地震電磁擾動監測系統與試驗驗證*

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。隨著我國經濟的快速發展，地震等自然災害時刻威脅著廣大人民生命財產安全，尋找和研究開發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現，地震前在地面與電離層中能監測到明顯的中、短臨電磁異常，電磁擾動監測有望成為一種有效的地震短臨預報方法［1～3］。眾多監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測可成為實現短臨地震預報的突破點，通過建設大規模電磁擾動監測系統，結合現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 地震電磁擾動產生機制

地震的孕育和發生是一個及其復雜的過程，臨震前電磁擾動現象的物理機制目前尚無定論，不同的學者提出了不同的產生機制，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、臨震和地震發生三個階段分析［10～11］。

1）在地震孕育過程中，地下應力發生變化促使孕震區地下介質電性結構發生改變，進而感應電磁場發生變化；在孕震區地下應力應變持續積累的過程中，可持續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顯示了強烈的電離層異常擾動變化；

3）隨著地震發生，能量得以釋放，地下介質達到新的平衡狀態，感應電磁場也趨于穩定。

2.2 地震電磁效應現象

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，地下介質形變時伴隨體積變化等現象，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的與地震孕育發生相關聯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域應力場構造以及與孕震立體環境有關的大尺度動態前兆，主要表現為地磁場、地電場、電磁輻射、電離層、高能粒子等與地震孕育發生有關的各種異常現象，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，甚至數百mV/km［3］。

2.3 地震電磁擾動實驗基礎

地震孕育及發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生，發現整個巖石破裂過程中有三種電磁信號產生［14～15］。

1）巖石破裂前產生的、持續時間長達十幾個小時的長周期信號；

2）臨破裂前產生的、持續幾十分鐘的中長周期信號；

3）破裂時產生的、持續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生過程中伴隨有電磁信號產生，為后續的電磁擾動研究奠定了一定的實驗基礎。

3 地震電磁擾動監測系統

3.1 地震電磁擾動監測儀

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

圖1是地震電磁擾動監測儀組成框圖，由3根磁傳感器、6個電場天線、9通道地震電磁監測記錄單元組成，地震電磁擾動監測儀可外接GPS天線和電源，監測記錄單元可存儲監測數據，并通過以太網向外傳輸數據，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 地震電磁擾動監測儀組成框圖

為了準確可靠監測地震電磁擾動特征，要求地震電磁擾動監測儀具有高靈敏特性、高穩定性，能長期可靠工作。監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境噪聲20dB以上，能夠真實監測微小的地震電磁擾動，為保證長時間工作穩定性和監測進度，監測儀具有自動標定功能。監測儀主要技術指標如下。

1）頻率范圍：0.01Hz～20Hz；

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

3）測量動態范圍：≥96dB；

4）測量通道：9個（6個電通道+3個磁通道）；

5）數據存儲：滿足數據存儲至少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進行監測的主要依據如下。

1）通過已有監測記錄，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，便于長期監測數據的記錄和存儲。

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

3.2 地震電磁擾動監測系統

單個地震電磁擾動監測儀監測范圍有限，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測儀進行組網觀測，地震電磁擾動監測系統應運而生。

圖2 地震電磁擾動監測系統組成示意圖

地震電磁擾動監測系統由多臺地震電磁擾動監測儀、網絡接入設備和信息處理服務器等組成，地震電磁擾動監測儀布置在不同地點（可布置在各地震臺站），長期穩定可靠地測量不同地點的地震電磁擾動信號。監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測儀進行有效的遠程控制、接收監測儀傳來的數據，并對該數據進行本地存儲、處理等。

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

4 試驗情況及數據分析

4.1 電磁擾動監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臺電磁擾動監測儀，用于監測崇州附近的電磁擾動現象，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據，特別是監測到2017年8月8日21時19分46秒四川省阿壩州九寨溝縣發生地震的電磁擾動異常。

據中國地震臺測定九寨溝地震震級MS7.0、震源深度20km，地震發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域，在該塊體的東邊界龍門山斷裂帶上曾發生了2008年汶川MS8.0、2013年蘆山MS7.0地震。九寨溝MS7.0地震震區位于川、甘交界高海拔地區，距崇州地震臺電磁擾動監測站267km。本文將根據崇州電磁擾動監測站觀測到的電磁擾動數據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 數據分析

本文主要分析了地震發生前后共計1小時內的電磁場時間序列，圖3為監測儀2017年8月8日21時至22時1小時內的電磁場信號，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，后者為后續余震的震前短臨電磁前兆。

圖3 地震電磁擾動監測儀21時至22時電磁信號時間序列圖

從地震電磁監測數據分析可知，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，無法從觀測數據中識別出來。電磁監測數據的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。震中據監測站距離為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測儀監測到明顯的電磁擾動異常現象，電場異常明顯優于磁場異常。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生時的電磁輻射異常，后者無法從觀測數據中識別。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分別監測到明顯的同震電磁異常，這是由于震中與監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測系統具有靈敏度高、高穩定的特點，通過崇州長期試驗證明可長期穩定可靠工作，獲得了長期有效的地震電磁擾動監測數據，驗證了地震電磁擾動監測系統對地震電磁擾動的監測能力。在后續研究工作中，要加強地震電磁擾動監測系統大區域、高密度布設應用研究，深入分析地震電磁擾動監測數據，提升地震電磁擾動監測準確性和可靠性；深入研究地震電磁輻射機制及其與地震之間的關系，更好發揮地震電磁擾動監測作用，為地震短期預報提供一種新的有效技術手段。