地震電磁擾動監(jiān)測系統(tǒng)與試驗驗證*

劉 勇 孔亞麗 曾歌明 丁 葵

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所低頻電磁通信技術實驗室 武漢 430079）

1 引言

我國地處全球兩大地震帶之間，地震活動頻度高、強度大、分布廣，是一個震災嚴重的國家。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，地震等自然災害時刻威脅著廣大人民生命財產(chǎn)安全，尋找和研究開發(fā)一種高效的地震預測技術已成為我國當前亟待解決的問題。

地震科學研究者早已發(fā)現(xiàn)，地震前在地面與電離層中能監(jiān)測到明顯的中、短臨電磁異常，電磁擾動監(jiān)測有望成為一種有效的地震短臨預報方法［1～3］。眾多監(jiān)測實例也證明電磁場異常是地震短臨前兆反應最靈敏的物理現(xiàn)象之一，這揭示了電磁學科在地震研究領域巨大的潛力［4～9］。

甚至有觀點認為電磁擾動監(jiān)測可成為實現(xiàn)短臨地震預報的突破點，通過建設大規(guī)模電磁擾動監(jiān)測系統(tǒng)，結合現(xiàn)有各種地震觀測信息綜合研判，為地震短期預測提供技術支持，將對提高我國地震預報和災害防治水平起到積極作用。

2 地震電磁效應

2.1 地震電磁擾動產(chǎn)生機制

地震的孕育和發(fā)生是一個及其復雜的過程，臨震前電磁擾動現(xiàn)象的物理機制目前尚無定論，不同的學者提出了不同的產(chǎn)生機制，主要可分為兩大理論：動電效應和微破裂機制。一般從地震孕育、臨震和地震發(fā)生三個階段分析［10～11］。

1）在地震孕育過程中，地下應力發(fā)生變化促使孕震區(qū)地下介質(zhì)電性結構發(fā)生改變，進而感應電磁場發(fā)生變化；在孕震區(qū)地下應力應變持續(xù)積累的過程中，可持續(xù)觀測到感應電磁場的變化；

2）在臨震階段，地震孕育帶原來緩慢的應變能量積累速率改變加強，導致地震孕育帶微裂隙增多，從而使得電磁輻射信息增加，并同時出現(xiàn)其他的一些化學效應、熱效應等，引起大氣層、電離層的同步響應，大氣層和電離層對地下這些異常信息的響應具有放大效果，所以在比較大的范圍內(nèi)顯示了強烈的電離層異常擾動變化；

3）隨著地震發(fā)生，能量得以釋放，地下介質(zhì)達到新的平衡狀態(tài)，感應電磁場也趨于穩(wěn)定。

2.2 地震電磁效應現(xiàn)象

地震電磁效應主要包括壓磁效應、壓電效應、感應電磁效應和巖石破裂時的多種電磁效應。除應力變化引起壓磁、壓電效應外，地下介質(zhì)形變時伴隨體積變化等現(xiàn)象，地震孕育所伴隨的物理化學過程通過感應磁效應、動電磁效應、熱磁效應、壓電效應、動電效應、大氣電場效應等產(chǎn)生地震電磁擾動前兆異常［1，12～13］。

地震前一、二個月特別是震前幾個小時至幾天出現(xiàn)的與地震孕育發(fā)生相關聯(lián)的異常稱為地震電磁短臨前兆。地震短臨電磁前兆及其機理極為復雜，有來自震源信息的局部性前兆，有來自震源所在的區(qū)域應力場構造以及與孕震立體環(huán)境有關的大尺度動態(tài)前兆，主要表現(xiàn)為地磁場、地電場、電磁輻射、電離層、高能粒子等與地震孕育發(fā)生有關的各種異?，F(xiàn)象，前兆異常幅度磁場為10nT左右，大震前可達幾十nT以上，甚至達到200nT，電場異常幅度約為幾十mV/km，甚至數(shù)百mV/km［3］。

2.3 地震電磁擾動實驗基礎

地震孕育及發(fā)生過程中伴隨不同程度的電磁輻射異常已是不爭的事實，巖石破裂實驗證實了在巖石破裂過程中有較強的電磁信號產(chǎn)生，發(fā)現(xiàn)整個巖石破裂過程中有三種電磁信號產(chǎn)生［14～15］。

1）巖石破裂前產(chǎn)生的、持續(xù)時間長達十幾個小時的長周期信號；

2）臨破裂前產(chǎn)生的、持續(xù)幾十分鐘的中長周期信號；

3）破裂時產(chǎn)生的、持續(xù)幾百秒左右的短周期脈沖信號。

一系列實驗結果證實了地震孕育及發(fā)生過程中伴隨有電磁信號產(chǎn)生，為后續(xù)的電磁擾動研究奠定了一定的實驗基礎。

3 地震電磁擾動監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 地震電磁擾動監(jiān)測儀

地震電磁擾動監(jiān)測包括電場監(jiān)測和磁場監(jiān)測，電場監(jiān)測是測量兩個埋設電極之間的電位差，磁場監(jiān)測采用高靈敏的感應式磁傳感器。

