(Institute of Geophysics,CEA,Beijing 100081,China)
Electromagnetic Studies on Earthquakes and Volcanoes(EMSEV); academic exchange; international cooperation
国际地震与火山电磁研究工作组(EMSEV)于2001年在国际地磁学与高空物理学协会(IAGA)、国际地震学与地球内部物理学协会(IASPEI)及国际火山学与地球内部化学协会(IAVCEI)的大力支持下成立。自2001年起,EMSEV一直致力于地震与火山电磁研究的国际学术交流与合作,有力推进了地震与火山电磁研究。描述了EMSEV及其工作会议的概况,简要介绍了地震与火山电磁研究的国际学术交流与EMSEV的国际合作,讨论并展望了地震与火山电磁研究的前景。
On substantial support of the International Association of Geomagnetism and Aeronomy(IAGA),the International association of Seismology and Physics of the Earth's Interior(IASPEI)and the International Association of Volcanology and Chemistry of the Earth's Interior(IAVCEI),the Working Group on Electromagnetic Studies on Earthquakes and Volcanoes(EMSEV)was established in 2001. The EMSEV has devoted to the international academic exchange and the cooperation on electromagnetic studies on earthquakes and volcanoes since 2001,and promoted the electromagnetic studies on earthquakes and volcanoes. We described the general situation of the EMSEV and its working conference,and briefly introduced the international academic exchange of electromagnetic studies on earthquakes and volcanoes and international cooperation on the EMSEV,and discussed and looked forward the prospect of electromagnetic studies on earthquakes and volcanoes.
地震和火山喷发都是自然灾害。大地震和火山大喷发有很大的破坏性,造成众多人员伤亡与巨大的经济损失。因此,人们十分关注地震和火山的活动。
1960年以来,有关的专家学者十分关注并从事地震和火山电磁学的观测与研究(Stacey,1964; Nagata,1969; Rikitake,1968; Tuck et al,1977; Johnston,1997)。二十世纪六七十年代,日本、中国、美国、俄罗斯等多地震国家相继将电磁方法列入国家地震预测计划,积极开展了地震电磁效应的观测与研究,已在地震电磁效应及其机理研究方面获得了有意义的科研成果(祁贵仲等,1977,1978,1981; 赵玉林,钱复业,1978; 钱复业等,1982; 孙若昧,卢振业,1982; 陈英方等,1983; 云南省地震局前兆室流磁组,1984; 詹志佳等,1988,1996; Davis,Johnston,1983; Rikitake,Honkura,1985; Sumitomo,Noritomi,1986; Zhan,1989,1990; Sasai,Ishikawa,1991; Oshiman et al,1991; Johnston et al,1994; Shapiro,Abdullabekov, 1982; Iyemori et al,1996; Honkura et al,1976; Miyakoshi et al,1994)。同时,在火山活动区开展了电磁观测与研究,亦获得了有意义的火山电磁效应(Fujinawa et al,1992; Zlotnicki et al,1993; Mueller,Johnston,1997)。
