2016, Vol. 31
地震预测有诸多方法,由于观测量的不同,形成了几种预测方法,例如地应力法、钻孔应变观测法、GPS法、固体潮法、电离层法等(赵永红等, 2014,2015),电磁法是其中的一种.地震的孕育和发生过程中岩石破裂会产生电磁辐射(朱元清等,1991),因此监测电磁信号异常成为一种地震短临预测方法.日本、苏联、美国及中国等地震多发国家都开展了理论和实验上的相关研究.一些观测结果表明在地震发生前几个小时至几天或几个月能探测到电离层扰动,但是地震电离层的扰动能否作为一种地震预测方法,还有许多需要深入研究的问题.前人进行了一系列实验研究岩石的电磁性质变化与地震产生之间的关系,观测到在受压条件下岩石的电磁特性改变,比如岩石电阻率的变化.地震预测需要得到地震三要素与电磁异常的关系,因此需要探明电磁异常的产生机制.一些学者在岩石受载破裂实验针对岩石电磁异常变化规律进行过重点研究：Brace(Brace 1965,1975；Brace and Orange, 1968),金耀等(1983) ,修济刚和陈大元(1987) ,周华东(2010) 通过进行岩石电磁实验研究给出在加载条件下电阻率受水饱和影响产生的变化规律；张天中等(1985) ,赵玉林等(1990) ,陆阳泉等(1998) ,姜文龙和刘英(2009) ,郝锦绮等(2002) 均得到类似的电阻率与应力关系的结论；李德春等(1999) 研究了几种不同岩性的样品电阻率在受载条件下的变化规律；徐为民等(1985) ,孙正江等(1986) ,钱书清等(1986,1996,2003),王恩元等(2002) 通过岩石破裂实验得到岩石电磁辐射与受载条件、岩石强度有关的结论.众多的岩石电磁实验确实可以得到岩石加载破裂过程中会伴随电磁异常信号的产生,并且有些给出的结论可以在某些方面定性解释岩石受载时的电磁性变化,但目前人们并不能对岩石受压破裂产生的电磁异常现象给予统一的定量解释.另外,总结已有的几种电磁预测方法例如地磁低点位移法、电磁辐射法、地磁多学科综合应用等方法的预测效能发现,这些方法在多数情况下只能给定一两个要素的预测,可以进行三要素预测的方法给出得预测范围较大,精度不高,不能达到我们理想的预测期望,也就是说应用电磁方法进行地震预测仍存在较大的不确定性,目前还不能高精度准确预测.
1 与电磁法地震预测有关的岩石电磁实验 1.1 岩石电性实验岩石电阻率实验一般采用二极法或四极法测量岩石电阻率,实验结果所测得的电阻率基本变化特征有随应力变化、随应变变化两大类,有人认为岩石主破裂前电阻率变化是由于不同应力状态对应不同导电机制造成的(郝锦绮等,2002).
张天中等(1985) 发现破裂前三种淡水岩样电阻率随应力变化的形态基本一致(如图 1),在应力达到破裂应力一半稍早时间,电阻率变化缓慢.应力继续增加时,电阻率下降,且越靠近破裂应力降幅越大.
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图 1 岩样应力与电阻率关系(张天中等,1985) (a)淡水饱和岩样；(b)盐水饱和岩样. Figure 1 Rock stress and resistivity relationship (Zhang et al,1985) Deferential stress versus resistivity for rock samples saturated with:(a)Tap water;(b)Salt water. |
在陆阳泉所做的大样本岩石破裂实验(如图 2,其中1-2、2-2、2-3测线用虚线表示代表垂直应力方向安置,1-3、2-3、3-3测线用实线表示代表与应力方向斜交45°安置)中,与加载过程相关联的视电阻率变化的基本形态表现为：达到破坏应力80%之前平稳下降,接近破坏条件(高应力状态)下剧烈变化(陆阳泉等,1998).在研究灰岩受载的电阻率变化时发现电阻率异常随时间变化与岩石大破裂之前的“临震突变”都与受载岩石样品内部的应力-应变积累过程密切相关；在天然条件下同时测量受力时应变变化和电阻率变化,发现受力时岩石电阻率随应力呈指数关系变化(赵玉林等,1990),即应变对受力时岩石电阻率的变化起控制作用.选择电阻率对应变放大系数不低于103的台址,强震前可在震中附近检测到5%的电阻率变化.李德春和舒继森(1999) 等测量了多种岩样在加载中的电阻率变化,陆海龙和贾迎梅(2009) 通过单轴压缩煤样研究煤样电阻率变化.上述实验结果表明大地震前所观测到的地电阻率前兆异常有可能与地震有关.