圖1是地震電磁擾動監(jiān)測儀組成框圖，由3根磁傳感器、6個電場天線、9通道地震電磁監(jiān)測記錄單元組成，地震電磁擾動監(jiān)測儀可外接GPS天線和電源，監(jiān)測記錄單元可存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)向外傳輸數(shù)據(jù)，GPS功能的主要作用是提供精確的位置信息和準確度時標信息。

圖1 地震電磁擾動監(jiān)測儀組成框圖

為了準確可靠監(jiān)測地震電磁擾動特征，要求地震電磁擾動監(jiān)測儀具有高靈敏特性、高穩(wěn)定性，能長期可靠工作。監(jiān)測儀采用高靈敏的磁傳感器，磁傳感器本地噪聲低于自然環(huán)境噪聲20dB以上，能夠真實監(jiān)測微小的地震電磁擾動，為保證長時間工作穩(wěn)定性和監(jiān)測進度，監(jiān)測儀具有自動標定功能。監(jiān)測儀主要技術指標如下。

1）頻率范圍：0.01Hz～20Hz；

2）帶 內(nèi) 平 坦 度：0.5dB，30Hz阻 帶 衰 減 大于-92dB；

3）測量動態(tài)范圍：≥96dB；

4）測量通道：9個（6個電通道+3個磁通道）；

5）數(shù)據(jù)存儲：滿足數(shù)據(jù)存儲至少15天；

6）磁傳感器噪聲：≤0.003 nT/Hz1/2@（0.1 Hz～10Hz）。

地震電磁擾動信號頻段分布范圍較寬，選擇0.01Hz～20Hz進行監(jiān)測的主要依據(jù)如下。

1）通過已有監(jiān)測記錄，地震電磁擾動主要頻譜成分集中在0.1Hz～10Hz；

2）自然場在0.01Hz～20Hz頻段電磁場能力小，便于對地震電磁擾動微弱信號監(jiān)測；

3）電磁波傳播理論研究表明：高于1Hz以上地震電磁信號不易從震源傳播到地球表面；

4）選擇20Hz高頻頻率遠離50Hz工頻信號影響，降低了地震電磁擾動信號提取難度；

5）選擇20Hz高頻信號可降低采樣率，便于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的記錄和存儲。

地震電磁擾動電場和磁場傳播分為近場區(qū)、遠場區(qū)和輻射區(qū)，在近場區(qū)磁場更具有穩(wěn)恒特性，采用XYZ三個正交分量監(jiān)測能完整描述磁場變化；借鑒國內(nèi)外電磁擾動監(jiān)測經(jīng)驗，選擇“多方向、多級距”的電場監(jiān)測方式，監(jiān)測電磁擾動三分量需要6個監(jiān)測通道，因此地震電磁擾動監(jiān)測儀需要9個監(jiān)測通道，3個用于磁場監(jiān)測，6個用于電場監(jiān)測。

3.2 地震電磁擾動監(jiān)測系統(tǒng)

單個地震電磁擾動監(jiān)測儀監(jiān)測范圍有限，且不適合進行資料比較處理，因此，需要對多個地震電磁擾動監(jiān)測儀進行組網(wǎng)觀測，地震電磁擾動監(jiān)測系統(tǒng)應運而生。

圖2 地震電磁擾動監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖

地震電磁擾動監(jiān)測系統(tǒng)由多臺地震電磁擾動監(jiān)測儀、網(wǎng)絡接入設備和信息處理服務器等組成，地震電磁擾動監(jiān)測儀布置在不同地點（可布置在各地震臺站），長期穩(wěn)定可靠地測量不同地點的地震電磁擾動信號。監(jiān)測儀實時地對所在地點的地震電磁信息進行采集轉換，通過網(wǎng)絡接入設備以有線或無線方式傳輸至信息處理服務器。操作人員通過信息處理服務器對各監(jiān)測儀進行有效的遠程控制、接收監(jiān)測儀傳來的數(shù)據(jù)，并對該數(shù)據(jù)進行本地存儲、處理等。

通過地震電磁擾動監(jiān)測系統(tǒng)可對不同地點實時進行電磁擾動監(jiān)測，通過網(wǎng)絡接入設備將電磁擾動數(shù)據(jù)匯總上傳至信息處理服務器，操作人員可同時對多臺監(jiān)測儀的電磁擾動數(shù)據(jù)進行顯示、統(tǒng)計、分析，為地震預報提供依據(jù)。該系統(tǒng)可依托現(xiàn)有地震臺站電磁觀測臺網(wǎng)，配合各種流動測站，實現(xiàn)對電磁現(xiàn)象的全方位立體監(jiān)測。

