利用大地电流预报地震的探索（2）

利用大地电流预报地震的探索
地震是世界上最具破坏力，伤亡人员最多的自然灾害之一，正确进行地震预报是减少人员伤亡和财产损失的有效方法。本文就大地电流预报地震的机理和方法进行探讨。
地震是地壳发生破碎的物理现象，有一定的物理原因，有一定的自然规律，那么必定就可预报。在板块与板块的相互作用下，地震必定会发生在应力最大的突出点，拐点处等。地震是地壳岩层应力的释放，在地壳岩石应力聚集和释放时必定会伴有其他物理现象发生，如岩石应力的变化、岩石的位移、由此而伴生的电场骚动，大地电流变化，磁场变化，电离层变化、局部的温度变化，产生超声次声的震动、地下水体分布等。检测这些变化即可对地震进行预报。

在同一条断裂带上，一个突出点断裂了发生过大地震，那么应力就会转移到别的突出点上，这样测量整个板块各处及断裂带两侧的应力和位移就可预报地震。只测一两处的应力，没有全盘的考虑是不能预报的，以前的情况就是这样。岩石应力的增加就会产生热量，所以测量地下温度的变化也可预报地震，但测温点要多而广，也需联网全盘考虑，利用卫星的红外线遥测是很好的选择。局部地区地下温度的变化，必然会引起天气的异常变化，这可作长期预报。岩石应力的变化会使大地对机械波的传播和谐振产生变化据此也可预报地震。岩石应力的变化会改变地下水的分布，也可使水质发生改变，监测地下水的变化，及水质（如水氡含量）也可预报地震。石英或具有压电效应的岩石，在应力变化时会产生电场，电场又可使含水的地表层产生电流，测量大地的电场，电流或磁场也可也可预报地震，大地电场的变化又会引起上空电离层的变化，监测电离层也可预报地震。局部大地电场的改变，产生了大地电流，大地电流产生的磁场又扰乱了当地的磁场，再加上地壳中局部岩石错动破碎产生的震动（包含次声波或超声波），岩石受力后产生的热（红外线）等使得一些对电场、磁场、震动及热比较敏感的动物（如蛇、狗、老鼠泥鳅等）植物产生异常反应。观察这些动植物的异常也可预报地震。
地震前或震时发生某些物理现象是必然的，大小地震都会发生，只不过有强有弱，探测到了这些异常就可预报地震。现在说地震不可预报有两方面原因，一是社会方面，二是技术方面。就技术方面而言，以上所述方法探测的异常数据，不是地震特有的前兆，许多自然和人为因素都可引起，难就难在如何区别上。探测点少，探测面小，探测点分散，探测技术单一、单一作战信息不共享、不能全盘考虑，不能全面分析，就不能在众多干扰信息中甄别出有用信息。这就是地震预报不准的根本原因。地震前兆现象有许多，有些现象不一定出现，探测手段单一也会漏报。
所以要准确的预报地震要做到一下几点：1、要抓住地震蕴酿时的主要和必然的物理现象，如地应力，地位移，及伴生的大地电流，地磁，大地温度等。2、探测点要多，面要广，形成蜂窝状，探测技术多样，相互联网数据共享，这样便于掌握全局，排除干扰，甄别出真正的地震前兆。3、测绘出具体详细的板块、板块运动方向及断裂带布局，以便布局测点，分析地震动向。
因大地电流异常是地震酝酿时期必然发生和便于测量的物理量而受到科学家的关注，但又是受到干扰最严重的，排除干扰是最重要的，VAN法有一定的作用，本文介绍一种基本类似的办法，但效果会更好。
1849年英国人Barlow利用得比的电信线路证实了大地中有电流存在。在1871年3月17日加拿大地震时人们观察到地震发生时及地震前后大地电流会有明显的变化，于是科学家便利用大地电流预报地震，1975年我国利用大地电流成功的预报了海城地震。但由于当时对大地电流的产生原因尚不清楚，大地电流与地震的关系认识模糊，因而对大地电流的测量，数据处理等没有正确的理论指导，因而无法从众多的干扰中鉴别出地震异常信息，所以我国于20世纪80年代初，决定暂时停止大地电流的测量预报工作。
