地震预测人工源极低频电磁新技术(CSELF)和第一个观测台网

赵国泽 王立凤 詹 艳 汤 吉 肖骑彬陈小斌 王继军 蔡军涛 汪 晓 杨 静

(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

0 引言

1999年IUGG指出，“地震发生时的电磁异常现象已被大量观测到，地震灾难性事件之前的电磁效应是确实存在的，如果能够说明它们与地壳物理过程之间的关系，就能对地震事件做出预报”(Johnston et al.，1999)。美国学者指出，“地震预警信号主要来自电磁现象”，电磁法被认为是最有可能首先取得地震预测突破性进展的方法之一(Bleier et al.，2005)。卫星和地面电磁观测表明，地震事件与电磁异常之间的相关性达到80%(Pulinets，2006)至90%(ОИФЗРАН，1997)。但以前的地面观测多数是仅观测电场或磁场的传统电法或磁法，频率范围都在1Hz以下，没有包括对地震事件敏感的超低频/极低频(SLF/ELF)频带。一些利用天然源电磁场的观测，由于受到日益严重的人文干扰，限制了其应用效果。

20世纪80年代，前苏联研发了可产生大功率人工源电磁信号的磁流体发电机的MHD方法(Velikhov et al.，1996)，并在伏龙芝地震试验场观测到地震前地壳电阻率的异常变化。但因其产生的信号仅能覆盖100km范围，且设备庞大笨重，所以没有得到推广。美、苏在冷战时期发展了人工源大功率超低频/极低频(SLF/ELF)电磁技术，主要用于对潜深水通信。冷战结束后，他们先后提出把该技术用于地震预测和资源探测等领域。

1996年，俄罗斯科学院向中国有关部门提出，希望通过中俄合作发展该技术，应用于地震预测等。在马宗晋院士亲自指导和帮助下，此后的10多年间，我们开展了卓有成效的研究，参加了国家重大工程建设，建成了中国第一个人工源大功率超低频/极低频发射台，并已经在国家有关领域发挥重要作用;开展了多次较大规模的观测试验，不仅证明在远离发射源数千km的地区能够有效地接收记录到人工源电磁波信号，而且在仅有的3次连续观测试验期间，有2次在观测台站附近约100km距离的地方发生了地震，并都记录到地震前明晰的电磁场异常现象。

通过多次观测试验和深入理论方法研究，对该项技术的物理基础、方法建设和实施过程，特别是在地震预测研究中的应用等关键技术问题，有了更深入的认识，积累了更丰富的经验。在中国地震局的支持下，于“十五”计划期间建成了由12个台站组成的、分布在不同省市自治区的观测台网，有的台站记录到2008年汶川8.0级地震前的电磁场异常数据(高曙德等，2010)。基于该项技术的有效性和前期大量研究成就，国家发改委把发展该技术和在重点地震危险区建设观测台网列入“十一五”计划“国家重大科学技术基础设施”项目，目前正在实施中。

人工源大功率超低频/极低频电磁技术吸收了大地电磁(MT)法的信号覆盖范围大、探测深度大、成本低等优点，又吸收了人工源电磁法信号强度大、信噪比高等优点。特别是当进行大面积(大陆尺度)的地震等灾害引起的电磁异常监测时，所有台站都观测同一个发射台发射的已知发射时间、发射频率、信号强度稳定的信号，不仅降低了成本，更有利于确定电磁异常出现的时间和地点(赵国泽等，2012)。

中国地震台站以前利用的传统电、磁法进行前兆电磁观测，仅观测电场或磁场信号，而本技术能够同时观测电、磁场信号，并能够同时观测空间电磁场和地下电阻率及其变化，特别有利于进行4维监测。该技术是在现有天然源大地电磁和人工源声频大地电磁技术(CSAMT)的基础上进一步发展，并具有突出优点和系统的理论基础、观测方法和数据分析技术，我们把该技术命名为人工源极低频电磁技术(CSELF，Control Source Extremely Low Frequency)。发射和接收的人工源信号频带包括SLF(300～30Hz)、ELF(30～3Hz)和部分ULF(＜3Hz)。把CSELF技术和天然源电磁法相结合，可观测更宽频带的电磁场，称为扩展CSELF技术(表1)。

表1 地震预测CSELF技术和其他电磁法频带对比Table 1 Comparison between CSELF and other electromagnetic methods

