地震前电磁异常现象的物理机制（一）
地震前电磁异常现象的物理机制
临沂大学沂水校区-----陈维会
在1976年我国成功预报海城地震后，全国涌现出许多专业和业余的土地电、土地磁的测量站点。但对地震与地电磁的关联机制缺乏研究，无法用理论指导土地电、土地磁的检测和鉴别，单靠个别人的经验是无法正确区别干扰因素，致使预报正确率极低，没有参考价值。再加上同一次地震，有的地电检测台检测到异常电磁信号，有的地电检测台检测不到任何异常。或某地电检测台在某次地震前能检测到异常电磁信号，而在另一次地震前毫无异常电磁信号出现。由于没有可信的理论解释这些现象，因此许多人或某些组织不认为地震前的电磁异常信息与地震关联。所以80年代初期, 我国的“土地电”随同“三土”( 土地电、土地磁、土应力) 一并被废除。受希腊地电场VNA地震预报方法激励，及数字化地电场仪的研制成功，国内又建起了100余个地电场检测点。几十年间积累了大量的资料。
近几年随着检测手段的扩展，检测仪器性能的提高，由仪器记录下大量地震前的电磁异常信息。科学家经过大量震例观察研究发现：震前普遍存在各不相同的电磁异常现象，在排除可能的干扰因素外，震前电磁异常现象与地震的相关性得到不少科学家的认可。但到目前没有一种理论能够合理的解释地震前出现的种种异常现象。
既然地震前的一些电磁现象与地震有关，那么震前必定会存在某种能量转换成电磁能量的物理机制。为此科学家们提出了许多假设，如动电效应（过滤电势）、压电效应、压磁效应、震电效应、摩擦作用、过氧键断裂及岩石破裂的电磁辐射，岩石破裂时裂纹尖端电磁辐射,放射性物质电离等等。虽然这些学说都得到一定的实验室实验验证，但都无法正确解释地震前出现的各种电磁现象。前面也都从理论到实际检测数据充分证明：地震前的异常电磁现象与上述机制无关。
实际检测数据证实震前出现的各种电磁异常现象确实与地震关联，那么必定存在一种产生异常电磁量的物理机制。本人依基本物理理论作指导，依据大量检测数据，开拓思维，经过几十年的研究，一步步揭示了地震前产生电磁异常现象的复杂物理机制。这种物理机制的每一个环节都合乎基本物理理论，有实验室的实验验证，有实际检测数据证实。用这物理机制可解释所有的震前电磁异常现象，由这物理机制推演的地震前异常地电场特征，也都与实际检测事实相符。这就证实这种物理机制是正确的。
（一）地震前异常电磁信号特征
自原苏联切尔纳夫斯基发现地震前近地大气电场的波动后，许多科学家进行了深入研究。中国地震局地球物理研究所的郝建国、唐天明、李德瑞等学者，研究分析了华北几十次地震前后众多台站的大气电场数据后发现：地震前近地大气电场出现了大幅度的负异常[1]。李一丁，张亮等人分析了汶川地震前，温江、郫县大气电场检测点的数据[2]及许多中外学者[3]的研究也发现了相同的现象。
平常近地大气中带正电荷，地球带负电，大气电场垂直向下，并规定垂直向下的大气电场为正。地震前，出现了大幅度垂直向上的电场（负异常）这是不争的事实。出现这种现象的因素有三种，1、太空及电离层干扰；2、近地空间电荷异常变化；3、地表电荷异常变化。由卫星检测仪器的检测可排除太空气象干扰，因近地大气是近乎绝缘的，在静稳天气环境里近地大气中绝不会突然出现大量电荷；原因只有一个，那就是地面出现了大量电荷，因大地是导电的，所以这种可能性是存在的。由实际检测到的近地大气电场负异常这一现象，根据静电理论，地震区域出现的必定是单一极性的正电荷。由此得到一个地震电磁异常特征是：
特征1 地震区域的地面出现了单一极性的正电荷。
静电理论规定；在正电荷电场中，电场矢量方向由正电荷指向无穷远处，那么其电场中任意一点的电场矢量的反方向必定指向正电荷。见下图1
图1
