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地震前的电磁异常现象 临沂大学北校区-------陈维会 近几年随着检测手段的扩展，检测仪器性能的提高，由仪器记录下大量的地震前的电磁异常信息。科学家经过大量的震例观察研究发现，在许多地震前存在着电磁异常，在排除可能的干扰因素外，震前电磁异常现象是地震前兆现象得到多数科学家的认可。 如果某种强度以上的地震前，来自地震区域的某种物理量，均能被仪器检测到，而且这种物理量与地震的时间，空间和强度具有较好的相关性，这种物理量就是地震前兆。人们试图从引起地震的直接因素寻找地震前兆，如检测地壳板块位移，能量积累速度，地壳形变、地应力、剪切力，重力、物态变化，岩石性质，岩石弹性模量，地质结构，小震活动等。或检测由板块位移，岩石应力等引起的次生现象。如放射性物质的逸出，地热、地下水、泉水，地震波速变化，地电阻率、地声、天气异常，生物行为异常等。或根据历史记载用统计学方法寻找一些地震规律。如地震空区，地震复发规律等。因地球不可入性，很难对地震成因的基本物理量进行全面的检测。即使检测到详尽的数据，由于地球的运动受多种因素影响也很难确定临界点，几乎不可能做出临震预测。 近几年的观察和研究表明有些地震前的电磁量异常确实与地震有关，如地电场、地磁场、极低频电磁震荡、地电阻率、近地大气电场、电离层扰动等。这些物理量不会引起地震，但地震会引起这些电磁量的变化，是地震的伴生现象。这些地震伴生现象只在地震临界状态，或地震正在发生时产生。所以检测地震伴生的电磁异常可进行临震预报。 以前人们认为可能的地震电磁前兆，大都被国际地震学会组织的专家组审查否定，只有前震、预震、强余震前的地震平静、地下水变化及地壳形变等5项被认可。但这5项也被后来的验证是不可靠的。 一、地震前的电异常现象 1、 地震前电离层的扰动 在1964年3月28日 美国阿拉斯加发生了M8.3级的大地震。伦纳德等人发现地震前几天和地震时刻，该地震引起了较强的电离层扰动现象。在震中附近的阿达克地区上空, 从扫频垂直电离层探测仪和多普勒探测仪上,电离层F层有明显的变化，临界频率的突然增加和视高的突然下降。这种瞬时现象持续大约几分钟左右。 前苏联科学家达姆琴柯等人在1966年4月26日，乌兹别克斯坦首都塔什干M7.5级地震前5 小时, 在震中地区电离层上空270 一300公里观测到电子密度的增加, 比正常值增加了大约1 倍半左右。 自科学家发现大地震前电离层有扰动现象后，随着空间观察技术的发展，检测资料的增加，许多国家的地震科学家开始研究电离层扰动与地震发生的关联性。大量的观测资料和研究成果表明，大震前的电离层扰动异常确实存在，已得到统计学的验证，得到科学家的公认。中国，美国、意大利、法国、俄罗斯、等国家都已经发射地震电磁卫星来专门探测电离层及其以上空间的地震电磁异常现象，电离层扰动的研究成为热点。 电离层物理参量很多，由地震引起并能够被卫星探测到的有：ＴＥＣ（电离层总电子含量）、电离层临界频率、离子温度、离子密度、电子温度、电子密度、超低频电磁信号等。其中电离层电子浓度总含量(TEC)的异常波动与地震有密切的关联。 中国地震局地震研究所，武汉地壳运动与地球观测实验室，武汉大学卫星导航定位技术研究中心的祝芙英, 林剑[1]等学者，通过对中国上空电离层TEC的研究 ，发现汶川地震前数天内孕震区上空附近电离层TEC异常扰动现象确实存在。他们还研究了IGS提供的GPS TEC资料，和中国地壳运动观测网络提供的GPS数据解算的单站VTEC数据，采用统计分析处理方法, 对2011年3月24日缅甸Ms7.2地震，2012年4月11日苏门答腊北部Ms8.6地震等地震，震前电离层TEC资料进行处理分析,结果表明: 排除太阳活动和地磁扰动的影响后，在震前5-6天以及地震当天,震中上空附近均出现显著的电离层TEC异常扰动,异常形态有正有负。 地震动力学国家重点实验室，中国地震局地质研究所，北京航空航天大学宇航学院的闫相相，单新建⑵等学者，利用JPL提供的TEC地图数据，分析了日本2011年3月11日宫城县以东海域发生的9.0级特大地震前后，该区域上空电离层变化情况，同样存在着震前电离层TEC异常扰动。 武汉大学测绘学院，汤俊，姚宜斌⑶等学者用ＰＣＡ方法，分析了2007—2011年中国内陆地区的１７次Ｍs≥6.0地震，也确认了电离层异常与地震相关。研究表明电离层ＴＥＣ异常主要发生在震前５天内。 山东科技大学测绘科学与工程学院，曹华东郭金运等学者分析了2015年４月20日台湾花莲Mw6.4 级地震前后全球范围ＧＩＭ 格网电离层ＴＥＣ数据，在尽可能排除太阳和地磁活动等干扰因素后， 分析结果显示：在花莲地震前17天震中上方ＴＥＣ就出现明显正异常， 电离层ＴＥＣ 异常持续时间十余小时。 图 台湾花莲Mw6.4 级地震前全球电离层ＴＥＣ异常分布图（五角星为震中位置） 不只是以上几位学者，国内众多研究者也都得出同样结论。 由日本和俄罗斯组成的研究小组，分析了原苏联电离层观察卫星的数据，得出地震前，地震区域上空电离层的TEC会发生骚动，科学家们分析了1977—1979年的记录数据，发现在150次5级以上的大地震，震前这些地区上空电离层电子密度均高于正常值。 北海道大学的地球物理学教授日置幸介利用GPS卫星传输的电波，探明了电离层的电子密度变化。他发现，地震发生40分钟前，震源上空电离层的电子密度比周围区域增加了一成左右。 