大量观测研究发现，地震孕育和发生过程中，震源区及其周围地区会表现出不同程度的电磁辐射现象，这些辐射的电磁场会提前或者同步于地震信号^[1~5]出现.提前于地震辐射出的电磁信号作为地震前兆，其频率范围从甚高频（VHF）、高频（HF）、中频（MF）、低频（LF）、甚低频（VLF）、超低频（ELF）到极低频（ULF）及直流（DC）各频段^[6~15]，它们被广泛用于地震预测研究；同步于地震破裂瞬间辐射或地震波信号到达的电磁信号都称为同震电磁信号.观测到与地震波同时到达的地震电磁同震信号通常在波形和频率上具有和地震波一致的特点^[16~18]，这种现象可解释为与地震发电机机制^[17~19]或地震波的微观动电效应^[20]相关.岩石学物理实验研究也发现，在岩石破裂过程中，也伴随着电磁辐射产生^[21~26]，辐射的电磁信号频带很宽，几乎可以包括可见光、甚高频、高频、中频、低频、甚低频、超低频，而且不同频段的电磁信号能量存在差异，在样品的不同部位观测的电磁信号主能谱也不完全一致^[22~26].电磁辐射的频率可能与岩石矿物成份有关^{[25, 26]}.电磁辐射信号中较长周期变化（低频）最先出现，然后是中等周期变化，最后是短周期变化（高频）^[23]，这一结果与电磁前兆观测的频率随地震临近而逐渐升高的震例^{[27, 28]}一致，并作为与地震关联的短临前兆电磁前兆的依据，指导着人们对地震电磁前兆异常现象的解释.关于地震激发引起的电磁波传播特性及其选择性问题也从物理模拟^[29~31]和数值模拟^[32~34]开展了研究.基于震电控制方程组来研究层状饱和孔隙介质中地震波和电磁波的耦合及其传播特性的数值模拟^[32~34]研究发现，在地震破裂瞬间和地震波到达观测点时，产生电磁辐射现象，并且与地震波同步的电磁信号幅度远大于地震波激发瞬间的幅度^[34].

电磁场同震信号是研究地震传播机制和地震能量转换以及信号接收区近地表介质特性的有效信号，对其观测和研究引起了地震科学家的极大兴趣.但是，由于观测仪器频率范围的限制，过去很难观测到地震的同震电磁信号.

20 08年5月12日汶川M_s=8.0级特大地震发生后，先后2个时段在甘肃陇南市武都区汉王地震台附近的白龙江断裂两侧布设两个电磁观测点进行了同步连续观测，观测到多达35次M_s4.0以上的地震事件（图 1中的地震）.监测汶川地震余震电磁信号的目的主要为：记录天然电磁场变化，捕捉发生余震过程中可能产生的电磁异常和与地震相关的电磁现象，比较断层两侧的电磁异常差异.同时，收集了布设在武都汉王地震台强地震记录，在电磁观测的两个时段内，强震仪共记录到15次地震事件.

图 1

Fig. 1

图 1 武都电磁观测点位置示意图以及地震震中图 BF:白龙江断裂，NCBF:成县盆地北缘断裂，SCBF:成县盆地南缘断裂，WF:文县断裂，MF:岷江断裂，PQF:平武一青川断裂，YBF:映秀一北川断裂，WMF:汶川一茂汶断裂，GAF:灌县一安县断裂，XCDF:新津一成都一德阳断裂. Fig. 1 Scheme of electromagnetic observation sites and epicenter distribution BF: Bailongjiang Fault, NCBF: Northern Chengxian Basin Fault, SCBF: Southern Chengxian Basin Fault, WF: Wenxian Fault, MF: Minjiang Fault, PQF:Pingwu-Qingchuan Fault, YBF:Yingxiu-Beichuan Fault, WMF: Wenchuan-Maowen Fault, GAF:Guanxian-Anxian Fault, XCDF:Xinjin-Chengdu-Deyang Fault.

