利用區(qū)域大氣靜電場(chǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)臨震預(yù)估地震災(zāi)害

陳濤， 張效信， 張學(xué)民， 靳小兵， 吳晗,5， 提爍，李仁康， 李磊,5， 王詩(shī)涵,5

1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心， 空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190 2 國(guó)家氣象局衛(wèi)星氣象中心， 北京 100081 3 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所， 北京 100036 4 四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心， 成都 610000 5 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049 6 云南師范大學(xué)， 物理與電子信息學(xué)院， 昆明 650500

0 引言

大地震給人類社會(huì)帶來的危害巨大，影響深遠(yuǎn)，從20世紀(jì)初至今，我國(guó)因地震災(zāi)害死亡的人數(shù)占全球的一半以上.全球科技界迫切希望能獲得一種確定性的預(yù)警手段，在大震到來之前，提醒人們采取緊急措施，避免重大損失.在中長(zhǎng)期的地震預(yù)測(cè)中，科技界能確定出潛在危險(xiǎn)地段.但在小時(shí)尺度的短、臨預(yù)測(cè)方面，如何通過有效的科學(xué)手段在一定時(shí)間范圍內(nèi)，感知和確定大震到來的時(shí)間、地點(diǎn)和震級(jí)的大小，仍然是一個(gè)尚待解決的科學(xué)問題.

地震的短期(10日至數(shù)百日)和臨震(1日至10日及以下)預(yù)測(cè)(趙克常，2012)，相比地震中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)更能直接有效地保護(hù)人類生命和社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施.地震前有許多異常都可以被儀器觀測(cè)到，例如：氡氣的異常(Walia et al., 2006)、地光現(xiàn)象(St-Laurent et al., 2006；Derr et al., 2011)、VLF/ULF波異常(Hayakawa et al., 2010,2012)、電離層異常等(Heki, 2011).但上述異常現(xiàn)象通常發(fā)生在震前幾天至數(shù)月不等的時(shí)間尺度上，無法有效地預(yù)測(cè)地震具體的發(fā)生日期和地點(diǎn)，并提前組織疏散相關(guān)人群.此外，某些測(cè)量方法也存在一定的局限性，例如氡氣含量較低，產(chǎn)生的變化不易被儀器捕捉到；電離層中被廣泛研究的可能與地震有關(guān)的電子濃度總含量(TEC，Total Electron Content)容易受太陽(yáng)活動(dòng)、火山、臺(tái)風(fēng)等的影響，出現(xiàn)異常時(shí)不代表一定會(huì)發(fā)生地震，這類異常監(jiān)測(cè)手段受其低空間分辨率影響，很難確定具體的發(fā)震地點(diǎn).因此，是否存在其他能夠有效預(yù)測(cè)地震并且可以普及的科學(xué)手段呢？

大氣電離環(huán)境主要受三大類驅(qū)動(dòng)源的影響：(1)地光、氣象因子和閃電等活動(dòng)(李尚勇, 2018；馬伽洛倫和馬富潤(rùn), 2014；Jin et al., 2020)；(2)日冕物質(zhì)拋射、宇宙線等引起全球大氣電路變化的太陽(yáng)活動(dòng)(Li et al., 2016；Shumilov et al., 2015)；(3)大地震等大型地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng).這些活動(dòng)都會(huì)極大地改變大氣的電離環(huán)境，使大氣電導(dǎo)率、大氣傳導(dǎo)電流和大氣靜電場(chǎng)產(chǎn)生相應(yīng)的異常改變(Jin et al., 2020).其中，正負(fù)離子濃度異常、晴天大氣電場(chǎng)(Jin et al., 2020)異常等大氣電離環(huán)境改變的現(xiàn)象，在地震發(fā)生前被廣泛觀測(cè)到(Liperovsky et al., 2008；Martell, 1985；Omori et al., 2009；Ouzounov et al., 2018；Pulinets and Ouzounov, 2018；Pulinets et al., 1997； Sorokin et al., 2007a,b；Jin et al., 2020).近期國(guó)家空間科學(xué)中心子午工程和鴻鵠專項(xiàng)的觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析表明：如果是晴天條件(排除掉降水、雷電、大風(fēng)、低云、水汽等氣象因子和揚(yáng)塵、霧霾、人工污染，以及太陽(yáng)輻射后)(Harrison, 2013；Harrison and Nicoll, 2018；Jin et al., 2020)，出現(xiàn)大氣電場(chǎng)的負(fù)值異常很可能就是大型地質(zhì)活動(dòng)導(dǎo)致大面積巖石微破裂的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)在小時(shí)尺度上最接近地震發(fā)生.近100年來零散和系統(tǒng)的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)(Choudhury et al., 2013；Smirnov, 2008；郝建國(guó)和張?jiān)聘? 2001；李一丁等, 2017；朱傳鎮(zhèn)等, 1990；Jin et al., 2020)已經(jīng)證明了從3.0～8.0級(jí)地震發(fā)生前幾個(gè)小時(shí)至幾十小時(shí)時(shí)段內(nèi)，大氣電場(chǎng)有負(fù)值異常的表現(xiàn).這種大氣電場(chǎng)負(fù)異?，F(xiàn)象與地震的關(guān)聯(lián)，以及如何利用這種異常來預(yù)測(cè)地震正是本文的主要闡述內(nèi)容.