本文将简要介绍CSELF技术的信号发射原理、观测接收技术、数据处理方法以及地震预测观测试验结果等。

3.中国梦是马克思主义个人与社会的统一。马克思认为，人的本质不能脱离其现实性，而是一切社会关系的总和［1］501。中国梦是国家和民族的梦，也是每个中国人的梦。国家富强、民族振兴和人民幸福是中国人民和中华民族的共同追求，也是亿万人民的个人理想。社会主义制度下，国家、社会与个人的利益在根本上是一致的。富强、民主、文明、和谐的价值目标，爱国、自由、平等、公正、法治的价值取向和敬业、诚信、友善的价值准则是中国梦和社会主义核心价值观在个人、社会和国家层面的具体统一。在特殊性与普遍性、共性与个性的结合中，中国梦具有了鲜活的时代内容和真实意义。

1 CSELF技术物理基础

人工源极低频电磁技术是在20世纪50年代问世的大地电磁(MT)等电磁法的基础上发展起来的新方法。它不同于传统的电法、磁法仅观测特低频(ULF，＜1Hz)频带范围内的电场或磁场，没有包括被认为对电磁场异常灵敏的＞1Hz频率的信号;不同于大地电磁法仅观测天然源电磁场;也不同于已有的人工源电磁法，如CSAMT等其信号覆盖范围仅十几km且探测深度浅。

CSELF技术的信号发射源，是在具有一定面积、具有足够厚度的地壳高电阻率(达数千、上万Ω·m)地区，架设长数十、上百km的十字型或L型的发射天线，在每条天线两端各用约1km2面积的接地体，以尽可能小的接地电阻和大地连接。通过大功率发射机向天线输送100A以上的极低频(ELF)等频率范围的交变电流。基于电磁波趋肤深度原理，由发射机、天线和大地构成巨大的垂向电流环，其很强的磁矩感应生成强电磁场，通过“波导”向远处传播，传播距离达数千、上万 km(图1)。

CSELF技术不像MT或CSAMT等不需要考虑源的分区，或者仅考虑发射源附近局部地区的场。CSELF技术产生的信号，在“波导”中传播时，因大地、电离层等因素的影响，由发射源起，由近到远可以分成近区、远区和波导区。关于3个区的界限，一般依电离层高度的倍数、或依发射天线长度的倍数划分。在发射天线的径向(天线延长线方向)和轴向(或赤道方向)，远区和波导区界限的位置即离开发射源的距离是不同的，并且与发射信号的频率有关。例如，当天线区大地电阻率为5 000Ω·m，在频率为0.1Hz，天线长度为2L=50km，电离层高度为60km时，近区和远区的边界在径向和轴向都为10L即250km，而远区和波导区的边界，在径向为20L即500km，在轴向为50L即1 250km(图2);当频率为300Hz时，近区与远区的边界为25km，远区和波导区的边界，在径向为75km，轴向为130km左右(俄罗斯科学院环境中心，个人交流，1997)。杨静(2011)计算了3个区的场强及其分布规律。

图1 CSELF技术发射台原理示意图Fig.1 Transmitter scheme of CSELF electromagnetic waves.

2 CSELF数据处理分析

CSELF技术在地面观测的野外装置与大地电磁法基本相同，观测的物理量包括相互垂直的4个水平电磁场分量和垂直磁场分量。不同的是它既可以观测人工源电磁信号，也可以观测天然源信号(通信领域称为大气噪声)。经过谱分析，得到各个分量的频谱，以及自、互功率谱密度和视电阻率等(汪晓，2008)。图3显示的是近SN向发射天线的近似径向方向、距离发射台约800km的HS台站观测的130Hz和66Hz人工源信号，及其附近频带的电磁场自功率谱密度。由图3可见，所有2个频率的人工源信号频率的电、磁场自功率谱密度明显大于其附近频率的天然源场，其幅度相对于天然源场的幅度(信噪比)高出1～2个数量级，较高频率的130Hz信噪比较高，达到约2个数量级，较低频率的66Hz信噪比最低，但也达到约1个量级。另外，台站处的EW向分量大体与人工源信号场强切线方向平行，因此H2的幅度及信噪比明显大于H1的幅度。相应地，SN向电场(E2)的幅度大于EW向电场(E1)。

图2 发射频率为0.1和300Hz的近区、远区、波导区分布示意图Fig.2 Near，far and waveguide zones for transmit frequency 0.1 and 300Hz.