大地电流法刚在中国被封杀，却在西方红红火火闪亮登场：希腊雅典大学有3位教授，他们从1981－1983年开始了新型土地电的观测研究，1991年建立了数字化观测系统。截止1998年的15年时间，对11次5．5级以上的地震居然做出了8次成功的预报，使希腊成为中国之外仅有的一个政府级的公开进行地震预报的国家。希腊把这种观测方法以3位学者的第一个字母命名VAN，从此VAN方法响彻全球，直到今天。VAN小组坚持认为，对地下电场的无人工电源的直接测量，是监测地震的最好方法之一。大地电流观测中的不稳定性和干扰问题，他们也同样遇到，不过经过细致的研究，发现问题出在观测技术和数据分析上，而不在方法手段本身。于是采取了一系列的技术改进措施，比如用非极化的合金电极代替铅电极，解决了化学电位不稳定的问题；采用不等极距、电磁同时观测、数字电子测量技术等措施，有效的排除了各种干扰；采用数理分析技术，又归结出了地震电信号的特征和标志等，很好地解决了有关问题。他们的预报意见一直公开发表在国际学术刊物上，并公布全部的数据和处理方法，由此取得了日、美、俄、法等多国专家的帮助，终于使新型土地电变成了香饽饽。对VAN方法的进展，虽然学术界存在不同的看法，但大部分专家都是肯定的，并对其重要性给予了高度评价。中国、日本、法国随后迅速派员学习、引入。我国不仅有计划地安排专业人员到希腊雅典大学学习，还研制出了新型土地电仪器——SE3型地震电场前兆仪，已将希腊VAN方法的多极距分析方法在仪器的硬件中得以体现，有用信号能较好的与干扰信号分离，“狼来了”的误判比例大大降低。甘肃文县地震局的大地电流观测研究一直未停止过，自己研制了超低频电脉冲信号地震前兆仪，在采用新型土地电仪器的2001－2003年间，他们填报了4次书面预报卡，较准确地预报了四川甘孜6．0级地震、四川盐源5．0级地震、云南大姚6．2级地震，特别是对2000年11月14日昆仑山口西8．1级大震的预报，受到了中国地震局的表扬和奖励。他们孜孜不倦的努力，佐证了地震前后大地电流会产生异常。任何大大小小的地震都会引起大地电流的变化，监测大地电流来预报地震是目前最好的方法之一。测大地电流为什么会预报地震呢？我们必须先搞清楚大地为什么会产生电流，大地电流与地震的关系等问题。
一、        大地电流的产生
大地电流的产生，目前主要有三种假设，一种认为：大陆板块的移动碰撞必然会使部分岩石产生应力作用，否则就不会产生地震。地壳中的石英等岩石受到应力后会产生压电效应由此产生大地电流。虽然地壳岩石受到应力作用，但由于岩石的成分不同，分布区域不同，所以这种压电效应产生的电场强弱也不同。
第二种是过滤电场形成的大地电流。过滤电场，是地下水在多孔的岩石中流动所形成的。多数岩石孔壁具有吸附负离子的能力。当含有等量正负离子的水溶液沿岩石孔隙流过时，溶液中的负离子被孔壁吸附，而正离子顺流而下。于是在水流的下游正离子过剩，而水流的上游负离子过剩，结果在孔外形成同水流方向相反的电场。山地电场也是过滤电场的一种，它是由山坡上的岩层过滤地下水而形成的，一般高处为负，低处为正。过滤电场还常出现在河床、喀斯特溶洞和泉水活动区。地壳受到应力作用后，地下水会重新分布，结果会形成过滤电场。这种电场必然会受到地下含水层结构的影响。
第三种就是地球表面电荷的汇聚或扩散运动形成大地电流。为解释这种电流的形成，必须先了解地球上电荷的由来，分布和运动规律。1、地球表面电荷的由来。如果我们把视线扩大到宇宙中去，会发现宇宙中充满了电荷，从地球身边飞过的电荷主要来自太阳。我们知道太阳是一个巨大而炽热的气体球，太阳中的物质在高温下被电离。太阳内部的物质活动剧烈，太阳表面物质的运动方向非常混乱和激烈，但有一定的活动规律和周期。除了太阳上的物质在运动外，太阳还有复杂的磁场。科学家最近的观察得知：就整个太阳的整体磁场而言，日面宁静区日面上有东西对峙的极性相反的较强磁场，又有南北相反而较弱的普遍磁场。当太阳黑子出现时太阳的局部区域就会出现很强的磁场，一般说来，一个黑子群中有两个主要黑子，它们的磁极性相反。如果前导黑子是N极的,则后随黑子就是S极的。在同一半球(例如北半球)，各黑子群的磁极性分布状况是相同的；而在另一半球（南半球）情况则与此相反。在一个太阳活动周期（约11年）结束、另一个周期开始时，上述磁极性分布便全部颠倒过来。因此，每隔22年黑子磁场的极性分布经历一个循环，称为一个磁周。强磁场是太阳黑子最基本的特征。日珥区的磁场更强，宁静日珥的磁场强度约为10高斯，磁力线基本上与太阳表面平行；活动日珥的磁场可达200高斯。