本文首先通過列舉一些震前大氣靜電異常信號(hào)的實(shí)例，歸納總結(jié)這類現(xiàn)象的時(shí)間尺度特征.其次，通過機(jī)理的分析探討，提出了放射性物質(zhì)電離輻射的理論觀點(diǎn).最后，提出了一種可以提前數(shù)小時(shí)預(yù)測(cè)重大地質(zhì)災(zāi)害的大氣靜電場(chǎng)組網(wǎng)觀測(cè)新手段.

1 觀測(cè)事例

本節(jié)列舉多例震前大氣電場(chǎng)的異常反向信號(hào)，并對(duì)觀測(cè)點(diǎn)與震中的位置特點(diǎn)，異常信號(hào)的持續(xù)特征，信號(hào)識(shí)別的天氣條件等也做了相關(guān)說明和討論.

1.1 歷史事例概述

自20世紀(jì)20年代以來，陸續(xù)出現(xiàn)中外學(xué)者報(bào)告在震前觀測(cè)到了大氣電場(chǎng)異常變化或者大氣電位異常改變的現(xiàn)象，表1是20世紀(jì)部分異常觀測(cè)事例(郝建國(guó)等，2000；Pulinets and Boyarchuk, 2005)，表中“-”表示缺省.其中，1976年8月23日中國(guó)四川省松潘市MS7.2大地震發(fā)生前，離震中50 km的文縣觀測(cè)臺(tái)大氣電場(chǎng)儀在震前23 h開始記錄到大氣電場(chǎng)反向異常現(xiàn)象，異常持續(xù)到地震發(fā)生.

表1 20世紀(jì)中外學(xué)者報(bào)告在震前觀測(cè)到的大氣電場(chǎng)異常變化或者大氣電位改變的部分案例Table 1 Several cases of abnormal variations of atmospheric electric field observed before earthquakes reported by Chinese and foreign researchers in 20th century

這種震前的大氣電場(chǎng)或者大氣電位的異?，F(xiàn)象引起了很多地震學(xué)家的注意，國(guó)內(nèi)外專家團(tuán)隊(duì)對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了持續(xù)觀測(cè)和研究.1949年前蘇聯(lián)地震工作者記錄到了22次余震發(fā)生前2.5 h內(nèi)，大氣電位梯度發(fā)生變化；1966年日本科學(xué)家在研究地震發(fā)光成因問題時(shí)，發(fā)現(xiàn)地震能引起大氣電場(chǎng)的變化，他們對(duì)78次2級(jí)以上地震發(fā)生前大氣電場(chǎng)的變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中46次地震發(fā)生前，大氣電場(chǎng)明顯下降，22次地震發(fā)生前大氣電場(chǎng)沒有顯著變化；在1980—1999年間，郝建國(guó)團(tuán)隊(duì)在華北地區(qū)進(jìn)行了近20年的連續(xù)可靠觀測(cè).觀測(cè)表明，地震發(fā)生前，離震中200～500 km的大氣電場(chǎng)儀會(huì)出現(xiàn)異常(郝建國(guó)和張?jiān)聘? 2001).從1997年1月到2002年12月，俄羅斯科學(xué)院遠(yuǎn)東地球物理研究所，在晴天大氣條件下，于勘察加半島觀測(cè)到103次大氣電場(chǎng)負(fù)值異常事件，其中有37例異常出現(xiàn)后，在未來的1～24 h內(nèi)發(fā)生了地震(Smirnov, 2008).印度學(xué)者(Choudhury et al., 2013)也報(bào)道了從2009年到2012年間觀測(cè)到的震前大氣電場(chǎng)負(fù)值異常，異常早于地震發(fā)生前7～12 h.近年來，國(guó)內(nèi)靳小兵與陳濤等在汶川MS8.0地震和九寨溝MS7.0地震案例分析中也發(fā)現(xiàn)了震前大氣電場(chǎng)異常變化(Jin et al.,2020；陳濤等，2020；卜俊偉等，2020)，并從全球電路模型和震前氡排放增強(qiáng)(Ren et al., 2012)的角度對(duì)近地面大氣電導(dǎo)率上升的現(xiàn)象進(jìn)行了物理機(jī)制解釋.值得注意的是，Mizuno等在2011年3月11日日本MS9.0大地震前約15 h也發(fā)現(xiàn)持續(xù)6 h的大氣電場(chǎng)顯著下降現(xiàn)象(Mizuno and Takashima, 2013)，其形態(tài)、持續(xù)時(shí)間與汶川地震大氣電場(chǎng)的異常變化相當(dāng)一致.

