地震—電離層圈層耦合機理研究進展及問題思考＊

張學(xué)民 申旭輝

1)中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

2)應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085

引言

近地空間是與人類生存密切相關(guān)的圈層，也是地球與外空間能量傳遞交換的主要媒介。地震是發(fā)生在地殼巖石層的主要構(gòu)造活動，給社會經(jīng)濟發(fā)展和人類生命帶來了巨大的損失。因此，監(jiān)測地震的孕育發(fā)生過程，發(fā)展防震減災(zāi)有力措施是社會發(fā)展的迫切需求。隨著空間探測技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的大氣層、電離層探測技術(shù)開始應(yīng)用于地震監(jiān)測研究，尤其是衛(wèi)星探測的發(fā)展，以全覆蓋、高分辨率等特性為全球大量的震例研究奠定了基礎(chǔ)，同時也為科學(xué)家研究巖石層—大氣層—電離層的耦合作用提供了有利的機會。

地震電磁學(xué)一直是地震監(jiān)測預(yù)測領(lǐng)域的主要應(yīng)用技術(shù)手段之一，在多次強震監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。自20世紀(jì)60年代以來，在全國就布設(shè)有電磁前兆監(jiān)測網(wǎng)。到目前為止，地磁場、地電場站點均超過100個，對人口密集地區(qū)形成了較好的空間覆蓋。2004年6月，世界第一顆用于地震電離層擾動監(jiān)測的電磁衛(wèi)星DEMETER （Detection of Electromagnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions）發(fā)射升空[1]，它以其專業(yè)的軌道設(shè)計、全球覆蓋特性和高精度的多參量電磁測量技術(shù)，激發(fā)了全球科學(xué)家對地震電離層擾動研究的興趣，地震電離層成為短臨監(jiān)測領(lǐng)域的新熱點。與此同時，大量的地基電離層探測技術(shù)也得以同步發(fā)展，人們開始從不同角度探測電離層中與地震相關(guān)的各種變化[2]。2018年2月，中國地震電磁衛(wèi)星CSES（China Seismo-Electromagnetic Satellite）成功發(fā)射，為地震電離層研究和立體地震電磁監(jiān)測體系建設(shè)提供了新的空間平臺[3-4]。在探測技術(shù)發(fā)展相對完善的今天，觀測數(shù)據(jù)日益豐富，對于地震圈層耦合機理的需求也更加迫切?；仡櫟卣痣婋x層耦合機理研究進展，客觀認(rèn)識現(xiàn)有模型的優(yōu)勢和不足，對于未來地震電離層理論發(fā)展尤為關(guān)鍵，也是本文目的所在。

1 地震—電離層圈層耦合機理模型

1.1 多途徑巖石層—大氣層—電離層耦合模型

以日本科學(xué)家Hayakawa[5]為首的研究小組在前期研究工作的基礎(chǔ)上，于2004年提出了由多路徑組成的巖石層—大氣層—電離層耦合模型（圖1），其中包括地球化學(xué)（電場）途徑（藍(lán)色）、聲重波途徑（紅色）和電磁波途徑（粉紅色）。由于孕震過程中巖石層微破裂增加、流體擴散和壓力變化等，在近震中區(qū)產(chǎn)生氣體釋放，從而改變大氣成分，并產(chǎn)生局地大氣電場異常，此異常電場作用于電離層引起電離層電子向下運移形成電離層擾動，此鏈路由于主要受氣體釋放影響，因此，稱為地球化學(xué)（電場）途徑。而聲重波途徑則是與地表或近地表宏觀氣體和熱源相關(guān)，在大氣層中形成聲重波，并引起重力和行星波增強，當(dāng)此類信號傳播至電離層則同步引起電離層溫度、密度等振蕩信號產(chǎn)生，也稱為聲重波途徑。鑒于巖石層對高頻電磁波信號的強烈衰減作用，Hayakawa[5]的模型僅提出了最有可能傳播至地表的超低頻（Ultra-Low-Frequency，ULF）電磁輻射，穿透電離層乃至磁層，與磁層中高能粒子相互作用，引起高能粒子沉降至電離層，進而導(dǎo)致電離層等離子體參量產(chǎn)生波動，此謂之電磁波途徑。在此模型中，考慮到地震孕育過程及前兆現(xiàn)象的復(fù)雜性，將地球圈層不同參量的耦合過程進行了有效的關(guān)聯(lián)和劃分，既便于理解，也方便模型的理論化，在后續(xù)應(yīng)用研究中顯示了很強的適應(yīng)性和實用性特征。中國學(xué)者丁鑒海等[6]也在此模型基礎(chǔ)上進行了一定的凝練和總結(jié)，對于圖1中第2列顯示的水位—大氣電導(dǎo)率—閃電等鏈路變化與第1列的地球化學(xué)途徑進行了整合，統(tǒng)一為與局地大氣電場異常相關(guān)的地球化學(xué)途徑。