日本京都大学通信工学专业教授梅野健的科研团队在2016年9月30日出版的美国专业杂志中发表研究成果称，已成功检测出东日本大地震及其前后里氏7.0级以上地震发生前的20分钟至1小时内，在高空300千米附近的电离层发生的电子数异常增加。 通过大量的观察研究，地震前地震区域上空电离层TEC异常扰动是公认的事实。所以中国地震局与国防科工局合作启动了”首都圈地震电离层前兆监测试验网”项目。并于2018年2月3日 发射“张衡一号”卫星，进行电离层检测和研究。 2、地震前近地大气电场负异常 很早以前，人们便发现了在震前出现大气电场的扰动现象。1924年切尔纳夫斯基首次在距震中120km的扎拉尔-阿巴德斯基观测到Ms=4.5级地震前大气电场增高的现象。此后,在1946～1966年的数年中前苏联学者，在现今的乌兹别克斯坦首都塔什干等地多次地震前也都观测到了大气电场的异常现象，并发表了《大气电位梯度的变化是地震预报的可能标志之一》等多篇文章。 为研究地震发光的成因，1966年10～11月日本松代地震群活动期间,近藤曾在松代地震台观测了大气电场，得出了“地震活动愈频繁,电场愈下降”的初步结论。 在我国，1976年8月23日松潘Ms7.2级地震前兰州地震大队气象组在距震中50～60km的文县地震台使用JDW21型大气电位仪也观测到了非常明显的大气电场负异常现象。 中国地震局地球物理研究所，郝建国，唐天明，李德瑞⑷等学者，通过对华北地区大量的震例，进行了震前大气电场异常观测研究，较为全面客观的分析和总结，用大量的事实，验证和论述了震前大气电场异常的基本特征有； ①在每次较大的近场地震发生前，都能观测到近地大气电场的异常现象，以及当较长一段时间内观测不到该类异常时,近场近期也不会有较大地震发生的可能。地震与近地大气电场异常有很好的对应关系。 ②地震前近地大气电场的异常总是负异常且异常幅度大，每米数百伏，甚至达到千伏每米。下面是郝建国《近地表大气电场异常与地震》论文截图。
图一 大气电场异常与近震的关系 中国地震局地球物理研究所，赵明，刘元壮，张天中三位学者，利用朱成熹等提出的效率值方法，对大气电场异常预报地震的效能进行分析检验，研究结果表明,这一方法用于地震预报是有统计依据的。这就肯定了地震前确实存在大气电场负异常现象。 四川省防雷中心李一丁，张亮等学者对5.12汶川地震前的郫县和温江两个近地面大气电场观测站的数据进行分析，在无雷电背景的情况下，两站点的检测值均出现了异常。异常连续数十日，异常幅度达5.5kv/m,异常持续时间长达160小时。
图 郫县和温江大气电场检测站异常大气电场数值 3、 地震前的地磁异常 2008年5月12日下午2：15分，北川中学初二一班下午的物理上，全班同学见证了桌子上的指南针出现了乱摆现象，张家春老师几次试图稳住磁针的摆动，但都没成功。上课13分钟后地震发生了。其实地磁异常早就发生了，在上午近10点，当张老师备课时发现磁针乱摆，为排除室内其他磁性物体的干扰，张老师曾把指南针教具搬到空旷的学校操场上观察，但指南针依旧不明原因的乱转。这时距离下午2点28分大地震还有4个多小时。 事后，中国地震局地球物理研究所研究员曾小苹、林云芳等5人到汶川进行了调查取证。查阅了天文台的天文记录，确认5.12地震前后5天，没有发生显著的太阳磁暴及引起地磁异常的其他因素。可以肯定震前发生在北川的地磁异常就是地震的前兆现象。他们还调取了附近成都地磁观测地磁台的记录数据，发现在5.12汶川大地震前一天也出现最大幅度突变。 除成都台外，在较远的青藏高原东北缘松山，代乾电磁台也观察到了显著的地磁异常变化。 在2008年8月30日发生攀枝花Ms6．1地震前，距震中6km的平地地磁台在震前32小时前也出现异常。 中国地震局地球物理研究所李 琪 、郭 毅等人，在《1979年普洱6.8级地震前地磁异常现象》一文中记载了1979年3月15 日普洱磨黑镇猛先乡M6.8级地震前，距震中仅6.4km的磨黑中学陶瓷偏角磁变仪的反常现象。在排除了可能的干扰外，确定陶瓷偏角磁变仪的异常摆动与11小时后普洱磨黑镇猛先乡M6.8级地震关联。 早在1858年纽约时报曾报道：当年11月11日葡萄牙地震发生前当地也有指南针异常摆动现象。2000年7月1—15日，日本伊豆地区三宅岛火山地震群，其中M=6．4，M=6．1，M=6．3地震前约40分钟至5天，出现比平时正常值大40倍的磁异常。 科学研究的顶级期刊 [自然] 杂志报告: 1964年美国阿拉斯加Ms9 级大地震前1小时6分钟，美国地质调查局(USGS)研究人员，在距地震断层30公里的地方，用地磁观测仪记录下震前磁场变化。 1989年10月，北加州发生Ms7.1级地震。美国著名的斯坦福大学电子学和地球物理学教授 Fraser-Smith 研究小组在地震发生前，距震中7公里半径范围内，记录下地震前地磁场强烈变化。 2005年10月8日，巴基斯坦Islamabad, Kashmir, Balakot地区发生里氏7.6级地震，巴基斯坦地震研究机构在该地区设置的自动磁场变化记录仪显示地震前严重地磁异常现象。 这些被仪器记录下的大量的事实说明，大地震前剧烈地磁异常并非偶然，地磁异常与地震确实有一定的联系。 4、地震前地电场异常 早在1871年加拿大地震时就发现地电场异常。日本1923年的关东地震，我国1975年海城地震也都发现异常。前苏联在远东勘察加的一些地震前3～16天于震中附近记录到电场强度达100～300mV／km的异常变化。美国在一次2．4级地震前120小时，距震中2．5 km的一个观测点记录到电场强度达12 mV／km的清晰变化。 