地震前电磁异常现象的物理机制（三）
临沂大学沂水校区 -----陈维会
（续）
（四）、地震前异常电磁现象的理论论证与事实证据
在此之前，地震前的电磁异常现象有众多解释，且每种电磁现象都有专门为此安排的物理机制。下面图表1--2是中国地震局地震预测研究所丁鉴海，申旭辉等列举的各种电磁异常现象的物理机制。我们先分析对地磁异常的假设。
对地磁异常物理机理假设有：压磁效应，热磁效应等。所谓压磁效应是：铁磁性物质，如铁、镍、铬等顺磁性金属，磁铁矿、钛铁矿等铁氧体及含稀土元素素的金属化合物等物质，如受到机械力的作用时，它内部的磁畴产生应变，导致导磁率发生变化。由此理论计算最大地磁变化量10nT以内。
中国地震局地球物理研究所曾小苹、郑吉盎、王曌燚等学者，对2008年5月12日汶川Ms8.0级地震前成都地磁台的检测数据分析表明，震前地磁垂直分量变化值达20nT，这远超出了压磁效应的理论值，见图31。
曾小苹、郑吉盎、王曌燚等学者的文章还列举了1989年10月17日美国加利福尼亚州Ms7.1 级地震前，美国斯坦福大学研究小组在距震中7 km 处安放的地磁记录仪器，记录到地震当天地磁幅度值较平时强60倍。
2000年7月1—15日，日本伊豆地区三宅岛火山地震群前几小时出现比平时正常值大40倍的磁异常。
他们按照磁场理论，即磁场强度与距离的平方呈反比关系，折算到至距震中1 km处的磁场异常幅度值会大于地磁场值。
压磁效应、热应力磁效应、热压磁效应和构造磁效应等都是在外力作用下磁介质的导磁率发生变化，但无论导磁率怎样变化，异常地磁幅度值绝不会高于原有地磁场值。地震前的地磁异常现象用以上机理根本无法解释。
图31 汶川地震前一天成都地磁台垂直分量变化
图 表1 几种假设的地震前电磁异常机理
对地震前地电场异常理论主要假设有：压电效应，动电效应等。我们只用一点事实即可否定这些假设。下图32是上海地震局马钦忠学者整理的汶川地震前，成都地电台检测的数据信号。
图32 汶川地震前成都台地电场数据信号
下图33是甘肃省陇南中心地震台高署德、中国地震局地质研究所汤吉等学者对陇南汉王台记录数据绘制的分钟值曲线。
图33 汶川地震前陇南汉王台记录的大地电场南北向分钟值曲线
由这些数据清晰的看到，地震发生时地电场并无大的异常。因地震发生时是地下岩石受力变化最激烈时刻，此时，无论是压电效应，或是动电效应所产生的地电场都应是最大值。但事情正好相反。单此即可证明地震前的地电场异常不是由压电效应或动电效应产生的。
对于近地大气电场的负异常，有人用地下逸出的放射性气体电离来解释。因近地大气是近乎绝缘的，气体电离后正负电荷无法分离较远距离，较小空间内的正负电荷相等，对外不显电性。这怎样使近地大气电场产生负异常？也有人用动电效应（过滤电势）来解释。由过滤电势的近似公式计算得知，地面最大电势不过几伏，这怎样产生几百伏每米的近地大气电场？
目前对地震前电离层扰动的解释有，震源区过氧键断裂学说，内重力波学说，电离学说等等，稍加分析即可排除这些假设。
以上种种假设都无法圆满解释地震前的电磁异常现象，也不可能不同的电磁现象是由各自不同的物理机制产生的。所以现有对地震前电磁异常现象假设的物理机制都与事实不符。
经上面论述看出，地震前由于地下岩石受力破裂，会产生地电容震电效应。由于地电容的震电效应，使震区一定范围内产生地震本证电场，从而形成种种电磁异常现象。如果能用地电容震电效应理论很好地解释震前的异常电磁现象，这本身就会证明这种理论的正确性。下面就用地电容震电效应这种物理机制来解释所有地震前出现的种种电磁异常现象。
4.1 地震前近地大气电场的负异常
在检测近地大气电场时，都是把大地作为电势的零参考点。在静稳天气时，大气中有正电荷，在静电学中规定，电场方向由正电荷指向负电荷或无穷远处。所以一般晴稳天气近地大气电场的方向垂直向下，并规定垂直向下的电场为正向电场。全球近地大气电场平均值约为120V/m。
在几十年中，中外科学家都检测到地震前近地大气电场会发生负向异常。中国地震局地球物理研究所的郝建国等学者，对在北戴河、大同、邯郸、延庆、文安等地布设的大气电场观测网点10多年的记录数据进行了分析研究，结果列表如下：
图表2 异常近地大气电场与地震的对应关系
