國際地震和火山電磁方法組織2016年蘭州研討會
——紀念蘭州地震研究所開創(chuàng)地電監(jiān)測預報地震半個多世紀①

杜學彬, 張元生, 譚大誠, 安張輝, 王建軍, 范瑩瑩, 劉 君, 陳軍營(甘肅蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

1958年我國著名地震學家郭增建先生首次總結(jié)了1920年海原MS8.5大震前的地球物理現(xiàn)象,其中包括前震、地下水、地電、地聲、地光、動物、天氣及地磁場異常等[注]郭增建,蔣明先,劉成吉,等.1920年甘肅海原大地震調(diào)查報告.1958.張衡紀念冊,中國科學院蘭州地球物理研究所資料室,1964.[注]中國科學院蘭州地球物理研究所資料室.張衡紀念冊.1964.。我國科學家對這個總結(jié)給予了高度重視。此后,在郭增建先生倡導下,原中國科學院蘭州地球物理研究所[先后更名為中國科學院地球物理研究所蘭州分所(1959年)、中國科學院蘭州地球物理研究所(1966年)、蘭州地震大隊(1970年)、國家地震局蘭州地震研究所(1978年),中國地震局蘭州地震研究所(1998年),以下簡稱“蘭州所”]在蘭州地球物理觀象臺建立了大地電場觀測臺[1]。在1966年3月河北省邢臺先后發(fā)生6.8、7.2級地震后,蘭州所(即當時的蘭州地球物理研究所)在邢臺隆堯震區(qū)開展了大地電磁測深工作,1967年3月河北省河間縣發(fā)生6.3級地震后,錢復業(yè)研究員等在該縣立坦建立了我國第一個DC對稱四極裝置地電阻率臺。從此開創(chuàng)了我國地電學方法在地震監(jiān)測預報中的工作。經(jīng)過50多年的發(fā)展,我國現(xiàn)已建成了目前世界上最大規(guī)模、規(guī)范化觀測的地電觀測網(wǎng)。目前,全國運行80多個臺站組成的地電阻率觀測網(wǎng)(1976年唐山MS7.8地震前后運行的觀測臺站約120個)，運行120多個臺站組成的地電場觀測網(wǎng)和約300個臺站組成的電磁擾動(即原稱的“電磁波”)觀測網(wǎng)。2019年蘭州所撤銷,組建了甘肅省地震局隸屬的區(qū)域研究所—蘭州巖土地震研究所(2019年以前蘭州所電磁學科組分別隸屬于蘭州所地電研究室、電磁研究室和西部強震預測研究室)。自1966年起至今半個多世紀的我國地震地電學發(fā)展歷程中,蘭州所地電學科組長期主持中國地震局地電學科牽頭工作和全國地電臺網(wǎng)技術(shù)管理工作,在地震地電學理論、觀測方法與技術(shù)、物理實驗、觀測數(shù)據(jù)應用技術(shù)、震例研究、非震變化研究以及臺站建設技術(shù)、地震預測實踐等方面取得了巨多科技成果和創(chuàng)新進展,并從2008年起和地電學科專家在全國范圍內(nèi)共同推動了應對地表觀測環(huán)境變化的井下地電阻率觀測技術(shù),長期堅持地震流動大地電磁野外監(jiān)測[2-27][注]杜學彬.深電極地電阻率觀測技術(shù)及實驗.地震預測業(yè)務發(fā)展戰(zhàn)略研討會報告(PPT).中國地震臺網(wǎng)中心主辦.2018年6月27日.[注]在蘭州所半個多世紀的地震地電學發(fā)展進程中100多位同行專家、學者產(chǎn)出了巨多重要科技成果,因篇幅有限,僅列出蘭州所地電學開創(chuàng)性工作和部分繼承者在蘭州所工作、學習期間產(chǎn)出的文獻.。在國際和境外學術(shù)交流方面,在希臘、美國、日本、印度尼西亞、羅馬尼亞、波蘭以及我國臺灣等開展了較廣泛的地震電磁學、地震地電學方面的學術(shù)交流。1994年錢家棟研究員等率先開展了與法國國家科學研究中心克萊蒙費朗地球物理觀象臺(CNRS-OPGC)合作,建立了甘肅天祝地震電磁臺站;2008年后建成、運行由3個臺站組成的中法國際合作地震電磁觀測網(wǎng),并開展了地震陸基電磁科學研究以及法國地震電磁衛(wèi)星Demeter空間對地電磁觀測合作研究。2016年(即1966年3月河北省邢臺地震后50年)在蘭州舉辦了首次在中國大陸地區(qū)召開的國際地震和火山電磁方法委員會(Electromagnetic Studies of Earthquakes and Volcanoes,以下簡稱“EMSEV”)研討會[28-29]。自1979年起,蘭州所培育了40多名地震地電學、地震電磁專業(yè)的碩士研究生,為我國地震系統(tǒng)和其他行業(yè)做出了突出的專業(yè)貢獻。為紀念蘭州所開創(chuàng)我國地震地電學及其發(fā)展的貢獻,應陸續(xù)的系列性展示蘭州所在國內(nèi)外地震電磁學領(lǐng)域產(chǎn)生影響的多方面工作。本文介紹2016年國際研討會(EMSEV-2016 Workshop)舉辦過程及會議成果以及會后幾年來我國地震電磁方面的發(fā)展。

