Λ.Ε.Сοбисевич А.Λ.Сοбисевич K.Χ.Κанониди

图1 北高加索地球物理1号观测站位于安德尔奇市地下1.5km深处的仪器。图中前部为波普洛夫系统磁变仪，后部为格力德涅夫系倾角仪

著名的科学家乔治·穆尔（Джордж Мур）发现，地磁扰动异常可以预警强地震事件，他根据1964年3月27日阿拉斯加灾难性海啸地震发生前2小时记录到的信号，首次成功地提取出了波形特征。这一发现成为地震电磁 “前兆”研究工作的开始。专家们从多个角度接受了所发现的现象。在美国著名科学家的文章中，详细分析了该问题（Fraser－Smith，2008），其所揭示的强震与磁暴以及电离层、大气层和岩石层其他变化过程之间的 “关系”提示地球物理学家们扩大了对地磁扰动异常进行研究的范围。有关在出现伴生的强地磁暴背景的二分点处经常发生大地震的资料在部分科研著作中得到引用 （Сытинский，1987；Барсуков，1991）。根据观测到的自然数据绘制的特定区域的构造地震孕育现象模型提出，作为地震前兆的构造地磁效应，是地壳的某些内部源变化引起的（Седоваи∂р，2001）。还有一些方法试图将地球的地震活动性与太阳、电离层影响以及地球物理圈的其他现象进行联系（ГогатишвиΛи，1984；Λиперовскийи∂р，1991； Моргунов，1999； Седова и ∂р，2001；ГуΛьеΛьми，2007；等）。圣 彼 得 堡

科学家的一些研究也值得关注，其研制出新一代磁场测变仪，并对潜在的震源定位技术进行了实际检验（Копытенкои∂р，2000）。

图3 2004年12月26日印度尼西亚海啸地震区域

北高加索地球物理观测站（位于埃尔布鲁斯火山中心地区，图1、2，观测站坐标：43°16′N，42°41′E）观测经验表明，强地震前被研究的某些电磁超低频扰动信息量丰富，并适合被先进的地球物理装置记录下来（Собисевичи∂р，2008，2009；Собисевич，2010）。

现举例说明2004年12月26日发生在苏门答腊北部地区的苏门答腊—安达曼灾难性地震（该地震引发的海啸被认为是当今地震灾害史中造成伤亡最大的一次自然灾害）。根据各种评估，该次地震震级达9.1～9.3级，这一强度在整个有观测记录的地震史中排第二或第三位（图3）。在归纳所观测到类似震级地震的地球磁场异常扰动特征时，将会发现某些在分析北高加索地球物理观测站磁场测变仪记录数据中出现的波形，我们认为这是最有意义的。对所记录的准谐波磁扰动结构的解读显示，在海啸地震形成和发展的所有阶段，仪器设备可以分辨并记录下地球磁场中典型的 “准谐波”波形，这样的波形表明在岩石层—大气层—电离层系统内进行着复杂的电动力发展过程。

俄罗斯科学院地球物理局信息处理中心紧急情报处（奥布宁斯克市）使用从俄罗斯、独联体国家以及国外远程数字和模拟地震站获取的数据确定了这些地震参数（表1）。

图4 进行地震分析的地震波图片段

表1 地震监测中心记录的灾害事件主要参数

在图4中显示的地震记录来自如下数字台 站： 阿 拉 阿 查 （Δ43.5°）、 塔 拉 亚（Δ48.6°）、 博 罗 沃 耶 （Δ53.8°）、 埃 里 温（Δ58.8°）、南萨哈林斯克 （Δ59.4°）、阿尔蒂（Δ60.7°）、基兹洛沃茨克（Δ61.8°）、马加丹（Δ70°）、奥布宁斯克（Δ70°）、勘察加彼得巴普洛夫斯克（Δ71.2°）。

第一波冲击破坏了苏门答腊岛北部，然后呈链状继续沿主断层推进。直到尼科巴和安达曼群岛都监测到了地震。高达10m的巨大潮汐波摧毁了斯里兰卡、印度、印度尼西亚、泰国和马来西亚的海岸区。地震还伴随有多次余震。