在观测的这些地震事件中，最为直观和最明显的现象是记录到多次与地震波同步观测到的地震电磁同震信号，本文将结合强地震仪记录信号，展示和分析部分较为典型的余震事件的同震电磁信号.

20 08年5月12日14时28分汶川M_s=8.0级特大地震后，一系列的余震发生位置变化和发震断层的破裂传播过程表现出从西南的主震区向东北的川、甘、陕三省交界位置北移.鉴于余震的迁移趋势，中国地震局地质研究所固体地球物理研究室野外电磁观测组，采用2套加拿大凤凰公司生产的V 5-20 00型大地电磁测深仪器在甘肃武都汉王地震台及其附近地区进行余震序列的电磁异常监测.在监测区布设两个电磁观测点进行了2期连续观测，观测时间分别为22天和27天，观测到3 5次M_s4.0级以上的地震事件.为了使每次观测的数据具有可对比性，每次观测的仪器布置方式和地点基本保持一致.

野外观测采用加拿大凤凰公司生产的5分量MT仪器V5-2000型MT仪器.磁场传感器为MTC-50大地电磁专用磁探头，电场传感器为Pb-Pbcl2不极化电极，测点按照正南北（X）和正东西（Y）方向布置，电极距均为5 0m.大地电磁测深观测南北、东西方向的电场（E _x、E _y）和南北、东西、垂直方向的磁场（H_x、H_y和H_z）.为保证观测资料质量，获得余震过程中的高置信度电磁场和地下结构信息，选择了远离公路和村庄的农田布设2台观测仪器，分别布置在武都区汉王镇罗寨村（HW）测点（105°1′17.3″，33°20′34.6″）和绸子坝村（CB）测点（105°2′40.7″，33°20′27.7″），两个观测点相距约2.5km，它们分别位于武都白龙江断层北侧和断层南测（图 1）.

汶川地震余震序列电磁现象的观测自2008年5月25日开始到2008年8月20日结束，进行了2个时段的野外观测（表 1），第一个时段从2008年5月25日~6月11日，第二个时段为2008年7月25日~8月20日.每个时段的观测，仪器安装地点和传感器的位置基本保持在原定的地点不变，保证了每次观测的可对比性，仪器的观测参数设置保持一致.每天除上午8:00左右约30min传输数据和更换电瓶外，保持采用24Hz的数据采样率进行连续记录.在2个时段的电磁观测过程中，距离武都观测区约200km范围内发生了35次M_s4.0级以上余震，其中记录到了汶川地震后发生于5月25日16:21青川的M_s6.4级最大余震、发生在8月1和8月5日的2次M_s6.1级强余震、4次M_s5.0~5.9级和28次M_s4.0~4.9级地震（见表 1、表 2）.但是，强震仪在此监测期间，只记录到1 5次地震事件.

表 1(Table 1)

表 1 汶川地震余震序列电磁连续监测时间表 Table 1 The measurement schedule of electromagnetic monitoring for aftershocks Wenchuan earthquake

表 1 汶川地震余震序列电磁连续监测时间表 Table 1 The measurement schedule of electromagnetic monitoring for aftershocks Wenchuan earthquake

表 2(Table 2)

表 2 距离观测点距离 < 200 km的4.0级以上余震 Table 2 The aftershocks with magnitude more than Ms 4.0 within distance 200 km during EM monitoring

表 2 距离观测点距离 < 200 km的4.0级以上余震 Table 2 The aftershocks with magnitude more than Ms 4.0 within distance 200 km during EM monitoring

表 2中列出了观测期间发生的震级大于M_s4.0的3 5次余震参数，电磁观测仪器记录到这些余震对应的电磁场信息.我们对这些地震的电磁响应进行了时间序列分析，重点分析了1 5次有强震台记录事件（表 2中序号带*号）对应的电磁仪器记录的电场和磁场信号.