当平行于太阳表面且垂直于太阳水平磁场运动的电离物质会产生霍耳效应，其中的正电荷和负电荷会受到太阳磁场的作用力，力的方向是平行于太阳半径的，正负电荷受到的作用力方向相反，假设某一区域在某一时刻正电荷受到的电磁力方向是沿太阳半径向外的，那么正电荷会上浮，并到达太阳的色球层和日冕层，使太阳外表面正电荷的数量大于太阳内部负电荷的数量。太阳每时每刻都会向太空抛射大量的物质，在磁场作用力加速向外的正电荷会更易挣脱太阳的引力而抛向太空。太阳外层正电荷数量多因而抛出的正电荷数量必然大于负电荷。（太阳风便是从太阳抛出的带正电的氢原子核和带负电的电子，）从太阳抛向太空的正电荷数量会大于负电荷的数量。太阳的大气运动，和太阳磁场虽然变化无常，但是有明显的周期变化，在这一个周期内总体趋势不变，一个大的周期时间很长，久而久之太阳就会失去正负电荷的平衡而带负电。在太阳身边的地球会俘获大量的正电荷而使地球带正电，所以地球表面布满了电荷。
2、地球电荷的分布。地球表面的电荷分布是不均匀的，有的地方多有的地方少。高尖的地方多低洼的地方少，湿润的地方多干燥的地方少。由于降雨，地形变化等电荷的分布会产生很大的变化，电荷在移动时便产生了电流。由于地球表面布满了水，所以地球表面是电的良导体。地球表面以下是由花岗岩组成的地壳，花岗岩是电的良好绝缘体。地壳以下的地幔和地核的温度高达2500k以上，那里的物质处于电离状态，又是电的良导体。因地球表面带有正电荷，处在地球表面电荷电场中的地核又是一个等势体，所以地球内部必定有电荷分层，在靠近地壳的上地幔层中，集中了大量的负电荷，地球的中心处聚集了正电荷。这像一个巨大的电容器，地球表面和上地幔是电容器的两个极板，中间的地壳是这电容器的电介质。
   3、地球表面电荷的潮汐运动
    当地球不受任何外部电场力的作用时，地球表面的电荷分布是均匀的，地球表面各处的电荷密度是相等的。但地球处在一个由太阳电荷产生的电场、空间电离层电荷产生的电场、地球内部电荷产生的电场等复杂的电场中，地球表面的电荷分布不再是均匀的。若只考虑太阳电场的作用，那么地球表面的向阳面由于受到太阳负电荷的吸引，电荷密度较高,在正垂点电荷密度最大，远大于地球表面电荷的平均值；随着距正垂点距离的增大，电荷密度逐渐减少，在向阳面和背阳面的分界处，电荷被拉到了向阳面，因而这些地方的电荷密度较低，低于地球表面电荷的平均值；由向阳面越过分界处进入背阳面，由于地球本身的屏蔽作用及距太阳距离的增加，太阳中负电荷对地面电荷的作用逐渐减弱，所以这里地球表面电荷的密度逐渐增加，在背阳面的反垂点，地球表面的电荷密度增加到了全球的平均值。所以地球表面的电荷分布是不均匀的。
    由于地球自身由西向东的自转，地面电荷在太阳电场的作用下会跟随正垂点由东向西运动，所以向阳面电荷密度的最大点会偏向正垂点的东边；背阳面的电荷是靠黄昏侧电荷的推挤而移动的，背阳面电荷密度的最大点也会偏向反垂点的东边。这样黄昏侧的电荷密度会大于黎明侧的电荷密度，全球电荷密度分布像一个开口在黎明的“C”字。在地球上纬度不大的某一点，午后电荷密度最大，随后电荷密度逐渐减少，到黄昏时达到一个较小的值，过了黄昏到夜晚电荷密度又逐渐增加，到午夜时达到一个较大值，随后又逐渐减少，黎明时减少到最小值，日出后电荷密度又逐渐增加。这种电荷的增加和减少象海洋中的潮汐，我们不妨叫它电荷潮汐。电荷的潮汐不同于海洋潮汐，电荷潮汐的运动方向是不变的。这种电荷的定向运动便形成了从东向西环绕地球的环形电流，地球磁场的一部分是由这种环形电流产生的。
4、地球外围的电荷分布