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图 2 电阻率变化率与应变关系(据陆阳泉等,1998) Figure 2 Resistivity change rate and strain relationship (according to Lu et al., 1998) |
接下来人们研究了岩石电阻率的变化规律.一些学者给出了岩石受载时电阻率变化机制的分析,郝锦绮等(2002) 认为岩石主破裂前电阻率变化是由于不同应力状态对应不同导电机制造成的,修济刚和陈大元(1987) 认为岩石被压缩时,孔隙度减小会使电阻率升高,含水多且岩样不饱和时电阻率升高,含水多且岩样饱和则由于水的导电性使得电阻率降低.金耀等(1983) ,Brace(Brace, 1965,1975；Brace and Orange, 1968),周华东(2010) 也给出相同的作用机制.王俊璇(2012) 从裂隙的角度进行分析认为岩石电阻率受裂隙的扩展与闭合的影响.张宁生等(2001) 在研究受压岩石中电阻率的变化规律后给出相同结论,吕广廷等(1984) 认为水饱和是导致电阻率变化的原因.该结论验证了前面提到的张天中等人所得到的实验结果.
岩石电阻率的变化受水填充,空气,裂隙状态等多种因素影响,因此电阻率变化与宏观可测的因素之间的关系如下：
(1) 与变形阶段有关(辉长岩)：完全饱和前的非弹性压缩阶段,电阻率随压应力增高而降低,该结果与藤井和滨野的结果是一致的；在完全饱和的弹性压缩阶段,电阻率升高,此结果与Brace等的一致(金耀等,1983)；
(2) 与应力和岩性(图 3)有关：低应力阶段,岩石电阻率与压力呈正相关.高应力阶段则要考虑不同岩性及饱和度的关系,例如饱和石英砂岩电阻率增大,石灰岩和半饱和石英砂岩的电阻率急剧变小(姜文龙和刘英,2009).
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图 3 不同岩样电阻率与应力关系 (*1：姜文龙和刘英,2009； *2：李德春和舒继森,1999) Figure 3 Resistivity and stress relations for different rocks (*1: Jiang and Liu, 2009; *2: Li and Shu, 1999) |
(3) 与岩性有关：砂质泥岩随压力增加电阻率逐渐减小,高饱和度石英砂岩电阻率随压力增大而逐渐增加,石灰岩加压初期电阻率上升而后迅速下降,某煤样电阻率先下降后在破坏前有所反弹,所以不同的岩石性质电阻率也存在不同的变化规律(李德春和舒继森,1999).
(4) 与饱和度有关(花岗岩)：饱和岩石随压力增大先上升、后下降；不饱和岩石则是先下降、后上升.岩石在某一饱和度附近,视电阻率随压力增大无显著变化,而且不同的岩石这个饱和度可能不同,见图 4(修济刚和陈大元,1987.实心/实线符号代表与压力轴垂直方向测得电阻率,空心/虚线表示与压力轴平行方向的电阻率,数值代表岩样水饱和度,岩样为四川白虎涧花岗岩).
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图 4 不同饱和度岩样电阻率与应力关系(据修济刚和陈大元,1987) Figure 4 Relations of resistivity and stress with different saturation of rock(from Xiu and Chen, 1987) |
徐为民等(1985) 发现岩样主破裂伴随电磁辐射出现,在低于一半应力水平时,电磁脉冲频度与应力水平成正比.其所做实验结果指出每种样品(图 5)电磁脉冲与声发射图像变化类似,同时三种岩样变化状态又不相同,我们知道声发射是岩石破裂的结果(郭自强等,1999),因此电磁脉冲频度与应力水平和介质特征有关(图 5中电磁脉冲簇数为10 s内的总数,实线表示不同岩样电磁脉冲簇,虚线表示声发射,不同符号代表不同岩石样品).