1975年2月4日19点36分，我国辽宁省海城营口一带发生了7.3级的强烈地震。营口县虎庄公社邮电支局由三个女话务员组成的业余预报小组，在震前即1975年2月4日下午13到15时，她们发现土地电仪出现了几年来最大的异常变化。 营口地震台海城玉皇山地震监测站的姜成田，凭借内蒙古赤峰市100多次小震群土地电跳动与地震对应关系的经验，及时在海城地震前3小时发出地震预测，避免了大量人员伤亡。 在1995年的甘肃永登Ms5.8地震、2003年的乐民—山丹Ms6.5地震、2008年新疆于田Ms7.3地震前，这两个电磁台站都出现与地震对应地电异常。在这些地震中成都台、武都台平地台、西昌等电磁台站，也都出现不同成都的异常。 2009年8月28日青海海西发生M6.4级地震，震前2小时临汾地震台记录到了明显的地电场突跳扰动，幅度达2.4mv/m。
图 青海海西地震前临汾地震台地电场分钟值曲线 2012年5月28日唐山M4．8级地震前宝坻的地电场观测资料存在明显的短临地震前兆异常。
图 宝坻地震台2012年5月东西向地电场分钟值曲线 2008年５月12日汶川8.0级地震前，陇南汉王台的大地电场仪记录到南北向和东西向电场分量在５月11日６时50分出现了高频扰动，19时18分，北东向、南北向的扰动达到３～５ｍＶ／ｋｍ，14个小时后，南北向电场逐步下降，东西向电场逐步上升，５小时后发生了汶川8.0级大地震，
图 2008年５月10—12日陇南汉王ＺＤ９ＡＩＩ仪器记录的大地电场分钟值曲线 在2005 年7 月25 日黑龙江林甸县发生5.1 级地震前, 榆树台地电场NS_S 测道及NW_S 测 道均有异常, 异常曲线在台升、下降过程中发震。
图 2005年7月25日榆树台地电场NW_S 向分钟数据曲线 5、低频电磁信号异常 除了准静电场，地磁场异常外，人们还发现地震前的超低频电磁震荡信号。 长春地震台的三岗台自2007年增设了超低频（ELF）观察仪，采用俄罗斯生 产的ACF-4M型电磁仪器记录地下超低频电磁信号。在2009年3月20日伊通Ms4.8地震前，及2009年8月5日抚松Ms5.0地震前，极低频电磁信号都出现了大幅度的跳动[17]。 2002年3月31日在台湾莲花发生Ms7.5地震。杭州地震台利用EMAOS-L地震电磁辐射仪，提前10天日记录到低频电磁异常信息。异常幅度达114mv/m[18]。 1994年9月12日熊岳Ms4.7级地震，1995年4月15日营口高坎Ms5.0级地震，1995年9月20日山东苍山Ms5.2地震，1998年2月10日北黄海Ms4.9级等地震，锦州东港地震台都记录到了显著的超低频电磁异常信号。 六安市地震台用DPDC-2低频电磁扰动仪，在2015年3月14日安徽省阜阳市4.3级地震，2015年2月14日中国台湾台东县6.2地震前也检测记录到低频电磁异常。 2008年5月12日汶川8.0级大地震发生后,中国地震局地质研究所，在野外用加拿大产V5-2000大地电磁仪，记录到同震电磁信号。 6、地电阻率异常 在地球物理勘探中，理论研究比较透彻的地电阻率法，具有设备简单，技术成熟，得到广泛的应用。此技术也被移植到地震前兆检测中，建立了许多地电阻率检测台站，记录下大量确信无疑的异常信息。 如北京平谷地震台，在1989年10月19日大同Ms6.1地震、1990年9月25日大海坨山Ms5.0级地震、1991年9月28日马坊Ms4.0地震、1996年12月6日高丽营Ms4.5级地震。在震前都检测到了地电阻率异常。 汶川Ms8.0级地震前，四川甘孜地震台，甘肃武都，天水地震台，宁夏的固原，云南腾冲等，远近台站的地电阻率都有异常。 2017年8月8日九寨沟Ms7.0地震前，平凉崆峒地电台地电阻率在震前20小时内变化幅度达65Ω.m。 7、地震前大气发光现象 地震可使大气发光，也叫地震光，地光，是地震前出现的一种自然现象。 1975年2月4日中国海城、营口发生了7.3级地震，东自岫岩，西到绵县，北起辽中，南到新金，当时震区有百分之九十的人都看到了地光。 1976年7月28日3点42分河北的唐山、丰南一带发生7.8级大震，从北京开往大连的129次直达快车，由于司机发现地震光后果断进行了紧急刹车，避免了事故的生了。 1976年5月29日20时23分和22时在云南的龙陵、潞西一带发生7.5级与7.6级两次强烈地震时，负责地震值班的同志观察到震区上空出现一条橘红色的光带，便当机立断，拉响了警报器，疏散人员，避免了重大伤亡。 中外都有大量关于地震光的描述，但都是目击者的口述，可信度较差。由于地震光的特殊性很少有仪器记录证实。 所以在以前很长一段时间里，很多学者认为地震光是不存在的现象。1968年，在日本松代发生一系列地震期间，在垣冈地震观察站的野水裕拍摄到第一批“地震光”照片，在事实面前，大家不得不承认地震光是真实存在的一种地震前兆现象。 8、电磁波传播异常 1976年7月28日唐山7.8级地震前几天，唐山及其邻区很多收音机失灵，声音忽大忽小，时有时无，调频不准，有时连续出现噪音。距唐山二百多公里，海拔一千三百五十米的延庆县佛爹顶上的一台测雨雷达，以及附近一台空军警戒雷达，二十六日、二十七日，连续收到来自京、津、唐上空一种奇异扇形指状回波，这种回波与海浪干扰、晴空湍流等引起的回波都不一样，使监测人员十分惶惑。 1999年中国地震局在北京西集，天津宝坻等5个地震台，利用6500公里外，位于俄罗斯卡拉半岛的超低频发射台，进行了人工源超低频电磁波检测地震实验。