野外观测发现，地震发生时，电磁仪器记录的电磁场信号与地震仪记录的地震波形十分类似.为比较记录的电磁场信号和地震波波形信息，我们利用设置在武都汉王强震台记录的地震波数据进行比较，地震仪采用GP S授时，采样率为2 0 0 Hz，分别观测南北（D_x）、东西（D_y）和垂直（D_z）方向的震动位移.大地电磁测点HW和CB相距约2.5km，HW距地震检波器约3km，C B距地震检波器约5.5km.地震仪和大地电磁测深仪均采用高精度GP S授时服务，因此，能非常方便地对这两种仪器记录的时间序列进行同步分析.两个大地电磁观测点CB和HW均观测到表 2中所列全部余震的同震电磁场信息，但是部分余震的电场同震信号迭加了长周期大地电磁天然场信号，显示不是十分明显.本文重点分析和对比不同震级余震前后7 5s记录的电磁场信号和武都汉王强震台记录的地震波形信号.

本文选择了3个不同震级的典型地震事件进行分析.图 2为2008年5月25日16:21:49.3发生在四川青川县M_s6.4级最大余震时记录的地震位移信号（D_x、D_y和D_z）和在HW测点记录的电磁场（E _x、E _y、H_x、H_y和H_z）信号，HW测点距离震源约1 1 6.2km.图中明显显示所有2个方向的电场和3个方向的磁场记录信号和地震仪记录的3个方向的震动位移具有非常好的信号对应，地震波到达电磁观测仪器时，电磁仪器记录到非常清晰的同震响应，地震仪记录的地震波（P波和S波）初动信号与大地电磁测深仪记录的电场和磁场信号有非常一致的对应性，并且这种信号存在于所有的电场和磁场记录道，它们与地震波到达同步，而地震发生时刻的电磁信号相比地震波到来时产生的电磁信号在记录数据中似乎无法显示或不存在.遗憾的是，这次地震发生时，CB测点的仪器正在布设过程中，因而未能记录到这次地震的同震信号.

图 2

Fig. 2

图 2 青川Ms6. 4级地震的地震仪和电磁仪记录信号（2008-05-25 16 : 21 : 47) EQ:表示地震发生时刻，P:为P波到时、S为S波到时，黑箭头表示数据显示的起始时刻.下同. Fig. 2 Seismic wave and EM signal for Qingchuan Ms 6.4 earthquake EQ:indicates time of EQ, P: indicates time of P wave arriving, S: indicates time of S wave arriving, Arrow: indicates time of data start showing.

图 3~4为2 0 0 8年5月2 9日1 2:4 8:4 9.3发生在四川省青川县M_s4.6级和2008年5月27日16:37:51.3发生在陕西宁强县M_s5.7级地震时记录的震动位移信号和在C B测点、HW测点记录的电磁场信号，它们分别距离HW测点震源约9 4.4km和8 1km.图中明显显示，在HW和CB两个电磁观测点记录的1 0道电磁场信号中非常清晰地显示同震电磁响应，同震电磁信号存在于所有的电场和磁场记录道，它们与地震仪记录的地震波几乎同时到达观测点，与地震波初动信号具有十分一致的电场和磁场信号相对应，其信号特点与青川M_s6.4地震相似.

图 3

Fig. 3

图 3 地震仪和电磁仪记录的青川Ms4.6级地震信号（2008-05-29 12 : 48 : 49) 图注说明同图 2. Fig. 3 Seismic wave and EM signal for Qingchuan Ms 4.6 EQ The notes are the same as Fig. 2

图 4

Fig. 4

图 4 地震仪和电磁仪记录的宁强Ms5.7级地震信号（2008-05-27 16 : 37 :47) 图注说明同图 2. Fig. 4 Seismic wave and EM signal for NingQiang Ms5.7 EQ The notes are the same as Fig. 2