1 研討會籌備和組織

EMSEV(網(wǎng)站:http://www.emsev-iugg.org/emsev/)是國際大地測量與地球物理學聯(lián)合會(IUGG)2001年經(jīng) IUGG 執(zhí)委會批準成立的國際地磁學與高空物理學協(xié)會(IAGA)、國際地震學與地球內(nèi)部物理學協(xié)會(IASPEI)、國際火山學和地球內(nèi)部化學協(xié)會(IAVCEI)之間跨學科的聯(lián)合學術(shù)組織。EMSEV致力于地震、火山電磁學方法的觀測和研究及其國際學術(shù)交流、合作,在國際上本領(lǐng)域很有影響[28,30]。該組織2002年以來先后在俄羅斯、菲律賓、法國、印度、羅馬尼亞、美國、日本、中國、意大利等國舉辦了兩年一次的國際學術(shù)研討會,并不定期舉行內(nèi)部工作會議,2016年在中國蘭州舉辦了中國大陸首次召開的學術(shù)研討會(EMSEV-2016 Workshop)。

經(jīng)中國地震局批準,在國家自然科學基金項目(41374080)支持下,蘭州所杜學彬研究員、安張輝副研究員于2014年9月在波蘭華沙召開的EMSEV-2014 workshop上提交了申辦2016年國際會議的申請,經(jīng)EMSEV支委會討論通過了在蘭州舉辦會議的決議。2015年9月EMSEV主席Jacques.Zlotnicki教授(法國UMR-CNRS-OPGC實驗室教授)等7名國內(nèi)外學者來蘭與蘭州所討論了舉辦2016年國際研討會的具體事項,確定了本次會議的科學主題為:觀測和認識與地震發(fā)生、火山噴發(fā)有關(guān)的多種電磁現(xiàn)象,開展地震火山電磁方法國際學術(shù)交流與合作、多種電磁方法交叉融合學術(shù)研討等科學交流活動。會后EMSEV與蘭州所(本次國際會議第一舉辦單位)、中國地震局地殼應力研究所(本次國際會議第二舉辦單位)簽署了合作舉辦本次國際會議的三方備忘錄。根據(jù)備忘錄,本次國際會議由研討會Workshop和會前會Pre-Workshop 兩部分組成:擬2016年8月23—25日在北京召開會前會Pre-Workshop,由地殼應力研究所承辦,主題為中國地震電磁衛(wèi)星相關(guān)內(nèi)容;Workshop是本次國際會議的核心,擬在2016年8月26—29日在蘭州召開。此后,中國地震局國際合作司、監(jiān)測預報司對研討會給予了大力支持和外事指導,兩個業(yè)務司于2016年分別撥付了會議專項來支持本次Workshop。蘭州所時任領(lǐng)導等在舉辦本次Workshop以及申報、組織實施等方面給予了具體領(lǐng)導。按2015年9月擬定的會議程序,2016年8月26—29日如期在蘭州召開了本次Workshop。協(xié)辦單位包括中國地球物理學會(CGS)、中國地震學會(SSC)、國際地磁學與高空物理學協(xié)會(IAGA)、國際地震學與地球內(nèi)部物理學協(xié)會(IASPEI)、國際火山學和地球內(nèi)部化學協(xié)會(IAVCEI)等15個單位和國內(nèi)外學術(shù)組織。本次workshop組織有序和高效,科學活動豐富,程序安排符合國際慣例,在國際上產(chǎn)生了好的影響。在會議期間,甘肅日報、蘭州晚報、甘肅電視臺記者赴現(xiàn)場報道了本次workshop[31]。