从图表2中看出，震前，绝大多数检测点的大气电场都产生了负向转变，并且负向幅值较大，少者200V/m以上，有的高达900V/m。
在静稳天气和平静空间状况下，近地空间大气稠密，带电粒子运动时发生碰撞的几率高，使近地空间大气电阻率极高，达1013Ω.m，是电的良好绝缘体。地震前后空气中净的正电荷无任何渠道或机制进行快速消散，净正电荷数量会保持不变，也就是说近地大气中的正电荷在地震前后不会有变化。那么近地大气电场出现负值，只会是地面的正电荷在地震前增多了。由于地震前近地电场总是出现负值，也就是地面在地震前只会产生正电荷，而不会出现负电荷。
由上面论述得知：由于火山喷发，岩浆把软流层的正电荷带到作为地电容上极板的地壳导电层，并使地电容充电至高电压。地震前由于震源区岩石受力达到极限值后，便会产生微破裂，此时岩石的介电系数会减少。作为地电容介质的岩石上界面，其极化的负电荷会减少，使地壳导电层下界面中，原先积聚的正电荷由于失去岩石极化负电荷的吸引，会释放出大量正电荷扩散到地球表面。使地面正电荷增多。如果岩石破裂使地震区域的整体岩石介电系数减小1%，那么地面电势至少会上升几万伏以上。
当地面积聚的正电荷多于近地大气的正电荷时，地面与近地大气电场的方向就会由垂直向下，转变为垂直向上，这就是地震前近地大气电场负异常原因。因地电容的震电效应总是使地面出现正电荷，所以地震前近地电场总是产生负异常。这与实际检测结果完全吻合。
目前已知的理论都无法解释这一现象，但这现象却证明了地电容的震电效应。证实上述理论的正确性。
4.2地震前电离层总电子密度（TEC）波动
科学家首次在1964年美国阿拉斯加大地震前发现电离层有扰动现象之后，许多国家震科学家开始研究电离层扰动与地震发生的关联性。日本、俄罗斯、美国、法国等发达国家已经发射了电磁卫星，积累了大量的电离层观测数据。众多科学家对大量的观察数据分析表明，地震与电离层扰动有着很高的关联度，并越来越受到关注。
图34 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）
大气的电离主要是在太阳紫外线、Χ射线和高能粒子的作用下电离，产生自由电子和正、负离子，形成等离子体区域即电离层。而电子密度达到平衡的条件，主要取决于电子生成率和电子消失率。
地震区域地面正电荷异常增多时，必定会在电离层产生静电作用力。当地面电势升高上千伏时，会在电离层产生微伏量级的电场。因电离层空气极为稀薄，粒子的自由行程很长，发生碰撞的几率少，所以电离层是导电层。地震前在地面电场作用下，电离层的电子会下沉。如果电子在正电荷的下方，此时电子与正电荷的距离拉大，复合机会减少，总电子密度TEC会上升，如果电离层上部电子密度高于下部，受地面电场力的作用电子下沉，复合机会增多，这时TEC会下降。所以地震前，地震区域上空电离层必定会产生扰动。
如果地下岩石破裂规模不大，也就是将要发生的地震震级不高，那么地表的正电荷量也会不多，甚至不会影响到高空的电离层。这就是小地震不会有电离层扰动的原因。这也与事实完全相符。
地震前的电离层扰动的检测数据也证明上述理论的正确性。
4.3 地震前地电场矢量的反方向指向震中
在静电学中正电荷的电场方向是由正电荷指向无穷远处。同样当因地震使地面正电荷增多时，会在地层中形成以震中为中心的辐射状地电场，地电场检测点检测的地电场反方向必定是指向震中的。
由于种种原因无地震时地震检测点也会有背景地电场存在。由地震引起的地电场会叠加背景电场，这样异常地电场就不会正确的指向震中，但必然会发生趋向震中的偏转。
地层也不是理想的各向同性的均匀电介质，地层中岩石分布，岩石体积，岩石特性，岩石裂隙，裂隙含水量，水的盐离子含量等等都存在巨大差异。各检测点的地下电流与电阻率成反比，所以检测点检测的地电场矢量方向也会受地层结构有关，地电场矢量的反方向不一定指向震中。但也必然会发生趋向震中的偏转。
另外震源区不是一个点，地下岩石破碎的位置是在地震断裂带内随机变换，这时地面检测点的地电场矢量方向也必然的跟随摆动。
地电场的方向是人为规定的，但目前没有统一规定。地电场的方向与地电场检测仪器接线有关，无论是东西向或南北向，只要交换一下接线，地电场方向就会改变。还有计算地电场矢量的算法不同所得矢量方向也不同。由于上述因素，使得各学者分析得到的地电场矢量方向产生混乱，无法得到一致且正确的结论。
