地震—电离层圈层耦合机理研究进展及问题思考＊

张学民 申旭辉

1)中国地震局地震预测研究所，北京 100036

2)应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京 100085

引言

近地空间是与人类生存密切相关的圈层，也是地球与外空间能量传递交换的主要媒介。地震是发生在地壳岩石层的主要构造活动，给社会经济发展和人类生命带来了巨大的损失。因此，监测地震的孕育发生过程，发展防震减灾有力措施是社会发展的迫切需求。随着空间探测技术的快速发展，越来越多的大气层、电离层探测技术开始应用于地震监测研究，尤其是卫星探测的发展，以全覆盖、高分辨率等特性为全球大量的震例研究奠定了基础，同时也为科学家研究岩石层—大气层—电离层的耦合作用提供了有利的机会。

地震电磁学一直是地震监测预测领域的主要应用技术手段之一，在多次强震监测中发挥了重要作用。自20世纪60年代以来，在全国就布设有电磁前兆监测网。到目前为止，地磁场、地电场站点均超过100个，对人口密集地区形成了较好的空间覆盖。2004年6月，世界第一颗用于地震电离层扰动监测的电磁卫星DEMETER （Detection of Electromagnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions）发射升空[1]，它以其专业的轨道设计、全球覆盖特性和高精度的多参量电磁测量技术，激发了全球科学家对地震电离层扰动研究的兴趣，地震电离层成为短临监测领域的新热点。与此同时，大量的地基电离层探测技术也得以同步发展，人们开始从不同角度探测电离层中与地震相关的各种变化[2]。2018年2月，中国地震电磁卫星CSES（China Seismo-Electromagnetic Satellite）成功发射，为地震电离层研究和立体地震电磁监测体系建设提供了新的空间平台[3-4]。在探测技术发展相对完善的今天，观测数据日益丰富，对于地震圈层耦合机理的需求也更加迫切。回顾地震电离层耦合机理研究进展，客观认识现有模型的优势和不足，对于未来地震电离层理论发展尤为关键，也是本文目的所在。

1 地震—电离层圈层耦合机理模型

1.1 多途径岩石层—大气层—电离层耦合模型

以日本科学家Hayakawa[5]为首的研究小组在前期研究工作的基础上，于2004年提出了由多路径组成的岩石层—大气层—电离层耦合模型（图1），其中包括地球化学（电场）途径（蓝色）、声重波途径（红色）和电磁波途径（粉红色）。由于孕震过程中岩石层微破裂增加、流体扩散和压力变化等，在近震中区产生气体释放，从而改变大气成分，并产生局地大气电场异常，此异常电场作用于电离层引起电离层电子向下运移形成电离层扰动，此链路由于主要受气体释放影响，因此，称为地球化学（电场）途径。而声重波途径则是与地表或近地表宏观气体和热源相关，在大气层中形成声重波，并引起重力和行星波增强，当此类信号传播至电离层则同步引起电离层温度、密度等振荡信号产生，也称为声重波途径。鉴于岩石层对高频电磁波信号的强烈衰减作用，Hayakawa[5]的模型仅提出了最有可能传播至地表的超低频（Ultra-Low-Frequency，ULF）电磁辐射，穿透电离层乃至磁层，与磁层中高能粒子相互作用，引起高能粒子沉降至电离层，进而导致电离层等离子体参量产生波动，此谓之电磁波途径。在此模型中，考虑到地震孕育过程及前兆现象的复杂性，将地球圈层不同参量的耦合过程进行了有效的关联和划分，既便于理解，也方便模型的理论化，在后续应用研究中显示了很强的适应性和实用性特征。中国学者丁鉴海等[6]也在此模型基础上进行了一定的凝练和总结，对于图1中第2列显示的水位—大气电导率—闪电等链路变化与第1列的地球化学途径进行了整合，统一为与局地大气电场异常相关的地球化学途径。

图1 岩石层—大气层—电离层多路径耦合模型[5]Fig. 1 Lithosphere-atmosphere-ionosphere multi-channel coupling model[5]