4 試驗情況及數(shù)據(jù)分析

4.1 電磁擾動監(jiān)測儀試驗運行與九寨溝Ms7.0地震

2016年11月開始在四川崇州地震臺布設2臺電磁擾動監(jiān)測儀，用于監(jiān)測崇州附近的電磁擾動現(xiàn)象，至今兩臺設備長期運行良好，獲得了長期有效的電磁擾動數(shù)據(jù)，特別是監(jiān)測到2017年8月8日21時19分46秒四川省阿壩州九寨溝縣發(fā)生地震的電磁擾動異常。

據(jù)中國地震臺測定九寨溝地震震級MS7.0、震源深度20km，地震發(fā)生在青藏高原東緣巴顏喀拉塊體的北邊界東昆侖斷裂帶東端與東邊界岷山構造帶交匯區(qū)域，在該塊體的東邊界龍門山斷裂帶上曾發(fā)生了2008年汶川MS8.0、2013年蘆山MS7.0地震。九寨溝MS7.0地震震區(qū)位于川、甘交界高海拔地區(qū)，距崇州地震臺電磁擾動監(jiān)測站267km。本文將根據(jù)崇州電磁擾動監(jiān)測站觀測到的電磁擾動數(shù)據(jù)對九寨溝地震進行震前短臨電磁前兆和同震電磁異常進行分析。

4.2 數(shù)據(jù)分析

本文主要分析了地震發(fā)生前后共計1小時內(nèi)的電磁場時間序列，圖3為監(jiān)測儀2017年8月8日21時至22時1小時內(nèi)的電磁場信號，從圖中可以明顯看出：21時01分至21點09分之間6道電場的時間序列同時表現(xiàn)出突變性電磁擾動異常；在21時57分24秒至21時57分58秒之間同樣出現(xiàn)了明顯的電磁擾動異常，本文認為前者為九寨溝Ms7.0主震的震前短臨電磁前兆，后者為后續(xù)余震的震前短臨電磁前兆。

圖3 地震電磁擾動監(jiān)測儀21時至22時電磁信號時間序列圖

從地震電磁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，與地震波相對應的地震同震電磁異常存在于所有的電場和磁場分量中，與地震波同步到達，地震破裂發(fā)生時的電磁輻射異常相比與地震波同步的電磁異常幅度小很多，無法從觀測數(shù)據(jù)中識別出來。電磁監(jiān)測數(shù)據(jù)的9個電磁場分量中，垂直分量相對于水平分量更為敏感，圖4顯示電磁擾動監(jiān)測儀磁場垂直分量與電場垂直分量時序圖。

圖4 電磁擾動監(jiān)測儀垂直磁場與垂直電場分量時序圖

由圖可知，震后47s電磁擾動幅值開始增大，83s后幅值進一步顯著增大，這種現(xiàn)象即為與地震波對應的地震同震電磁異常。地震波分為P波、S波，由于波速度不同，到達崇州監(jiān)測站的時間亦不同，震后47s P波達到，電磁擾動幅值增大，隨后83s左右S波到達，地震電磁擾動幅值異常進一步顯著增大。震中據(jù)監(jiān)測站距離為267km，由此可推算出P波速度為5.68km/s，S波速度為3.22km/s。

4.3 小結

由上可知，九寨溝Ms7.0地震震前十幾分鐘電磁擾動監(jiān)測儀監(jiān)測到明顯的電磁擾動異常現(xiàn)象，電場異常明顯優(yōu)于磁場異常。地震同震電磁異常中，與地震波相對應的地震同震電磁異常幅值遠大于地震破裂發(fā)生時的電磁輻射異常，后者無法從觀測數(shù)據(jù)中識別。電磁場分量中，電場和磁場的垂直分量異常更為顯著，震后46s、83s分別監(jiān)測到明顯的同震電磁異常，這是由于震中與監(jiān)測站之間存在距離差，導致同震電磁異常相對滯后，且P波相對S波速度快，故P波先于S波后到達。

5 結語

本文介紹的地震電磁擾動監(jiān)測系統(tǒng)具有靈敏度高、高穩(wěn)定的特點，通過崇州長期試驗證明可長期穩(wěn)定可靠工作，獲得了長期有效的地震電磁擾動監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證了地震電磁擾動監(jiān)測系統(tǒng)對地震電磁擾動的監(jiān)測能力。在后續(xù)研究工作中，要加強地震電磁擾動監(jiān)測系統(tǒng)大區(qū)域、高密度布設應用研究，深入分析地震電磁擾動監(jiān)測數(shù)據(jù)，提升地震電磁擾動監(jiān)測準確性和可靠性；深入研究地震電磁輻射機制及其與地震之間的關系，更好發(fā)揮地震電磁擾動監(jiān)測作用，為地震短期預報提供一種新的有效技術手段。