2 研討會成果

2.1 學術(shù)會議交流

根據(jù)本次Workshop的科學主題,開展了8個專題的學術(shù)交流:(1)青藏高原地震活動與電磁前兆現(xiàn)象;(2)與大震、火山噴發(fā)有關(guān)的電磁信號;(3)用多種電磁方法和多學科方法研究地震和火山噴發(fā)事件;(4)識別地震和火山噴發(fā)前的巖石圈、空間前兆現(xiàn)象;(5)天然地震活動和誘發(fā)地震;(6)斷層活動和火山噴發(fā)機理、實驗和模型研究;(7)地震、火山噴發(fā)和其他自然災害的前兆可靠性;(8) EMSEV國際合作項目交流。本次Workshop是一次國際地震電磁學領(lǐng)域的學術(shù)盛會,科學活動包括會議報告、墻展報告、EMSEV業(yè)務會議、優(yōu)秀學生論文評審、論文出版、確定EMSEV-2018國際研討會的承辦國、我國地震電磁臺站考察等事項。會議展示了來自18個國家和地區(qū)的102篇論文摘要,其中Oral交流82篇、Poster展示20篇;來自16個國家和地區(qū)的141位代表與會(圖1),26位科學家、學者應邀作了會議特邀報告。中國地震學會《Earthquake Science》和《地震學報》編輯部列席了Workshop業(yè)務會。

圖1 EMSEV-2016 Workshop(大部分)與會者合影Fig.1 Group photo of most participants at the EMSEV-2016 workshop

近百位來自國內(nèi)研究所、大學和地震系統(tǒng)的科學家和學者以及35位外籍學者展示了本領(lǐng)域的前瞻性研究成果。來自日本東京大學的上田誠也(Seiya UYEDA)、中國臺灣中央研究院李羅權(quán)、中國科技大學陳曉非、塔吉克斯坦科學院卡里莫·法舍德(Karimov FARSHED H)4位院士和43名教授、研究員參加了會議,并作了精彩的會議報告。研討會采取開幕式、閉幕式各半天的大會集中和兩天分會場的兩種交流方式,在集中交流開幕式上,國際地學領(lǐng)域著名科學家Seiya UYEDA院士、著名的地電場VAN方法創(chuàng)始人Panagiotis VAROTSOS教授(希臘雅典大學物理學教授)、EMSEV主席Jacques ZLOTNICKI教授等向與會者展示了國際上地震、火山電磁學領(lǐng)域的最新研究成果(圖2);我國地震電磁領(lǐng)域的同行(趙國澤、杜學彬、申旭輝研究員和何宇飛、陳斌副研究員)分別介紹了我國極低頻電磁、地電、地磁、流磁和電磁衛(wèi)星5個方面的內(nèi)容,向國內(nèi)外展示了我國地震電磁學觀測現(xiàn)狀、觀測技術(shù)和研究與應用成果。