1.2 统一圈层耦合模型

为有效解释地球各圈层观测到的复杂前兆现象，俄罗斯科学家Pulinets和Boyarchuk[7]一直致力于构建一个统一圈层耦合模型。图2展示了他们2004年提出的耦合框图。从这个结构图中我们可以看到，他们认为各类前兆的起源主要来自氡气、惰性气体和温室气体释放，以及大气扰动等，而中间关键性因素是异常电场的形成，包括声重波的传播也通过异常电场进一步耦合进电离层，而潜热通量、水蒸气的变化也与异常电场直接关联。与Hayakawa[5]的模型较大的区别在于电磁辐射部分。Pulinets和Boyarchuk[7]利用异常电场对电离层底部的焦耳加热原理解释了电离层不均匀体结构的形成以及对VLF传播导管现象的激发，并通过波粒相互作用引起磁层高能粒子沉降，由此引起一系列甚低频（VLF）、低频（LF）、高频（HF）、甚高频（VHF）频段电波传播异常和电磁辐射信号，据此解释了更高频段的电磁扰动异常，这是Hayakawa[5]的模型未曾覆盖的频段。

图2 统一化岩石层—大气层—电离层耦合模型[7]Fig. 2 Unified lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling model[7]

随着观测资料的增加和研究的深入，Pulinets和Ouzounov[8]于2011年更新了统一化的圈层耦合模型，图3是新的模型框图。在此模型中，着重解释了异常电场的形成过程，即地震孕育过程中释放的氡气衰变产生的α粒子电离大气，并在离子水合作用下形成类气溶胶粒子，在大气对流过程中产生电荷分离而形成异常电场。中间途径直接导致地震云的形成。右侧途径是由于异常大气电场作用于电离层和磁层引起的一系列扰动。左侧途径离子水合作用引起的湿度下降、潜热释放、大气温度升高以及热红外长波辐射异常等。可以看到这个模型，虽然是统一化模型，但也在向多途径发展，以期串联解释更多的物理化学前兆现象。

图3 统一圈层耦合模型[8]Fig. 3 Unified sphere coupling model[8]

1.3 岩石层—盖层—大气层耦合模型

以实际观测和室内岩石试验为基础，中国学者Wu等[9]发展了岩石层—盖层—大气层耦合模型（图4），主要用来解释热红外异常形成机制。他们认为，异常的主要起源是孕震过程中的应力增强效应。由于应力加载在岩石层激活正空穴，同时岩石的热弹性效应和摩擦生热同步引起岩石温度上升，而断层微破裂发展导致流体运动增强、水温改变、气体解吸逸出等，改变岩石和土壤性质，同时气体逸出也会引起局地温室效应，最终引起地表和近地表温度改变，从而导致大气层潜热能量交换增加。他们的模型与Pulinets和 Ouzounov[8]关于热红外异常的解释还是有较大差异的，耦合过程中并未考虑大气电离、水合作用等引起的湿度下降等，或者说未对大气性质的改变进行讨论，而更着重于热源的形成过程、以及盖层土壤性质的改变或温室效应等。

图4 岩石层—盖层—大气层地球圈层耦合模型[9]Fig. 4 Lithosphere-coversphere-atmosphere coupling model[9]

2 圈层耦合理论模型发展及校验

从上面分析的3种主要圈层耦合模型可以看到，后两种模型虽然统一化程度高，但路径之间互相交叉，更偏向于一种概念化的认识，很难形成统一的理论模型并实现数字化模拟。而Hayakawa[5]提出的第一种模型，链路清晰简洁，不同圈层关联的物理参量清晰，更易实现数值模型的突破。下面我们以不同耦合途径为引，分别介绍其理论模型的发展现状。

2.1 附加直流电场模型

Hayakawa[5]与Pulinets和Ouzounov[8]的模型均提到了存在于大气层的电场异常是地震—大气层—电离层耦合的关键因素，其理论模型的发展也是地震—电离层圈层耦合机理研究的重要组成部分，直流电场模型也是目前几个理论模型中研究比较久、发展最为完善的一个，下面介绍几个比较有代表性的研究结果。