这些地震的震源位于巽他地震区侧翼，环绕苏门答腊岛、尼科巴群岛和安达曼群岛西部。巽他地质构造弧的这段区域属于斜俯冲带。此处印度—澳大利亚板块向北方运动，而缅甸沿安达曼—尼科巴和苏门答腊中部右旋断层向南－南－东运动。我们认为，所形成的结构，就是确定产生超低频地磁扰动异常的因素。

根据哈佛大学地震中心数据，震源机制在该俯冲带地区是非常典型的。由俄罗斯科学院地球物理学院科学家们完成的这次地震模拟，显示出了地震破裂的节面为亚倾斜形态的平面。

地震发生在地震活跃地区，为此编制了该地区自1971年到2004年10月（含）所发生的震源深度小于150km的地震活动目录。通过对该目录的数据分析，Ю.Λ.Ребецкий和他的同事们完成了对两个深度范围的应力重建，一是，浅地表0～60km，包括220次地震，二是40～150km深部（80次地震）。计算主应力轴在水平面上的投影，并确定出从断层 “初始破裂”开始向东南方向扩展表明，最大和最小应力在水平面上的投影低于正常值，而中间主应力则平行于槽轴线。最大偏量挤压轴线缓倾向大洋岩层之下，而最大偏量拉张轴线则陡然俯冲到大陆板块之下。这是典型的俯冲带特征，呈现水平挤压状态，并近乎严格地保持垂直于槽轴线走向的拉张方向。应力矢量方向与大洋板块之下对流运动的方向一致。此外，随着沿巽他西侧由南向北的俯冲推动，可以观测到应力状态从俯冲（水平挤压）到水平拉伸的有序变化。

地震学家猜测，正是这个板块的运动决定了安达曼—尼科巴和中央苏门答腊断层的右旋运动，以及该地区地壳大陆部分应力状态的特征。此外，从断层 “初始破裂”开始到圆弧盆地地震震中区域主要应力方向的变化表明，其很好与观测到的地表破裂附近主应力轴方向相吻合。

强震发生在应力梯度变化强烈地区的事实，使得我们必须明确提出关于强烈海啸地震的地质运动特点的一些新观点。在这些观点中，起主导作用的是未来地震发生地区应力强度增强到某一极限。

可以推测，正是强弱应力区域的出现，才导致了复杂的地质—地电过程。该过程能量剧烈变化，超出地壳地震活跃区域强震能量水平，引起该区域大洋底部流体饱和断块结构单元的大规模电化过程。就目前的认识来看，这些区域可以按照相应的膨胀模型进行模拟（ΑΛексееви∂р，2008；Собисевич，2010；НикоΛаевский，2011）。在震中地区和紧靠震中的断裂板块结构（断层群）带电粒子的相互作用，我们认为是导致地电异常磁扰动现象的来源。这种异常磁扰动可在所研究的海啸地震形成和释放所有阶段均观测到。

因此，导致出现分散膨胀型结构并具有共振特性的部分断裂板块地质介质区域电离过程的结果（Собисевич，2010），会促使发生异常地磁超低频扰动，反映了震源区域共振断裂板块结构单元的运动轨迹。为证实这一点，我们研究了从北高加索地球物理观测站获取的自然条件下的试验数据。

图5 磁场坐标系：F—地球磁场矢量；H—水平面地球磁场矢量水平线，由南向北方向取值为正值；D—地球磁场水平线与地理子午线之间的夹角，由西向东方向取值为正值；Z—地球磁场矢量垂直线，由上至下取值为正值

在观测站内我们采用图5所示的坐标系，并且所有磁变测量站以磁极为基准。水平线磁变量取值标记为H和D。虽然现实中与采用的标记有区别，但运用数学转换，总可以得到磁变量H和D的实际数值。将来在记录中显示：H分量—磁变测量站读数，D分量—不是角，而是垂直于H分量的测量数据。在2004年12月26日苏门答腊—安达曼地震过程中，北高加索地球物理观测站记录到的地磁图和倾角仪数据如图6所示。

可以归类至异常超低频地磁扰动的磁场信号典型结构，我们认为是由该次灾难性地震形成区域内引发的流体系统确定的。在记录中，这些结构从2004年12月24日14时40分就开始清晰地呈现出来。