Workshop還在學術(shù)交流的空隙召開了EMSEV業(yè)務會議,討論了Workshop論文出版事項;討論了今后EMSEV國際科技交流事項;確定了2018年EMSEV-Workshop將在意大利波坦察舉辦;評選了本次Workshop優(yōu)秀學生論文,北京大學,北京大學地球與空間科學學院的胡開顏、葉濤兩位研究生獲得最佳學生論文獎。

圖2 Jacques ZLOTNICKI教授(時任EMSEV主席)在回答與會者提出的問題[主持會議者為 美國地質(zhì)調(diào)查局Malcolm JOHNSTON教授(時任EMSEV副主席)]Fig.2 Professor Jacques ZLOTNICKI (then chairman of EMSEV) answers participant’s questions, and the host is Professor Malcolm JOHNSTON (then vice chairman of EMSEV) of USGS.

2.2 我國地震電磁臺站考察

蘭州地震研究所嘉峪關(guān)臺電磁觀測包括地電、地磁、電磁測項,是全國最優(yōu)秀的電磁觀測臺站之一。其中地電、地磁觀測多次連續(xù)獲得全國觀測資料質(zhì)量評比前三名,觀測資料被廣泛應用于地震監(jiān)預預測實踐和科學研究。在Workshop集中交流之后,與會者于29日開始疏散,其中近20位外籍專家赴嘉峪關(guān)電磁臺站現(xiàn)場考察(圖3)。嘉峪關(guān)臺負責人向外籍專家介紹了該臺電磁觀測項目觀測運行及運行管理方法、觀測環(huán)境保護措施等,外籍專家對此表現(xiàn)出極大興趣。其中意大利等國家的科學家表示,他們將借鑒中國地震局的電、磁、電磁臺網(wǎng)運行管理模式,促進他們國家的觀測臺站產(chǎn)出更高質(zhì)量的觀測結(jié)果。

2.3 科技促進作用

本次在蘭州舉辦的EMSEV-2016 Workshop達到了“走出去”和“引進來”的預期目的。所謂“走出去”就是向國際上展示了我國地震電、磁、電磁學觀測和研究、應用方面的創(chuàng)新成果;所謂“引進來”就是取長補短引進國外地震電磁學領(lǐng)域先進的研究方法和思路、觀測技術(shù)等,推進我國地震電磁觀測技術(shù)、科學研究的發(fā)展,提升地震預測預報技術(shù)水平。來自18個國家和地區(qū)的102篇論文報告涵蓋了地震電磁學理論研究、物理實驗、觀測技術(shù)、觀測運行、數(shù)據(jù)應用等多方面的先進科學內(nèi)容,使與會者感受到了地震電磁方法在未來地震科學研究、監(jiān)測預測中的重大前景,拓展了國內(nèi)外地震電磁學領(lǐng)域?qū)W者特別是年輕人才(其中我國年輕學者為多數(shù))的視角,領(lǐng)略了國際地震電磁學的先進技術(shù)、研究方法和未來發(fā)展思路。

圖3 EMSEV-2016 Workshop部分境外與會者參觀嘉峪關(guān)電磁臺站Fig.3 Some overseas participants of the EMSEV-2016 workshop visit Jiayuguan geoelectromagnetic station