俄罗斯科学家Sorokin等[10-11]在圈层耦合机理模型提出来之前，就开展了直流电场的传播耦合模型研究。他的模型中认为，异常电场的来源为放射性物质和带电气溶胶的逸出，带电气溶胶粒子在土壤气体的推动下向上对流，在原有的大气层—电离层电路中形成外部电流，伴随大气层—电离层电路的电导率电流的放大作用，外部电流进入电离层导电层，并通过场向电流到达磁共轭区。在他们的模型中，外部电流主要包含10 km高度以下的电动势（electromotive force，EMF）电流，和在10 km以上高度起主要作用的传导电流两部分。他们的计算结果显示，当地面外部电场约100 V/m时，可在电离层形成约10 mV/m的水平电场[12]。但是，带电气溶胶进入大气层是否能产生1—100 nA/m2电流密度仍需要实际观测来进一步确认。中国台湾科学家Kuo等[13-14]进一步发展了直流电场耦合模型，他们在模型中主要考虑Freund等[15-17]提出的应力激发岩石空穴效应形成的向下或者向上的运移电流。当其在地球表面大量带电粒子积累时会电离大气分子，提高大气层电导率，利于电流向电离层底部的传播。同时他们在模型中加入了电离层模型SAMI3，可直接计算电场驱动E×B效应下总电子含量（TEC）的扰动变化。他们的计算结果显示，岩石电流密度为0.2—10 μA/m2能引起日侧TEC 2%—25%的扰动变化，而岩石电流密度为0.01—1 μA/m2可导致夜侧TEC 1%—30%的扰动[13]。在综合考虑了电流连续性、磁场方向和更大的电离层霍尔电导率的情况下，引起同等幅度电子密度变化的最大电流密度可缩小30倍。此外，模拟结果显示，同为向上/向下的电流源，在近磁赤道纬度（7.5°，15°）引起源区和共轭区电子密度增加/减小，而在中低纬度区（22.5°，30°）则导致源区和共轭区电子密度减小/增加的变化特征[14]。Zhou等[18]发展了三维电场模型研究中高纬度的电场耦合过程，他们假设地表垂直电场为1 000 V/m，则在电离层底部能产生4×10-11A/m电流，那么在磁纬60°N、45°N、30°N、15°N引起的电离层最大异常电场分别为2.0 μV/m，1.3 μV/m，1.1 μV/m和0.44 μV/m。这在电离层背景电场（1—3 mV/m）较大的基础上是不可能通过动电过程引起电离层扰动的，只有如Kuo等[14]考虑更大的电流密度（100 nA/m2），且在近地表大气被电离大气层电导率增加的情况下，电离层电场才能达到mV/m量级。Denisenko等[19]给出的电导模型提出了更尖锐的问题，他们认为即使地表电场达到1 kV/m，大气电导率增加至2×10-13S/m，能产生的电离层电场异常仍低于10倍以上，因此，模型中需要考虑其他机制的作用。

根据大量的震例研究，电场耦合模型有比较明显的两个约束条件，一是地表大气电场震前异常幅度，二是卫星观测电离层高度近直流电场变化幅度。前者多数在100—1 000 V/m范围内[20-22]，后者多为1.5—16 mV/m[23]，而且后者只有达到mV/m量级才能驱动电离层等离子体参量扰动。所以模型的焦点是地表电流密度是否能达到100 nA/m2，而且大气电导率究竟能提高至什么水平。大气电场已有大量的新的探测结果[20]，如果大气电场异常值一定的话，这两个问题其实是一个问题，但目前对于大气电导率的测量几乎没有，需要尽快加强观测。另外，我们知道震前电离层电子密度扰动有正有负，而数值模型也分别利用向上和向下的电流方向进行了相关的解释[14]，但实际观测中大气电场多表现为负异常（向下为正）[21-22，24-25]，即在晴天天气表现为垂直向上的异常电场，震前大气电场正异常的事例相对较少[26]。如果震前地面确实是向上异常电场为主的话，那电离层中电子密度的正负扰动机制（电离层垂向和水平电场同样有正有负）可能会更为复杂。还有，就是异常的形成时间，如果大气电场异常出现在日侧的话，理论模拟也显示其需要的初始电流值会更大，同时在前期的研究中，日侧的卫星近直流电场较少观测到与地震相关的异常现象，这也是需要进一步思考的问题。相对总体而言，附加直流电场模型发展较为完善，可以有机串联地表—大气层—电离层相关观测并能在变化量级上达到较好的吻合，个别矛盾和不足之处需要未来增加相关观测进行校验和修正。

