地震电磁扰动（电磁波）观测的一些新进展

山水如屏

   按：应秋翁之邀，笔者将目前掌握的电磁扰动（电磁波）观测的进展情况整理成文，以飧各位网友。以下文字素材主要取自地球物理研究所“地震电磁扰动信息分析实验室”提供的相关材料，非本人研究成果，特此说明。

    地震电磁扰动观测工作起始于1976年唐山地震后，经过近40年的研究检验，被认为是短临效果较好的一种方法。据统计，目前各省市电磁扰动观测台站共151个，大部分属于地方性非专业模拟观测台站（含厂矿企业台站）。全国除天津、吉林、湖北、湖南、贵州、陕西、江西、西藏和新疆外，其余省市都不同程度地建有电磁扰动观测手段，覆盖率为74.2%；但台站分布很不均匀，东边密集，西边稀少；电磁观测台站最多的省份是山西省，有37个，有些地方，特别是西部地区，像新疆、西藏则没有地震电磁监测能力。此外，由于电磁扰动方法自身的缺陷，一直没有列入正式的日常地震观测手段，缺乏正规的规范化和统一管理，观测资料没有得到充分的应用。
    总体来看，近年来地震电磁扰动观测表现出以下趋势：
    一、从“模拟观测”向“数字化”、“网络化”过渡，这也是前兆观测发展的大方向。我国已经初步建设了两个数字电磁波监测网：一个是首都圈地区数字电磁扰动观测网，仪器大多为“大地电磁仪器公司”设备；另一个是四川地区的数字电磁扰动观测，使用“晶微电子技术公司”的观测设备。数字化、网络化使得电磁扰动观测可以实时进行数字采集和图形显示，并将数据通过网络远程传输到分析中。研究人员可分段统计平均值、最大值、总量，便于对异常进行分析，也有利于台站资料的定量对比。
    二、由地表观测转入地下。如廊坊大地公司CNEM08-I型电扰动仪，采用埋地电极对作为接收传感器，可观测地下电场的波动变化，并定时监测地下电阻率。井下观测能有效地避免来自地表和外界的各种干扰噪声，使获得的数据更为直接﹑更加准确。实践发现，只要电极埋深到5、6米，地表各种干扰因素对电磁扰动观测的影响就大大减弱。很多表现良好的电磁扰动观测点就布设在市区，并不需要寻找僻静场地。
    三、开展对比观测。2009年5月，中国地震局于昌平地震台架设了4套电磁波观测仪，分别是廊坊市大地公司的CNEM08电扰动仪（11月2日又增加磁电极）、郑州晶微公司的DC-Ⅱ电磁扰动仪和地壳所DCRD-1电磁扰动仪，中国地震局预测所的EMAOS型电磁波仪。通过对比观测，可以检验各种类型观测仪器性能，也有助于我们对异常信号的甄别判断。
    四、观测仪器的社会化、市场化。目前全国各地使用的电磁扰动监测仪器中，很多都由社会上的厂家生产而非地震系统内部研制，如廊坊大地公司的CNEM08电扰动仪、郑州晶微公司DC-Ⅱ电磁扰动监测仪等，这是电磁扰动观测不同于其它传统测项的一个特点。目前，大地公司生产的电磁扰动仪器已经纳入了中国地震局“华北地区强震强化监视跟踪工作方案”，郑州晶微电子科技有限公司电磁波仪器正用于汶川强余震的跟踪监测。
    这里笔者想多说几句。应该说前兆仪器是长期困扰地震部门的一个问题。由于地震前兆观测的理论和方法都不够成熟（与测震学相比），前兆仪器的研发也一直处于探索试验状态，很多设备都是预测人员“自己动手、丰衣足食”。这种“作坊式”的生产方式难以形成规模，制作成本居高不下，仪器稳定性难以保证，同时仪器生产单位也容易滋生“山头主义”保守思想，技术革新和售后服务都差强人意。对此业内人士普遍认为：前兆仪器走向社会化、市场化才是出路所在。电磁扰动手段由于未纳入地震局日常观测手段，反而使得各地用户有机会将视线投向市场。前面提到的两款电磁扰动仪器都是成熟的社会化产品，均采用低功耗、适应恶劣环境的高性能工控机为硬件平台，仪器质量稳定、服务也好。笔者认为，“群测群防”不仅是动员民间爱好者开展观测，也包括调动社会各方面的科研力量和生产资源。电磁扰动仪器市场化的一些经验可以为其它观测手段所借鉴。
    五、观测频段向低频发展。早期的电磁扰动观测处于“宽频带”的摸索阶段，几乎所有频带都有人做过观测。譬如秋翁介绍的利用收音机开展监测的方法，主要工作频段是高频和甚高频（大都是××MHz）。经过长时间的实践，目前地震系统（含地方台）的电磁扰动观测逐渐向甚低频（VLF）和超低频（ULF）观测发展。例如前面提到的4种对比观测仪器（CNEM08、DC-Ⅱ、DCRD-1、EMAOS）观测频段分别是0.05～10Hz、0.001～10Hz        、0.1～10Hz、0.01～10Hz。笔者认为这其中有两个原因：一是高频频段上广播、通信电台太多，频段最为拥挤,这给有用信号的提取造成困难。二是经过多年来的压力试验，对岩石挤压、破裂的脉冲频段有了更准确的把握。
    最后略讲一点近年来电磁扰动手段的表现。CNEM08-I型电扰动仪在廊坊市地震局进行试运行观测期间河北文安发生了5.1级地震，对比该仪器在震前震后的资料可以看出，震前地电异常幅度大，次数多，震后异常幅度减少，次数减少。汶川震前四川省广元市剑阁台和德阳市金河台两处的DC-Ⅱ电磁扰动监测仪有异常反应，但布点太少不足以支持结论性的判断。值得一提的是近年来颇受关注的“平安电磁波”，尽管只是一套模拟仪器，其脉冲数值自架设测项以来在青海省东南部及甘川区域的强震前都存在过高值状态，尤其是在汶川、玉树地震前有明显的变化，目前已成为业内焦点。