圖1 巖石層—大氣層—電離層多路徑耦合模型[5]Fig. 1 Lithosphere-atmosphere-ionosphere multi-channel coupling model[5]

1.2 統(tǒng)一圈層耦合模型

為有效解釋地球各圈層觀測到的復(fù)雜前兆現(xiàn)象，俄羅斯科學(xué)家Pulinets和Boyarchuk[7]一直致力于構(gòu)建一個統(tǒng)一圈層耦合模型。圖2展示了他們2004年提出的耦合框圖。從這個結(jié)構(gòu)圖中我們可以看到，他們認(rèn)為各類前兆的起源主要來自氡氣、惰性氣體和溫室氣體釋放，以及大氣擾動等，而中間關(guān)鍵性因素是異常電場的形成，包括聲重波的傳播也通過異常電場進一步耦合進電離層，而潛熱通量、水蒸氣的變化也與異常電場直接關(guān)聯(lián)。與Hayakawa[5]的模型較大的區(qū)別在于電磁輻射部分。Pulinets和Boyarchuk[7]利用異常電場對電離層底部的焦耳加熱原理解釋了電離層不均勻體結(jié)構(gòu)的形成以及對VLF傳播導(dǎo)管現(xiàn)象的激發(fā)，并通過波粒相互作用引起磁層高能粒子沉降，由此引起一系列甚低頻（VLF）、低頻（LF）、高頻（HF）、甚高頻（VHF）頻段電波傳播異常和電磁輻射信號，據(jù)此解釋了更高頻段的電磁擾動異常，這是Hayakawa[5]的模型未曾覆蓋的頻段。

圖2 統(tǒng)一化巖石層—大氣層—電離層耦合模型[7]Fig. 2 Unified lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling model[7]

隨著觀測資料的增加和研究的深入，Pulinets和Ouzounov[8]于2011年更新了統(tǒng)一化的圈層耦合模型，圖3是新的模型框圖。在此模型中，著重解釋了異常電場的形成過程，即地震孕育過程中釋放的氡氣衰變產(chǎn)生的α粒子電離大氣，并在離子水合作用下形成類氣溶膠粒子，在大氣對流過程中產(chǎn)生電荷分離而形成異常電場。中間途徑直接導(dǎo)致地震云的形成。右側(cè)途徑是由于異常大氣電場作用于電離層和磁層引起的一系列擾動。左側(cè)途徑離子水合作用引起的濕度下降、潛熱釋放、大氣溫度升高以及熱紅外長波輻射異常等?？梢钥吹竭@個模型，雖然是統(tǒng)一化模型，但也在向多途徑發(fā)展，以期串聯(lián)解釋更多的物理化學(xué)前兆現(xiàn)象。

圖3 統(tǒng)一圈層耦合模型[8]Fig. 3 Unified sphere coupling model[8]