图3 a台站HS相对于近SN向发射天线的位置、发射信号场强分布，b观测的4个电磁场分量方位示意图Fig.3 Sketch diagram showing the location of station HS with respect to transmitter along nearly north-south direction and the field distributions(a)and the direction of four measured electromagnetic components(b).

除上述观测的电磁场谱幅度和频率与测量分量方位有关外，还发现:1)观测信号的功率谱密度与发射源功率大小近似成正比;2)随着离开发射源距离增大，观测信号幅度在减小，在相对近处减小较快;3)在发射源功率确定的情况下，台站观测信号的信噪比与台站背景场强度、台站相对于发射台的距离和方位、观测分量的方向等关系较大。

在观测台站接收稳定的(小波动的)人工源电磁场信号，也将减小电磁阻抗以及视电阻率等资料的误差，从而使视电阻率等观测资料对地下电阻率结构出现的异常具有更高的灵敏度。借用大地电磁视电阻率如下简化公式

其中，T(=1/f)代表信号的周期，E、H分别表示电、磁场的频谱，E/H称为阻抗。可见，电、磁场频谱的误差直接影响到阻抗(E/H)和视电阻率的误差。

因此，当利用稳定的人工源信号作为场源信号时，由于其信号明显强于天然源信号，有较高的信噪比，于是一方面受到其他人文干扰噪声的影响要小，具有稳定的频谱，利于辨别可能异常的出现;另一方面，由于获得的视电阻率等资料的误差也明显减小，反演的地下结构可信度高，同样对于可能出现的地下电阻率异常反映更灵敏。这也是CSELF方法最重要的优势。

3 地震监测CSELF测量电磁异常试验

利用CSELF技术于1999年首次通过中俄国际合作，用俄罗斯发射台，在距发射台约6 500km的北京及附近地区，进行了地震监测可行性试验，巧合的是在连续观测期间记录到在距台站约100km的地方发生的4.2级地震，并在地震前3天，都记录到电、磁场的功率谱密度以及视电阻率和阻抗相位的幅度异常，而在震后逐步恢复(赵国泽等，2003a，b)。

2005年8—9月间，我们利用中国的第一个试验发射台的信号，在首都圈的十三陵以及云南多震区的东川等地多个台站和测点，再次进行了连续观测试验(Zhao et al.，2009)。尽管该发射台仅是试验台，发射功率(仅200kW)和发射天线长度(仅31km)都很小，但是试验表明，不仅在1 000km外可以接收到人工源信号，而且巧合的是在观测期间，再次遇到在台站附近发生了地震，并在地震前记录到电磁场异常(图4)。

东川等台站位于川滇地块东边界则木河断裂和小江断裂及其交会区附近，是地震多发区。CSELF观测时间自2005年9月18—29日，每天观测2次，分别为上午9点和晚上8点，每次相继观测170Hz、126Hz和85Hz 3个频率的人工源信号。对每次观测的每个频率信号，分别计算其磁场(H1)和电场(E1)分量的自功率谱。在人工源信号观测后立刻观测天然源信号，也计算相应的自功率谱。

21日9:55云南鲁甸发生了3.6级地震。在震前1天即20日，东川(震中距约100km)和巧家(震中距约50km)台站同时出现了电、磁场功率谱密度增大的脉冲异常，震后恢复正常。由于异常信号较强，天然源信号的功率谱也出现了异常。22日以后，异常消失，电磁场恢复平常数值。

与此同时，在距离地震震中约2 000km的十三陵、怀来等台站没有观测到异常(图4)。同时发现，人工源信号在15—29日期间，自功率谱保持相对稳定，波动很小，但是天然源信号自功率谱波动很明显，波动最大幅度达1/2量级以上，说明人工源信号受到其他人文电磁干扰的影响比天然源信号要小得多，显示了其在异常监测中的优势(Zhao et al.，2009)。

4 中国第一个CSELF技术观测台网

图4 云南东川(a)、北京十三陵(b)2005年9月15—29日连续观测的频率为170Hz的EW向磁场分量的功率谱密度Fig.4 Powered spectrum density of magnetic field in east-west direction for 170Hz recorded at the stations Dongchuan in Yunnan and Shisanling in Beijing during 15-29 September 2005.