雖然這些震前大氣電場(chǎng)異常因觀測(cè)儀器和觀測(cè)方法的不同存在差異，但是我們不難發(fā)現(xiàn)這種異常存在著這樣的共性：這些異常多為大氣電場(chǎng)的負(fù)異常，它們多發(fā)生于震前數(shù)小時(shí)到幾十小時(shí)內(nèi)，負(fù)異常持續(xù)時(shí)間從幾十分鐘至十幾小時(shí)不等(個(gè)別負(fù)異常持續(xù)時(shí)間會(huì)超過一天).因此，我們推斷，震前幾小時(shí)或幾十小時(shí)內(nèi)存在大氣電位梯度下降現(xiàn)象，有時(shí)這個(gè)電位梯度下降使得大氣電場(chǎng)正值減?。挥袝r(shí)這個(gè)電位梯度下降使得大氣電場(chǎng)由正值變成負(fù)值，與晴天大氣電場(chǎng)方向正好相反，易于識(shí)別.

1.2 偶然提前預(yù)判到的觀測(cè)事例

2019年4月初，中國(guó)科學(xué)院臨近空間先導(dǎo)專項(xiàng)(鴻鵠計(jì)劃)氣球?qū)嶒?yàn)隊(duì)，準(zhǔn)備于4月底到內(nèi)蒙四子王旗光電研究院實(shí)驗(yàn)基地，進(jìn)行針對(duì)太陽(yáng)耀斑和冕洞高速流引發(fā)地球臨近空間環(huán)境效應(yīng)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn).地基協(xié)同觀測(cè)的子午工程項(xiàng)目大氣電場(chǎng)儀器，于4月11日起進(jìn)行連續(xù)兩個(gè)星期的開機(jī)測(cè)試，專項(xiàng)成員在4月14日早上發(fā)現(xiàn)大氣電場(chǎng)負(fù)值異常，并基于當(dāng)日空間天氣參數(shù)、晴天大氣參數(shù)(吳亭等, 2009; Jin et al., 2020)和地震先兆因子的分析經(jīng)驗(yàn)，推斷在隨后的幾個(gè)小時(shí)，離觀測(cè)儀器50 km的范圍內(nèi)，很可能發(fā)生中等強(qiáng)度以下地震，不會(huì)造成傷亡.

果然，幾小時(shí)后，中國(guó)地震局臺(tái)網(wǎng)中心發(fā)布2019年4月14日12時(shí)47分，在北京市懷柔區(qū)發(fā)生3.0級(jí)地震，震源深度19 km，震中位于北緯40.34°，東經(jīng)116.39°.距離項(xiàng)目大氣電場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)正北方向43 km.同時(shí)中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心“次聲測(cè)量小組”也在當(dāng)日12點(diǎn)47分觀測(cè)到本次地震.

圖1所示為地基電場(chǎng)探測(cè)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)時(shí)間以及地震發(fā)生時(shí)刻的圖形說明.

1.3 其他國(guó)內(nèi)震例大氣靜電異常信號(hào)研究回溯

除北京MS3.0地震震前數(shù)小時(shí)觀測(cè)到晴天大氣條件下大氣電場(chǎng)異常外，我們也回溯了一些有多點(diǎn)觀測(cè)的其他國(guó)內(nèi)震前大氣靜電異?，F(xiàn)象，具體如圖2所示.

從圖2a中可以看出，2008年5月12日MS8.0汶川地震發(fā)生前，離震中55 km的郫縣站大氣電場(chǎng)儀(黑色線)和離震中50 km的溫江站大氣電場(chǎng)儀(紅色線)同時(shí)提前近7個(gè)小時(shí)觀測(cè)到大氣電場(chǎng)的反方向信號(hào).兩個(gè)觀測(cè)站在南北方向相差18 km，信號(hào)強(qiáng)度差4倍且整體上隨時(shí)間的變化趨勢(shì)幾乎一致，水平梯度方向明顯指向西北(龍門山斷裂帶)方向.