对获得的地磁记录图进行分析，可以划分出几个时间段，每个时间段内，其异常超低频地磁扰动表现得异常明显。我们将它们确定下来，从12月24日00∶00至25日00∶00（图6）。该时间和下文中的时间均为世界时。在所提供的反映分析地震起始和发展各阶段的地球磁场变化（H、D、Z）和地球表面倾斜（EW向）记录中，可以（在给定的磁变测量仪敏感度条件下）研究从海啸地震发展最初阶段就出现的异常超低频地磁扰动。在图6中，用灰色标出两个时间间隔，其更清晰地显示出上述典型的准谐波磁扰动。需要指出，这些扰动在其他时间间隔也可以观测到。它们在结构上基本没有区别，只是其振幅要小得多。应用地震震中区域运动过程相关对比分析方法，下一步我们准备更详细地研究这些扰动数据。

现在，我们研究发生在从2004年12月24日23时58分到12月25日00时23分期间的异常超低频地磁脉动（图6，插图2、4）。震前直接与地震冲击有关的异常超低频地磁扰动波形显示在图6中（插图3、5）。在两种情况下，均延长了研究的时间范围。为描述地球磁场变化的扰动产生和发展过程，需要说明的是 “准静态”信号振幅在0.5～1.2нТΛ之间波动，而周期在1～2min范围内变化。

对18～300s时间范围内的扰动过滤后得到的波形（图6，插图2、3），能清晰地描绘出海啸地震震前的异常超低频地磁扰动的精细结构。

对所列出的准周期性信号与在全球其他地区海啸前获取的数据做比较显示，所能监测到的波形有明显区别，且完全不同于每个从全 球 范 围 单 独 选 取 的 区 域 （Собисевич，2010）。因此，自然可推测，类似的异常超低频地磁波动可能反映在地震孕育区发生的地质地球物理过程。

在分析这样大规模自然现象的特点时，我们发现北高加索地球物理观测站记录到的超低频地磁扰动的绝对量，实际上是大气和大地两类波的叠加（Копытенкои∂р，2000）。但是由于缺少进行真实试验的相应技术，还暂时不能试验性地把它们区分开来。

图6 在2004年12月26日苏门答腊岛地区地震形成和发展各阶段的磁场变量和地球表面倾斜的记录。插图2、4为地震前后观测到的异常超低频准谐波磁扰动的典型波形；插图3、5为地震前1小时出现的异常超低频磁扰动的典型波形；EW为东西向倾斜仪读数；H、D、Z为地球磁场变化；Hf、Df、Zf为18～300s范围内过滤出的地球磁场变化

有一种观点认为，产生这种现象的原因，是在未来震源地区传导性、以及超低频地磁、次声和电离辐射异常发展的结果。同时对电离层中产生的特殊超低频地磁波动信号的研究（图4类信号等）过程中，引起很多研 究 人 员 的 关 注 （Бахмутов，2001；Бахмутови∂р，2003；ГуΛьеΛьми，2007；ГуΛьеΛьми、Зотов，2012；Собисевичи∂р，2009；Собисевич，2010）。根据对比在海啸前记录的超低频地磁扰动，在评价图4类提取的波动时，需要注意的是目前暂时没有人能准确地确定信号源所处的位置。科技文献中还没有确凿可信的数据证明，在陆上和海上强震发生和传播的所有阶段均存在的（例如图4类型的）电离层中磁扰动还是在岩层系中超低频地磁扰动哪一个是原始资料。没有这样的资料，加大了大震预报的难度。

与此同时，根据近年来北高加索地球物理观测站的仪器设备观测得到的异常超低频地磁信号试验记录的研究数据，确定扰动源很有可能处于岩层系中（见表1）。因此，在强震孕育地区产生的电离层磁扰动实际上就在一瞬间。所产生的典型波形总能被分布在远离震中的观测站记录到并成功分离出来（Собисевич，2010）。

对比分析苏门答腊—安达曼地震与全球其他地区发生的海啸地震孕育和发生阶段磁场测量数据，考虑地质运动环境（Собисевич и∂р，2009；Собисевич，2010），可以确定灾难性地震前一系列准周期性超低频地磁扰动。真实监测数据列在表2中。根据这些结果，其在位于地球物理信息测量系统区域（埃尔布鲁斯火山中心、卡尔波戈里和其他观测站点）的绝对值在0.8～4нТΛ之间波动的异常超低频地磁扰动，首先会出现在未来震中区域内。