地震和火山喷发是人类必须共同面对的自然灾害,因此,国际交流与合作是非常重要的。为了推进地震与火山相关的电磁效应观测与研究领域中科学家与研究机构之间的国际合作,推进相关资料与研究成果的交流与讨论,在国际地磁学与高空物理学协会(IAGA)、国际地震学与地球内部物理学协会(IASPEI)与国际火山学与地球内部化学协会(IAVCEI)的大力支持下,2001年建立了国际地震与火山电磁研究工作组(EMSEV)。EMSEV为地震与火山电磁研究的国际交流与合作提供了支撑的平台。2011年EMSEV已有来自16个国家的44名成员与269名在册的通信成员。这些成员活跃在地震与火山电磁研究的国际交流与合作中,为推进地震与火山电磁研究的进步做出了重要的贡献。笔者简述了EMSEV的活动及其成果,讨论并展望了地震与火山电磁研究的前景。
在1999年国际大地测量学与地球物理学联合会(IUGG)大会中,Seiya Uyeda,Malcolm Johnston,Jacques Zlotnicki和Yoichi Sasai等提议在国际地磁学与高空物理学协会(IAGA)、国际地震学与地球内部物理学协会(IASPEI)及国际火山学与地球内部化学协会(IAVCEI)之间成立地震与火山电磁研究工作组(EMSEV)。2001年7月,经IUGG执委会批准EMSEV,正式成立。
2001年8月23日在越南河内召开了EMSEV第一次工作会议(在IAGA与IASPEI的联合大会中),Uyeda,Sasai,Zlotnicki等20多名专家学者参加了这次会议,会议研究了EMSEV的组成、科学目标及其与IAGA、IASPEI及IAVCEI的关系。
EMSEV的主席:Seiga Uyeda 教授(日本),秘书:Toshibas Nagao 博士(日本),IAGA 代表:Jacques Zlotnicki博士(法国),IASPEI 代表:Malcolm Johnston博士(美国),IAVCEI代表:Malcolm Johnston博士(美国),IAGA-I(2)工作组代表:Yasuo Ogawa 博士(日本)。
EMSEV的宗旨:(1)推进地震与火山相关的电磁效应观测与研究领域中科学家与研究机构之间的国际合作;(2)推进相关资料与研究成果的交流与讨论。EMSEV的科学目标:(1)严格评估为地震与火山活动的电磁效应提供证据的资料;(2)研究地震与火山活动电磁效应的物理机制;
(3)为深入了解地震与火山活动过程,对观测到的电磁效应提出解释;(4)设计专门实验,获取可靠资料。EMSEV与上述国际协会的关系:(1)IAGA、IASPEI与IAVCEI国际协会组委会各指派一名代表参加EMSEV;(2)每年12月,EMSEV将向这3个国际协会的秘书处提交年度学术活动与成果的报告;(3)这些国际协会每2年对进行评估EMSEV;(4)IAGA-I(2)(电磁感应与电导率)工作组亦派一名代表参加EMSEV。
2002年9月6日在莫斯科举行了第二次EMSEV工作会议,20名EMSEV成员与20名非EMSEV成员参加了会议。EMSEV的主席Seiga Uyeda 与Malcolm Johnston讲述了EMSEV的背景与历史。 Uyeda与 Toshibas Nagao介绍了EMSEV由来自14个国家的34位成员与在册通信成员204名组成,这个通信名单对所有人都是开放的。EMSEV的活动得到了IAGA、IASPEI与IAVCEI的大力支持与资助。会议讨论了2003～2004年EMSEV的活动安排。
2007年8月在意大利召开IUGG大会期间,举行了第10次EMSEV工作会议,选举了EMSEV新成员:主席Jacques Zlotnicki,副主席Malcolm Johnston,秘书Toshibas Nagao,IAGA 代表Jann-Yeng Liu博士(中国台湾),IASPEI 代表Malcolm Johnston,IAVCEI代表Yoichi Sasai博士(日本),
表1 2001～2011年EMSEV的历次工作会议
Tab.1 EMSEV business meetings during 2001～2011
IAGA-I; 工作组代表Harinarayana.博士(印度),以及7名EMSEV新成员,还有42名正式成员与200多名在册通信成员。新的EMSEV将重点关注于地震与活动断裂的电磁研究。为尽快提供科学机遇,提出了以下实验区:印度的Koyna断裂(大地震几率高)、土耳其(lzment地震附近)、天山、印度尼西亚、菲律宾、哥伦比亚及其它地区。主要目标为:(1)推进致力于观测并研究与地震和火山相关的电磁效应的科学家及研究组之间的国际合作;(2)通过联合野外观测、学术讨论会与教育计划,在发展中国家开展电磁方法;(3)支持相关资料及研究成果的传播与讨论;(4)推进先进国家与地区(日本、美国、希腊、意大利、法国、中国、中国台湾、印度等)中的高质量研究,组织国际水平的研究与学术会议,认可杰出的观测与成果,并推进在不同领域研究中的活动。