1.3 巖石層—蓋層—大氣層耦合模型

以實際觀測和室內(nèi)巖石試驗為基礎(chǔ)，中國學(xué)者Wu等[9]發(fā)展了巖石層—蓋層—大氣層耦合模型（圖4），主要用來解釋熱紅外異常形成機制。他們認(rèn)為，異常的主要起源是孕震過程中的應(yīng)力增強效應(yīng)。由于應(yīng)力加載在巖石層激活正空穴，同時巖石的熱彈性效應(yīng)和摩擦生熱同步引起巖石溫度上升，而斷層微破裂發(fā)展導(dǎo)致流體運動增強、水溫改變、氣體解吸逸出等，改變巖石和土壤性質(zhì)，同時氣體逸出也會引起局地溫室效應(yīng)，最終引起地表和近地表溫度改變，從而導(dǎo)致大氣層潛熱能量交換增加。他們的模型與Pulinets和 Ouzounov[8]關(guān)于熱紅外異常的解釋還是有較大差異的，耦合過程中并未考慮大氣電離、水合作用等引起的濕度下降等，或者說未對大氣性質(zhì)的改變進行討論，而更著重于熱源的形成過程、以及蓋層土壤性質(zhì)的改變或溫室效應(yīng)等。

圖4 巖石層—蓋層—大氣層地球圈層耦合模型[9]Fig. 4 Lithosphere-coversphere-atmosphere coupling model[9]

2 圈層耦合理論模型發(fā)展及校驗

從上面分析的3種主要圈層耦合模型可以看到，后兩種模型雖然統(tǒng)一化程度高，但路徑之間互相交叉，更偏向于一種概念化的認(rèn)識，很難形成統(tǒng)一的理論模型并實現(xiàn)數(shù)字化模擬。而Hayakawa[5]提出的第一種模型，鏈路清晰簡潔，不同圈層關(guān)聯(lián)的物理參量清晰，更易實現(xiàn)數(shù)值模型的突破。下面我們以不同耦合途徑為引，分別介紹其理論模型的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1 附加直流電場模型

Hayakawa[5]與Pulinets和Ouzounov[8]的模型均提到了存在于大氣層的電場異常是地震—大氣層—電離層耦合的關(guān)鍵因素，其理論模型的發(fā)展也是地震—電離層圈層耦合機理研究的重要組成部分，直流電場模型也是目前幾個理論模型中研究比較久、發(fā)展最為完善的一個，下面介紹幾個比較有代表性的研究結(jié)果。