在记录的地震电磁同震信号中，对于青川M_s6.4级地震（图 2），地震S波最大的震动位移在D_x、D_y和D_z方向上分别约为0.1 3、0.1和0.2m，南北和东西两个水平方向的震动位移的比为1.3.在HW电磁观测点记录的相应S波最大振幅的电场南北和东西分量的信号峰峰值幅度分别达到1 0.0，8.0mV/km，而磁场峰峰值幅度H_x、H_y和H_z为别为1.6，0.8和2.0nT，两个水平电场和磁场幅度比分别为1.2 5和2.显然，地面震动幅度大的方向，电场和磁场信号的幅度也大，但与地震震动位移方向对应的电、磁场比值与震动位移比值有一定的差别.

对于5月2 9日发生的青川M_s4.6级地震（图 3），地震S波最大的震动位移在D_x、D_y和D_z方向上分别约为0.0 3，0.0 2和0.0 3m，在CB测点的电场南北和东西分量的信号峰峰值幅度分别达到4.0mV/km和2.0 mV/km，而磁场峰峰值幅度H_x、H_y和H_z为别为1.5，0.1 5和1.5nT左右.HW测点的电场南北和东西分量的信号峰峰值幅度分别达到1.3mV/km和1.5mV/km，而磁场峰峰值幅度H_x、H_y和H_z为别为0.3，0.1 5和1.5n T左右.CB和HW两个台站间同一观测分量之间的最大峰峰值之间的比，E _x、E _y、H_x、H_y和H_z分别约为3.1，1.3，5，1和1.不同方向的震动位移比值与相对应的电、磁场信号幅度比值不一致.宁强M_s5.7级地震（图 4），地震S波最大的震动位移在D_x、D_y和D_z方向上分别约为0.1，0.0 5和0.0 8m，CB测点的电场南北和东西分量的信号峰峰值幅度分别达到9.0mV/km和4.5mV/km，而磁场峰峰值幅度H_x、H_y和H_z为别为2.0，0.1 5和1.6n T左右.HW测点的电场南北和东西分量的信号峰峰值幅度分别达到6.0mV/km和3.0mV/k m，而磁场峰峰值幅度H_x、H_y和H_z为别为0.8，0.4和0.4nT左右.CB和HW两个台站间同一观测分量之间的最大峰峰值之间的比，E _x、E _y、H_x、H_y和H_z分别为1.5，1.5，2.5，0.4和4.不同方向的震动位移比值与相对应的电场以及HW测点的磁场幅度比值一致，但与CB测点的磁场信号幅度比值不一致.

从这3个地震的地面震动位移和电磁场之间的对比不难发现，不同方向的地震同震电磁信号大小和地面震动位移之间有非常密切的联系.但是，如果同震电磁信号大小只是和地面震动位移之间有关的话，那么，在CB和HW两个电磁观测站上记录到的青川4.6级和宁强6.4级地震的同震电磁场信号大小的比值应该是接近的.但由于CB和HW两个测点分别位于武都白龙江断层北侧和南测，这两个测点的浅层电阻率有较大的差别，此外，这两点的地面震动情况也可能不一致，还有这两次地震震级的差别，导致地面振动频率存在差别等.所有这些影响，使得CB和HW两个电磁观测站上记录的地震的同震电磁场信号大小有所差别.

对于同震电磁信号机理的探讨做过很多研究^{[4~5, 17~20, 35~38]}.基于前面的分析，我们的记录中显示出，同震信号存在于两个测点的所有电场和磁场记录，它们与地震波到达同步.这些记录的结果与早期所观测的结果^{[4, 19, 38]}一致.很明显，这样的同震电磁信号不是由地震震源区产生，而是由于地震波到达观测点时的一种局部电磁效应.一种解释认为：这种同震信号的磁场有一部分记录着传感器随地球表面的运动（与附近的地震仪具有相同的运动）^[37]，还有一部分是由于地表的局部运动引起的电磁场变化，即地震波经过近地表饱和或部分饱水引起的电荷运移而产生的震电分量^[20].而Honkura等^[18]提出了另一种解释：地震发电机机制，他认为，地球本身存在一个很大的基本磁场，由电极和大地回路以及磁感应线圈组成的观测系统在地球基本磁场环境中，随地震波晃动而产生了与地震波频率和震动强弱相应的同震电磁信号.