中国地震局地球物理研究所毛桐恩及中国地震局分析预报中心席继楼、王燕琼等学者对河北省张北县M6.2级震前地电场的研究发现，大地电场矢量方位的反方向指向地震区域[4--5]。
这绝不是巧合。上海地震局马钦忠学者对汶川地震前成都台地电场数据分析[6]得出，震前地电场极化特征为线性。马钦忠、唐宇雄、张永仙等学者对西藏四次地震检测数据的分析也得出同样结论。
马钦忠、李伟、张继红等学者在青岛660千伏直流输电换流站接地极向地下注入2100~3004 A大电流期间，分析了大山、安丘、 新沂、凌阳等地电台的地电场矢量方向，结果显示，检测到的地电场矢量延长线均基本通过换流站接地点。见下图。这些事实佐证了上面的结论。
图 2安丘台、大山台、新沂台地电场信号方向数定位示意图
震前对近地大气电场的检测数据看出，大气电场的负异常幅度大于几百V/m，甚至高达1000V/m。由此得出第二个地震前异常电磁信号特征。
特征2 地震区域地面正电荷产生的电势很高。
由云玉新等学者对胶东换流站的测试参数得知：换流站接地电阻R=0.06Ω。若换流站向地下注入3000 A电流，那么换流站的地面电势为180V。马钦忠、李伟、张继红、郭玉贵、方国庆学者，利用此换流站接地极向大地注入大电流期间，在距换流站450 km 范围内的安丘、陵阳、郯城、新沂、乳山、大山、皱城、菏泽、兴济、徐庄子、昌黎、静海等地电场台站，记录到的地电场信号强度(图)，与席继楼、陈敏、董蕾等学者对2019年6月17日长宁6.0级地震前距震中390ｋｍ的仙女山台记录数据分析资料（图）做比较，可得知：长宁地震中心区域的电势需高达几百伏，才能在仙女山台得到如此幅值的信号。
图3 安丘、陵阳、郯城、新沂、乳山及大山台地电场信号图
图 4长宁ms６.0级地震前后仙女山台地电场异常变化信息统计
地震前地面电势能引起几千米高空电离层参数的波动，这也说明地震区域的地面电势是很高的。
由众多学者对几百次强震的各地电台记录数据统计表明：各种电磁异常现象大都发生在震前几小时至几天时间内，而地震发生时刻却没有地电磁异常信号。
图5 2008年5月10--12日陇南汉王台地电场仪器记录的大地电场分钟值曲线
所以：
特征3 地电场的异常在震前几小时至几天时间内
科学是一个在发现问题和探索解决问题的过程中，无限趋近于真理的渐进过程。是什么因素使地震前地面聚集了如此多的正电荷？如果了解了这其中的物理机制，对破解地震预测难题有着积极的意义。对今后的检测仪器设计，数据处理方法会提供理论支撑，
下文开创性的论述了地震前各种电磁现象的全新物理机制。此理念不仅阐明了以上观察结论的基本物理原理，重要的是用此理念能合理解释目前发现的全部震前电磁异常现象。
自然界中各种物质中含有的正负电荷的电量，是基本相等的，对外不显电性。到目前为止人们还没有办法制造出单一极性的电荷。借助某种外力可把物质中的正负电荷分开，如摩擦起电等。如果分开的正负电荷间距离相对于观察者而言足够远，例如几十千米，此时可得到特征1的地电场特性。
目前对地电场异常机制的假设，如动电效应（过滤电势）、压电效应、压磁效应、震电效应、摩擦作用、过氧键断裂及岩石破裂的电磁辐射，岩石破裂时裂纹尖端电磁辐射,放射性物质电离等等都不能把地层的正负电荷分离如此远的距离。所以以上机理都不是地震前地电场异常的原因。如果地下存在着一个电容器，电容器两极板间距达几十千米远，在电容器放电时，即可得到特征1的地电场特性。那么地下存在这样一个电容器吗，电容器是如何充电和放电呢，其放电与地震又有怎样的联系？下面先从地质结构来论证这一系列的问题。
（二）地电容
1 地球的圈层结构
1.1 地震波在地层中的传播规律。
因为入地必登天还要难，目前人们只钻探到地下12千米深处，要了解更深的地下深处，必须借助一种能深入地下的“工具”，这就是地震波。下面先介绍下机械波的特性。