俄羅斯科學(xué)家Sorokin等[10-11]在圈層耦合機理模型提出來之前，就開展了直流電場的傳播耦合模型研究。他的模型中認(rèn)為，異常電場的來源為放射性物質(zhì)和帶電氣溶膠的逸出，帶電氣溶膠粒子在土壤氣體的推動下向上對流，在原有的大氣層—電離層電路中形成外部電流，伴隨大氣層—電離層電路的電導(dǎo)率電流的放大作用，外部電流進入電離層導(dǎo)電層，并通過場向電流到達磁共軛區(qū)。在他們的模型中，外部電流主要包含10 km高度以下的電動勢（electromotive force，EMF）電流，和在10 km以上高度起主要作用的傳導(dǎo)電流兩部分。他們的計算結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)孛嫱獠侩妶黾s100 V/m時，可在電離層形成約10 mV/m的水平電場[12]。但是，帶電氣溶膠進入大氣層是否能產(chǎn)生1—100 nA/m2電流密度仍需要實際觀測來進一步確認(rèn)。中國臺灣科學(xué)家Kuo等[13-14]進一步發(fā)展了直流電場耦合模型，他們在模型中主要考慮Freund等[15-17]提出的應(yīng)力激發(fā)巖石空穴效應(yīng)形成的向下或者向上的運移電流。當(dāng)其在地球表面大量帶電粒子積累時會電離大氣分子，提高大氣層電導(dǎo)率，利于電流向電離層底部的傳播。同時他們在模型中加入了電離層模型SAMI3，可直接計算電場驅(qū)動E×B效應(yīng)下總電子含量（TEC）的擾動變化。他們的計算結(jié)果顯示，巖石電流密度為0.2—10 μA/m2能引起日側(cè)TEC 2%—25%的擾動變化，而巖石電流密度為0.01—1 μA/m2可導(dǎo)致夜側(cè)TEC 1%—30%的擾動[13]。在綜合考慮了電流連續(xù)性、磁場方向和更大的電離層霍爾電導(dǎo)率的情況下，引起同等幅度電子密度變化的最大電流密度可縮小30倍。此外，模擬結(jié)果顯示，同為向上/向下的電流源，在近磁赤道緯度（7.5°，15°）引起源區(qū)和共軛區(qū)電子密度增加/減小，而在中低緯度區(qū)（22.5°，30°）則導(dǎo)致源區(qū)和共軛區(qū)電子密度減小/增加的變化特征[14]。Zhou等[18]發(fā)展了三維電場模型研究中高緯度的電場耦合過程，他們假設(shè)地表垂直電場為1 000 V/m，則在電離層底部能產(chǎn)生4×10-11A/m電流，那么在磁緯60°N、45°N、30°N、15°N引起的電離層最大異常電場分別為2.0 μV/m，1.3 μV/m，1.1 μV/m和0.44 μV/m。這在電離層背景電場（1—3 mV/m）較大的基礎(chǔ)上是不可能通過動電過程引起電離層擾動的，只有如Kuo等[14]考慮更大的電流密度（100 nA/m2），且在近地表大氣被電離大氣層電導(dǎo)率增加的情況下，電離層電場才能達到mV/m量級。Denisenko等[19]給出的電導(dǎo)模型提出了更尖銳的問題，他們認(rèn)為即使地表電場達到1 kV/m，大氣電導(dǎo)率增加至2×10-13S/m，能產(chǎn)生的電離層電場異常仍低于10倍以上，因此，模型中需要考慮其他機制的作用。

根據(jù)大量的震例研究，電場耦合模型有比較明顯的兩個約束條件，一是地表大氣電場震前異常幅度，二是衛(wèi)星觀測電離層高度近直流電場變化幅度。前者多數(shù)在100—1 000 V/m范圍內(nèi)[20-22]，后者多為1.5—16 mV/m[23]，而且后者只有達到mV/m量級才能驅(qū)動電離層等離子體參量擾動。所以模型的焦點是地表電流密度是否能達到100 nA/m2，而且大氣電導(dǎo)率究竟能提高至什么水平。大氣電場已有大量的新的探測結(jié)果[20]，如果大氣電場異常值一定的話，這兩個問題其實是一個問題，但目前對于大氣電導(dǎo)率的測量幾乎沒有，需要盡快加強觀測。另外，我們知道震前電離層電子密度擾動有正有負(fù)，而數(shù)值模型也分別利用向上和向下的電流方向進行了相關(guān)的解釋[14]，但實際觀測中大氣電場多表現(xiàn)為負(fù)異常（向下為正）[21-22，24-25]，即在晴天天氣表現(xiàn)為垂直向上的異常電場，震前大氣電場正異常的事例相對較少[26]。如果震前地面確實是向上異常電場為主的話，那電離層中電子密度的正負(fù)擾動機制（電離層垂向和水平電場同樣有正有負(fù)）可能會更為復(fù)雜。還有，就是異常的形成時間，如果大氣電場異常出現(xiàn)在日側(cè)的話，理論模擬也顯示其需要的初始電流值會更大，同時在前期的研究中，日側(cè)的衛(wèi)星近直流電場較少觀測到與地震相關(guān)的異?，F(xiàn)象，這也是需要進一步思考的問題。相對總體而言，附加直流電場模型發(fā)展較為完善，可以有機串聯(lián)地表—大氣層—電離層相關(guān)觀測并能在變化量級上達到較好的吻合，個別矛盾和不足之處需要未來增加相關(guān)觀測進行校驗和修正。