利用多个台站组成的台网进行地震异常监测，不仅有利于监测异常出现的时间，也有利于监测异常源的位置。2009年我们第一次利用“十五”计划期间建成的12个CSELF台站，接收中国第一个发射台的人工源极低频电磁信号，并进行了1个月的连续观测试验研究。

其间，每天清晨和傍晚的固定时段，发射台用稳定的功率(近300kW)分别发送几个频率的人工源电磁场信号，在12个台站接收和记录电、磁场4个水平分量，计算其功率谱密度(PSD)。结果显示，在30天内的幅度波动一般都＜10%。但是，在每个人工源信号时段后的同样长度的相邻时段，观测的天然源信号的PSD的幅度在1月期间变动很大，一般达到1个量级以上，最大可达2个量级。图5为红山地震台1个月期间，频率为130Hz的人工源信号和天然源信号功率谱密度的对比图，图中还显示，人工源信号PSD比天然源信号的PSD高出约2个数量级，即信噪比达到近2个数量级，且人工源信号在1个月内的变化幅度比天然源要小得多(赵国泽等，2010)。

基于CSELF技术在地震预测研究中的巨大优势，在国家有关部门的支持下，在“十一五”计划的“国家重大科学技术基础设施项目”中，将在首都圈和南北地震带南段，即潜在地震活动区，再建30个CSELF技术地震观测台(图6)。建成之后，将成为世界上第一个具有一定规模的(含42个台站和部分流动测点)用于地震预测的CSELF技术的观测网。

5 电磁异常机理分析

地震前出现的电磁场的扰动幅度和视电阻率数值的增大是否与地震有关?如果有关，成因机制如何?尽管对电磁场异常的生成机制至今还没有满意的解释，但基于试验和观测已经进行了许多分析和研究。

图5 2009年7月21日至8月20日连续观测的130Hz磁场(a)、电场(b)的功率谱密度(PSD)Fig.5 Powered spectrum density of magnetic field(a)and electric field(b)for 130Hz recorded from July 21 to August 20 in 2009.

(1)关于异常电磁场的源。一般归结为来自3个方面:1)来自地震震源区，因为这里有最强的机械能;2)来自于地表或上层地壳，这里微破裂较发育，存在着裂隙间的循环流体或者在干岩石之间可能发生的摩擦作用;3)来自于大气层或电离层，这里的直流电场可能发生不稳定扰动，并可能改变天然电磁波传播条件。理论计算表明，如果认为电磁波来自于震源区附近，那么根据电磁波在地球内传播过程中的指数衰减规律，当震源深度＞10km时，只有较低频率的电磁波才能达到地面。

(2)关于地震前空间电磁场的变化。在地震孕育和发生过程中，由于构造运动、应力场的变化以及压电或磨擦作用，可激发电磁场异常脉动或扰动，并向震源周围传播，在地面和空间可以接收到这些异常。在震源区一般存在裂隙或破裂，其间充填着流体，当应力场发生变化时，由于动电效应，也可激发电磁场异常，并向外传播(Parrot，2002)。

地震前地面以上的电磁场异常与震源深度、地质条件、震中距和电离层状况等因素有关。对于7级地震，其影响范围甚至可达1 000km。假设大地电场扰动尺度为100km，那么它已与电离层高度相当，因此它将会改变电磁场波导的条件。而电离层本身的扰动，例如电离层高度的变化、等离子体浓度的变化等，自然也影响到地面电磁场的变化。由于地面电磁波向空间的传播以及电离层扰动的共同作用，使得电磁场出现异常，并在震源区上方比其他地区的异常更严重。观测表明，较低频率范围的异常在震前较长时段如震前20天内出现，而较高频率范围异常在震前较短时间内如2～3天出现。因此，在研究地震的电磁异常现象时，需要结合地震发生的位置和所处的构造条件等进行具体分析。

图6 中国地震预测CSELF观测网分布示意图Fig.6 CSELF observation network for earthquake monitoring.

