)，或者僅考慮發(fā)射源附近局部地區(qū)的場。CSELF技術(shù)產(chǎn)生的信號，在“波導(dǎo)”中傳播時，因大地、電離層等因素的影響，由發(fā)射源起，由近到遠可以分成近區(qū)、遠區(qū)和波導(dǎo)區(qū)。關(guān)于3個區(qū)的界限，一般依電離層高度的倍數(shù)、或依發(fā)射天線長度的倍數(shù)劃分。在發(fā)射天線的徑向(天線延長線方向)和軸向(或赤道方向)，遠區(qū)和波導(dǎo)區(qū)界限的位置即離開發(fā)射源的距離是不同的，并且與發(fā)射信號的頻率有關(guān)。例如，當天線區(qū)大地電阻率為5 000Ω·m，在頻率為0.1Hz，天線長度為2L=50km，電離層高度為60km時，近區(qū)和遠區(qū)的邊界在徑向和軸向都為10L即250km，而遠區(qū)和波導(dǎo)區(qū)的邊界，在徑向為20L即500km，在軸向為50L即1 250km(圖2);當頻率為300Hz時，近區(qū)與遠區(qū)的邊界為25km，遠區(qū)和波導(dǎo)區(qū)的邊界，在徑向為75km，軸向為130km左右(俄羅斯科學(xué)院環(huán)境中心，個人交流，1997)。楊靜(2011)計算了3個區(qū)的場強及其分布規(guī)律。

圖1 CSELF技術(shù)發(fā)射臺原理示意圖Fig.1 Transmitter scheme of CSELF electromagnetic waves.

2 CSELF數(shù)據(jù)處理分析

CSELF技術(shù)在地面觀測的野外裝置與大地電磁法基本相同，觀測的物理量包括相互垂直的4個水平電磁場分量和垂直磁場分量。不同的是它既可以觀測人工源電磁信號，也可以觀測天然源信號(通信領(lǐng)域稱為大氣噪聲)。經(jīng)過譜分析，得到各個分量的頻譜，以及自、互功率譜密度和視電阻率等(汪曉，2008)。圖3顯示的是近SN向發(fā)射天線的近似徑向方向、距離發(fā)射臺約800km的HS臺站觀測的130Hz和66Hz人工源信號，及其附近頻帶的電磁場自功率譜密度。由圖3可見，所有2個頻率的人工源信號頻率的電、磁場自功率譜密度明顯大于其附近頻率的天然源場，其幅度相對于天然源場的幅度(信噪比)高出1～2個數(shù)量級，較高頻率的130Hz信噪比較高，達到約2個數(shù)量級，較低頻率的66Hz信噪比最低，但也達到約1個量級。另外，臺站處的EW向分量大體與人工源信號場強切線方向平行，因此H2的幅度及信噪比明顯大于H1的幅度。相應(yīng)地，SN向電場(E2)的幅度大于EW向電場(E1)。

圖2 發(fā)射頻率為0.1和300Hz的近區(qū)、遠區(qū)、波導(dǎo)區(qū)分布示意圖Fig.2 Near，far and waveguide zones for transmit frequency 0.1 and 300Hz.

圖3 a臺站HS相對于近SN向發(fā)射天線的位置、發(fā)射信號場強分布，b觀測的4個電磁場分量方位示意圖Fig.3 Sketch diagram showing the location of station HS with respect to transmitter along nearly north-south direction and the field distributions(a)and the direction of four measured electromagnetic components(b).

除上述觀測的電磁場譜幅度和頻率與測量分量方位有關(guān)外，還發(fā)現(xiàn):1)觀測信號的功率譜密度與發(fā)射源功率大小近似成正比;2)隨著離開發(fā)射源距離增大，觀測信號幅度在減小，在相對近處減小較快;3)在發(fā)射源功率確定的情況下，臺站觀測信號的信噪比與臺站背景場強度、臺站相對于發(fā)射臺的距離和方位、觀測分量的方向等關(guān)系較大。

在觀測臺站接收穩(wěn)定的(小波動的)人工源電磁場信號，也將減小電磁阻抗以及視電阻率等資料的誤差，從而使視電阻率等觀測資料對地下電阻率結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的異常具有更高的靈敏度。借用大地電磁視電阻率如下簡化公式