秋翁感悟

详细把全国各省市电磁扰动观测台站分布及覆盖率叙述出来，电磁扰动观测台站使用仪器也能说出型号，电磁扰动观测今后发展趋势是什么？山水如屏？神人！！！
每次看你的帖子，总让我懂得许多知识，并且受益匪浅。学习了！

土豆

甚低频确实值得注意，
可现在可以接收长波的收音机一般都只能接收最低100KH，再低的就没能找到，
xiangdan的装置算是自制甚长波接收比较成功的了？
我也自制了一个简单的装置（偶然中发现，还在试验中），
自称为“磁棒共振”装置，磁棒的摆动频率大约是1.6赫兹，参见：
土豆的土办法：磁体共振
http://www.dizhenluntan.com/thread-40962-1-1.html

山水如屏

回复 2# 秋翁感悟


    前面已经讲过，此文字素材主要取自地球物理所等有关单位，都是他山之玉，非本人研究成果。“神人”不是什么好词，秋翁还是不要再提。

山水如屏

回复 3# 土豆


    之所以近年来低频观测受到重视，笔者认为主要原因还是高频信号干扰源太多。

土豆

甚长波受磁暴、电离层、一般电器的干扰是比较小，
它可以不依靠电离层在地表、地下、水下传播很远距离，
问题是他需要很庞大的发射天线和很高的发射功率，
但这些对可能存在的地下低阻层的岩石击穿“闪电”来说，应该不成问题？至少功率足够了，

不过震前的电离层变化也确实值得关注，所以多频段监测可能比较合理？
但在监测范围和精度上可能有所不同，需要长处短处互补，

土豆

从压电效应看，大面积的巨大压力足以产生“地下闪电”所需的高压静电场，
地电、地磁测量录像（片段）：
http://duo.la/v2-hK99_p5Ln74.html
再加上外界的种种触发因素，产生“地下闪电”应该是可能的？
而强电流足以气化岩石了，也许会出现岩石“空化区”，一旦真的出现这种“空化区”，
岩石就不只是受压了，一定会在“空化区”边缘处产生强大的弯矩---拉应力，
（当然还有剪切应力也很重要）
都知道岩石的抗弯（抗拉）强度远小于抗压强度，于是岩石断裂后就很可能在“空化区”发生碰撞---地震？
所以电磁异常总是发生在发震的前几天或前几小时，而在发震的瞬间却很难接收到远处的明显电磁异常？
只是“地下闪电”的发生也许并不总会造就在数天内发震的“空化区”，这就使得有电磁异常出现不一定必然发震，
除非有某种方法能排除累积阶段的“成长空化区”，只对“临震空化区”有所反应，那就可以很准了，