将上面所列的结果与5年后（2009年8月16日）发生在苏门答腊—安达曼的M6.7海啸地震（这次地震强度明显小很对）进行了对比。此次地震磁波图见图7。

清晰的准谐波超低频地磁扰动异常出现在地震波前一天（图7，插图2：18～300s范围过滤的信号），而其振幅未超过1нТΛ。

对比两次不同震级地震磁波图可以得出结论，监测到的准谐波信号是相同的。此外值得说明的是，随着第一次地震冲击的接近，扰动周期有变化的趋势（图7，插图2、3）。所产生的磁扰动其固有的、与异常超低频波形频率变化有关的特性，反映出震中区的膨胀结构的共振效应。各种流体流动以不同的方式形成独立的膨胀构造，并确定了在应力高梯度变化区域电离的结构和程度。但是，对结构中电荷释放机制暂未进行研究。目前只能说在这个复杂的地球物理过程中，其最终作用不应该是导致在地震孕育区域构造环境变化时相互影响的局部共振单元的形成。

通过对其他海啸地震记录（图8）的分析，可以评价共振效应的作用。这时在该次地震前1个小时内记录的地磁扰动异常表现为清晰的准谐波信号。

上述引起地磁扰动的特征在2010年4月6日印度尼西亚北部苏门答腊岛地区发生的M7.8海啸地震时也能清楚地看到（图9）。超低频地磁扰动异常出现在地震前22小时（见图8，插图2）。但是，所有超低频扰动具有准谐波成分。监测到的信号长度和随后的连续扰动反映出带电非稳定膨胀单元振荡自发产生电流，这些膨胀单元真实存在于大洋底部断块区域强震孕育和发展的所有阶段。

印度尼西亚地区和全球其他地区强烈海啸地震震前的超低频地磁扰动解析结果（见表2）使得有理由猜测，记录到的超低频磁扰动具有明显的特征，是地震海啸孕育过程中的独有的图像。可记录的扰动持续时间、地震波临近之前波形变化以及扰动本身的细微结构，确定了震中区动力学性质和地震过程发展各阶段可能发生的伴生流体系统典型特征。所获取的超低频地磁扰动代表性数据，可用于研究强烈海啸地震孕育区的地质和地球物理特性。

结论 从1970年代开始，在专业的科学文献中经常出现关于监测到大地震前在大气和电离层中以及大地电流系统和超低频电磁场变化异常现象的科学报道。这方面首先需 要 指 出 的 研 究 有：O.M.Барсукова、Я.M.ГогатишвиΛи、 M.Б.Гохберга、 Ю.В.Копытенко、 A.В.Кустова、 В.Г.Кузнецова、

В.А.Моргунова、 В.А.Λиперовский、 В.А.ГΛадышева和俄罗斯科学院的其他科学家的研究成果；对解决上述问题做出显著贡献的乌克兰国家科学院的科学家们有В.Г.Бахмутов、 В.Е.Максимчук、 T.A.Мозговая、Ф.И.Седова和Г.Е.Харечко，等。

表2 2007～2009年间海啸地震

表2 （续）

图7 在苏门答腊岛地区发生于2009年8月16日的海啸地震磁波图。在插图2、3中示出了过滤后的超低频地磁扰动细微结构，在插图4、5中为地磁扰动预报器记录波形的展开。其他图例见图6

图8 2009年3月19日发生在汤加群岛地区的海啸地震。插图1为磁变测量站记录图（H、D、Z）和西—东（EW）倾斜仪指数；插图2、4为地震前一小时出现的异常超低频磁扰动波形；插图3、5为地震孕育和发展各阶段监测到的异常超低频磁扰动典型波形；Hf、Df、Zf为10～500s区间过滤后的地球磁场磁变量。其他图例见图6

但是，与地震事件相关的电磁异常现象至今未能得到全面的实验证实。这里的主要原因是没有使用各种类型专业地球物理仪器设备记录到大于M＝6～7地震事件前的地磁扰动。同时，这不仅仅使获取有代表性的地震和电磁扰动异常结构方面的资料变得困难，还无法对信号本身的细微结构进行及时的分析。此外，从目前看来，进一步研究在大地震（不管是陆地还是海上）的孕育和发生阶段，岩石层、大气层和电离层之间的联系是地球科学领域的最新研究成果（Собисевич，2010）。