2.2 聲重波傳播耦合模型

Molchanov[27]基于衛(wèi)星在中低緯度觀測到的電離層湍流，認(rèn)為來自大氣重力波（Atmospheric gravity wave，AGW）的能量通量是其形成的來源，正常情況下與大氣潮汐振蕩諧波相匹配的大尺度1 000—2 000 km的大氣重力波會產(chǎn)生約1 000 km尺度的電離層湍流，而地震活動期間的AGW噴發(fā)尺度范圍為幾百千米，這種額外的噴發(fā)可以強化更小尺度的電離層湍流，同時抑制更大尺度的電離層湍流。Carbone等[28]發(fā)展了一種量化模型，用以描述與地震相關(guān)的地面運動（如勒夫波、瑞利波）如何造成低大氣層壓力或者密度的擾動，以及這種擾動又如何通過聲重波的模式傳播到高層大氣的過程。通過對4個強震震例的模擬，并與震中上空溫度剖面的實測數(shù)據(jù)對比，他們的模擬結(jié)果顯示了地面運動自地表傳播到60 km的能量傳播過程，以及由于波矢量k和信號頻率ω的變化在大氣層不同高度的能量響應(yīng)。

與地震相關(guān)的聲重波在大氣層和電離層中的傳播在多次的大震同震/震后信號中被完整的記錄下來，尤其是總電子含量的震后時空分布非常好地展示了地震面波激發(fā)的大氣聲重波在電離層的響應(yīng)，而波長和波速特征也吻合了聲重波的周期分布特性，如果震后伴隨海嘯，電離層的擾動響應(yīng)會更為突出[29-32]。比較遺憾的是，震前的地面波動完全無法與地震破裂時激發(fā)的地震面波幅度相比，這類弱信號是否還能激發(fā)大氣聲重波并引起電離層耦合，目前沒有直接的證據(jù)；另一種起源是地球化學(xué)物質(zhì)或者氣體的噴發(fā)引起的大氣重力波，則與同震聲重波的起源機制完全不同，這種起源較難模擬，多為概念性描述，可能需要地球化學(xué)氣體測量、空氣壓力、溫度等的變化來側(cè)面進行反映。同時，這種起源的聲重波是否還在大氣層激發(fā)了異常電場變化，并共同作用耦合至電離層，目前也沒有數(shù)字模型來反映兩者的疊加耦合過程。Yang等[33]利用大氣溫度剖面提取震前的能量傳播過程，以期證明震前聲重波信號的存在；Piersanti等[34]綜合大氣溫度剖面、TEC、電磁衛(wèi)星等觀測，嘗試建立大氣重力波/聲波在大氣層和電離層的傳播途徑；Chen等[35]在四川樂山建立了一個10余種儀器組合的垂向觀測系統(tǒng)，期望能記錄到從地下、大氣層到電離層的地面振動及其他擾動信號傳播耦合過程。聲重波在大氣層中的傳播毋庸置疑，但這類信號與電離層的耦合作用，還需要理論模型的進一步驗證，是單純的與地震面波等相關(guān)的動力波傳播模式，還是激發(fā)了其他干擾源進行了二次耦合仍需檢驗?？茖W(xué)家們也正在通過多種觀測對地震孕育過程中，聲重波的起源、傳播鏈路、耦合過程獲得更確鑿的證據(jù)，以期對數(shù)字模型提供更確切的約束和校驗。