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图 5 电磁脉冲、声发射和应变三者的关系(据徐为民等,1985) Figure 5 The relationship between electromagnetic pulse, acoustic emission and strain(from Xu et al., 1985) |
一些研究发现岩样发光强度和电磁辐射与标本破裂前的最大载荷吨数成正比,与干湿无关,电磁信号的频谱与声发射的频谱对应得较好(孙正江等,1986)；电磁辐射信号的强弱与岩样的抗压强度和加载速率有关(钱书清等,1996),岩石抗压强度和破裂加速度相对较大的岩样,电磁发射更强烈；钱书清等(1986) 在实验中给出零时后(76 ms)、持续时间约6 ms主能谱208.5 Hz的信号是地表岩石破裂产生的；多数的电磁辐射信号对应声发射信号,且多为声发射先结束(曹惠馨等,1994)；砂岩和泥岩等产生的电磁辐射随着载荷的增加而增加,岩石电磁辐射强度也跟岩石强度有关,并且强度越大辐射越强(王恩元等,2002)；
对比同一类型的岩石电磁脉冲信号测量结果得到破裂应力高,产生的电磁脉冲多,第一次出现的电磁脉冲是由于主破裂前微裂隙造成的(钱书清等,2003).
从实验中可以得出结论,接近破裂应力岩石电阻率会出现剧烈变化(88%为下降趋势,少数存在上升趋势)因此注意观察记录台站附近的地电阻率信息,在有异常的加速变化出现的情况下应注意检测并进行进一步分析从而做出对可能发生的地震时间的判断.关于岩石受压时电磁辐射的产生机制(刘煜洲等,1997)有过讨论与研究但并未得到准确结论.Stacey(1963,1964)计算得到在岩石磁化强度0.001 emu,应力灵敏度0.0001/巴,最大应力降100巴时压磁效应估计值为4 nT；郝锦绮(1985) 对唐山地震进行理论模式计算得到压磁异常值约3~4 nT.因此在一定条件下地磁变化异常是可以被观测到的.
1.3 岩石高温高压实验研究由于孕震环境都比较深,深部的高温高压环境对岩石电磁性质也会有显著的影响,因此前人在岩石高温高压实验方面也做了许多研究.我们都知道电导率与温度、压力、流体等多种因素有关,一般可以用Arrhenius公式来表示：
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σ是电导率(s/m),σ0是指前因子(s/m),Ea是活化能(J),P是压力(MPa),ΔV是活化体积(cm3/mol),R是气体常数,T是绝对温度(K).温度对电导率的影响明显,电导率与温度成正比关系.不同压力段对电导率的影响不同,压力较低(≤1 GPa),对电导率影响明显,电导率与压力成反比关系.压力很高(>几GPa),压力对电导率的影响反而不明显.
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图 6 温度、压力对电导率的影响(据Schilling等,1997；Pommier等,2008) Figure 6 Influence of temperature,pressure on electrical conductivity(from Schilling et al., 1997；Pommier et al., 2008) |
龚超颖等(2011) 在测量二辉橄榄岩在高温高压下岩石电导率的变化实验中发现岩样电导率随着温度升高而增大,压力对电导率则没有明显的影响.
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图 7 0.5~2.0 GPa和823~1173 K条件下玄武岩样品的 lgσ与1/T的关系图(据蒋建军等,2013) Figure 7 lgσ vs. reciprocal temperature of basalt sample under the conditions of 823~1173 K and 0.5~2.0 GPa (from Jiang Jianjun et al., 2013) |
如图 7 所示蒋建军等人(2013) 在高温高压下天然峨眉山玄武岩的阻抗谱实验研究中也得到了相同的结论,即岩石电导率与温度符合Arrhenius公式,而电导率随压力升高而降低,且受压力影响不如温度明显.
不同学者针对不同岩样进行了许多高温高压方面的实验,由实验结果发现温度与压力对岩石的电磁性质会有一定影响,尤其以温度影响较为显著.因此研究岩石电磁性质并应用于地震预测方法时还要考虑温度、压力、氧逸度等的影响.同时,岩石高温高压实验也为地震预测的理论提供了辅助,然而由于现在仪器与技术的未完善,高温高压下进行电磁性质测量并不容易,因此需要进一步发展岩石高温高压实验的研究,以求为地震预测提供定量的岩石高温高压电磁性质变化的理论基础.