实验期间发生了迁安Ms4.2级地震，震前电磁场功率密度出现较大幅度的异常。 9、静电异常 1976年7月27日，唐山北部一个军营里，几个士兵惊叫起来，他们发现地下的一堆钢筋，莫名其妙地迸发出闪亮的光，仿佛一个隐身人在那里烧电焊。 震前关闭的荧光灯夜间会亮起来，这些是常见的静电感应现象。 10、动物异常 一些物理因素，如温度、气压、次声波、机械振动、超声波、电场、磁场、光线、电流、环境变化等，一些化学因素，如气味、缺氧、化学刺激等，一些动物的疾病、饥饿、恐吓、生理周期等都可使一些敏感动物产生不适，出现一些异常行为在所难免。绝大多数动物异常与地震无关，像黄鼠狼搬家，狗吠，水中鱼儿跳跃，鸟儿集群，蟾蜍集结等。 许多动物异常，都只是目击者的传说如：唐山地震回忆录中记载的河面上鱼儿上浮、翻白等震前异常，可能只是巧合，极有可能是天气太热，气压低鱼儿缺氧引起。2017年6月13日，焦作市博爱县公园的聚贤湖局部鲢鱼的跳跃已查明是音乐音响的声音太大引起。有些极罕见的异常在排除了可能的其他因素外，可能与地震关联。 像2019年9月8日。四川内江发生5.4级地震，震前，内江市资中县陈家镇的一鱼塘监控，记录下鱼塘中，大量鱼儿惊恐跃出水面的画面。当地官方证实，该视频内容确实是鱼塘内出现的真实情景。此时距8日6时36分3.0级地震为14分钟，距9月8日6时42分5.4级地震为20分钟。这一证据证明，地震前确实有动物异常反应。 2018年6月18日，日本地震前一家猫舍的监控摄像头拍下的画面：原本安静休息的猫咪几乎同时惊恐逃窜。 从大量的检测数据，和众多学者的研究可得出三点结论; （1）地面正电荷异常增多。因地震前近地大气电场总是出现负异常[4]，因近地大气气体分子密度大，相互频繁碰撞，所以大气是很好的绝缘体，根本无法在短时间内凝聚大量负电荷，由此断定：是地震前地面单一极性的正电荷增多。这也从异常地电场的反方向指向地震区域[27]，和地下大电流注入[30]实验结果来证实这一结论。 （2）地面电势升高幅度较大。由实测得知，地震前近地大气电场的异常幅度可达千伏，证明地面电势异常幅度也达千伏。较高的地面电势，也会使高空电离层的电荷受到地面电荷电场力作用而产生异常。震前电离层总电子密度扰动这一事实也支持这个结论。 （3）地面正电荷增多大多发生在震前。大量检测数据表明，地面正电荷增多大多发生在震前几分钟至震前20天内。持续时间在1小时以上，可间歇出现。这也符合实验室对岩石微破裂实验得到的规律。 二、目前对地震前电磁异常机理的几种假设 虽然发现了许多地震前的电磁异常现象，但这些异常时有时无，有时出现电磁异常却没有地震发生。如果按照地震前兆的定义，即地震前必定会出现某种现象，这种现象出现后必定会发生地震，这种震前现象才是地震前兆。显然这些电磁异常现象不是地震前兆。可来自地震区域被仪器检测记录下的，大量电磁异常信息，在排除了可能的干扰外，除了用地震引起异常外，别无合理解释。这些电磁异常明白无误的就是地震前兆。 因自然事物的复杂性，人们不可能找到像定义的那种理想化地震前兆。人们必去研究了解产生这些电磁现象的机理，只有掌握了地震是怎样产生这些电磁现象背后的物理原理，才能了解地震前电磁异常时有时无的原因，才能依据理论，改善我们的仪器设备和检测方法，捕捉地震前兆信息。 现在对其物理机制的研究还比较肤浅，没有把地球系统结合电磁理论统一为整体进行研究。只是借鉴部分物理化学的理念，或实验室的个别实验结果，对每种电磁现象各自安置一套理论进行解释。这必定是盲人摸象，个别的实验结论，并不代表全局。解释这种电磁现象的理论，不能解释别的电磁现象，甚至相互矛盾。显然这些理论是与事实不符的。寻找正确的地震前电磁异常机理，对破解地震预报难题有一定的积极意义。目前有众多的解释，但都不完美，经不住论证。 1、对地震前电离层的扰动的解释 早在冷战时期，由于地下核试验产生的强震会引起电离层异常扰动，所以为了监测地下核试验的情况，美国及前苏联曾发射过多颗这种可监测电离层异常的卫星。并提出了许多核试验引起电离层扰动的理论，后来某些理论就被用来解释自然地震前电离层扰动现象。 首先是震源的什么物理机制干扰了电离层的各物理参数？其次是通过什么渠道将震源的参量变化传播到大气和电离层中的？对此大体有以下几种学说： （1）放射性气体电离学说 这种学说认为：地震孕育期间，岩石受到拉伸，岩石的渗透性增强，岩石中的氡及其他放射性气体便向外扩散，从而导致地球边界层大气中氡及其他放射性气体密度增加。由于放射性氡使中性大气电离并与水分子结合形成正负离子团。使局部大气的物理性质和电平衡发生改变，引起局部电场异常，致使电离层等离子体发生改变。 世界各地几十年的连续氡气检测发现，个别6级以上的大地震前确实检测到局部地下泉水里氡异常，但不是普遍现象，有的大地震前，地下释放的氡气不但不升反而减少，而大地震前则检测到电离层扰动几乎是普遍现象，这证明电离层扰动与氡气无关。 因氡气比较重，不会像氢气那样向上飘散。所以由氡射线α粒子电离产生的离子团，只能在贴近地表的薄层空间内。在一般情况下，大气电场是垂直向下的，这可使正离子团向下运动，负离子团向上运动，正负电荷分离。近地表大气稠密，离子在运动时必定会产生频繁碰撞，其运动速度会很低，离子根本无法运行到对流层顶部的高空中。我们在地面以下和对流层顶部做一个圆柱型高斯面，氡射线虽然产生了正负离子，但产生的正负离子数相同，高斯面内的净电荷总数和平时一样，高斯面上穿过的电力线也与平时一样。并不会因氡的逸出电离而变化，所以电离层处的电场强度不会因此而受到任何影响。