山水如屏

回复 6# 土豆


    甚长波受磁暴、电离层、一般电器的干扰是比较小，
它可以不依靠电离层在地表、地下、水下传播很远距离，
问题是他需要很庞大的发射天线和很高的发射功率，
但这些对可能存在的地下低阻层的岩石击穿“闪电”来说，应该不成问题？至少功率足够了，
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    您说得很对，这个问题涉及地震学的基本原理。我们常说震级代表一次地震释放的能量，其实是不准确的。地震学家通过仪器检测到的地震波来计算震级，然而一次地震释放的能量却并非都转换成地震波（机械能），同时还要转换为电磁能、热能、光能、声能等等。即便是机械能部分，也不是都转换为地震波，像岩层位错、海啸等等也是释放机械能的表现。究竟有多少能量转换为地震波以外的形式，这个百分比系数目前尚不确定。考虑到一次强震释放的能量是巨大的，即便这个系数不很大，其电磁能部分也足以与人类的发射天线相提并论。但是“地下闪电”、气化岩石、“空化区”的设想还缺乏证据。

山水如屏

回复 7# 土豆


    “空化区”其实是一种解释电磁能转化为机械能（地震波）的假说。需要注意的是，提出一种物理模型不但要考虑电磁场的变化，同时还必须与实际观测的地震波记录相吻合。
    应该说地震学家对弹性波的研究还是比较清楚的，通过S波的观测结果分析天然地震大多数符合双力偶模型。因为出现空洞塌陷而产生的地震也有，但非常少，譬如火山地震、陷落地震等。如果“空化区”边缘处产生强大的弯矩---拉应力的话，产生的地震波就会是另一种表现。

土豆

这个“空化区”能空化到什么程度也难说，也许只是使得受压区变得疏松一些？
总之某种类似电击穿（闪电）的效应看来应该是存在的，
至于这些“闪电”对最后发震（位移突变和弹性回跳）的影响有多大，确实难以验证，
也只能是估计如果在一个受压（受剪）区内，因“闪电”造成内部疏松、裂纹的话，
至少会使得其内部产生应力分布的变化，可能造成多处应力集中的情况出现，
总之感觉这个“压电效应”中的压和电是相辅相成、相互促进的关系，

只靠地下的闪电和打雷也许还难以构成地震的效果，
因为发震的瞬间往往并未发生最强的电磁异常？

山水如屏

回复 10# 土豆

自圆其说，又要符合实际，建立一个科学合理的物理模型确实是非常困难的。

秋翁感悟

回复 3# 土豆


  “自称为“磁棒共振”装置，磁棒的摆动频率大约是1.6赫兹，参见：土豆的土办法：磁体共振。”详细看了你的介绍，很有独到之处，能够对应几次地震，这就说明灵敏度还行。我不太懂，觉得使用棉线做吊绳还是有扭力，单根蚕丝，马尾巴应该没有扭力。

回复 3# 土豆

再低的收音机比比皆是，看看你家的音响，电脑多媒体音响也行，说明书频响一般都在35--18KHZ，精品的15--40KHZ。磁阻试验人

土豆

回复：秋翁感悟
感觉是超出了我原先的预想，想继续探索一下其中是否确实存在一定的统计规律，
但愿能达到70-80%的基本符合率就算很不错了，理论上我也说不清楚，
也没查到对悬吊磁棒自发微小摆动的研究资料，所以规律还要自己摸索，
棉线效果还可以，蚕丝应该也不错，可以试试，马尾巴的柔软性可能稍差点，也要试了才知道，
多谢前辈关注，看了你的收音机有趣经历，我们这批进入的晚一点，多是受北川中学指南针的影响，
预测近距强震是本意，远距预测还有待统计观察，

回复：磁阻试验人
音响的频率响应是音频放大器的性能问题，
长波接收主要是天线共振回路的问题，比如如果是LC选频，就要求线圈的电感量较高，
（圈数要多，磁芯导磁率要高）
类似xiangdan的那种天线装置，也许就是接收天线的问题限制了长波收音机的性能，
另外，估计在长波段的电台也很少了？
对地震监测可能就需要有专门的甚长波接收机，应该不是很难制作，xiangdan比较清楚，

山水如屏

回复 14# 土豆

笔者在《“群测群防”的衰落与地震“民科”的困局（上）》一文中提到过，简易的观测仪器尽管平时干扰噪声大于目标信息，观测到的不是“科学的东西”，但是在大地震发生前夕，孕震区产生的强异常信号往往可以压制干扰噪声从而被仪器观测到，所以“三土”对于短临预报的辅助作用是不应被简单否定的。反过来说，高频、甚高频观测的频段由于比较拥挤，或许有效信号只在大地震前才能被检测到。

xiangdan

回复 15# 山水如屏


    你的文章写的很好!我很喜欢阅读,在我们生活的空间中存在着各种杂乱无章的电磁波信号.我们被这些电磁波包围了.