2 野外观测及电磁预测法实际应用 2.1 国内几种应用于地震预测的电磁方法(1) 地磁低点位移法(丁鉴海等, 1988,2006,2009)与三要素关系：地震发生范围在突变分界线附近时,发震时间的计算公式为
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(1) |
该方法使用多台站资料,对地点预测范围较大,对震级预测有限制.例如：2008年2月16日中国大陆观测到异常,异常后34和43天在分界线附近分别发生于田7.3级地震和肃南5.0级地震.
(2) 地磁学科综合方法
地磁学科运用地磁短周期转换函数、空间相关分析、加权差分、按距离加权、最小二乘曲面拟合、快谱幅比和统计参量等方法处理全国磁照图.首先应用按距离加权、最小二乘曲面拟合、快谱幅比和统计参量等方法对原始资料做预处理,然后求出背景场值,判断异常,使用转换函数法或空间相关法、加权差分法(局部区域)预测发震地区 .
预报效能：使用转换函数法为主,从1989年10月底,开始正式向国家地震局提出1990-1995年度的预报意见.34次给出的预报中仅有10次预报意见能够满足三要素但是不能准确对应.1995年年中至1996年3月仅有5次MS在5.4到7.0级的地震与预报意见勉强对应.
(3) 电磁辐射法
震前的电磁异常变化在平静后的几十小时多有地震发生.异常越早出现并且持续时间越长,震级往往越大(卢永等,2004),张德齐(1992) 给出了logt(天)与MS(面波震级)的关系式：.关华平和刘桂萍(1995) 也给出震级计算公式：MS=0.63×Δ+1.7,式中,Δ代表震中距,单位为102 km.利用来波方位扫描并进行多点交汇确定辐射源位置来预测比较确切的震中位置.
预报效能：对于300 km内的5级以上地震,在震前均有明显电磁辐射异常出现；200 km 内的4、5级及以上地震,在震前的短临阶段大部分也出现电磁辐射异常现象.可见该方法预测时对震源发生的距离以及震级方面有限制.
(4) 地电场观测法
地电场包括大地电场和自然电场.自然电场的变化包含与地震有关的信息,因此自然电场观测法自然也成为地震预报的一种方法.通过计算地电场的长、短极距测值的比值来评估震前异常.然而该方法受降雨、雷电、漏电和电极极化电位等的影响.
田山等人(2009) 处理了首都圈地区3个台站的资料发现ML4左右的地震前地电场异常不明显.文安5.1 级地震前12个台站也不是全都出现异常,并且出现异常的台站也不能得到统一的异常规律.因此该方法可行性不高.
(5) 地电阻率法
地电阻率法主要观测浅层视电阻率随时间的变化(金安忠,1981).震级7级以上,电阻率值相对变化幅度>2%,异常出现时间为一年或数年；有些异常幅度1-2%,时间为数月；有少部分突变的异常会在震前几天至十几天出现,但是评估这些异常可以发现它们的量级接近观测误差,显示并不突出.
温度、湿度和含水饱和度等以及各种人为作用都将会引起电阻率变化,没有地震发生时,地电阻率的变化情况也是极为复杂的.不同地理环境、不同地质背景、不同仪器等都会造成测量的电阻率具有明显的差异.
该方法异常不明显,资料提取困难,还有待进一步研究和完善.
(6) 定点大地电磁测深法
大地电磁测深法以天然电磁场作为场源,观测3个磁场分量和2个电场分量(Ex,Ey,Hx,Hy,Hz),通过观测得到的不同频率的电磁场,反演地下电性信息(田山等,2009).
田山等人对静海台2008年1-6月的大地电磁观测数据处理得不同周期的视电阻率和阻抗相位曲线,研究其随时间的变化过程并绘制时序曲线.以2008年3月11日卢龙ML 4.2地震为例,震前一周左右出现垂向视电阻率和阻抗相位的短期异常,EW向视电阻率出现突跳,幅度高于正常值的2~3个数量级,类似于地表对称四极的地电台站所观测到的临震异常(桂燮泰等,1982).震前1个月左右阻抗相位的时序曲线有大角度的双向扰动,可能与震前的应力集中有关.