这说明地震前电离层骚动，与氡等放射性气体的逸出无关。所以这种学说不成立。 （2）过氧键断裂学说 美国国家航空航天局地球科学部，弗里德曼·弗罗因德(Friedemann Freund)[29]的文章指出：岩石在地震能量逐渐累积的过程中被加热或受到压力作用时，存在岩石结晶体中的过氧键会产生断裂，邻近的O2-会将电荷转移到断裂的过氧键上。电子被截获后，捐献电子的O2-出现了一个空穴，空穴会沿应力梯度流向无压岩石。最后大量正电荷传导到地球表面，它们会聚集在地表，这样在地表和空气的接触面便产生高压电场，从而引起电离层扰动。 从原子物理我们知道，原子最外层如果有8个电子是最稳定的结构，不易与别的元素产生化合。否则就会与别的原子相互交换或公用电子来满足最外层8个电子的稳定结构。元素在相互化合时，提供电子的元素是正价的元素，接收电子的是负价元素。 8号元素的氧原子，核内质子数为8，核外有2个电子层，第一层2个电子，第二层也就是最外层6个电子，距最外层8个电子的稳定结构还差两个电子。所以氧元素易于接收电子所以是负2价元素。 过氧化物中氧和氧之间的连接方式为过氧键。过氧键中的氧原子采取sp3不等性杂化轨道，他们共用了一对电子形成共价键，从而达到8个电子的稳定结构形式。 当过氧键断裂后，不能公用电子，原子最外层是７个电子，与最外层８个电子的稳定结构来说缺少一个电子，形成一个空缺位。空穴只是价位的缺失，并没有电子的得失。过氧键断裂后并没有使断裂后的晶体产生任何电荷，只是导电性提高了。 如果在岩石中提供一些自由电子，自由电子会来填补空穴，使空穴变换位置，如果有外加电场，空缺位会定向移动，载流子的定向运动形成电流，使岩石的电导率升高。但岩石中没有自由电子，这些空缺位置是不会移动的。 由于空穴不带电，空穴只能够捕获运动至此的电子，根本没有那么大的能量去夺取临近其他晶体原子中的电子。如果当温度足够高时，有些电子会挣脱原子的引力来填补空位。此时，得到电子的原子带负电，失去电子的原子带正电。在这电场的作用下，电子会回到原来的位置。如果大量电子向某一区域集中，就会产生一个电场，这电场会阻止电子的进一步聚集。 空穴没有任何电性，只是运载电荷的工具，如果没有其他电场的作用，空穴不会定向传导到地面的。是什么机制使空穴沿应力梯度流向无压岩石的呢？另外震源以上的岩层电导率依然很低，即便是有其他电场的作用，电流也很难通过近似绝缘的上地层。因空穴没有电性，即是地面有大量的空穴，哪来的电荷，哪来的电压？所以这种假说有许多不足之处。 （3）压电学说 早在1973年Finkelstein就提出了压电学说。压电效应是非中心对称的晶体，在沿晶体机械轴方向施加外力，晶体产生形变，使晶体内带电质点发生相对位移，从而使晶体垂直于电轴的表面出现正、负束缚电荷，晶体特定的两个面之间就产生电压。外力方向相反，产生的电压也相反自，如果力的方向不是沿晶体机械轴方向，则不会产生电压。自然界常见的压电晶体有石英、闪锌矿、方硼石、电气石等。 石英是自然界分布最广的矿物，大块的石英晶体极为罕见，大多以细小的沙粒存在岩石中。在实验室对岩石进行实验时，使用的岩石样本体积较小，岩石晶体轴向可能存有差异，能检测出压电效应是可能的。在大块岩石中，压电晶体的轴向分布差异几乎为零，即是在相同生长环境中的晶簇，其轴向分布也不会一致，在外力作用下压电晶体产生的电压相互抵消，对外根本显示不出电压现象。 另外由于压电晶体内阻特别大，地层的电阻率又很小，地震前地壳缓慢移动，压电晶体产生的电荷有足够的时间被电阻率较小的地层短路释放而消失，所以震前不会检测到压电产生的电场。相反在地震发生时是地应力变化最剧烈的时刻，如果地电场的异常是由压电效应产生的，此时应该会检测到较大的压电电场，可事实正好相反，在地震前检测到异常地电场，可地震发生时却检测不到地电场异常。这充分证明，地电场的异常不是由压电效应产生的。 （4）内重力波学说 日本Hayakawa 等人基于机械波解释地震与电离层电子波动的关联机制。地震孕育过程中会引起地面大气密度变化，使大气产生重力振荡形成内重力波，大气的震荡会向上传播，震荡幅值随着离开地面的高度的增加而增大，波幅到达电离层时放大因子可达１０５。抵达电离层时依然具有较高的能量，使电离层等离子体中性成分发生改变，从而引起电离层扰动。地震前夕引起内重力波的学说有以下几种： a,气体逸气出 地震孕育过程中地壳形变和裂缝增多，震前有气体冒出，如 氡气、氦气、氮气、汞气等。随着气体的释放，大气将产生周期为6—60分钟的内重力波。 地震前，个别泉水区域确实会有气泡冒出，但未发现地面有可检测的大量气泡涌出的异常现象，地下冒出的少量气泡根本形不成大区域的内重力波。 b,地表温度变化 在分析卫星红外线图片时发现，地震前地震区域大范围 温度异常。卫星图片显示震前热异常和地壳深大断裂有关，科学家通过对连续7年亚洲东部热异常和地震活动研究发现，在亚洲东北部北京地区附近，大约长700 km宽50 km的范围内，地热正异常大约为3℃，在震前持续7～14 天，震后一周后消失．在日本关东地区附近也有类似的现象，但更为复杂，震前大约持续7～10 天，温度异常可高达6℃。由此有人提出：地震前，由地震引起地表温度升高，地表温度加热近地大气，使大气密度产生变化，产生内重力波。 我们知道地震发生在地下深处，浅源地震，震源距地面也有十几公里。震源区的热量需经过传热能力很差的岩石传到地面，岩石具有一定的热容量，不可能使地面温度产生快速变化，而电离层扰动不是持续的，是间歇的，频率很广的波动。