虽然各学者分析与地震关联的地电场矢量方向不是固定的，但有很强的线性。这证明两点：一是与地震关联的地电场源自震源，二是震中区地面电势增高了。
中国地震局地球物理研究所毛桐恩等学者，研究了1 9 9 8 年1 月10 日河北省张北地区6 .2 级地震过程中宝坻地电台大地电场记录数据，证实地震前地电场矢量的反方向基本指向张北地震区域，见下图。
图 35宝坻地电场矢量的反方向指向张北地震区域
上海市地震马钦忠等学者分析了2008 年西藏发生了4 次MS 6.0 以上地震，拉萨台记录的地电场数据，发现地电场极化特征具有分段线性极化特征。
河北省地震局邯郸中心台张小涛等学者，在研究2010年4月青海省玉树M7.1级地震前甘孜、大武、都兰、拉萨、小庙、天水、汉王、成都地电场台资料时，也发现震前电场矢量E的方向发生了偏转，电场的变化方位角方向趋于背向震中的方向见下图。
图36
上海地震局马钦忠学者用2008年5月12日汶川Ms8.0地震前成都台地电场数据，NS方向数据值做纵轴坐标，EW方向数据值做横轴坐标得到电场值极化曲线如下图，从图中看出电场极化特征为线性，因地电场仪器检测的地电场方向与
图37 a电场方位角 b地电场矢量指向震中
与接线有关，如果把东西向地电场引线调换一下接头，得到的就是b图所示。地电场的矢量方向延长线指向震中地区。由于地震源不是一个点，是一个区域，岩石破裂位置是震源区在不同时刻随机分布的，所以在不同时刻地电场矢量方向也不同，见上图37。
另外由于平常时刻就存在一定的地电场（背景电场），在这背景地电场的干扰下，与地震关联的地震地电场矢量必定会产生偏差，不一定正确的指向震中。地壳也不是各向同性的均匀介质，由于地电场检查点到地震中心之间的地质结构复杂，地质因素也会改变地电流传导路径，这也会使与地震关联的地震地电场矢量不会正确指向地震中心。
中国地震局地质研究所张学民，中国地震台网中心卢军分析1988年11月6 日澜沧-耿马7 .6 级地震前腾冲台地电场数据得知，临近地震前, 地电场方向性很明显，如图38a。虽然下图a的地电场方向是东北西南向，如果地电场仪的东西向接线调换一下，地电场方向即成下图b所示，这时地电场方向指向震中。
图38 a b
4.4 地震前的大地电场异常
由于地电容的震电效应，地下岩石破裂时，地震源上方地域电势升高，与周边地区产生电压差，震中区域一定范围内的地壳表层就会产生一定强度的电流，这时在检测仪两电极间会产生电势，这就是我们检测到的临震地电场。
在现实中，有时有地震却检测不到异常地电场。在同一次地震中，有的台站有强烈的地电场异常，有的台站却毫无异常出现。这是不是说明异常地电场与地震毫不相干。或者说，有的地震会产生异常地电场，有的地震则无异常地电场产生。
由地电容震电效应的机理可知：除下地幔发生的深层地震，和地壳上层发生的浅源地震外，凡是在地电容介电岩层中发生的大大小小的地震，都会产生异常地电场。
之所以出现上述情况，是因为：在地面检测到的地震本征电场与地质结构有关、与地电场检测台站的位置有关、与电极的设置有关、与信号的处理有关。
一般情况下，距地表越深岩石受到的压力越大，其玄武岩或花岗岩越致密，内部几乎没有液态水，这对直流电而言是近似绝缘体。一块整体的岩层，就像锅盖一样阻止了地下电荷的上升。地下电荷只能沿着岩石裂隙的地电阻率通道上升。见示意图39。
图39 地下电荷移动示意图
图中含水土层下是致密岩层，而致密岩层又与裸露山体岩石相连，使含水土层的导电通路被阻断，这时设置在裂隙左侧土层中的电极A、B间无电流通过，当然就检测不到地震前的异常电场。如果把检测电极安置在裂隙右侧土层中就可检测到异常地电场。因地下电荷会集中从这裂隙通道涌出，裂隙端口的地面就会有很大的电场梯度，如果电极靠近裂隙区域将有特别强的异常地电场信号。
因一次地震会有多处地下岩石破裂，因破裂岩石的位置不同，破裂规模不同，破裂时间不同。由于不同台站所处位置不同，检测到的异常地电场，可能是不同位置的岩石破裂产生的。这样不同台站的异常地电场信号就不会同步，也就没有可参比性。
4.5 地震前的地磁异常