许多学者研究认为地壳深部的震源区在震前会有明显的电性异常(国家地震局地质研究所大地电磁测深组,1981).但是并未得到采用大地电磁测深法观测的震前异常与地震之间的定量关系,测量结果受仪器精度、有效信号强弱影响、背景干扰等影响,现阶段还不能准确进行地震预测.
2.2 国外电磁法地震预测的研究现状俄罗斯的Sobolev(1975) 提出Kam-chatka震前存在地电流异常变化；希腊的三位物理学家(Varotsos,Alexo-poulos and Nomicos: VAN)经过试验观测和研究认为可以通过处理连续地电场的观测资料进行地震预测.2000年初在日本伊豆(Izu)和房总(Boso)半岛的两个地磁台阵资料处理的结果发现了一些电磁信号的同震异常(Uyeda et al., 2002).
Gokhberg等(1982) 使用RCA型CR-11A VLF-LF通信接收机为主要检测器,和一个屋顶上的50转3×3 m的南北向环形天线作为传感器进行观测.在发生于1980年3月31日16：33(日本标准时间)的地震前30 min左右测量到电磁辐射水平增加,振幅超过正常水平15 dB以上(正常水平大约8 μV),而在发震时刻降到震前水平.
1993年8月8号关岛地震使用三轴环芯式磁通门磁力测量三场分量(H(NS),D(EW),Z(垂直)),发现震前存在磁场异常并且垂直分量异常效果更明显(Hayakawa et al., 1996).
Molchanov和Hayakawa(1998) 通过统计分析11次1978-1995年的地震数据发现深震都未出现VLF扰动现象,因此认为该现象与地壳内地震有关,深源地震不存在.
2004年6月法国发射了世界上首颗地震电磁探测微型卫星(DEME2TER),标志着除了常规地表电磁观测,卫星技术也逐渐应用到电磁观测上来.
Pulinets和Legen'ka(2003) 对强震前电离层F区电子密度大尺度扰动的时空特征进行观察,发现主震时刻电离层扰动区域也并不在震中正上方.Varotsos等(2005) 通过观察100多个天线测量的数据得到结论认为在地震前有典型的电信号活动.Hayakawa等人(2010) 通过对2001-2007这期间七年左右的地震数据进行统计分析发现VLF/LF的夜间振幅在地震前既有减少也有增加,夜间波动增大.Hayakawa等(2015) 使用了三个台站对2011年3月11号日本东北地震的测量数据,第一次尝试利用时间来分析ULF的临界值,并且研究了ULF的不同参量,包括Fh(水平地磁场)、Fz(垂直地磁场)、Dh(水平地磁场低点),在震前几天到一周达到Fh 、Dh的临界值,该临界值似乎与地磁活动性无关,即该临界值有可能与地震活动有一定相关性.
3 电磁法地震预测分析与评价(1) 物理机制不明确
可用于解释震前电磁异常作用机制的有热电效应(申俊峰等, 2009,2010)、裂纹尖端运动电荷产生机制、压电效应、天然半导体效应,还有其他一些例如晶体破裂效应、热磁效应、感应磁效应、膨胀磁效应(电动磁效应).
另外关于电磁辐射还有几种解释模型：
1) 扩张—扩散模型；
2) 摩擦—蒸发理论 ；
3) 地震—电离层回路模型 ；
可见众多研究学者对于震前电磁前兆的产生机理有着不同的解释与看法,并未有统一的意见或理论明确的解释.每种异常现象在地震前出现的时间、异常幅值等等并无规律,对我们判断地震三要素并没有实际可行的意义.
(2) 干扰因素大,有效信息难以提取
我们从地震机制中的其中之一感磁效应说起,祁贵仲等(1981) 通过研究得到结论认为用日变化异常如幅差、幅比等预报浅源地震的方法并不能够通过电磁感应来论证.另外除去本身观测范围的影响,还有其他诸如雷电、人为的干扰,这些都会影响信号接收,再加上接受电磁波也存在盲点跟敏感点,相应的干扰提取过程异常困难,这也是造成现今电磁法地震预测中可行性不强的一大因素.