波可分为电磁波和机械波，电磁波可在真空中传播。而机械波必须依靠某种介质才能传播。地震波是由地震震源发出的在地球介质中传播的弹性波，是机械波。我们常用波长、波速、频率等来描述波的某些特性。在介质中传播的机械波，如果介质中质点的振动方向与波传播方向相同的一类波叫纵波，用P表示，也叫P波。
图6
介质中质点的振动方向与波传播方向垂直的一类波叫横波，用S表示，也叫s波。
图7
纵波或横波是在介质内部传播的，又把纵波与横波叫做体波。当体波到达介质表面时，在介质界面会激发形成面波。根据面波特性，把一种介质质点的运动轨迹是垂直于波的传播方向，并平行于介质面做椭圆运动的振动波。叫勒夫(Love)波，又叫L波。把一种介质质点运动轨迹是垂直于介质表面并平行于传播方向的椭圆移动，并且椭圆的长轴垂直于介质界面的震动波方叫瑞利（Rayleigh wave）波，又叫R波。另外还有水力波、斯通利尔波等。面波只能沿界面传播。
描述地震波的一个重要参数是波速V。由广义胡克定律，及波动方程等可推导出机械波在介质中的传播速度：
式中V P纵波在介质中的传播速度 ； V s是横波在介质中的传播速度；K 是介质的容积弹性横量, 表示介质的不可压缩性； μ是刚性系数, 表示介质的刚性；ρ是介质密度。
对比上两式看出：纵波的波速大于横波波速（Vp>Vs）。纵波与横波的波速，均随介质的密度增加而增大减小，随刚性系数增大而增大。
由（2）式可知：弹性模量μ随着介质刚性降低，塑性的增加而减小，机械波在其介质中传播的速度也随之减小。当介质是流体（如水、空气等）时, 其弹性模量μ为零, 因此流体介质不能传播横波。
地震波是一种机械波，也遵从斯奈尔（Snell）定律（又称折射定律），当地震波从一种地层介质传入另一地层介质时会有：
sinθ/V1=sinα/V2=P------------------------（3）
V1、V2是地震波在地层介质1和介质2的传播速度；P为透射率。
图8
设介质1的波阻抗ρ1V1与介质2的波阻抗ρ2V2不相等时，即ρ1V1≠ρ2V2，地震波就会发生反射。
因为地球内部的压力随深度增加，虽岩石的密度随深度也增大，但岩石中的空隙随压力增加而减小，这使岩石的体积模量和刚性系数随深度的增加比岩石密度增加的更快，由式（1）式（2）得知地震波的波速随深度的增加而增加。
由斯奈尔定律（3）式可知，地震波由浅层向深处传播时透射角大于入射角。这样，在我们的地球内部P和S地震波速一般是随深度增加而增加的，地震波在地层中传播的路径是一条曲线。费尔马研究证实：“光在介质中传播的路径为走时最小的路径”。见下图：
图9
在震源处地震发生的时刻, 叫做“发震时刻”； 地震波传播到观测点的时刻叫“到时”；某一地震波从震源出发到达观测点所需要的时间, 叫做“走时”；奥尔德姆将P 波和S 波等波的走时与震中距绘成图叫做“走时图”；19 4 0年杰弗瑞斯一布伦又把走时和震中距的关系绘成曲线, 叫做“走时曲线”。
地震波的传播除体波外, 对于成层的地球结构来说, 面波也是重要的, 地面所观测的面波速度不是常数, 而是随着波的频率改变, 这种现象叫做频散, 速度与频率的变化关系叫做频散曲线, 频散曲线的形状和地层的厚度和物理性质有关系; 地球自由振动的基波和谐波特征决定于地球内部弹性与密度的分布
地震波体波的震相、到时、走时、速度及其传播路径, 是探索和了解地球内部结构的基本根据和重要方式。
从地震波的观侧与研究中, 获得地球内部结构的信息是最直接和高精度的; 为了探索地球内部结构, 除了地震波之外,还可以根据重力、地磁、热流量等的观测
但当岩石熔融时，其剪切模量下降至零，因此横波不能通过这样的地层。
图10
