中国地震电磁研究现状和发展趋势

原创 赵国泽，等 

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地震电磁法是可能最早取得地震预测突破性进展的主要方法之一。中国地震局地质研究所赵国泽研究团队联合相关领域知名专家，对20世纪50年代以来我国地震电磁研究应用的所有电磁法的特点和取得的成果进行了系统梳理和总结，对新诞生的人工源极低频电磁法(CSELF)和卫星电磁探测及我国第一颗地震电磁卫星(CSES)探测成果进行了介绍，阐述了物理模拟和数学模型研究异常成因机制的成果，给出了电磁法在地震预测研究领域的新思路、新策略的建议。

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地震是公众最关注的自然灾害事件。我国是遭受地震灾害最严重的国家之一，也是对地震预测研究投入最多的国家之一，研究成果具有重要的国际影响。

自1966年河北邢台6.8级地震以来，几乎所有用于资源勘探和深部结构探测的电磁方法都被用于地震前兆监测中。过去十多年间，诞生了利用DEMETER和CSES的卫星电磁探测，以及利用CSELF的新技术，并得到发展。中国地震局地质研究所赵国泽研究团队联合相关领域知名专家，首次对过去60多年我国地震电磁研究应用的所有电磁法的特点和取得的成果进行了系统梳理和总结，相关成果以“中国地震电磁研究现状和发展趋势”为题，近期发表于《中国科学：地球科学》。地电阻率（DC）观测是最早用于地震监测研究的方法之一，在很多地震区观测发现典型的异常现象，即中强地震前几个月开始出现地电阻率下降（图1），震时或震后恢复，是可以观测到的重复出现异常的少有方法。至今全国已建有80个观测台站。

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图1  汶川M_s8.0地震前邻近台站视电阻率同步下降特征

(a) CDU-成都台, 震中距35km,下降幅度5.5%; (b) JYO-江邮台, 震中距150km, 下降幅度1.1%; (c) GAZ-甘孜台, 震中距331km, 下降幅度5.3%

大地电磁法诞生于20世纪50年代初，可探测至震源以下深度。邢台地震后观测到1976年河北唐山7.8级、四川松潘7.2级地震等多个地震前电阻率的异常变化。近年诞生的CSELF方法把大地电磁法和无线电通信技术结合，用CSELF固定台网，长期连续观测大功率发射源信号和天然源信号。我国最早探测到1975年海城地震发生在地壳内高阻层和低阻层接触带附近的高阻一侧，并被众多大地电磁和地震学探测等证实。图2展示了漾濞M_S5.1地震前3个月至震前3天电阻率的异常扰动过程。

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图2  2017年3月27日云南漾濞M_S5.1地震前大理台(震中距32km)的视电阻率变化

(a) 地震前后两年74Hz两种极化方式的视电阻率和相位曲线(数据误差小于10%); (b) 截取(a)中部分时段, 放大纵向坐标比例. XY、YX分别表示电场沿南北方向和东西方向的视电阻率和相位. 震前约3个月开始脉动式逐步增大, 震前15天达最大, 然后逐步减小, 震前3天恢复到背景值, 相位(φ)发生对应变化

地磁观测也是最早用于地震电磁异常监测的方法之一。基于“压磁效应”等可观测地震短临前兆异常现象，我国学者又提出了“膨胀磁效应”、“震磁效应”等概念。基本地磁场强度或其变化部分的频谱变化的观测，发现地震前几个月甚至1年多开始出现异常。现中国大陆有上百个地磁台站，震情紧急时可部署磁通门磁力仪进行应急监测。

地电场观测是测量地面或井中两个电极之间的电位差。“土地电”法在1975年2月4日海城地震的成功预报中发挥了作用。地电场中的“自然电场”是地震监测的重点。借鉴希腊专家1981年提出的VAN法，研制了专门大地电场仪，在一个台站同时测量不同方位、不同电极距的地电场，以达到排除噪声的目的。现在地电场台站已达120个，近年在拓展深井电极测量和增加磁场分量测量的方法，以提高抗干扰和识别异常的能力。