地电容的震电效应，使地震区域的地层中流动着正电荷的扩散电流。一般情况下这种扩散电流很微弱，由此产生的异常磁场也很微弱，这微弱的地震异常磁场淹没在正常地磁场中很难觉察到。这就是许多地震监测不到地磁异常的原因。
如图39所示，如果该地地层深处的电导率各项异性，有高电阻率的岩石层块，有高电导率的裂隙，那么裂隙中就会有较强的电流，电流必定会产生磁场。裂隙中强大电流产生的磁场有可能比地磁场强几倍或几十倍。如果岩层有铁磁性矿物，异常磁场会更强。这时处在此地的地磁检测设备会检测到异常地磁信号。由于异常磁场等于或大于地磁强度，指南针必定会产生摆动（如图中的乙处）。相反该区域地下是高阻区，没有低阻的裂隙，那么地震引起的地电流就非常微弱，磁场的异常也就非常微弱，甚至检测不出来（像图39的甲处）。
4.6 地电阻率的异常
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，从而使地电阻率增大或减小。这机制不能解释大多数异常是地电阻率减小的现象[12] [13] [14]。
地震前，原本集聚在地下的电荷会释放到地面表层，使地面表层电荷增多，在其他因素不变时，地电阻率也会减小。这样就很好的解释了地震前地电阻率降低的问题。
这些事实证明地震前地震中心区域确实出现了大量的正电荷。
4.7 地震前电磁辐射信号
由于地下岩石的成分，结构、体量大小及性能的差异，在受力产生微破裂时，破裂的位置，速度，规模等都会随时间产生变化。这些随机的，大量的，规模大小不等的，位置飘忽不定的，规模数量随时间变化的微破裂，所引起地表层电势也会相应变化，这必定会产生涨落现象。从而使各电磁量有宽广的频域。这就是地震前，人们在太空、近地空间或地下能检测到宽广频谱电磁辐射现象的机理。
4.8 地震前的地震光
由于地质结构的复杂性。地下正电荷向地表移动的路径也极为复杂，主要是沿岩石裂隙等含水较多的低电阻率通道上升（见图39），这就必然使升到地面的电荷分布极不均匀，正电荷在通道的地面开口处特别多，这里的电势也就特别高。
地震前地震区域某些地面电势升的特别高时，近地空气中总有些带电粒子，带电离子在这高压电场作用下加速运动，当与空气原子碰撞后，将其激发到高能级状态，能级恢复时会发出光子。若发生在夜晚，出现各种形态和颜色的光是必然的现象。由于地震光与地质结构有关，所以并不是每次地震都会出现地光。也不会在地震区域各处都会产生地光。 这证明地震前地震中心区域产生了较高的电势。这高电势无法用现有理论解释，只能用地电容的震电效应解释。
4.9 地震前的电磁波传播异常
如果报道的唐山地震前延庆县佛爷顶山上，测雨雷达及空军的警戒雷达，在26--27日收到来自京、津、唐上空扇形指状回波是事实，那么地电容的震电效应可很好的解释这一现象
由于地电容的震电效应使地面电势升高，地面电荷会通过植物叶片，地面突出物等尖端物体向近地空间放电，使近地大气产生电离，形成不规则的团雾状离子气团。电波经过这离子团雾时会产生折射，衍射，反射和吸收，必定会产生种种奇异电磁干扰现象，产生上述的雷达回波也有可能。
4.10 静电现象
地震前在地表很高的电场作用下，导体或电器设备，必定会产生静电感应，产生一些静电现象，如关闭的日光灯发光，收音机出现噪音，仪器失灵等怪异现象。
4.11 动物行为反常
不同动物对不同物理量的感知能力差异较大。鱼对电场就相当敏感。当地下电荷沿某低电阻率的通道升至地面水中时，通道口与周边区域也会有不小的电势差。仅需每米几十伏的电场即可把鱼电晕。处在该区域的鱼同样会受到伤害，出现反常现象甚至昏死。只要对电场比较敏感的动物都会出现不适感，出现离奇古怪的现象，甚至死亡也不足为奇。
客观上，地震前后各种电磁现象都是地球内部孕育的应力势能转换的。不可能每种电磁现象是各自特有的物理转换机制产生，现有的假设不仅不能全面解释所有电磁现象，就连个别电磁现象也很难解释清楚。虽然有许多种机电转换机制，机电转换过程也相当复杂，但地球是一个有着特除结构的同一系统，其主要转换机制可能不多。形形色色的地震异常现象只是电磁现象不同，其物理机制是一样的。无论是人们直观感受的或仪器实际检测的各种电磁异常现象，都可用地电容震电效应全面完美的解释。这就足以证明地电容震电效应这种机理是客观事实。