在EMSEV-2016 Workshop后的幾年來,我國地震電磁學進一步發(fā)展。2018年2月發(fā)射、運行了ZH-1號電磁衛(wèi)星,進一步推進了空間對地的地震觀測[32],與我國大規(guī)模的陸基電磁臺網(wǎng)構(gòu)成了天-地一體化地震電磁監(jiān)測;極低頻ELF等地震電磁場觀測網(wǎng)監(jiān)測到了地震發(fā)生前短臨階段的視電阻率變化等異常[注]趙國澤,等.中國地震電磁研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.2021.[《中國科學》地球科學)待發(fā)表];地震地磁學方法進一步發(fā)展了地磁場垂直分量日變化空間相關(guān)異常等地震預測方法,并取得了數(shù)次地震前的中短期預測結(jié)果[33]。近年來,地震地電場、地電阻率方法也取得了明顯進展。已注意到,地電場觀測存在兩個基本觀測事實:(1)在地電場觀測中因產(chǎn)生電極與土壤等的接觸電位差、極化電位等,人們并不易準確的測量地電場,但能在一定程度上準確地測量地電場的變化,且在高觀測質(zhì)量的臺站,同時段、同方向的長、短極距測道測量的地電場變化幅度是相同或基本相同的(包括潮汐響應變化和短周期、脈沖等快變化)。(2)同一臺站的北分量Ex、東分量Ey的變化幅度長期表現(xiàn)為|ΔEx|>|ΔEy|或反之(只要布極裝置不變),這與臺址地下介質(zhì)電性各向異性有關(guān)?；谏鲜鲂抡J識,發(fā)展了用地電場擾動變化界定地球電磁活動的地電擾動指數(shù),與地磁擾動指數(shù)相互補充和參考可更準確地界定電磁活動水平;把傳統(tǒng)的單臺、單測道的地電場時間序列數(shù)據(jù)應用方法拓展為:每臺兩個正交分量合成地電流(密度)矢量→多臺地電流矢量構(gòu)成區(qū)域性大地電流矢量的流場分布,流場分布的時變性在地球電磁環(huán)境變化、大地電流的長周期變化、地下電性結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、活動構(gòu)造的監(jiān)測與研究和生命線工程防損技術(shù)以及地震等地質(zhì)災害事件監(jiān)測預報等多個領(lǐng)域有重要意義[24];地電場觀測在地震預測預報中得到了有效的具體應用。關(guān)于各向異性介質(zhì)中地電阻率變化的本構(gòu)關(guān)系研究、場地干擾的非震變化數(shù)值模擬取得了長足進展。特別是關(guān)于遠距離大震前的地電阻率趨勢異常變化的研究獲得了新認識,初步認為:在中國大陸廣大區(qū)域同步/似同步發(fā)生的年際尺度的地電阻率分階段性的變化其持續(xù)時間(多數(shù)約6 年、3 年等)對應地球自轉(zhuǎn)加速年以及極移速度的顯著周期[注]杜學彬,等.地球物理場年際長趨勢、大動態(tài)變化與地球自轉(zhuǎn)變化.國家自然科學基金申請書(接收編號:4207040899).2020.。此認識有助于人們對于中國大陸地電阻率(甚至包括地形變、地下流體等應變類前兆)異常時空復雜性的認識以及關(guān)于大陸/大區(qū)域的地電阻率異常時空叢集對應地震高活動水平的“同源異象”[12,34]原因的認識。

3 致謝

本次國際會議主要由中國地震局原蘭州所具體組織安排,中國地震局原地殼應力研究所等18個國內(nèi)外學術(shù)機構(gòu)、科研院校等組織或協(xié)組,中國地震局國際合作司和監(jiān)測預報司給予了專項經(jīng)費支持和外事等業(yè)務指導;原蘭州所時任領(lǐng)導和外事辦公室、發(fā)展與財務處、監(jiān)測預報處等做了大量的組織領(lǐng)導、會務費管理、外事等工作;蘭州所西部強震預測研究室全力負責會議各具體事項,原研究室領(lǐng)導和沈旭章、魏叢信、葛偉鵬等組織或參與了論文摘要審查、外賓聯(lián)系、會場拍攝等具體繁瑣的會務工作;甘肅省地震局嘉峪關(guān)地震臺原時任領(lǐng)導和職工等在境外專家考察該臺電、磁觀測時作了很多具體工作。在此一并致謝！