电磁辐射是观测地震活动辐射出的电磁场异常。有的仅观测电场或仅观测磁场。由于成本较低，发展较快，已有近十种设备、200多个台站。统计表明，较强的地震，异常开始出现的时间较早，可观测异常的范围越大，如5级以上地震可达500km。为了提高监测效果，正在发展同时测量电、磁场分量和开展更宽频带的观测。卫星电磁观测 2004年6月法国等发射第一颗专门用于地震电磁异常监测的DEMETER卫星，我国于2018年2月2日发射了自己的地震电磁监测卫星CSES（张衡一号），卫星电磁观测已成为地震监测的热点。震例（图3）和统计分析发现，地震前存在电磁场、电子密度、离子密度和高能粒子沉降等十余种参量的前兆现象，集中出现在震前1周或者几小时内，具短临前兆特性。地震异常和电离层耦合关系有附加直流电场耦合、声重波传播和电磁波传播耦合等途径。我国将于2022年发射CSES-2号卫星，以提高观测的时间和空间密度。基于红外波段的电磁波对地表及大气温度的监测，可用于研究地壳应力应变、临震地球放气、电荷积累及电磁辐射等，已经观测到2008年汶川8.0级等十多个大地震引起的长波辐射增强异常。

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图3 2006年汤加M_w8.0地震前DEMETER卫星观测的电场和磁场截止频率功率谱增强现象

(a) 2006年4月25日观测; (b) 2006年4月27日观测. 上、中图分别为磁场、电场的功率谱密度(PSD), B₂示2号磁场传感器记录, E₁₂示1、2号电场传感器记录. 下图为距离轨道2000km以内±30天内的5级以上地震分布, 其中绿色方框代表发生在轨道记录之前的地震, 红色三角为轨道观测之后发生的地震, 圆圈代表轨道过境时正在发生的地震, 颜色越深代表距离轨道观测时间越近. 图下方坐标为轨道的时空位置, 其中UT为世界时, LT为地方时, 最下方的L=r/R_Ecos²(φ), 其中r为卫星高度到地心的距离, R_E为地球半径, φ为当地磁纬

岩石试验和物理模拟  我国于20世纪60~70年代开始用物理实验研究地震破裂引起的电磁异常现象，室内和野外现场爆破试验发现岩石破裂引起的电场、磁场或电磁辐射等异常现象与地震前后观测的电磁异常现象具有相似的变化特点，并发现岩石破坏引起的电阻率变化比应变的变化的敏感度高得多。马瑾院士提出的亚失稳现象可指导岩石破裂前的电阻率异常实验。岩石破裂辐射的电磁波波形多数为单个脉冲或连续的脉冲串，也有阵发性脉冲，电信号早于磁信号出现。室内条件实验研究了地壳-大气波导中的电磁波传播特征。但近10年来实验成果不多。

数值模型研究  近20年来，中国地震局系统内外很多学者开展了用数学模拟研究电磁异常机理，发表了不少有影响力的论文。动电效应机制受到广泛关注。计算表明地震主破裂前，断层表面积累了电荷，产生了附加电场，岩石破裂的裂纹宽度与电磁辐射频率、弹性参数等可能与有一定关系。

论文最后提出，需加强多参数综合立体观测（图4）和对地震前兆灵敏的交变电磁场观测，介绍了基于实践新提出的识别地震前兆异常的4步骤方法。建议在地震多发区建设天然地震试验场，建立前端观测和后期预测的一条龙研究机制，避免出现前后脱节的两张皮现象。加强产生异常的孕震环境和机理研究；发挥我国地震电磁研究领域专家与国际相关组织和专家良好的交流机制，加强国际合作研究。

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图4 地震电磁异常立体观测示意图

 

文章出版信息

中文版: 赵国泽, 张学民, 蔡军涛, 詹艳, 马钦忠, 汤吉, 杜学彬, 韩冰, 王立凤, 陈小斌, 肖骑彬, 孙翔宇, 董泽义, 王继军, 张继红, 范晔, 叶涛. 2022. 中国地震电磁研究现状和发展趋势. 中国科学: 地球科学, 52, doi: 10.1360/SSTe-2021-0271

英文版: Zhao G, Zhang X, Cai J, Zhan Y, Ma Q, Tang J, Du X, Han B, Wang L, Chen X, Xiao Q, Sun X, Dong Z, Wang J, Zhang J, Fan Y, Ye T. 2022. A review of seismo-electromagnetic research in China. SCIENCE CHINA Earth Sciences, https://doi.org/10.1007/s11430-021-9930-5