2.2 声重波传播耦合模型

Molchanov[27]基于卫星在中低纬度观测到的电离层湍流，认为来自大气重力波（Atmospheric gravity wave，AGW）的能量通量是其形成的来源，正常情况下与大气潮汐振荡谐波相匹配的大尺度1 000—2 000 km的大气重力波会产生约1 000 km尺度的电离层湍流，而地震活动期间的AGW喷发尺度范围为几百千米，这种额外的喷发可以强化更小尺度的电离层湍流，同时抑制更大尺度的电离层湍流。Carbone等[28]发展了一种量化模型，用以描述与地震相关的地面运动（如勒夫波、瑞利波）如何造成低大气层压力或者密度的扰动，以及这种扰动又如何通过声重波的模式传播到高层大气的过程。通过对4个强震震例的模拟，并与震中上空温度剖面的实测数据对比，他们的模拟结果显示了地面运动自地表传播到60 km的能量传播过程，以及由于波矢量k和信号频率ω的变化在大气层不同高度的能量响应。

与地震相关的声重波在大气层和电离层中的传播在多次的大震同震/震后信号中被完整的记录下来，尤其是总电子含量的震后时空分布非常好地展示了地震面波激发的大气声重波在电离层的响应，而波长和波速特征也吻合了声重波的周期分布特性，如果震后伴随海啸，电离层的扰动响应会更为突出[29-32]。比较遗憾的是，震前的地面波动完全无法与地震破裂时激发的地震面波幅度相比，这类弱信号是否还能激发大气声重波并引起电离层耦合，目前没有直接的证据；另一种起源是地球化学物质或者气体的喷发引起的大气重力波，则与同震声重波的起源机制完全不同，这种起源较难模拟，多为概念性描述，可能需要地球化学气体测量、空气压力、温度等的变化来侧面进行反映。同时，这种起源的声重波是否还在大气层激发了异常电场变化，并共同作用耦合至电离层，目前也没有数字模型来反映两者的叠加耦合过程。Yang等[33]利用大气温度剖面提取震前的能量传播过程，以期证明震前声重波信号的存在；Piersanti等[34]综合大气温度剖面、TEC、电磁卫星等观测，尝试建立大气重力波/声波在大气层和电离层的传播途径；Chen等[35]在四川乐山建立了一个10余种仪器组合的垂向观测系统，期望能记录到从地下、大气层到电离层的地面振动及其他扰动信号传播耦合过程。声重波在大气层中的传播毋庸置疑，但这类信号与电离层的耦合作用，还需要理论模型的进一步验证，是单纯的与地震面波等相关的动力波传播模式，还是激发了其他干扰源进行了二次耦合仍需检验。科学家们也正在通过多种观测对地震孕育过程中，声重波的起源、传播链路、耦合过程获得更确凿的证据，以期对数字模型提供更确切的约束和校验。

2.3 电磁波传播耦合模型

无论是地面观测还是卫星观测，均发现震前电磁扰动分布在一个很宽的频带范围内[36]，而不是局限在Hayakawa[5]提出的ULF频段，因此，对电磁波传播模型我们也给出比较宽频带的研究结果。Molchanov等[37]讨论了0.01—100 Hz频段的地震激发地表电磁辐射信号传播至电离层的过程，模型中考虑了地面和大气电导率结构的不均一性、以及电离层各向异性特征，结果显示，只有来自磁性源的信号能够穿透至磁层，并产生可传播的阿尔芬波，磁层中的电场和磁场分别达到1—10 μV/m/Hz1/2和1—10 pT/Hz1/2，水平分布范围为100—200 km。Bortnik和Bleier[38]发展了考虑斜向地磁场的全波传播模型，并着重讨论了ELF和ULF频段电磁波的传播过程。Ozaki等[39]基于全波模型计算了来自地下电流源的10 Hz—1 kHz频段的电磁波传播，波强度的空间分布主要来自沿磁场场向传播的电离层哨声波和地—电离层波导，计算表明在地表产生可测量的扰动磁场需要地下电流矩大约为80 A•m/Hz1/2，而如果在电离层中获得可探测的扰动电磁波则需要千倍以上的源电流矩。赵庶凡等[40]将全波传播模型推广至甚低频频段，主要分析了14—30 kHz的VLF电波在水平各向异性电离层中的传播过程，结果显示，地—电离层波导中的垂直极化波更容易渗透进入电离层，同时右旋极化波在电离层中衰减较小，为可传播模，研究频段内，电波频率越低，波印廷能流密度越大，从而更易被卫星探测到。张红旗等[41]导出了地层—大气层—电离层3层水平分层介质下的电磁场积分表达式，地下水平ELF/SLF电偶极子辐射源从地层垂直渗透进入大气层，然后在地—电离层波导中以若干个波模叠加的方式传播。以30 Hz电磁波为例，当其渗透进入电离层时，垂直分量有近80 dB的衰减，而两个水平分量在电离层分界面是连续的。考虑到SLF/ELF频段电磁波接近离子的磁回旋频率，陆洪等[42]专门讨论了离子对该频段电磁波在电离层中传播的影响，计算结果显示，在70 km左右的低电离层中离子影响较小，而在200 km高度的电离层中离子对电波传播的影响很大。对于透射传播至卫星高度的电磁波，需要考虑离子对SLF/ELF频段电波传播的作用。