其中，T(=1/f)代表信號的周期，E、H分別表示電、磁場的頻譜，E/H稱為阻抗?？梢?，電、磁場頻譜的誤差直接影響到阻抗(E/H)和視電阻率的誤差。

因此，當利用穩(wěn)定的人工源信號作為場源信號時，由于其信號明顯強于天然源信號，有較高的信噪比，于是一方面受到其他人文干擾噪聲的影響要小，具有穩(wěn)定的頻譜，利于辨別可能異常的出現(xiàn);另一方面，由于獲得的視電阻率等資料的誤差也明顯減小，反演的地下結(jié)構(gòu)可信度高，同樣對于可能出現(xiàn)的地下電阻率異常反映更靈敏。這也是CSELF方法最重要的優(yōu)勢。

3 地震監(jiān)測CSELF測量電磁異常試驗

利用CSELF技術(shù)于1999年首次通過中俄國際合作，用俄羅斯發(fā)射臺，在距發(fā)射臺約6 500km的北京及附近地區(qū)，進行了地震監(jiān)測可行性試驗，巧合的是在連續(xù)觀測期間記錄到在距臺站約100km的地方發(fā)生的4.2級地震，并在地震前3天，都記錄到電、磁場的功率譜密度以及視電阻率和阻抗相位的幅度異常，而在震后逐步恢復(fù)(趙國澤等，2003a，b)。

2005年8—9月間，我們利用中國的第一個試驗發(fā)射臺的信號，在首都圈的十三陵以及云南多震區(qū)的東川等地多個臺站和測點，再次進行了連續(xù)觀測試驗(Zhao et al.，2009)。盡管該發(fā)射臺僅是試驗臺，發(fā)射功率(僅200kW)和發(fā)射天線長度(僅31km)都很小，但是試驗表明，不僅在1 000km外可以接收到人工源信號，而且巧合的是在觀測期間，再次遇到在臺站附近發(fā)生了地震，并在地震前記錄到電磁場異常(圖4)。

東川等臺站位于川滇地塊東邊界則木河斷裂和小江斷裂及其交會區(qū)附近，是地震多發(fā)區(qū)。CSELF觀測時間自2005年9月18—29日，每天觀測2次，分別為上午9點和晚上8點，每次相繼觀測170Hz、126Hz和85Hz 3個頻率的人工源信號。對每次觀測的每個頻率信號，分別計算其磁場(H1)和電場(E1)分量的自功率譜。在人工源信號觀測后立刻觀測天然源信號，也計算相應(yīng)的自功率譜。

21日9:55云南魯?shù)榘l(fā)生了3.6級地震。在震前1天即20日，東川(震中距約100km)和巧家(震中距約50km)臺站同時出現(xiàn)了電、磁場功率譜密度增大的脈沖異常，震后恢復(fù)正常。由于異常信號較強，天然源信號的功率譜也出現(xiàn)了異常。22日以后，異常消失，電磁場恢復(fù)平常數(shù)值。

與此同時，在距離地震震中約2 000km的十三陵、懷來等臺站沒有觀測到異常(圖4)。同時發(fā)現(xiàn)，人工源信號在15—29日期間，自功率譜保持相對穩(wěn)定，波動很小，但是天然源信號自功率譜波動很明顯，波動最大幅度達1/2量級以上，說明人工源信號受到其他人文電磁干擾的影響比天然源信號要小得多，顯示了其在異常監(jiān)測中的優(yōu)勢(Zhao et al.，2009)。

4 中國第一個CSELF技術(shù)觀測臺網(wǎng)

圖4 云南東川(a)、北京十三陵(b)2005年9月15—29日連續(xù)觀測的頻率為170Hz的EW向磁場分量的功率譜密度Fig.4 Powered spectrum density of magnetic field in east-west direction for 170Hz recorded at the stations Dongchuan in Yunnan and Shisanling in Beijing during 15-29 September 2005.

利用多個臺站組成的臺網(wǎng)進行地震異常監(jiān)測，不僅有利于監(jiān)測異常出現(xiàn)的時間，也有利于監(jiān)測異常源的位置。2009年我們第一次利用“十五”計劃期間建成的12個CSELF臺站，接收中國第一個發(fā)射臺的人工源極低頻電磁信號，并進行了1個月的連續(xù)觀測試驗研究。

其間，每天清晨和傍晚的固定時段，發(fā)射臺用穩(wěn)定的功率(近300kW)分別發(fā)送幾個頻率的人工源電磁場信號，在12個臺站接收和記錄電、磁場4個水平分量，計算其功率譜密度(PSD)。結(jié)果顯示，在30天內(nèi)的幅度波動一般都＜10%。但是，在每個人工源信號時段后的同樣長度的相鄰時段，觀測的天然源信號的PSD的幅度在1月期間變動很大，一般達到1個量級以上，最大可達2個量級。圖5為紅山地震臺1個月期間，頻率為130Hz的人工源信號和天然源信號功率譜密度的對比圖，圖中還顯示，人工源信號PSD比天然源信號的PSD高出約2個數(shù)量級，即信噪比達到近2個數(shù)量級，且人工源信號在1個月內(nèi)的變化幅度比天然源要小得多(趙國澤等，2010)。