2.3 電磁波傳播耦合模型

無論是地面觀測還是衛(wèi)星觀測，均發(fā)現(xiàn)震前電磁擾動分布在一個很寬的頻帶范圍內(nèi)[36]，而不是局限在Hayakawa[5]提出的ULF頻段，因此，對電磁波傳播模型我們也給出比較寬頻帶的研究結(jié)果。Molchanov等[37]討論了0.01—100 Hz頻段的地震激發(fā)地表電磁輻射信號傳播至電離層的過程，模型中考慮了地面和大氣電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的不均一性、以及電離層各向異性特征，結(jié)果顯示，只有來自磁性源的信號能夠穿透至磁層，并產(chǎn)生可傳播的阿爾芬波，磁層中的電場和磁場分別達到1—10 μV/m/Hz1/2和1—10 pT/Hz1/2，水平分布范圍為100—200 km。Bortnik和Bleier[38]發(fā)展了考慮斜向地磁場的全波傳播模型，并著重討論了ELF和ULF頻段電磁波的傳播過程。Ozaki等[39]基于全波模型計算了來自地下電流源的10 Hz—1 kHz頻段的電磁波傳播，波強度的空間分布主要來自沿磁場場向傳播的電離層哨聲波和地—電離層波導(dǎo)，計算表明在地表產(chǎn)生可測量的擾動磁場需要地下電流矩大約為80 A?m/Hz1/2，而如果在電離層中獲得可探測的擾動電磁波則需要千倍以上的源電流矩。趙庶凡等[40]將全波傳播模型推廣至甚低頻頻段，主要分析了14—30 kHz的VLF電波在水平各向異性電離層中的傳播過程，結(jié)果顯示，地—電離層波導(dǎo)中的垂直極化波更容易滲透進入電離層，同時右旋極化波在電離層中衰減較小，為可傳播模，研究頻段內(nèi)，電波頻率越低，波印廷能流密度越大，從而更易被衛(wèi)星探測到。張紅旗等[41]導(dǎo)出了地層—大氣層—電離層3層水平分層介質(zhì)下的電磁場積分表達式，地下水平ELF/SLF電偶極子輻射源從地層垂直滲透進入大氣層，然后在地—電離層波導(dǎo)中以若干個波模疊加的方式傳播。以30 Hz電磁波為例，當(dāng)其滲透進入電離層時，垂直分量有近80 dB的衰減，而兩個水平分量在電離層分界面是連續(xù)的?？紤]到SLF/ELF頻段電磁波接近離子的磁回旋頻率，陸洪等[42]專門討論了離子對該頻段電磁波在電離層中傳播的影響，計算結(jié)果顯示，在70 km左右的低電離層中離子影響較小，而在200 km高度的電離層中離子對電波傳播的影響很大。對于透射傳播至衛(wèi)星高度的電磁波，需要考慮離子對SLF/ELF頻段電波傳播的作用。