如圖2b所示，2019年2月24日MS4.7榮縣地震發(fā)生前，離震中30 km的自貢站大氣電場(chǎng)儀(紅色線)提前約11.5 h觀測(cè)到大氣電場(chǎng)下降的現(xiàn)象，并提前約9.5 h觀測(cè)到連續(xù)的大氣電場(chǎng)反方向信號(hào)，雖然期間大氣電場(chǎng)有短暫的恢復(fù)，但在發(fā)生地震前1 h內(nèi)大氣電場(chǎng)仍然是負(fù)值.相比之下距離震中距離略遠(yuǎn)(約60 km)的內(nèi)江站大氣電場(chǎng)儀(黑色線)，在時(shí)間上比自貢站大氣電場(chǎng)儀晚數(shù)十分鐘后才觀測(cè)到大氣電場(chǎng)下降的現(xiàn)象.雖然內(nèi)江站離震中的距離更遠(yuǎn)，但是震前1 h負(fù)異常信號(hào)的強(qiáng)度高于自貢站，這可能是局地的氣象、地質(zhì)條件等不同導(dǎo)致的.此外，與圖2a中兩臺(tái)大氣電場(chǎng)儀信號(hào)變化不同的是：榮縣地震區(qū)附近的兩個(gè)站的信號(hào)特點(diǎn)和變化趨勢(shì)存在明顯的差異.這可能是因?yàn)?，榮縣地震發(fā)生時(shí)，自貢站位于震中的東南方，而內(nèi)江站位于震中的東北方，兩個(gè)站點(diǎn)相距44 km，過遠(yuǎn)的距離會(huì)使信號(hào)受局地其他因素的影響呈現(xiàn)出不同的形態(tài).

2019年6月17日長(zhǎng)寧MS6.0地震(圖2c)發(fā)生前，離震中59 km的宜賓翠屏山大氣電場(chǎng)儀提前23 h觀測(cè)到大氣電場(chǎng)的反方向信號(hào)，信號(hào)持續(xù)70 min，隨后恢復(fù)到正常狀態(tài).大氣電場(chǎng)負(fù)異常并沒有一直延續(xù)到地震發(fā)生，在第二天晚上23∶30長(zhǎng)寧MS6.0地震發(fā)生時(shí)，大氣電場(chǎng)為正值.此外，此次地震發(fā)生時(shí)，距離震中144 km的內(nèi)江站大氣電場(chǎng)儀沒有觀測(cè)到震前負(fù)異?，F(xiàn)象，是正常的晴天大氣電場(chǎng)狀態(tài)(約幾百V/m).如此可知，當(dāng)大氣電場(chǎng)儀距離震中過遠(yuǎn)時(shí)，很可能捕捉不到負(fù)異常信號(hào).

圖1 根據(jù)大氣靜電場(chǎng)觀測(cè)成功預(yù)測(cè)2019/04/14北京MS3.0地震Fig.1 Successful prediction of Beijing MS3.0 earthquake based on atmospheric electrostatic field observations on April 14, 2019

圖2 其他地震事例震前大氣靜電負(fù)異常信號(hào)特征圖Fig.2 Characteristics of negative atmospheric electrostatic field anomaly signals before other earthquakes

所有這些近一百年來的研究發(fā)現(xiàn)都表述了一個(gè)事實(shí)：存在震前幾個(gè)小時(shí)出現(xiàn)大氣電位梯度下降現(xiàn)象，大多時(shí)候電位梯度的下降會(huì)使大氣電場(chǎng)出現(xiàn)與晴天大氣電場(chǎng)反向的信號(hào)，這種信號(hào)在晴天條件下很容易識(shí)別.由此引出一連串令人極為關(guān)注的問題：為什么臨震前大氣電場(chǎng)會(huì)正值下降甚至反向？為什么這個(gè)信號(hào)在時(shí)間上最靠近地震觸發(fā)？如果發(fā)現(xiàn)完全反方向電場(chǎng)現(xiàn)象出現(xiàn)，能否用來推斷當(dāng)?shù)卮蟮卣鸬陌l(fā)生？而這個(gè)現(xiàn)象的物理本質(zhì)又是什么？

2 物理過程解釋

理解上述觀測(cè)現(xiàn)象以及用物理過程來一一回答上述問題，可能需要結(jié)合日地空間物理、電離層物理、磁層物理、電波傳播、氣象學(xué)、大氣電學(xué)、熱力學(xué)、塵埃等離子體、同位素地球化學(xué)、微觀物理、原子核物理、巖石力學(xué)、地質(zhì)學(xué)和地震學(xué)等多學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí).本節(jié)將地質(zhì)構(gòu)造的力學(xué)過程與空間靜電變化過程作為整體考慮，這個(gè)過程可以概括為：臨震條件下持續(xù)放射性物質(zhì)電離輻射首先會(huì)造成眾多離子對(duì)的出現(xiàn)，然后這些近地空間正負(fù)帶電離子對(duì)的遷移和分離過程會(huì)導(dǎo)致正負(fù)電荷完全分離，最終產(chǎn)生局部方向朝上的極化電場(chǎng).此外，本節(jié)也簡(jiǎn)要說明臨震狀態(tài)下，地下氣體溢出和電離輻射對(duì)大氣溫度、壓力、相對(duì)濕度以及其他氣象條件的影響.