此学说无法解释F2电离层临界频率（f0F2）的突变现象。 到目前为止没有学者证明在高空电离层中有内重力波存在。所以这种学说存疑。 （5）次声波 地震前的次声波引起地面细微的震动，由此引起近地大气低频震动，而引起电离层扰动。 震前10几分钟内确实有强烈的次声波产生，但电离层扰动在四五天前就被检测到。世界各地地震台安装着非常灵敏的地震波检测仪器，在临震几小时前，除小震活动外，未曾检测到较强的普遍的次声波，这说明电离层异常扰动不是震前次声波引起。 （6）电磁学说 在实验室岩石破裂试验中，检测到岩石在微破裂发生时会有电磁辐射产生。基于这实验结果，有人提出了电磁学说，认为岩石发生微破裂时会产生裂纹尖端电子发射及压磁效应，并给出了定量的数学描述。 岩石在裂纹产生时，有些原子的电子会随晶体的破碎被分离在裂隙两边，所以裂隙两边会产生正负电荷，此过程会发生电磁辐射甚至产生电火花。在试验室的实验中，仪器在样品几十厘米处检测到了岩石破裂的电磁辐射现象，这是事实。但岩石破裂时分离的电荷量很少，从产生电火花的规模判断，远不及衣服摩擦产生的静电电量。由电磁辐射理论得知，很窄的裂隙限制了电偶极矩的大小，电磁波辐射功率与频率的四次方成正比，虽然地震的能量非常巨大，但裂缝两边产生的电荷很有现，能量微小，在低频段电磁辐射的能量及其有限，在地面上很难检测到几公里以下准直流的超低频段电磁波信号，更不用说能影响到几百千米高空的电离层。所以这种学说也不成立。 （7）电动效应 在地层中最主要的电动效应就是过滤电势。震源区的应力，有张力也有压缩力。局部因地震应力产生的电势，可能会被临近的电势抵消，整个震区不会出现方向一致的电场。 也有学者认为，地震时地下岩石的运动切割地球的磁场，从而产生电场。可地震前地壳并没有发生剧烈的运动，但这时就已出现了地电场异常，所以地震前的电磁异常，不是由岩石切割地球磁场产生的。 引起电离层TEC异常的因素很多，最常见的就是太阳活动，还有台风，寒潮，火山爆发等。地球内部发生的地震影响高空电离层的机制众说纷纭，各执一词，没有形成共识。可以肯定的是，地震引起电离层骚动的原因不可能是以上学说共同作用的结果，肯定其中有些学说是不成立的，也可能现有的解释均与事实不符。 这里有两点，首先是震源的什么物理机制干扰了近地大气电场和电离层的电子密度变化？其次是通过什么渠道将震源的参量变化传播到大气和电离层中的？最有可能是电场力作用的结果。 2、对近地大气电场异常的解释 对近地大气电场异常的机理研究的较少，主要有压电学说，和过滤电势学说及电离学说。 有人认为，地震前当应变积累到一定程度时，岩石破裂空隙增大，地下扩容，水沿裂隙向下渗漏，形成了上负下正的垂直向的渗滤电场。我们知道地球表面带负电荷，大气电场是由天空指向地面的。负异常是指大气电场的方向与此相反，是由地面指向天空的。地面负电荷增多怎么会产生负异常呢？过滤电势的量值不是很大，对近地大气电场的影响极其有限，不会产生上千伏的异常。地震时地下水有上升的有下降的，不会形成大面积一致的电场。所以用过滤电势根本无法解释。 用压电现象也无法解释。 3、对大地电场的几种解释 大地中存在着一定量的电场，可分为普遍大地电场和局部自然电场 （1）、普遍大地电场 普遍大地电场是由地球磁层捕获宇宙带电粒子，特别是在太阳活跃期，如太阳耀斑爆发，太阳黑子形成期，都有大量的带电离子抛向地球，由于地球磁场的作用，带电离子滞留在电离层形成带电团雾，带电团雾会沿地球磁力线做旋进运动。以及大气中带电云层的运动等，在地球内部感应产生的电场。 普遍地电场具有全球普遍性，按一定形式分布于广大地区，有其区域特征。不同地区的大地电场强度差异很大。在中纬度地区的低电阻率地层中,大地电场强度一般不超过0.5～1毫伏／公里，在高电阻率基岩隆起的地区也不超过3～10毫伏／公里，在南、北极地区竟达1伏／公里,特别是在强干扰期间甚至可达10伏／公里。 电场的幅度和方向具有一定的时间变化规律，其中主要含以24、12、8和6小时为周期的谐波。从振幅上看，24和12小时周期波占主要成分。受太阳活动影响极大。由于趋肤效应，大地电场强度随地层深度按指数规律衰减，电场的频率和介质的电导率越高，衰减得越快。初步计算表明,周期为24小时的谐变场,没有穿透到1200公里以下的深度。 普遍大地电场与地震无关，受空间电磁环境影响较大。 （2）、局部自然电场 按照局部自然电场形成机制分为如下几种： a过滤电场 二氧化硅是世界上分布最广和数量最多的矿物，硅与氧是共价键结构，晶体破裂后，表面界层价电子缺失，很易吸附溶液中的电子负离子形成负电层，负电层又吸附正电荷，与周围溶液之间形成离子双电层，靠近岩石颗粒界面一边带阴离子，而溶液一侧为阳离子。当地下水在岩石中流过时，将带走双电层溶液一侧（扩散区中）的部分阳离子。于是在水流的上游会留下多余的负电荷（阴离子），而在下游有多余的正电荷（阳离子）。因而破坏了正负电荷的平衡，形成极化，这种极化的结果，将沿水流方向产生电位差，上游为负，下游为正。这在电化学上叫流动电位。在此种极化机理中，好似水流过岩石时，岩石颗粒滤下了部分阴离子，故形象地称为过滤电场。地壳中的过滤电场主要有裂隙渗漏电场，上升泉电场，山地电场和河流电场等。这类自然电场都与地下水的流动有关。 过滤电场的值可用下式求得： U=ρθε△p/4πβ 式中U为过滤电势（mV），ρ为地下水的电阻率（Ωm），θ为吸附电位（mV），ε是水的介电系数，ε=81，△p为水的压力差（Pa），β为水的粘滞系数，水的粘滞系数为1。一般情况下可用下式估算。 