(3) 传播过程复杂不可控
电磁波的传播速度为：ν(速度)=λ(波长)×f(频率),在真空中的传播速度为c=3.0×108 m/s,而在各种介质的传播速度可由ν=c/n(介质折射率)计算得到.由于介质的吸收作用和电磁波的几何扩散以及其他因素会导致电磁波在介质中传播时能量损耗.根据麦克斯韦方程可以得到对于沿x方向传播的角频率为ω谐变电磁波,电场的幅值随电磁波传播距离的增加而减小.公式为
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(2) |
α为电磁波的衰减常数,公式为
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(3) |
β为电磁波的相位常数,公式为
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(4) |
μ、σ、ε分别代表磁导率、电导率和介电常数.
平建军和罗兰格(1998) 给出了由地震异常持续时间计算地震异常预测的有效时间(即地震异常延续有效时间的最优估值)的公式为
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(5) |
该公式经多种数理统计方法来验证其可信度,我们假设该公式可信,接下来进行下一步的分析.据统计,大部分地震发生在异常后的2个月之中,另外从异常主信号出现到发震时间一般为15～20天,假设将这期间都看作电磁异常的持续时间,则代入公式(5) 得到地震异常预测的有效时间为31~32天,但是这个数据要小于统计得到的两个月后的地震发生规律,所以也就是说我们彼时所测得的电磁异常数据并不可用.我们目前已有的许多公式都是通过统计数据分析拟合得到的,但是严格意义下统计规律并不能作为我们的判断依据,只是还未有人就造成震前电磁异常的电磁波传播机制给予明确的解释.
4 结论和讨论 4.1临震地震预测的目标是预测出地震的三要素.电磁法的原理是电磁异常观测结果符合地震发生的物理过程,包括能量转化、力学过程、异常产生机制等,思路是通过分析处理我们可以接收到的电磁异常信息推测出可能发生的地震的三要素.
4.2电磁法的基础是室内岩石实验,观测设备在室内捕获到电磁异常的特征,从而在理论上确立该方法预测地震的可能性,丰富了地震预测的方法库.在外推到野外实地观测时,由于观测的设备设置在地表,观测的对象在地下深部,两者之间介质复杂.因而导致观测结果可能受到诸多扰动因素影响.这些扰动因素在量级上远高于岩石电磁异常传递到地表的信号量级,在这样一些背景电磁信号中准确及时提取地下岩石圈内部岩石电磁异常的特征值是个技术难点.
4.3从另一个方面,岩石实验中不同岩性的岩体,电磁异常特征规律不同,考虑到在自然界当中,地下岩石的分布我们无法确知,在一些岩体组合中,存在电磁异常现象相互影响、相互抵消、削弱的可能性.再通过复杂介质传播后到达地表的时候,难于准确反映地下岩体相互作用的实际情况,从而导致数据失真.使得观测没有针对性,难以建立一一对应的清晰关系.因此,这个方法还需要我们不断地积累、反复实验,改善和优化现有的技术手段和设备,丰富和发展现有的理论和方法,达到定性分析和定量数据的观测采集,从而能够明确其与地震三要素之间的关系.
4.4这就要求我们定性定量地了解震前电磁异常与地震三要素之间的确定性关系.根据本文对电磁法地震预测的发展过程及方法机制的详细介绍,我们发现目前的电磁预测法并未给出对应于孕震机制的统一解释,另外,也没有得到震前电磁异常与地震三要素的一一对应关系,所以,现在的电磁地震预测方法还很不成熟,难以满足人们对地震预测的要求.因此,在接下来的电磁法地震预测研究中还需要有针对性地重点研究以下几个方面：
(1) 采用实验分析、实际验证等方法弄清加载条件下岩石电磁变化规律并且得到统一的关于受载电磁异常作用机制的理论解释；
(2) 通过岩石实验、实际资料对比等方法给出震前电磁异常量级范围,定量定性得到震前电磁异常与地震三要素的一一对应关系；
(3) 在理论上应该深入研究与地震产生的有关的电磁波在地下的传播机制,定量解释其传播到地表所造成的影响.
(4) 在资料处理上应积极采用各种数据处理分析方法对采集的异常数据进行分析处理,以达到排除干扰、提取有效的震前异常的效果.
4.5接下来希望我们能通过以上研究对地震孕育有更加深入的认识,从而获得更多有用信息.
致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！| [] | Brace W F .1975. Dilatancy-related electrical resistivity changes in rocks[M]. Earthquake Prediction and Rock Mechanics. Basel AG: Birkh user Basel : 207 -217. |
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