回复 14# 土豆


   你说得没错，除了放大还要选频，还可以补充2点，1就是变频，甚至二次变频。2就是波长比的天线。功放是无用的，高倍不自激放大，选频，滤波是实现灵敏度和选择性的条件。用于广播的电台长波里很少，我已买了，没受几个台，或许对地震波没广播影响。我的意思是玩功放的容易实现低频放大。

土豆

电离层按高度分为D、E、F三层，D层最接近地面，只在白天出现，晚上就消失了，
估计我的磁棒与这个D曾有关，因为夜晚还没有过报警，也算是一种局限性吧，
不过也许可以作为对白天D电离层扰动的一种检测方法，而且D层受磁暴的影响较小，
地下的电磁活动（闪电）更易于通过它的反射远距传播，参见：
http://solar-center.stanford.edu ... ese/ionosphere.html
http://wenku.baidu.com/view/2364912c2af90242a895e569.html

总之超长波的传播通道主要是：地下、水下、地表、地表与D（包括E）电离层之间的来回反射，
短波是靠F层反射传播的，由于是最外层，所以受太阳影响较大，太阳照射下的电离层噪声也较大，
但适合在夜晚监测电磁异常，微波按说是直线传播，但遇到电离层异常的话，也会出现异常反射FM DX，

山水说的对，一般小震的信噪比不太够，但大震前兆的信号应该容易分辨出来，
只要大家注意积累平时的信号本底资料，就可能发现、过滤出强震前兆信号，
没必要为预测一些小震的成败而陶醉或懊恼？

秋翁感悟

回复 18# 土豆


  地磁场分为三个考查数据，垂直分量Z、磁偏角D和水平分量H的数据,在地震观测中比较重视垂直分量Z数据的变化，这个数据往往对应六级以上地震好。也有人专门研究磁偏角D也能准确预报地震。

土豆

就目前的磁摆来说，测量磁偏角D的变化比较容易，但现在还暂时难以与温度变化等缓变因素区分开来，
暂时还是同视为缓慢的零点漂移，放大装置本身的零点漂移很小，一般在3mV以内，
但吊上磁棒后，漂移就时常在10mV左右，而且似乎与温度相关，可有时又不是，
（这有时也给监测报警带来一点误差，好在可以听到报警后观察磁棒摆幅、摆向，报警压差设置40mV左右）
需要把装置严密包裹后再试，逐步寻找磁偏角变化规律，

垂直分量以后也可以单独测试，可能需要有水平轴约束？估计也是缓变的？
【南北摆】是否类似垂直分量的上下【点头摆】，还不好说，
但【南北摆】和【东西摆】似乎都不是缓变的，一般具有突发性，持续时间常在数秒到数分钟之间，
我第一次看到磁棒摆动时，首先想到的就是机械振动干扰，可反复的实验后就看出并非如此，
（特别是发现它还会【南北摆】---磁棒纵向摆动）
可没想到寻找摆动原因成了件难事，可能还需要观察一段时间，
还希望前辈和各位网友能提供有关“磁摆自发摆动”的相关资料，早日了却这桩心事悬案，

秋翁感悟

回复 20# 土豆


   看到你的帖子我非常兴奋，你对于地震观测能有独特见解，并且 带着问题研究，一边实践一边学习，集中所有时间对这个课题进行思考、推理、论证，这就是业余地震爱好者的志向。

土豆

多谢前辈鼓励，
我是学建筑结构的，爱好却是电子、物理什么的，所以研究“压电”也是缘分？呵
目前也只能是“摸着石头过河”，边学边试吧，

山水如屏

回复 22# 土豆

多谢前辈鼓励，
我是学建筑结构的，爱好却是电子、物理什么的，所以研究“压电”也是缘分？呵
目前也只能是“摸着石头过河”，边学边试吧，
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天道酬勤，特别是能够考虑干扰和噪声的分析排查，是非常好的研究态度。

土豆

回复 23# 山水如屏


帖子沉的太快，无意间才看到（这些天搞得有点紧张），见谅，
感觉现在大家还有点盲人摸象的感觉，可能都摸到地震的一点规律，但又都不完全，
需要各种思路、方法相互补充借鉴才好？
以前也做过一些物理实验，还都是些测微的差事，深知干扰和噪声的厉害，吃过不少苦头呢，

山水如屏

回复 24# 土豆

若不是那只神龟捣乱，帖子也不至于沉得这么快