地表分布有大量的甚低頻電波發(fā)射站作為通訊導(dǎo)航之用，科學(xué)家也利用這些信號開展了大量的地震應(yīng)用研究[41-48]，因其發(fā)射功率大、頻率穩(wěn)定，因此10 kHz以上的人工源信號最易用來校驗?zāi)Ｐ偷恼_性和可靠性。廖力等[49]利用全波模型模擬計算了張衡一號（ZH-1）衛(wèi)星記錄的多個地面人工源電波信號，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星記錄電波信號量級與模擬結(jié)果一致，驗證了正演電磁波傳播模型的可靠性。對于VLF頻段的電磁波傳播，理論模型與實際觀測實現(xiàn)了較好的吻合，但目前算法多用來討論人工源電磁波的正常傳播過程，對于附加在人工源信號上的震前電磁擾動所能給出的解釋相對有限。對于ELF/SLF頻段的電磁波，在震例研究中通過極化分析確實在衛(wèi)星探測中提取到來自地面源的窄帶電磁輻射，電場信號幅度約在100μV2m-2Hz-1，磁場大約在10-6nT2Hz-1量級，窄帶信號多在百Hz頻段，在離子回旋頻率以下。從量級上看，Molchanov等[37]的計算結(jié)果比較一致。不過遺憾的是，地面觀測中較少報道這種窄帶電磁波地震信號，更不用提跟衛(wèi)星觀測能夠同步觀測了，所以這類信號雖然被衛(wèi)星觀測到，但是究竟是何來源，是否真正與地震相關(guān)，還有待地基寬頻帶電磁波與衛(wèi)星觀測的共同驗證。在衛(wèi)星和地面觀測中都比較常見的地震電磁輻射是相對寬頻帶的擾動信號，衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析中也稱為靜電紊流現(xiàn)象，異常多集中于DC-250 Hz[44，46]，相對平靜時段背景場數(shù)據(jù)，電場擾動能增加1—2個數(shù)量級，甚至達到102μV2m-2Hz-1，但這類信號多發(fā)生在電場觀測中，磁場探測無同類信號；我國建設(shè)的人工源極低頻電磁監(jiān)測網(wǎng)也在幾次強震前觀測到幾百Hz以下的電磁輻射信號，其中磁場信號相對平靜期能增加1—5個數(shù)量級，電場增加0.3—3個數(shù)量級，這類地下電磁輻射觀測絕對值量級非常低?？紤]到在巖石層和電離層中的衰減，其與電離層中同類電磁輻射信號是否同源需要天地觀測共同驗證。另外，單純的電磁波傳播模型可能與觀測本身量級上也難吻合，仍有較大的可優(yōu)化空間。至于Hayakawa[5]提到的ULF電磁輻射途徑，之前的研究中多以地磁場觀測數(shù)據(jù)為主，分析頻段也多在1 Hz以下。已有的震例研究結(jié)果顯示，優(yōu)勢地磁擾動分布在0.01—0.05 Hz，幅度約為0.1 nT[50]；之后也使用垂直極化比等算法，借以突出垂直方向上增強的異常信號[51]。近幾年來利用歐空局SWARM衛(wèi)星探測的磁場數(shù)據(jù)也獲得了多個震例前的研究結(jié)果，結(jié)果顯示，震前磁場幅度略小于1 nT，頻譜在40—60 s之間，且主要能量分布在Y分量上（指向東）[52-53]。從目前的地面和衛(wèi)星磁場觀測來看，衛(wèi)星上信號強度要高于地面磁場觀測，地面磁場前兆異常能量主要在垂直Z分量上，而衛(wèi)星觀測多出現(xiàn)在水平Y(jié)分量上，衛(wèi)星高度的擾動信號如果是來自地面源，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出理論模擬結(jié)果的量級，所以地空之間磁場究竟是何傳播耦合原理尚需進一步優(yōu)化模型，并尋找更多的觀測事實加以約束。關(guān)于電磁波與高能粒子的相互作用，目前最典型的觀測事實是人工源甚低頻電磁波在衛(wèi)星高度激發(fā)的高能粒子沉降，在法國DEMETER衛(wèi)星和中國ZH-1衛(wèi)星上均觀測到內(nèi)輻射帶以里的粒子沉降帶[54-55]，同時由于大功率電波的加熱作用在甚低頻發(fā)射站上空會形成人工導(dǎo)管現(xiàn)象，引起電子溫度上升、密度下降的擾動信號[56]，但是這種高能粒子沉降與等離子體參量之間的關(guān)聯(lián)因為空間位置的巨大差異（一個在更高緯度，一個在源區(qū)上空）還有待商榷。科學(xué)家對于地震電磁擾動與高能粒子沉降異常多數(shù)情況下是采用單參量獨立完成的，所以電磁擾動引起高能粒子沉降并最終引起等離子體參量擾動需要電磁場、高能粒子、等離子體參量等探測結(jié)果的綜合分析和校驗，目前還比較欠缺。