6 结束语

中国的人工源极低频电磁技术及其在地震预测研究中的应用，经过10多年的研究和发展，已经相对成熟，成为地震预测研究中最有潜力的地球物理方法之一，仅有的3次连续观测试验，尽管每次时间较短，但有2次遇到在地震台站附近约100km处发生了中等强度的地震，且都记录到地震前3天内出现的电磁异常现象。利用仅有的12个台站较小规模台网的观测，显示了在较大的区域范围，各个台站能够观测到稳定的电磁场信号。CSELF的发展研究促成了地震潜在危险区更大规模的台网建设。

高曙德，汤吉，杜学彬，等.2010.汶川8.0级地震前后电磁场的变化特征［J］.地球物理学报，53(3):512—525.

GAO Shu-de，TANG Ji，DU Xue-bin，et al.2010.The change characteristics of electromagnetic field before to after Wenchuan MS8.0 earthquake［J］.Chinese Journal of Geophysics，53(3):512—525(in Chinese).

马宗晋，傅征祥，张郢珍，等.1982.1966—1976年中国九大地震［M］.北京:地震出版社.

MA Zong-jin，FU Zheng-xiang，ZHANG Ying-zheng，et al.1982.1966-1976 Nine Strong Earthquakes in China［M］.Seismological Press，Beijing(in Chinese).

汪晓.2008.人工源超低频电磁波技术数据处理初步研究［D］:［学位论文］.北京:中国地震局地质研究所.

WANG Xiao.2008.Extraction of artificial-source SLF/ELF electromagnetic signal and data processing［D］.Master thesis.Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing(in Chinese).

杨静.2011.人工源极低频电磁波传播特性研究［D］:［学位论文］.北京:中国地震局地质研究所.

YANG Jing.2011.Propagation characteristics of CSELF electromagnetic waves［D］.Master thesis.Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing(in Chinese).

赵国泽，陆建勋.2003a.利用人工源超低频电磁波监测地震的试验与分析［J］.中国工程科学，5(10):27—33.

ZHAO Guo-ze，LU Jian-xun.2003a.Monitoring ＆ analysis of earthquake phenomena by artificial SLF waves［J］.Engineering Science，5(10):27—33(in Chinese).

赵国泽，汤吉，邓前辉，等.2003b.人工源超低频电磁波技术及在首都圈地区的测量研究［J］.地学前缘，10(特刊):248—257.

ZHAO Guo-ze，TANG Ji，DENG Qian-hui，et al.2003b.Artificial SLF method and the experimental study for earthquake monitoring in Beijing area［J］.Earth Science Frontiers，10(Suppl):248—257(in Chinese).

赵国泽，王立凤，汤吉，等.2010.地震监测人工源极低频电磁技术(CSELF)新试验［J］.地球物理学报，53(3):479—486.

ZHAO Guo-ze，WANG Li-feng，TANG Ji，et al.2010.New experiments of CSELF electromagnetic method for earthquake monitoring［J］.Chinese Journal of Geophysics，53(3):479—486(in Chinese).

赵国泽，詹艳.2012.电磁地球物理法的发展和应用研究现状［A］.见:徐文骏主编.王子昌先生诞辰百年纪念文集.北京:北京大学出版社.29—39.

ZHAO Guo-ze，ZHAN Yan.2012.Case study of EM geophysics［A］.In:XU Wen-jun(ed).A collection of essays in commemoration of Wang Zichang in his centennial birthday.Peking University Press，Beijing.29—39(in Chinese).

Bleier T，Freund F.2005.Impending earthquakes have been sending us warning signals and people are starting to listen［J］.IEEE Spectrum INT，3:3—7.

Johnston M，Uyeda S.1999.Electromagnetic methods for monitoring earthquake and volcanic eruptions［A］.Birminghan，IUGG 99.A72—A83.

ОИФЗРАН РЕШЕНИЕ - КОНФЕРЕНЦИИ.1997.Краткосрочньιй прогноз катастрофических землетрясений с помощью ралиофизических наземно - космических метолов［Z］.Москва.

Parrot M.2002.The micro-satellite DEMETER ［J］.Journal of Geodynamics，33(4-5):535—541.

Pulinets S A.2006.Space technologies for short-term earthquake warning［J］.Advances in Space Research，37:643—652.

Velikhov E P，Zhamaletdinov A A，Sobchakov L A，et al.1996.Extra-low frequency sounding of the Earth′s crust with a high-power antenna［J］.Earth Sci Ser，Engl Transi，341:12—16.

Zhao G Z，Zhan Y，Wang L F，et al.2009.Electromagnetic anomaly before earthquakes measured by electromagnetic experiments［J］.Earthquake Science，22(4):395—402.