地表分布有大量的甚低频电波发射站作为通讯导航之用，科学家也利用这些信号开展了大量的地震应用研究[41-48]，因其发射功率大、频率稳定，因此10 kHz以上的人工源信号最易用来校验模型的正确性和可靠性。廖力等[49]利用全波模型模拟计算了张衡一号（ZH-1）卫星记录的多个地面人工源电波信号，发现卫星记录电波信号量级与模拟结果一致，验证了正演电磁波传播模型的可靠性。对于VLF频段的电磁波传播，理论模型与实际观测实现了较好的吻合，但目前算法多用来讨论人工源电磁波的正常传播过程，对于附加在人工源信号上的震前电磁扰动所能给出的解释相对有限。对于ELF/SLF频段的电磁波，在震例研究中通过极化分析确实在卫星探测中提取到来自地面源的窄带电磁辐射，电场信号幅度约在100μV2m-2Hz-1，磁场大约在10-6nT2Hz-1量级，窄带信号多在百Hz频段，在离子回旋频率以下。从量级上看，Molchanov等[37]的计算结果比较一致。不过遗憾的是，地面观测中较少报道这种窄带电磁波地震信号，更不用提跟卫星观测能够同步观测了，所以这类信号虽然被卫星观测到，但是究竟是何来源，是否真正与地震相关，还有待地基宽频带电磁波与卫星观测的共同验证。在卫星和地面观测中都比较常见的地震电磁辐射是相对宽频带的扰动信号，卫星数据分析中也称为静电紊流现象，异常多集中于DC-250 Hz[44，46]，相对平静时段背景场数据，电场扰动能增加1—2个数量级，甚至达到102μV2m-2Hz-1，但这类信号多发生在电场观测中，磁场探测无同类信号；我国建设的人工源极低频电磁监测网也在几次强震前观测到几百Hz以下的电磁辐射信号，其中磁场信号相对平静期能增加1—5个数量级，电场增加0.3—3个数量级，这类地下电磁辐射观测绝对值量级非常低。考虑到在岩石层和电离层中的衰减，其与电离层中同类电磁辐射信号是否同源需要天地观测共同验证。另外，单纯的电磁波传播模型可能与观测本身量级上也难吻合，仍有较大的可优化空间。至于Hayakawa[5]提到的ULF电磁辐射途径，之前的研究中多以地磁场观测数据为主，分析频段也多在1 Hz以下。已有的震例研究结果显示，优势地磁扰动分布在0.01—0.05 Hz，幅度约为0.1 nT[50]；之后也使用垂直极化比等算法，借以突出垂直方向上增强的异常信号[51]。近几年来利用欧空局SWARM卫星探测的磁场数据也获得了多个震例前的研究结果，结果显示，震前磁场幅度略小于1 nT，频谱在40—60 s之间，且主要能量分布在Y分量上（指向东）[52-53]。从目前的地面和卫星磁场观测来看，卫星上信号强度要高于地面磁场观测，地面磁场前兆异常能量主要在垂直Z分量上，而卫星观测多出现在水平Y分量上，卫星高度的扰动信号如果是来自地面源，则远远超出理论模拟结果的量级，所以地空之间磁场究竟是何传播耦合原理尚需进一步优化模型，并寻找更多的观测事实加以约束。关于电磁波与高能粒子的相互作用，目前最典型的观测事实是人工源甚低频电磁波在卫星高度激发的高能粒子沉降，在法国DEMETER卫星和中国ZH-1卫星上均观测到内辐射带以里的粒子沉降带[54-55]，同时由于大功率电波的加热作用在甚低频发射站上空会形成人工导管现象，引起电子温度上升、密度下降的扰动信号[56]，但是这种高能粒子沉降与等离子体参量之间的关联因为空间位置的巨大差异（一个在更高纬度，一个在源区上空）还有待商榷。科学家对于地震电磁扰动与高能粒子沉降异常多数情况下是采用单参量独立完成的，所以电磁扰动引起高能粒子沉降并最终引起等离子体参量扰动需要电磁场、高能粒子、等离子体参量等探测结果的综合分析和校验，目前还比较欠缺。