上图10是2009年1月4日印度尼西亚东部7.6级地震时在美国一个名为“CMB”地震台的地震波形图。大约在（世界标准时间）19时57分，P波初至（P1），在20:02分又有反射的P波到（P2）。20:12分直达S波到达（S1），20:17分反射的S波到达（S2）。在20:31分面波（L波）到达。
2011年底，在西太平洋地区发生了一次地震，美国东湾山地震台三分量地震仪，记录了这次地震的地震波形。下图是垂直分量地震波形图：
图11
红圈内放大的地震波形图如下，图中有四个突出的峰值。它们中的每一个点都代表不同类型的地震波的到来。
图12
第一个峰值是从地震震源直接到达加利福尼亚州东湾山地震台的纵波波形，标注为P。
图13
第二个峰值是直达纵波到达后的83秒。这一峰值波是从地震的震源发出的纵波，到震源正上方的地球表面，在那里它被反射，然后沿着原来的P波到达东湾山地震台。这种类型的波被称为“小p - 大p”（pP）。图3中的草图显示了它的理想化路径。
图14
第三个峰值是由震源发出的S波，传导到震源正上方的地球表面，在那里经过反射，被转换成了一个P波，跟随其他两个“先行者”到达接收点，由于经历从S到P的转换，这个波被标记为“小S- 大P”（sP）。因S波传播速度慢经历时间较第二峰值长。
图15
第四个峰值是震源的纵波在震源和接收点一半距离的地球表面反射，最后到达接收点，这个波被称为PP。由于穿越的路径最长，用时比直达波P波长100多秒。
图16
因此人们通过研究地震波的各个参量便可了解地球内部的结构。
1.2地球岩石形态的圈层结构
20世纪以前，人们认为地球是一个内部比较均匀的大圆球。1909年10月，巴尔干地区连续发生地震，克罗地亚地球物理学家安德烈·莫霍洛维奇在研究近30个地震台站的地震波记录资料时发现：在距震中17 5公里观察点的走时曲线发生弯曲，在大陆之下平均为33km深处，纵波的速度从7.0km/s左右突然增加到8.1km/s左右；横波的速度也从4.2km/s突然增至4.4km/s。因此他推断地球内部结构是分层的，上面是地球的地壳，地壳的底面被命名为莫霍洛维奇间断面。
康拉德在1 9 2 5年研究奥地利19 2 3年发生的地震时发现,走时曲线分为三个直线部分，地壳内有波速不连续的分界面，把地壳分成二层。进一步研究得知地壳上层为花岗岩下层为玄武岩，后把这界面称为康拉德不连续面。此后科学家又陆续发现了地球的许多不同的分界面。
1971年国际大地测量协会(IAG) 和国际地震学与地球内部物理学协会( IASPE )成立“标准地球模型委员会”，经几年工作，于1980年1月由基旺斯基和安德森提出了一个新的地球模型， 简称P R E M 。 这是人们对地球内部结构分层认识的最新成果。下图给出基旺斯基地球模型内部结构。
图17
（1）地壳
地壳是莫霍界面以上到地球表面的一层。主要由岩石和海洋组成，大陆下的地壳平均厚度约35公里，海洋下的地壳厚度仅约5～10公里；整个地壳的平均厚度约17公里，这与地球平均半径6371公里相比，仅是薄薄的一层。
地壳上层主要由花岗岩层（岩浆岩），下层为玄武岩层（岩浆岩）组成。理论上认为每深入100米温度升高1℃。近年的钻探结果表明，在深达3km以上时，每深入100米温度升高2.5℃，到11公里深处温度已达200℃。
1914年，美国学者古登堡发现地下2885千米处存在地震波速的间断面，纵波存在一次由13.6千米/秒突然降低为7.98km/s的截面，该不连续面称为古登堡面。古登堡面以上到莫霍面之间的地球部分称为地幔。地幔又分为上地幔和下地幔，上下地幔均为固体岩石构成。
（2）上地幔