    除了地球内部及表面带有电荷外，在地球表面以外的空间也有大量的电荷。在离地面80km的空间内，由于大气稠密带电粒子少，带电粒子运动时发生碰撞的几率高，带电粒子的定向运动速度慢，所以这一层大气是电的绝缘体。在离地面100km左右的暖层空间，由于温度升高，在太阳及宇宙射线的作用下这里的空气发生了电离。从太阳飞来的带电离子也有一部份会滞留在这里，这就是E电离层。在白天由于受到太阳和地球之间电场的作用，E电离层中的负电荷会下沉形成D电离层，原E电离层由于缺少了电子而带正电。这时会有一个由E电离层指向D电离层的电场ED，这电场与地球指向太阳的电场E0方向相反，在数值上当ED＝E0时D电离层不再下降。由于地球的自转，及地球表面电荷的影响，在下午的傍晚时分作用在E电离层上的电场E0开始减弱，D电离层开始上升并与E电离层的电荷中和，D电离层逐渐消失，E电离层也逐渐减弱，受地面电荷的作用，在黎明时分E电离层的电荷密度达到最小值。在暖层的100km—3000km是未被电离的绝缘层，从太阳飞来的质量较小的电子被阻挡在了这一层之上，形成了带负电的F电离层。
    在离地面6000km－12000km和18000km－24000km的地方有两条电荷带，叫范艾伦辐射带，内层范艾伦辐射带主要是高能质子，外层艾范伦辐射带主要是高能电子。
若太阳带负电荷，那么在外层范艾伦辐射带与太阳之间还有一层人们没有发现的带正电的电荷带。这种正负电荷带交替出现的电荷带我们不妨叫它震波带。每条震波带各个不同区域上的电荷密度和厚度都不一样，震波带在诸多电场的作用下形成了椭圆形，且向阳面的电荷密度大厚度也大，背阳面的电荷密度和厚度均小于向阳面，在向阳和背阳的分界处电荷密度和厚度最小。
5、地震对地表电荷的影响。地震前后由于地应力的作用，使地下水的分布产生变化，或地形产生了变化，或局部的温度产生了变化，这些都会使地表的电荷重新分布，从而产生大地电流的变化。又因大陆板块的漂移使地球的局部地壳应力发生变化，其介质常数也会因此而发生变化，在将要发生地震的区域，由地球表面、地壳和地幔组成的电容中，作为介质的地壳的介质常数发生了变化，其电容的容量也会发生改变，若容量增加，这一地区的电势就会降低，周边区域的电荷会向这一区域汇聚而形成电流;若容量减少，这一地域的电势就会增加，这一区域的电荷会向周边区域扩散而形成电流。这些电流也会使地球磁场发生变化。这种由电荷的汇聚或扩散而形成的电流在应力形成时便产生了，在地震将要发生时达到最大值，有时非常巨大，使地球的局部磁场发生强烈的波动。地面的电场也会发生巨大变化，甚至会导致空气辉光放电。局部大地电场的改变，产生了大地电流，大地电流产生的磁场又扰乱了当地的磁场，使磁场发生波动。
地应力的变化会使岩层的水分部情况产生改变，从而使大地的电阻率改变，地壳电阻率变化必然会影响地球表面电荷朝夕运动规律，使大地电流产生改变。
地面电荷的变化，不仅影响大地电流和磁场改变，还会影响到高空电离层，使电离层TEC明显骚动。
大地电流产生的原因不可能是单一因素，而是共同作用的结果，但却有共同的特点：
这就是所有的地震都会引起大地电场的变化，这种电场以地震中心为中点向外扩散的，电场的强度随距中心点距离的增加而减小。大地电流的异常幅度随距震中距离的增加而减小。异常大地电流的方向，基本上是并行于地震辐射线的。根据以上对大地电流的认识提出了改进对大地电流的探测方法和处理方法，并希望据此能对地震做出准确的预报。
二、        大地电流的探测。
以前我国的土地电法使用碳棒和铅板作为电极埋设在相距只有几十米的地下，其实这是组装在土壤中的原电池，测的电流是电池的短路电流，根本不是大地电流！所以无法以此预报地震。为探测到真正的大地电流，并扑捉到地震的异常信息，必须精心设计。
1、设备安置   埋设在两地的截流板必须是化学性能非常稳定的合金材料，两块截流板材料的化学性质必须完全相同避免产生极化电势；截流板的面积越大越好，最少是0.5米宽50米长，埋设于地下3-4米处；埋设截流板时两块截流板应平行相对，并与导线垂直；截流板与导线必须焊接牢靠，并用环氧树脂密封与外界绝缘，保证接触良好，并且不会产生极化现象。两截流板之间的距离尽量的大，最好大于10公里。导线的电阻要小，绝缘包皮绝无破损绝缘良好的导线，埋伏于地下1-2米深。每一监测点埋设南北向的A—A、线，东北西南向的B—B、线，东西向的C—C、线，东南西北向的D—D、线，4条线成“米”字排列。如下图所示。