全球大氣電路如圖3a所示，圖中“+”號(hào)代表正電荷的空間位置.就全球電路而言，電離層底部帶正電荷，地表帶負(fù)電荷.在晴天區(qū)域，大氣電場(chǎng)從電離層指向地面，在大氣電學(xué)里，這個(gè)方向被定義為正，從地面指向天空則定義為負(fù)(Namgaladze, 2013).當(dāng)有雷雨云或其他帶電云出現(xiàn)時(shí)，云下方局地會(huì)形成一個(gè)向上的異常電場(chǎng)(圖3b).臨震階段的各種地殼運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致巖石的破碎或熔融，礦物的溶解或相變，保留在某些礦物質(zhì)或巖石中的一些放射性母體同位素衰變的子體同位素便會(huì)大量釋放出來.探測(cè)表明，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生前，震中附近區(qū)域的氡氣含量已經(jīng)發(fā)生異常(圖3c).氡衰變過程中，大量的α粒子也會(huì)釋放出來，一個(gè)α粒子的能量是5.2 MeV，一個(gè)大氣分子需要的電離能是32 eV，因此一個(gè)α粒子就足以產(chǎn)生15萬對(duì)正負(fù)離子，從而讓空氣中充滿大量的離子對(duì).在這些離子沒有復(fù)合之前，熱壓力、重力和晴天大氣向下的電場(chǎng)力會(huì)使得這些正負(fù)離子產(chǎn)生位移分離.正離子向地面堆積，負(fù)離子上升，在近地面附近形成與晴天正常電場(chǎng)相反的極化靜電場(chǎng)(圖3d).在潛在的震中區(qū)域附近，利用大氣靜電監(jiān)測(cè)儀很可能觀測(cè)到這些正負(fù)離子分離后形成異常的極化電場(chǎng).

圖3 晴天大氣條件下，臨震階段大氣電場(chǎng)反向的物理機(jī)理(a) 全球大氣電路模型； (b) 雨天或多云地區(qū)云下反向大氣電場(chǎng)； (c) 震前大面積巖石破碎撕裂，通道打開持續(xù)釋放氡氣產(chǎn)生放射性衰變； (d) 震前大氣電場(chǎng)負(fù)異常形成.Fig.3 The physical mechanisms of atmospheric electric field reversal in the near earthquake under fair-weather conditions(a) The global atmospheric circuit; (b) The near-ground negative electric field in rainy/cloudy areas; (c) A large area of rock is broken and torn before earthquake, then the channel is opened to continuously release radon gas to generate radioactive decay; (d) The formation of negative atmospheric electric field before earthquake.

因此，之所以能在大震震中附近晴天大氣條件下出現(xiàn)的電場(chǎng)負(fù)異常而被大氣靜電儀所捕獲，可能是源于在臨震階段的異常大量地下流體包括氣體逸出到近地表大氣并伴隨的電離輻射.這個(gè)過程主要是地震前臨震巖石破裂程度增強(qiáng)以至于原來被封閉在巖層中的放射性物質(zhì)排出，引起強(qiáng)烈的電離輻射，并且在震中區(qū)域會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的靜電場(chǎng)，被近場(chǎng)靜電監(jiān)測(cè)設(shè)備所感知.這個(gè)現(xiàn)象的物理順序是：1)臨震地殼運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致大量巖縫里放出氡氣；2)氡氣放射性衰變產(chǎn)生大量α粒子；3)帶正電的α粒子電離近地面大氣，更多的離子對(duì)出現(xiàn)在低高度大氣中，重的正離子在近地面形成較強(qiáng)的電荷梯度，產(chǎn)生出一個(gè)向上的孕震區(qū)靜電場(chǎng)，信號(hào)極易識(shí)別；4)同時(shí)，離子的水合作用加熱大氣，使得大氣相對(duì)濕度變低，并形成高溫低壓環(huán)境.這也使得地震中心區(qū)域上空更容易出現(xiàn)晴天大氣狀態(tài).Pulinets等人認(rèn)為：由于大震的孕震區(qū)域廣，震中區(qū)域總的熱輻射高，甚至導(dǎo)致了震中區(qū)域高溫低壓，相對(duì)濕度低，使得氣象狀態(tài)向晴天轉(zhuǎn)變，這個(gè)現(xiàn)象將有利于排除氣象因素造成的大氣電場(chǎng)的反向信號(hào)(Pulinets and Ouzounov, 2018).此外，巖石破碎程度越大，撕裂越深，區(qū)域越廣，產(chǎn)生的負(fù)異常信號(hào)越好識(shí)別.