3 總結(jié)與展望

地震科學(xué)是一門探測科學(xué)，目前我們對地震相關(guān)知識的認(rèn)知均來自于各種探測技術(shù)的發(fā)展。介質(zhì)的電磁特性是其基本物理性質(zhì)之一，而電磁場又是串聯(lián)地球各圈層系統(tǒng)的重要媒介，電磁波也是人類用于通訊導(dǎo)航的重要技術(shù)手段，人們從利用大地電磁測深技術(shù)等獲取地下的電性結(jié)構(gòu)，到地磁場、地電場、電磁輻射探測，到衛(wèi)星的電磁場和等離子體、高能粒子探測等，從世界矚目的希臘VAN方法，到DEMETER衛(wèi)星、地震電磁監(jiān)測衛(wèi)星張衡1號的發(fā)射升空，無不彰顯出電磁探測技術(shù)在地震監(jiān)測預(yù)測領(lǐng)域鮮活的生命力和無限的發(fā)展?jié)摿?。作為地震前兆的探測技術(shù)之一，電磁觀測也無法直探異常源頭，探測結(jié)果是多種信息混合。我們獲得的觀測數(shù)據(jù)越多，越能給出更全面的認(rèn)識。但如果只依賴探測數(shù)據(jù)本身，很容易陷入經(jīng)驗和主觀主義。而地下結(jié)構(gòu)和地震孕育過程的復(fù)雜性遠(yuǎn)超預(yù)期，這也是迄今為止科學(xué)家們一直沒能獲得確定性地震前兆的原因。因此，必須同步發(fā)展物理模型和數(shù)值模擬算法，從繁雜的觀測中揭露事物的物理本質(zhì)，才能真正有助于地震探測和預(yù)測科學(xué)的發(fā)展，這也是本文的初衷所在。

從前文的成果總結(jié)來看，過于復(fù)雜的地震—電離層耦合模型多數(shù)還處于定性分析狀態(tài)。但單個鏈路的模型發(fā)展勢頭較好，個別已達到能與實測數(shù)據(jù)相匹配的水平，如直流電場模型對于電離層等離子體參量擾動及同步共軛現(xiàn)象的解析，對于大幅度的等離子體參量擾動和電離層共軛異常的發(fā)展，給出了合乎物理原理的理論支撐，而甚低頻電磁波傳播模型也吻合了大功率人工源信號的正演傳播過程，奠定了模型的科學(xué)性和可靠性。當(dāng)然理論模擬結(jié)果和實測分析的需求仍有較大距離，或者還有矛盾之處，基于現(xiàn)有的觀測和地震研究事例，我們?nèi)匀粺o法證明哪個模型更具優(yōu)勢，或者哪個是地震孕育激發(fā)異常傳播耦合的至要因素，因此，多鏈路并舉仍然是未來發(fā)展的重要技術(shù)路線。當(dāng)然，我們也要正視模型中揭示出來的問題，如初始條件、邊界條件設(shè)置等，都是影響計算結(jié)果的關(guān)鍵因素，如果進一步優(yōu)化模型的話，需要加強相關(guān)重點參數(shù)的探測。另外，多數(shù)模型目前還設(shè)置的均是垂向分層模型、單點偶極子源等，對于地下三維結(jié)構(gòu)、電離層三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)、以及地磁場分布的三維不均勻性、電磁波平面?zhèn)鞑ヅc球面?zhèn)鞑サ牟町惖龋诋?dāng)前高性能計算技術(shù)快速提高的今天，有望搭建得到更復(fù)雜模型下的數(shù)值模擬結(jié)果，以期更符合實際構(gòu)造環(huán)境的復(fù)雜性。

理論模型發(fā)展的同時，也要注重探測數(shù)據(jù)的融合，目前雖然探測技術(shù)眾多，觀測數(shù)據(jù)成指數(shù)增長。但對于各參量之間物理本質(zhì)的認(rèn)知仍然極為有限，建議未來通過大數(shù)據(jù)挖掘及人工智能分析技術(shù)，搜索搭建各類參量之間的有機結(jié)合。除了電磁參量，還應(yīng)該加入更多孕育機制中提到的地球化學(xué)因素、熱紅外、中性氣體探測等，以便實現(xiàn)不同圈層多源觀測數(shù)據(jù)效益最大化。探測技術(shù)和分析方法的進步也是推動理論模型進步的重要因素，一則可校驗優(yōu)化現(xiàn)有理論模型，二則或可提出構(gòu)建新的核心理論模型，以觀測帶動模型，以模型指導(dǎo)探測，全方位推動地震—電離層圈層機理的發(fā)展。