3 总结与展望

地震科学是一门探测科学，目前我们对地震相关知识的认知均来自于各种探测技术的发展。介质的电磁特性是其基本物理性质之一，而电磁场又是串联地球各圈层系统的重要媒介，电磁波也是人类用于通讯导航的重要技术手段，人们从利用大地电磁测深技术等获取地下的电性结构，到地磁场、地电场、电磁辐射探测，到卫星的电磁场和等离子体、高能粒子探测等，从世界瞩目的希腊VAN方法，到DEMETER卫星、地震电磁监测卫星张衡1号的发射升空，无不彰显出电磁探测技术在地震监测预测领域鲜活的生命力和无限的发展潜力。作为地震前兆的探测技术之一，电磁观测也无法直探异常源头，探测结果是多种信息混合。我们获得的观测数据越多，越能给出更全面的认识。但如果只依赖探测数据本身，很容易陷入经验和主观主义。而地下结构和地震孕育过程的复杂性远超预期，这也是迄今为止科学家们一直没能获得确定性地震前兆的原因。因此，必须同步发展物理模型和数值模拟算法，从繁杂的观测中揭露事物的物理本质，才能真正有助于地震探测和预测科学的发展，这也是本文的初衷所在。

从前文的成果总结来看，过于复杂的地震—电离层耦合模型多数还处于定性分析状态。但单个链路的模型发展势头较好，个别已达到能与实测数据相匹配的水平，如直流电场模型对于电离层等离子体参量扰动及同步共轭现象的解析，对于大幅度的等离子体参量扰动和电离层共轭异常的发展，给出了合乎物理原理的理论支撑，而甚低频电磁波传播模型也吻合了大功率人工源信号的正演传播过程，奠定了模型的科学性和可靠性。当然理论模拟结果和实测分析的需求仍有较大距离，或者还有矛盾之处，基于现有的观测和地震研究事例，我们仍然无法证明哪个模型更具优势，或者哪个是地震孕育激发异常传播耦合的至要因素，因此，多链路并举仍然是未来发展的重要技术路线。当然，我们也要正视模型中揭示出来的问题，如初始条件、边界条件设置等，都是影响计算结果的关键因素，如果进一步优化模型的话，需要加强相关重点参数的探测。另外，多数模型目前还设置的均是垂向分层模型、单点偶极子源等，对于地下三维结构、电离层三维导电结构、以及地磁场分布的三维不均匀性、电磁波平面传播与球面传播的差异等，在当前高性能计算技术快速提高的今天，有望搭建得到更复杂模型下的数值模拟结果，以期更符合实际构造环境的复杂性。

理论模型发展的同时，也要注重探测数据的融合，目前虽然探测技术众多，观测数据成指数增长。但对于各参量之间物理本质的认知仍然极为有限，建议未来通过大数据挖掘及人工智能分析技术，搜索搭建各类参量之间的有机结合。除了电磁参量，还应该加入更多孕育机制中提到的地球化学因素、热红外、中性气体探测等，以便实现不同圈层多源观测数据效益最大化。探测技术和分析方法的进步也是推动理论模型进步的重要因素，一则可校验优化现有理论模型，二则或可提出构建新的核心理论模型，以观测带动模型，以模型指导探测，全方位推动地震—电离层圈层机理的发展。