大地震即將發(fā)生前，由于巖石力學(xué)過程中的結(jié)構(gòu)發(fā)生破碎撕裂變化，藏在地下的微量同位素氣體如氡氣等就有機(jī)會(huì)被大量釋放出來.即臨震狀態(tài)下大面積巖石破裂和巖縫通道打開放射性物質(zhì)逸出電離大氣巨量離子對(duì)出現(xiàn)正離子近地面堆積與平時(shí)晴天大氣電場(chǎng)相反的大氣靜電場(chǎng)建立顯著大氣靜電信號(hào)異常出現(xiàn).這個(gè)解釋符合巖石-大氣圈層耦合過程中核物理的邏輯鏈.因此，晴天大氣條件下，大氣靜電信號(hào)的異常反向可能是一個(gè)有效的大震即將來臨的先兆信號(hào).

近期觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析研究表明：如果大地震即將發(fā)生，根據(jù)公式R=100.43M+σ(其中R為異常區(qū)半徑，單位為km，M為震級(jí)，σ表示電磁波對(duì)地殼的穿透能力)，當(dāng)M=7.0～9.0時(shí)，孕震區(qū)/應(yīng)變半徑應(yīng)該大于1000 km(郝建國(guó)等，1998)，大地震震中附近50～200 km的大氣電場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀大概率會(huì)接收到反向的異常信號(hào)，這個(gè)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間是小時(shí)尺度的，通常為幾個(gè)小時(shí)到1天不等.我們可以利用這個(gè)信號(hào)來輔助地震預(yù)測(cè)，并且在大震發(fā)生之前，做出有效預(yù)警判斷.

因此，基于上面提出的物理機(jī)制，利用局部多點(diǎn)地基靜電觀測(cè)在分離太陽(yáng)活動(dòng)和氣象活動(dòng)信號(hào)的基礎(chǔ)上，確定大型地質(zhì)活動(dòng)引起大氣電離異常的區(qū)域范圍、程度和對(duì)應(yīng)下方巖石層進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)的短臨時(shí)間范圍，以便達(dá)到提前數(shù)小時(shí)或數(shù)十小時(shí)預(yù)測(cè)大地震的目的.

3 討論和建議

前兩節(jié)提出并討論了大氣電場(chǎng)異常信號(hào)的一些觀測(cè)實(shí)例和可能導(dǎo)致這種信號(hào)產(chǎn)生的物理解釋，那么我們又該采取怎樣的手段來把科學(xué)問題投入到實(shí)際應(yīng)用中呢？

3.1 大氣電場(chǎng)儀組網(wǎng)觀測(cè)預(yù)估地震方法的應(yīng)用前提

想要確保大氣電場(chǎng)異常信號(hào)的出現(xiàn)是震前活動(dòng)導(dǎo)致的，首先要排除其他信號(hào)的干擾.圖4所示為同一臺(tái)大氣電場(chǎng)儀在2019年4月對(duì)不同情況下大氣電場(chǎng)負(fù)異常的觀測(cè).其中，(a)為1.2節(jié)所示的北京地震當(dāng)天大氣電場(chǎng)負(fù)異常；(b)為天空多云和下雨等氣象因素導(dǎo)致的大氣電場(chǎng)負(fù)異常；(c)為空氣質(zhì)量較差時(shí)出現(xiàn)的大氣電場(chǎng)負(fù)異常.在地震預(yù)測(cè)時(shí)，首先要排除類似(b)和(c)以及其他因素引起大氣電場(chǎng)負(fù)異常的信號(hào).

在上述震前晴天大氣電場(chǎng)的研究中，作者結(jié)合前人對(duì)晴天大氣的定義(Harrison and Nicoll， 2018；Jin et al., 2020)所采用的晴天大氣標(biāo)準(zhǔn)是：

1)沒有降水，并且水汽較少，即相對(duì)濕度低(排除降水，霧，沙塵和氣溶膠的影響，要求在關(guān)注的時(shí)間段，大氣干燥且能見度大于2 km，相對(duì)濕度小于95%).

2)沒有低層云，對(duì)流云(3 km以下)等.

3)附近(20 km內(nèi))沒有帶電云.

4)距離地表10 m高度范圍內(nèi)，風(fēng)速小于8 m·s-1(也有其他參考標(biāo)準(zhǔn)要求小于5 m·s-1).輻射元素(比如氡)的儀器測(cè)量要求風(fēng)速小于1～3 m·s-1.但很多情況下，局地風(fēng)速會(huì)超過3 m·s-1.為了排除永久地表電荷層的影響，最好2 m以內(nèi)的地方風(fēng)速大于1 m·s-1.根據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)綜合總結(jié)為近地面大氣風(fēng)速最好限制在1～7 m·s-1，即風(fēng)力不超過3級(jí).