在地面下33—980km深度处为上地幔，厚度约950km，温度为400～3000℃⑧。古登堡研究发现：地幔接近顶部的位置，有一个地震波速由8.1—8.5千米/秒降低至7.2—7.8千米/秒的地震波传播速度减缓层，称为“古登堡低速层”。推测此层是由于放射元素大量集中，蜕变放热，积累的热量使岩石软化并局部熔融造成的，故称为“软流层”。软流层深度在60-250km之间，温度在1300度左右,基本上呈全球性分布。据推测，可能是岩浆的发源地。实际测定得知，地球各大陆板块都在向不同的方向缓慢运动，如果没有软流层，就不会出现这种现象。火山熔岩流和大陆板块的移动事实证明软流层确实存在！
（3）下地幔
下地幔深度在980—2900km，美国一些科学家用实验方法推算出地幔与核交界处的温度为3500℃以上，上部是固态，下部是液态或熔融状态。
（4）外核
古登堡面以下到地心之间的地球部分称为地核，地核分为外核和内核。外核深度约2900—4700km，外核与内核交界处温度在5000℃以上横波不能在外核中传播，表明了外核的物质在高温和高压环境下呈液态或熔融状态。
（5）内核
内陆核是一个半径为1250公里的球心，物质大概是固态的，主要由铁、镍等金属元素构成。地核的温度和压力都很高，据美国科学家最新研究，估计温度可达6300℃。
1.2 地球导电特性的圈层结构
地球不仅存在着物质形态的圈层结构，还存在着电性的圈层结构。目前人们最深钻探深度不超过12km，地球内部是遥不可及的区域，无法直接进行取样检测，但由于温度压力的升高，氧逸度改变，放射性元素放射电离等因素，使地球内部电导率升高，由许多科学家用大地电磁探测法，天然地震探测法等多种方法检测表明，地球存在着不同导电性能的圈层结构，按照地球各物理层的电导率，地球可分为如下几层：
（1）地球表层导电层
地球表层导电层也就是地球最外面的高导层，这是我们能触摸和直接测量一层。主要是由含水的多裂隙沉积岩，风化土壤，及海洋组成。土壤的电阻率在100Ω.m左右，海水小于0.1Ω.m。是很好的导电层。见图17。
⑵ 地壳高阻层
地壳中除极少数靠电子导电的如石墨，汞闪锌矿等等矿物外，主要是靠离子导电的岩石，岩石在干燥状态时电阻率都很高。地下岩石的导电性能主要决定于岩石含液态水的多少，孔隙连通程度及温度等。
地球表层的高导层再向下的基岩，主要是密度相当大的花岗岩和玄武岩构成，由于其内部压力和温度的升高，岩石孔隙减小，孔隙闭合，岩层里的水是以结晶水，强结合水和气态水形式存在。裂隙里虽有较多的自由水，但裂隙很少，多呈水平状态,大多不贯通，所以整体电阻率很大，高达5×107Ω.m。地壳下部到上地幔上部的高阻层厚达30千米，对主要靠离子导电的基岩来说是很好的绝缘层。
地壳的高阻层也是大多数地震的震源区。
⑶地壳中间高导层
科学家已探明在地下6--12km的地壳中存在一层全球性的高导层，电阻率在0.02--1Ω.m。
⑷上地幔高导层
近几年的实际钻探得知在深达3000米以下时，每深入100米温度升高近2.5℃。由此推算在60千米以下温度升高到1000℃以上，这正是地震波减慢的古登堡层，证实这里的物质形态发生了改变。
上地幔的中上部可能由于放射元素大量集中，蜕变放热，热量积累，使这里的温度有较大的异常升高，岩石软化并局部熔融造成 “软流层”。实验室研究表明，干燥岩石随温度的升高电阻率下降。由于软流层温度高，再加上放射性元素的放射电离，所以软流层也成高导层⑩。科学家根据世界各国所积累的电磁探测资料已证实，地壳以下的上地幔确实是高导层，电导率在0.01S/m～1S/m左右。这比室温下半导体硅的电导率高出许多[17]。
⑸ 下地幔高导层 随着深度的增加，温度也缓慢升高，电导率也在增加。下地幔的电导率大于1s/m。
⑹内外核高导层 据推测外核是液态的铁镍等金属，内核是固态的金属铁，它们都是良好的导体。由此可把上地幔中软流层固相线到地心看成是一个中心导体球。（继续）