U=0.77ρΔP 式中U为水流体AB两点的电势差（mV），ρ水地下水的电阻率,单位（Ω·m）；△P引起地下水流的水压差，单位千帕斯卡。（每十米水柱 的水压约等于一个大气压。标准大气压为： 1.013×10^5Pa）。 地震前，地下岩石虽受到巨大的应力作用，但其位移量很小。封闭区域的水虽承受着巨大压力，但不会产生渗流，也就不会产生过滤电势。如果不是封闭区域，地震前岩石缝隙容积的变化是缓慢的，空隙里水承受的压力逐渐释放，不会产生很大的压差，此时产生的过滤电势微乎其微。但检测结果显示，大多数地震，在震前几十天，地壳没有显著变化之前就检测到了地电场的大幅异常。但在地震过程中，由于地壳岩石产生了显著位移，使岩石裂隙容积剧烈变化，水压差巨大，形成的过滤电势必定大于地震前。但事实是此时却检测不到地电场或远小于震前的异常幅度。 设地下水的电阻率为ρ=1Ωm，经计算，1千米水压差产生的过滤电势不足8伏。电场主要集中在形成水压差的两端之内，设水压差两端间距为r=1千米，设一端为零电势，电荷集中在另一端，为便于估算，设两点之间为匀强电场，那么电场强度E0=8V/km。围绕这电荷做高斯球面，则Φ0=2，当距离震源区R=200Km时，Φ1=∮E1ds=4πE1R2。根据高斯定理Φ0=Φ1，这时电场强度为E1=0.2mV/km。实际检测数据远远大于这数值，有时可达上千倍。 这些检测事实用动电效应根本无法解释，所以地震前检测到的地电场异常不是过滤电势引起的。 b氧化还原电场 当电子导体和溶液接触时，由于热运动，导体的金属离子或自由电子可能有足够大的能量，以致克服晶格间的结合力越出导体而进入溶液中。从而破坏了导体与溶液的电中性，分别带异性电荷，并在分界面附近形成双电层，此双电层的电位差称为电子导体在该溶液中的电极电位。它与导体和溶液的性质有关。若导体及其周围的溶液都是均匀的，则界面上的双电层也是均匀的，这种均匀、封闭的双电层不会产生外电场。如果导体或溶液是不均匀的，则界面上的双电层呈不均匀分布，产生极化，并在导体内、外产生电场引起自然电流。这种极化所引起电流的趋势是减少造成极化的导体或溶液的不均匀性。故若不能继续保持原有的导体或溶液的不均匀性，使之因极化而引起的自然电流会随时间逐渐减小，以至最终消失。因此电子导体周围产生稳定电流场的条件是：导体或溶液具有不均匀性，并有某种外界作用保持这种不均匀性，使之不因极化放电而减弱。 地下的电子导体矿体，当其被地下潜水面截过时，往往在周围形成稳定的自然电场。原因是，潜水面以上，由于靠近地表而富含氧气，使那里的（附着水）溶液氧化性较强；相反，潜水面以下含氧气较少，使那里的水溶液相对来说是还原性的。潜水面上、下部分总是分别处于性质不同的溶液中，在导体和周围溶液的分界面上形成不均匀的双层面，产生自然极化，并形成稳定的自然极化电流场。通常称这样的自然电场为氧化—还原电场。通过大气降水的循环，从大气中不断向地下补充的氧气，提供了氧化—还原电场的能源。 在上述特定自然条件下，导体上部处于氧化性质溶液中，电极电位较高，导体相对带正电，而周围溶液带负电；而导体下部分处于还原性质溶液中，电极电位较低，导体相对带负电，周围溶液带正电。由此形成的电流在导体内部自上而下；而在导体外自下而上。从地面上看，自然电流由四面八方流向导体，因此离导体越近电位越低。在导体正上方电位最低，称为自然电位负心。通常，在硫化金属矿上可观测到几十到五百毫伏的自然电位负异常；而在石墨化程度较高的地层或石墨矿上，自电负异常的幅度可达-800~-900 mV，甚至更大。 在没有地下电子导体矿藏的区域，也就没有这种氧化还原电场。因而地震地电场异常与氧化还原电场关系不大。 c扩散电场 自然状态下，大多数岩石和矿物是离子导电的导体。其固体框架几乎不导电，导电体中的载流子主要是孔隙溶液中的正负离子。不同岩石或矿物的孔隙溶液的成分和浓度不同，从而其中的离子浓度也不同。当两种岩层互相接触时,离子互相扩散，在接触面上形成双电层,后者又阻碍着扩散的进行，以至达到动平衡。当正离子的扩散速度（迁移率）大于负离子时，离子浓度大的岩层带负电，离子浓度小的岩层带正电。此外，双电层电位差的大小还同固体微粒对孔隙溶液里的离子的吸附作用有关，一般可达数十毫伏。 电子导体同离子导体相接触也可以概括成电子导电的矿体同岩层中的水溶液互相接触。这时，矿体溶解形成双电层。溶液中与矿体同种元素的离子也会不断地从矿体中夺取电子，变成中性原子附着于矿体上。结果矿体带正电，而周围溶液带负电，因沉淀速度同浓度有关，所以矿体界面上的双电层电位差同周围溶液中的离子浓度有关。岩层中的水多半是自上而下地渗流着的。在直立矿体的上部，由于水刚刚接触矿体，溶解的矿物质成分少，离子的浓度小；而在矿体的下部，由于水长时间冲涮矿体，溶解的矿物质成分多，离子浓度大。所以，矿体的上部带负电，下部带正电，而周围溶液中的电荷分布则相反,结果形成天然浓差电池。在矿体的正上方可以观测到电位的极大值。 因地震可改变地下矿体周围的水环境，引起扩散电场的改变。同样在没有地下电子导体矿藏的区域也不会有这种地电场产生。 d压电电场 自然界中有些晶体，如石英，电气石和含锌矿等，在某方向收到外界作用力后会在界面产生电荷，生成压电电场。但由于自然界中晶体晶轴的方向混乱，在不大的矿体中，石英晶体的轴向分布没有明显的优势方向，是各向同性的，即使受力，矿体内部产生的压电电场相互抵消，总体对外也显现不出明显的电场。所以地震前的地电场异常也与地层的压电效应无关。 e震电效应 当机械波在大地中传播时，大地两点之间会产生一定的电势，这种现象叫震电效应。