四条线的交点处设立机房。每条导线的中间串接数字式电流测量仪器。
每1000平方公里设置一个监测点，重点地区间隔距离应适当减小，各监测点组成蜂窝状结构，覆盖整个监视地区。各测试点要联网，数据共享，全盘监控。这是关键问题，单个的监测点无法甄别真假地震信息。
2、数据处理。南北向线的电流由A/至A为正，反之为负；东北西南向线的电流由B/流向B为正，反之为负；东西向线的电流由C/流向C的为正，反之为负；东南西北向线的电流由D/至D为正，反之为负。电流的方位角以正北为0度，按顺时针转动，如电流是由C/流向C的则电流的方位角是90度，若是由C流向C、的则电流的方位角为270度。每条导线的中间串接数字式电流测量仪器直接把大地电流转换成数字信号。由专用的软件把四条线中的电流进行微分处理，随时扑捉突变量进行记录，平时每1分钟记录一次，除记录电流变量外，还要记录电流的方位变量，各种数据分别记录到磁盘中，这是原始数据。原始数据不仅有每条线中的电流强度、微分变量、电流方向，还有数据采集时间。原始数据除可以表格的形式调阅外，还由软件绘制成图表显示出其“安时”曲线，如下面的示意图。
软件会自动对数据进行分析，对出现可疑情况时发出报警以提醒工作人员注意。由于大地电流随时会受到来自个方面的干扰，单个监控站排除干扰的能力有限，因而不能筛选出大地电流所蕰含的地震信息，更不能确定发生地震的区域！所以必须监测区域内的所有监测点的数据共享综合分析，才能够准确的预报出地震的地区，地震强度和地震时间。因此软件必须对原始数据进行处理：取监测点中电流最大的两条线，把两条线中的电流矢量相加，得出一个电流的矢量值，此矢量值连同该监测点的编号一同发布到网上。软件自动收集各监测点的这些信息，进行处理后储存，并叠加到地域图上显示出来，如下面的示意图。

因地震引起的大地电流异常是大面积的，在地应力所波及的地区内各监测点的大地电流都会有异常反应。农田用水、电器漏电、温度变化和电极不稳定，接触不良，降雨雷电，大风等干扰只会使局部的个别监测点大地电流异常，所以大面积的大地电流异常有可能就是地震前兆。靠近地震中心监测点的大地电流异常幅度会大于远离地震中心的，随着距震中距离的增加大地电流异常的幅度会逐步减小，把大地电流异常幅度基本相等的监测点连成闭合的等势线，内侧等势线圈定的区域就是地震的重点区域。各监测点矢量电流延长线的交汇处，可能是地震时的断裂带，利用这种方法即可确定地震的位置，也可确定震级大小。
大地电流异常的范围越大，异常的幅度越大，产生异常的时间越长，发生的地震级数就越大。在大多数监测点的异常“安时”曲线上出现了小的突变，就预示着地震就要发生了。地应力变化，大地电流异常是地震的前后的主要表现形式，用大地电流预报地震的方法简单成本低易普及，且准确有效。以上所介绍的大地电流处理方法并不是就这么简单，这里只是简略的说一下。
地面电荷的变化必然会影响到空间电离层或者说震波带电荷的变化，这就是地震发生前科学家探测到电离层发生骚动的原因。利用这一现象可以进行地震预报。地面电荷和温度的变化是否会使云层发生改变现在还不得而知，即便是有，这种云也很难与一般的云区别开。
地壳中局部岩石错动破碎产生的震动（次声波或超声波），岩石受力后产生的热（红外线）等使得一些对电场、磁场、震动及热比较敏感的动物产生异常反应。
现在利用先进的仪器设备和科学技术，在地下深处，安装声纳设备探测机械震动，安装地应力设备探测地应力的变化；打深井监视地下水位的变化，监视氡气的变化；在地表监测大地电流的异常，地磁的异常，大地的位移；在空中利用卫星监视电离层的变化，监视地表温度的异常等等。使地震预报不再是不可能的事，任何大大小小的地震都会及时的进行预报。
山东省沂水师范   陈维会