基于CSELF技術(shù)在地震預(yù)測研究中的巨大優(yōu)勢，在國家有關(guān)部門的支持下，在“十一五”計劃的“國家重大科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施項目”中，將在首都圈和南北地震帶南段，即潛在地震活動區(qū)，再建30個CSELF技術(shù)地震觀測臺(圖6)。建成之后，將成為世界上第一個具有一定規(guī)模的(含42個臺站和部分流動測點)用于地震預(yù)測的CSELF技術(shù)的觀測網(wǎng)。

5 電磁異常機理分析

地震前出現(xiàn)的電磁場的擾動幅度和視電阻率數(shù)值的增大是否與地震有關(guān)?如果有關(guān)，成因機制如何?盡管對電磁場異常的生成機制至今還沒有滿意的解釋，但基于試驗和觀測已經(jīng)進行了許多分析和研究。

圖5 2009年7月21日至8月20日連續(xù)觀測的130Hz磁場(a)、電場(b)的功率譜密度(PSD)Fig.5 Powered spectrum density of magnetic field(a)and electric field(b)for 130Hz recorded from July 21 to August 20 in 2009.

(1)關(guān)于異常電磁場的源。一般歸結(jié)為來自3個方面:1)來自地震震源區(qū)，因為這里有最強的機械能;2)來自于地表或上層地殼，這里微破裂較發(fā)育，存在著裂隙間的循環(huán)流體或者在干巖石之間可能發(fā)生的摩擦作用;3)來自于大氣層或電離層，這里的直流電場可能發(fā)生不穩(wěn)定擾動，并可能改變天然電磁波傳播條件。理論計算表明，如果認為電磁波來自于震源區(qū)附近，那么根據(jù)電磁波在地球內(nèi)傳播過程中的指數(shù)衰減規(guī)律，當震源深度＞10km時，只有較低頻率的電磁波才能達到地面。

(2)關(guān)于地震前空間電磁場的變化。在地震孕育和發(fā)生過程中，由于構(gòu)造運動、應(yīng)力場的變化以及壓電或磨擦作用，可激發(fā)電磁場異常脈動或擾動，并向震源周圍傳播，在地面和空間可以接收到這些異常。在震源區(qū)一般存在裂隙或破裂，其間充填著流體，當應(yīng)力場發(fā)生變化時，由于動電效應(yīng)，也可激發(fā)電磁場異常，并向外傳播(Parrot，2002)。

地震前地面以上的電磁場異常與震源深度、地質(zhì)條件、震中距和電離層狀況等因素有關(guān)。對于7級地震，其影響范圍甚至可達1 000km。假設(shè)大地電場擾動尺度為100km，那么它已與電離層高度相當，因此它將會改變電磁場波導(dǎo)的條件。而電離層本身的擾動，例如電離層高度的變化、等離子體濃度的變化等，自然也影響到地面電磁場的變化。由于地面電磁波向空間的傳播以及電離層擾動的共同作用，使得電磁場出現(xiàn)異常，并在震源區(qū)上方比其他地區(qū)的異常更嚴重。觀測表明，較低頻率范圍的異常在震前較長時段如震前20天內(nèi)出現(xiàn)，而較高頻率范圍異常在震前較短時間內(nèi)如2～3天出現(xiàn)。因此，在研究地震的電磁異?，F(xiàn)象時，需要結(jié)合地震發(fā)生的位置和所處的構(gòu)造條件等進行具體分析。

圖6 中國地震預(yù)測CSELF觀測網(wǎng)分布示意圖Fig.6 CSELF observation network for earthquake monitoring.

6 結(jié)束語

中國的人工源極低頻電磁技術(shù)及其在地震預(yù)測研究中的應(yīng)用，經(jīng)過10多年的研究和發(fā)展，已經(jīng)相對成熟，成為地震預(yù)測研究中最有潛力的地球物理方法之一，僅有的3次連續(xù)觀測試驗，盡管每次時間較短，但有2次遇到在地震臺站附近約100km處發(fā)生了中等強度的地震，且都記錄到地震前3天內(nèi)出現(xiàn)的電磁異?，F(xiàn)象。利用僅有的12個臺站較小規(guī)模臺網(wǎng)的觀測，顯示了在較大的區(qū)域范圍，各個臺站能夠觀測到穩(wěn)定的電磁場信號。CSELF的發(fā)展研究促成了地震潛在危險區(qū)更大規(guī)模的臺網(wǎng)建設(shè)。

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