汶川MS8.0地震前空间电磁现象耦合模拟与解释

Many obvious electromagnetic abnormity phenomena, such as ground-based ultra low frequency electromagnetic emission, geomagnetic, spatial DEMETER satellite and GPS observation, are observed 3 days before Wenchuan MS8.0 earthquake, taking place on May 12, 2008. These strong spatial electromagnetic disturbances show that the electromagnetic field around the focus zone is subjected to an abrupt increase. In this research,the Interactive effect of these spatial electromagnetic disturbances can be studied qualitatively by analyzing the appearance order if the time resolution and related parameters of the installment are taken into account.Combined with the real-time electromagnetic observation data ground-based, the underground dipole electric field model (I) developed by King in 1981 is adopted to estimate the magnitude of the seismotelluric current required to produce observable ground signatures by inversion and forward method if the broken length of the main fault is considered and simulate the electric field and its distribution to study the orientation of the signals. Another model (II) is constructed based on the theory of positive holes and charge carriers generating electric currents founded by Freund.Taking the fracture size and the results of model (I)into consideration, we can simulate and calculate the surface current to quantitatively interprete lithosphere-atmosphere coupling. It is a good base for the next step to interprete atmosphere-ionosphere coupling and set up the lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling model based on this earthquake.And This result will be tried to put into use for the earthquake prediction as a precursor of strong earthquakes.

2008年5月12日汶川MS8.0地震前3天，基于地面的超低频(ULF)电磁波、地磁和空间DEMETER卫星、卫星GPS均观测到显著电磁异常，这一空间立体式强电磁扰动现象意味着震中及附近地区电磁场突然增强。本研究通过分析实测资料，结合仪器设备时间分辨力，确定各异常极值出现先后顺序，定性分析空间电磁现象相互作用和耦合机制。采用1981年King 等提出地下偶极子场模型(Ⅰ)，模拟空间电磁场分布规律，研究信号方向性；考虑主断层破裂长度，正反演结合估算观测到地面电磁波异常值所需地下地电流量级。基于Freund 电子-空穴理论建立模型(Ⅱ)，考虑地表破裂面积，参考模型(Ⅰ)结果，模拟计算地面岩石电流大小。定量研究和解释岩石圈-大气层耦合现象。为下一阶段定量解释大气层-电离层耦合现象，建立基于震例LAI耦合系统模型，并尝试作为强震短临前兆应用到地震监测预测中打下基础。

基于地面的电磁观测是传统地震电磁观测资料的主要来源，也是获取地震前兆信息的有效手段之一。卫星对地观测技术以其速度快、范围大、动态性好、精度高等优势已在地震发生机理研究、地震监测预测等领域显示出巨大的应用潜力，并正在成为地震相关岩石圈——大气层——电离层耦合研究工作的重要支撑手段。DEMETER卫星是法国于2004年6月29 日成功发射的第一颗地震电磁实验卫星，已经为地震预测提供依据。2003年我国启动了“中国地震电磁卫星计划”的研究工作，预计2017年发射。在这种情况下，将地面电磁观测资料和空间电离层观测资料综合应用，研究震前相关空间电磁现象的相互作用，开展岩石圈——大气层——电离层电磁耦合机理的探索性研究，探求捕捉地震前兆信息的手段，也相当于延长我国地震电磁卫星的使用寿命。2008年5月12日汶川MS8.0地震前3天（5月9日），基于地面的超低频电磁扰动、地磁观测及空间GPS和DEMETER 卫星等观测均记录到显著电磁异常，预示汶川地震前岩石圈——大气层——电离层电磁耦合现象存在可能。首先，研究认为，断层主破裂产生地电流和电磁场，震源区地-气界面电磁场的增强，一方面引起地面附近大范围电磁观测参数大幅度突变异常，另一方面加速震源区上空气体分子电离，空气电离增强空气的电导率，促使电荷快速扩散到电离层高度，直接引起高空电离层参数短时突变异常并经空间地震监测卫星记录到，这一过程发生在5月9日几个小时内；然后，使用岩石压力电子——空穴模型模拟和推算引起震前显著电磁异常现象的“能量源”为Irock=4.1×102 kA；根据高碑店台5月9日记录到1.3mV/m ULF电场强度，利用地下偶极子模型模拟推算出汶川主破裂产生的地电流为I=5.0×105 kA。作为本课题的研究扩展，利用考虑电离层影响的三层介质(地球、大气和电离层)下有限长偶极子模型，得出电流大小为I1=5.0×104 kA，两者差一个数量级，因此，当收发距达到1000km或者更大时，考虑电离层对电磁场传播的影响是必要的。部分成果已经发表了4篇论文，并为课题的进一步研究打下基础。