在排除氣象或人為因素等可能產(chǎn)生的大氣電場(chǎng)負(fù)異常對(duì)地震信號(hào)的干擾后，要想捕捉到震前晴天條件下的大氣電場(chǎng)負(fù)異常信號(hào)，電場(chǎng)儀的選址也有要求.如前文圖2c所示，當(dāng)儀器距離震中距離過遠(yuǎn)時(shí)，就捕捉不到負(fù)異常信號(hào)，并且電場(chǎng)儀之間距離過遠(yuǎn)時(shí)信號(hào)的變化特征也不盡相同.針對(duì)這個(gè)問題，我們建議電場(chǎng)儀應(yīng)沿著斷裂帶兩側(cè)布置，避免因?yàn)榫嚯x震中過遠(yuǎn)而接收不到信號(hào)，且電場(chǎng)儀之間的距離最好在20～40 km，以便根據(jù)信號(hào)梯度判斷震中方位.圖5所示為川南部分臺(tái)站布置示意圖，其中綠色十字為已有臺(tái)站，綠色矩形為待布置臺(tái)站，紅色圓點(diǎn)為近4年來這一區(qū)域所發(fā)生的地震分布.所使用的地震數(shù)據(jù)來自中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)(http:∥news.ceic.ac.cn/).此外，為了遠(yuǎn)離人為因素對(duì)大氣電場(chǎng)的扭曲和近地面揚(yáng)塵造成的離子濃度變化的影響，我們建議臺(tái)站多布置在郊區(qū)空曠的平臺(tái)上.

圖4 不同條件下大氣電場(chǎng)負(fù)異常信號(hào)Fig.4 Negative abnormal signals of atmospheric electric field under different conditions

圖5 組網(wǎng)布站示意圖其中綠色十字為已有臺(tái)站，綠色矩形為待布置臺(tái)站，紅色圓點(diǎn)為近4年來這一區(qū)域所發(fā)生的地震分布Fig.5 Schematic diagram of station networkThe green cross is the existing stations, the green rectangle is the stations to be constructed, and the red dot is the distribution of earthquakes that have occurred in this area in the past 4 years.

3.2 組網(wǎng)觀測(cè)具體實(shí)施方案

地震臨震階段可靠前兆信號(hào)識(shí)別及其相關(guān)物理機(jī)理一直是科學(xué)家致力解決的問題,傳統(tǒng)的電磁探測(cè)已經(jīng)表明異常信號(hào)出現(xiàn)在震前數(shù)月或數(shù)天.各個(gè)國(guó)家在電離層高度的專門衛(wèi)星巡航式測(cè)量可以發(fā)現(xiàn)潛在的異常區(qū)域，提醒其他觀測(cè)手段在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步確認(rèn)異常區(qū)域大型地質(zhì)活動(dòng)構(gòu)造的發(fā)展.地基局域性觀測(cè)體系根據(jù)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以將潛在危險(xiǎn)區(qū)域的空間位置鎖定在更小的范圍，通過多站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估未來可能發(fā)震的震級(jí)和時(shí)間.這種方式可能會(huì)極大地提高我們預(yù)測(cè)地震的能力，并給相關(guān)部門提供充分的決策依據(jù).目前全球都在開展地震多圈層耦合機(jī)理的研究，相關(guān)國(guó)家已設(shè)立多項(xiàng)天地空觀測(cè)體系，多方位、多角度、多參數(shù)地提取重大地震前兆信號(hào).美國(guó)宇航局在2017年支持19項(xiàng)資助去廣泛征集利用地震電磁先兆預(yù)警的方案，迫切希望能解決災(zāi)害型地震的有效時(shí)間預(yù)測(cè)、預(yù)警問題.5級(jí)以上地震的預(yù)報(bào)、預(yù)警是世界性難題，主要是精準(zhǔn)預(yù)測(cè)地震發(fā)生的地點(diǎn)、時(shí)間和震級(jí)大小有相當(dāng)?shù)碾y度.針對(duì)這一情況，本文提出的下列方法可能有助于開展新型臨震預(yù)警輔助手段的探索研究.

利用區(qū)域大氣靜電場(chǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)臨震預(yù)估地震災(zāi)害的具體實(shí)施方案如下：

1)建立局部的多點(diǎn)大氣靜電參數(shù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，服務(wù)于需要重點(diǎn)警戒的區(qū)域，如潛在危險(xiǎn)斷裂地段，特別是西部高速鐵路，高速公路，大型輸油管道，核電站周邊，以及云貴高原附近的川滇區(qū)域，青藏高原，天山山脈東南西三個(gè)方向的地區(qū)，太行山脈兩側(cè)河北山西地區(qū)，燕山山脈兩側(cè)人口密集地區(qū)等.利用專群結(jié)合，在廣大的鄉(xiāng)村地區(qū)廣布靜電感知點(diǎn).