由Maxwell方程和欧姆定理，有

(1)

其中，E为变化的电场，E _i为感应电场，B为感应磁场，v为地面运动速度，B₀是地球的基本磁场，μ为磁导率，σ为电导率.

很显然，这里的电场包含两部分，一是感应场E_i，另一部分是由于地震波引起地面震动而产生的同震电场v×B.在观测点的地面运动速度可以表示为震动位移和相应振动信号频率的乘积，即同震电场可以表示为：

(2)

其中，E_s为同震电场，v为地面运动速度，B ₀是地球的基本磁场，f为震动频率.

因此，根据（2）式，同震电场信号大小和地面震动位移关系密切.由此，可以由地震仪记录的地面振动位移和观测点的地磁基本场，推算出其同震电场的大小.如，根据中国地磁图 2 0 0 5.0的数据^[39]，武都地区的基本磁场总场、磁偏角和磁倾角分别约为：51800nT，-2.05°和49.75°，计算出H_x、H_y和H_z分别为33445.7nT，-1195.2nT和39535nT.取4Hz频率的信号，推算出宁强地震在武都地震台产生的电场E_x和E_y分别约为8.1mV/km和5.1mV/km，这一数值与电磁仪器记录的数值相当，而且这一数值要远远大于感应场的值.

很显然，电磁仪器记录到的与地震波形态十分一致的同震电磁波信号是观测点的地表震动所引起，因此，可以称这种同震电磁波的形成机制为“地震波驱动同震电磁效应”，它是由地震波到达时的地面运动使得观测仪器系统在地磁基本场中随地震波的频率运动所产生.

以上我们只讨论了地面运动和地震同震电磁信号的关系，但是，在我们记录的电磁场信号中，同震电磁信号大小不只是和地面震动位移之间有关，而且与观测点的大地电导率有直接的关系.此外，至于地震波到来时地震破裂瞬间激发的电磁波辐射信号，以及从记录到的3 5次地震的同震电磁资料中的震动或传播路径等有关的规律等问题将在以后的工作中进一步研究，另文专门予以讨论.虽然，地震发震时刻产生的电磁波信号对于地震预警具有十分重要的意义，但是，从观测资料来看，这种信号十分微弱，要识别与提取这种信号还需要进行有效的资料处理方法和分析手段.本文使用的数据为电磁仪器2 4 H z的数据采样率记录的数据，对破裂时产生的电磁辐射信号能否有反映等问题，尚需进一步研究，并需要进行相应的模拟实验观测.

从我们的观测数据和对其进行的分析可以得到以下的结论：

（1）地震同震电磁信号与地震波波形及频率具有很好的对应性，这种同震电磁波的幅度远大于由于地球感应产生的电磁信号.

（2）同一地震产生的同震电磁信号，因观测场地不同，信号大小也有差异，它与记录仪器布设场地的结构有关.

（3）与地震波一致的电磁同震信号的产生是由于地面震动，震动的速度场在这里起着一个电磁源的作用，可以称这种机理为“地震波驱动同震电磁效应”.

中国科学院地质与地球物理研究所白登海研究员提供了本次观测的电磁仪器；在野外监测中甘肃省地震局武都中心地震台人员和当地村民给予我们大力帮助；甘肃省地震局周明都研究员提供了武都汉王强震台的数据；北京市地震局郭士军帮助解编地震记录数据等；本文的评阅人给予非常好的修改建议.在此一并表示由衷感谢！