从1970年代开始的研究工作，在俄罗斯科学院大地物理研究院实验室、俄罗斯科学院地磁、电离层与无线电波传播研究院、乌克兰国家科学院地球物理研究院等科研机构中仍在继续。有关监测地球物理异常现象的最新数据，包括俄罗斯科学院大地物理研究院北高加索地球物理观测站信息测量系统取得的实验结果，近年来有很大增长（Собисевичи∂р，2008；Собисевич，2010）。

地震电磁现象是地震和地球地壳中其他灾难性事件发展过程较敏感的指标。这里应注意到，由于电磁扰动会从发生源开始传播很长的距离，因此可很容易监测到（Surkov，Pilipenko，1999）。在具有传导性的地球地壳中不同频率电磁扰动衰减，可以划分3个监测范围：

甚低频（VLF）：研究从几百赫兹到几兆赫频率，其振源可能位于地壳表层，并与破裂板块结构和膨胀构造发展的部分岩石微细裂缝有关联。

超低频和特低频（ULF）：典型频率在几毫赫到几赫兹之间的扰动，其振源位于地震孕育的区域。扰动可能产生于在膨胀结构中带气泡液体的不稳定起伏运动，以及随之在地震孕育区从个别膨胀型破裂板块构造之间积累的静电的释放（Fedorov et al，2001；АΛексеев и ∂р， 2008； НикоΛаевский，2011）。

还有一些研究表明，在个别地震发生几小时、几十小时甚至几天前，出现准谐波异常（Pilipenko et al，1999；Копытенкои∂р，2000；Собисевичи∂р，2009；Собисевич，2010）。

强震孕育区域大小可能为数百甚至数千千米。由地震孕育引起的地球自然磁场异常扰动具有很大的空间范围，这使得可以通过地面上的地球物理仪器设备和对电离层状态的远程监测来研究地球物理变化过程，从而发现异常的波形结构。

电离层，实质上可以想象成是距地球表面约100km的一层薄薄的、容易运动的等离子体，对近地表甚至是振幅不大的波扰动反应敏感。将扰动转移到电离层高度的直接因素 可 以 是 准 稳 态 电 场 （Гохберги∂р，1985；Гошджанови∂р，1991）和周期超过5min的声重力大气波（Pilipenko et al，2001）。声重力波的典型特征是其振幅随着向上传播至密度指数下降的大气层而增大。

电离层等离子体具有其自由的能量，因此，甚至是相对较弱的外界影响也可以刺激到等离子和电磁变化过程的梯级。

对北高加索地球物理观测站信息测量系统所取得的实验数据进行讨论发现，强烈海啸地震孕育过程中引起的异常地磁扰动的代表性结果还是领先的（见表2）。

为获得对地震预报有重要意义的信息，对本文提出的基础问题进行的科学研究，要求进一步完善位于极光地带的观测站和个别观测点的硬件设施；需要组织包括信息测量系统在内的多参数监控；对引发大洋底部强烈地震的超低频地磁扰动细微结构的最新科研结果，加深了关于海啸灾害形成的认识。

图9 2010年4月6日发生在苏门答腊岛北部地区的海啸地震。插图1为西东向放置的倾斜仪指数记录图和地球磁场磁变量，灰色表示典型的磁变图区域，该区域可见异常超低频地磁扰动；插图2为地震前22小时地球磁场磁变量中超低频地磁扰动波形；插图3同上，为放大图；插图4为前7小时地球磁场磁变量中超低频地磁扰动波形放大图；插图5为地球磁场磁变量中超低频地磁扰动波形和紧临地震前（1小时）倾斜仪指数。Hf、Df、Zf为10～500s区间过滤后的地球磁场磁变量。其他图例见图6

从北高加索地球物理观测站和其他我们牵头在极光地带开展的专业实验室获取的关于该问题的地球物理信息，定期公开发表在网站资源上（http：／／f orecast.iz miran.r u／）。

本文在俄联邦规划大纲 《研究和编制2007－2012年俄罗斯科技优先发展方向》（国家合同2011年5月12日第16.518.11.7057号）和 《俄罗斯科学院第4届主席团》基础研究大纲框架内完成。