2)對(duì)每一個(gè)大氣靜電觀測(cè)點(diǎn)，要對(duì)當(dāng)?shù)乜赡艹霈F(xiàn)的微量氣體進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算評(píng)估.根據(jù)當(dāng)?shù)氐臄嗔炎呦?，巖石的裂縫結(jié)構(gòu)，巖石中可能的氣體成分和儲(chǔ)量，對(duì)可能出現(xiàn)的大氣電離的異常程度和大氣電場(chǎng)的異常程度，建立一個(gè)當(dāng)?shù)爻醪侥Ｐ?，根?jù)這個(gè)模型算出大氣電場(chǎng)的負(fù)值閾值.同時(shí)再進(jìn)一步根據(jù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)區(qū)域氣象條件，建立基于不同氣象條件下臨震狀態(tài)的大氣靜電變化的分析模型，分析各種氣象條件下大氣電場(chǎng)的平均特征信號(hào)，確定降水、閃電、霧、云量、水汽等氣象因子和工業(yè)污染對(duì)大氣電場(chǎng)變化的影響.研究在定點(diǎn)觀測(cè)信號(hào)中分離屬于氣象活動(dòng)導(dǎo)致大氣靜電變化的正負(fù)數(shù)值大小的方法和技術(shù).同時(shí)定量揭示太陽(yáng)活動(dòng)、大氣溫度、壓力、相對(duì)濕度等因素對(duì)當(dāng)?shù)卮髿怆妶?chǎng)變化的影響規(guī)律，研究分離空間天氣，氣象因子造成大氣電離變化的判定方法，進(jìn)一步確定判別地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)源的大氣靜電場(chǎng)異常閾值和時(shí)空分布規(guī)律.

3)結(jié)合其他參數(shù)如地磁、地電、地下水位、水溫、水質(zhì)、 水氡、氣氡、位移、形變、重力、電離層電子濃度變化、高能粒子通量變化、紅外熱輻射、氣象要素、氣溶膠成分(Liperovsky et al., 2005)和異?？臻g低頻電磁波等同步信號(hào)分析，以及所建靜電監(jiān)測(cè)區(qū)域記錄到大氣靜電反向異常站點(diǎn)的數(shù)目，搭建臨震狀態(tài)下大氣電場(chǎng)變化強(qiáng)度與地震三要素的關(guān)聯(lián)性公式，形成一種規(guī)范的大氣靜電場(chǎng)分析方法.多點(diǎn)觀測(cè)的異常數(shù)值站點(diǎn)之間的梯度比較和接收到異常反向信號(hào)臺(tái)站數(shù)目也是必須重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵參數(shù)，在不斷的觀測(cè)分析中，盡量縮小位置誤差和震級(jí)預(yù)測(cè)誤差，并將時(shí)間誤差壓縮至數(shù)小時(shí)到數(shù)天以內(nèi).這種利用組網(wǎng)觀測(cè)獲取多點(diǎn)大氣靜電信號(hào)去研究信號(hào)與地震三要素之間的量化關(guān)系，對(duì)將來在臨震階段輔助預(yù)警大地震有重要的實(shí)際應(yīng)用意義.

通過組網(wǎng)監(jiān)測(cè)，在區(qū)分太陽(yáng)活動(dòng)和氣象活動(dòng)引起的大氣靜電場(chǎng)異常信號(hào)的基礎(chǔ)上，提取屬于構(gòu)造活動(dòng)引起的局部地區(qū)的正負(fù)靜電異常數(shù)值大小和時(shí)間特征.分析多個(gè)站點(diǎn)與震中的位置關(guān)系，分析異常信號(hào)的出現(xiàn)與發(fā)震時(shí)間的關(guān)系，分析站點(diǎn)數(shù)目和大氣靜電觀測(cè)異常信號(hào)的正負(fù)大小與震級(jí)的關(guān)系.因?yàn)檫@種靜電信號(hào)代表的是一種宏觀現(xiàn)象，它是震區(qū)大面積微觀尺度上出現(xiàn)地殼運(yùn)動(dòng)破碎而產(chǎn)生的結(jié)果.由于斷層上的應(yīng)力釋放，周邊相關(guān)的巖層可能出現(xiàn)間歇、伸展性裂隙打開或關(guān)閉現(xiàn)象，從而更易釋放出放射性物質(zhì)，這種放射性物質(zhì)導(dǎo)致的異常靜電信號(hào)足以被附近多點(diǎn)布站觀測(cè)的儀器接收.這種形式的組網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在國(guó)際上被稱為Multi-Sensor-Networking Analytics (MSNA)(Pulinets and Ouzounov, 2018).

本文所舉觀測(cè)事例表明存在臨震前幾個(gè)小時(shí)或者幾天的大氣靜電反方向信號(hào)，并且給出了組網(wǎng)捕獲這種信號(hào)的具體實(shí)施手段，警戒需要特別關(guān)注的區(qū)域.本文所建議的組網(wǎng)觀測(cè)和提前感知的方法可能會(huì)對(duì)將來提高短期和臨震預(yù)測(cè)水平有實(shí)際的促進(jìn)作用.