目前对震电效应的机理还不清楚，大多数人因为是过滤电势引起，可有人用干燥的沙子做实验，也检测到震电效应，这证明震电效应不能用过滤电势机理解释，本人认为，在地层中存在着一定数量的电荷，这些电荷随机械波一起运动，使地层某区域电荷增多，某区域电荷相对减少，两点之间形成差异，从而产生电场。 无论震电效应的机制是什么，但在地震前没有地震波在大地中传播，从而也就不会产生震电效应，那么震前的地电场异常也就与震电电场无关。 显然地电场异常也无法用过氧键断裂学说来解释，震源处无论是温度变化或者是应力变化引起晶体过氧键断裂，都不会产生电荷。只有电荷分布存在差异才能产生电场，过氧键断裂并没有产生电荷，哪来的电场？晶体过氧键断裂，只是使物质的导电能力提高，没有电场的存在，即使导体也不会有电流通过。更何况震源上层的岩石是很好的绝缘体，即使震源处产生电荷，也不会通过这层绝缘层。 以上所介绍的大地电场除个别与地震有关外，大多数与地震无关，是严重的干扰。以前和现在我们检测的地电场数据基本都是与地震无关的大地电场，因此我们无法依次来预报地震。 4、对大地磁场的几种解释 目前对地震前地磁场异常解释的主要理论有：压磁效应、过滤电场引起的电流激磁效应等。压磁效应是物质受到机械作用力时其导磁率μ的变化，导磁率是传导磁场的能力。因为地球有地磁场，当岩石受到应力作用时，岩石导磁率发生变化，我们检测到的地磁场强度也会变化。但理论计算和实验室的实验结果表明，由这些因素产生的磁场非常微弱，地球磁感应强度变化仅为几nT。地球磁场水平分量是50000-60000nT，汶川地震前，距汶川30Km的成都地磁台记录到20nT的磁异常。我们知道磁感应强度与距离成平方反比关系。假设把检测点移到靠近产生磁场的源点30m处，经计算这里的磁感应强度达到20000000nT，超出地球磁场400多倍，这样高的磁感应强度用压磁效应等已知理论根本无法解释。地球局部岩石的导磁率无论怎样变化，因是磁导率变化，这不会产生磁感应强度矢量的改变。磁针也就不会发生偏转，即是地磁场方向发生改变，仅几nT的磁场变化根本无法引起指南针的剧烈摆动。所以地震前的地磁异常不可用压磁等效应来解释。 5、对地震光的解释 对地光产生的原因，目前有几种解释：①大地震前地磁、地电场急剧地变化与大气中电离层相互影响而产生。这种解释非常模糊，根本没有说明原理。②地下天然气，如磷化氢气体等物质沿地面裂缝冒出，突然自燃而产生的。地震光与某种气体燃烧绝然不同。与现实不符。③由于岩石在大地震前发生急剧破坏，断裂破坏的岩块沿着断裂面互相摩擦，产生热量突然释放的结果。由于大地有很大的热容量，突然加热到发光的热度是不可能的。所以目前没有合理解释。 6、对地电阻率的解释 对地震前地电阻率异常机理的解释，也照搬了电法勘探的理论。地电阻率的大小决定于地层土壤或岩石的固体电性、空隙结构、温度、含水量、水中导电离子数量等因素。地震前由于地壳运动，改变了地表的土壤结构，从而使地电阻率发生改变，这似乎是完美的解释。 但对大量地震前地电阻率的数据分析表明，大多数地震前地电阻率是降低的，因地震引起的土壤结构变化，会是升降大体相等。在深井垂直电阻率检测中，所有电极都置于井筒的水中，不会受到土壤结构变化影响，但电阻率变化也是以降低为主，这无法解释。 7、低频电磁信号异常 低频电磁信号异常的解释，主要是基于实验室在岩石破裂时检测到有电磁辐射产生，岩石破裂时裂隙尖端产生的电偶极矩，会产生频率宽广的电磁辐射，由麦克斯韦理论得知，在短电偶极矩时，很难产生大功率的低频辐射信号，高频信号在地层衰减很快，也很难穿过几十公里厚的岩层到达地面。 8、对动物异常的解释 许多动对物温度如红外线，机械振动如超声波，次声波，电学方面的电场，磁场，化学信息等有异常敏感的能力，受到这些信息的干扰，某些动物会惊恐不安，出现异常反应不足为奇。 各种动物感受的物理量不同，解释也就不同。但就鱼儿的反常来说，现有的解释是，鱼受到次声波刺激做出的反应。但地震前几十分钟没有检测到与地震有关的次声波。有些不法分子会用炸药炸鱼，炸药爆炸时产生的冲击波会把附近鱼击毙。从炸鱼的视频看，远处的鱼虽受到机械波的作用，可没有鱼儿跃出水面。现实说明，震前鱼儿的骚动不是机械波引起的。 地震波按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。地壳中传播速度最慢的为横波，速度为3.2～4.0千米/秒，最快的是纵波，速度为5．5~7千米/秒。2019年9月8日的内江地震，震源深度为10千米，纵波比横波早到达地面1秒多钟，鱼儿不可能提前20分钟感知。 如果说是温度变化引起，因水有一定热容量，不可能产生迅速的温度变化。从监控录像看，大量的鱼是在几秒内突然产生激烈反应。这就排除了温度方面的干扰。所以现有解释与事实不符。 震前出现的电磁现象的机理可能没有那么简单，可能是多种机制协同作用的结果。需运用各个学科的理论知识，相互关联思索，多维度，多视角去探索才能窥探真谛。 地震前自然界出现的所有电磁现象，均由震源区的应力聚集引起，各种电磁现象，应是由统一的一种物理机制产生的不同表现形式。我们不能把它们分离研究，更不能把不同的电磁现象各安置一种机制。 因过滤电势、压电效应、岩石破裂、过氧键断裂等机制产生的都是偶极电荷，不符合上面由实际检测得出的结论。所以地震前出现的种种电磁现象，不是由这些因素引起。 |
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