2010年10月在美国召开的第13次EMSEV工作会议,讨论了EMSEV的工作重点,EMSEV将重点关注地震与火山喷发的电磁现象的物理学、监测与解释。
2011年7月在澳大利亚召开IUGG大会期间,举行了第14次EMSEV工作会议,选举了EMSEV新成员:主席Jacques Zlotnicki,副主席Malcolm Johnston,秘书Toshibas Nagao,IAGA 代表Jann-Yeng Liu,IASPEI 代表Malcolm Johnston,IAVCEI代表Yoichi Sasai,5名EMSEV新成员,以及44名正式成员与269名在册通信成员。
表1列出了2001～2011年EMSEV历次工作会议。
2001年8月20～31日,在越南河内召开了IAGA与IASPEI联合科学大会。在这次科学大会期间,召开了“地震、火山与地热活动过程的电磁研究”专题讨论会,会议召集人是 Zlotnicki 与 Sasai,交流讨论了45篇学术论文,反映了该领域研究的成果与进展。
日本学者报告了日本伊豆半岛的地震地磁观测研究与2000年8月三宅火山喷发的电磁信号的研究成果。伊豆半岛位于日本岛中部,是亚欧板块、北美板块、太平洋板块与菲律宾板块的接合部。从1974年伊豆半岛近海发生M6.9地震后,该地区的构造活动性异常高:1974～1980年间发生5次M5～7破坏性地震、地壳异常隆起、1989年海底火山喷发、1993年海底5 个震群活动。为加强对该地区的地震活动与构造活动的监测,1976年5月起布设了地磁观测网,1990年又加强了地磁监测,已经获得5次地震与3个震群的震磁前兆、火山喷发与地壳异常隆起的构造磁效应。对于2000年7月日本三宅火山喷发,早在1995年日本学者已在该地区开展了地磁与电磁观测工作; 资料分析表明,1996年6月至1998年6月在该火山中部的地磁台上升10 nT,而火山南部台站下降5 nT,日本学者Sasai和Ishikawa(1991)认为这是火山地下700 m深处的热退磁效应。同时还获得了与火山活动有关的电磁信息。
法国学者Zlotnicri博士等报告了火山电磁效应。法国留尼汪岛富尔奈斯火山开始新的一轮活动:1998年3月、1999年7月与9月、2000年2月、6月与10月发生了火山活动。通过分析该火山几年的电磁与自电势观测记录资料得到:火山喷发前几周出现几nT的磁变化信号,在喷发的当天,熔岩达到地面时,磁变化高达7 nT; 记录到电异常信号,但不同台站的电信号异常存在一定的相位差; 还记录到自电势异常信号,其变化幅度可达2.5 V/m。Marquis博士等报告了注水实验及其结果:在1 km2 局部地区布设了48个电极以监测地表电势变化; 向该地区注入23 000 t水,目的在于监测与注水有关的电动现象,探讨地下注水与地震活动的联系,寻找可能的地震前兆。注水过程已观测到地表电势-10 mV 的变化,其异常变化与注水一致,且随注水率上升而增加,但注水后4天亦存在异常。在诱发的最大地震(M2.6)之前约24小时,记录到高频自电势几十毫伏的变化,这可能是该地震的前兆信息。Parrot博士介绍了DEMETER小型卫星,该卫星设计重量约110 kg,寿命2年,将于2003年由法国空间局发射,轨道高度 800 km,为近极区轨道,该卫星将安装电磁测量仪器(各3个分量,观测频段为DC～3.5 MHz),还有离子质谱仪与高能粒子分析仪等,该卫星的科学目的在于研究由地震活动引起的电离层扰动以及监测地球电磁环境。
中国学者报告了通过野外现场试验,得到了水库蓄水过程水位变化与磁变化的相关性以及地下核爆的磁效应,为震磁前兆机制提供了大尺度的试验证据,同时为地震监测预报工作提供了具有实际应用价值的观测结果; 北京地区地磁测网获得了大量准确可靠资料,分析了该地区地磁场的正常变化规律; 在消除地磁正常变化背景的基础上,分析研究了可能的震磁前兆,获得了包括1976年7月28日唐山M7.8地震在内的若干地震的震磁前兆信息; 根据地磁异常信息,较好地预测了几个5级左右的地震。应用电磁方法,研究了中国青藏地区、天池火山区与一些地震活动区的电导率结构,联合解释了地壳介质中弹性与电性各向异性。
俄国、美国、印度、意大利、土耳其、希腊等国家学者报告了与地震、火山及地热活动有关的电磁观测研究的成果,内容包括:海底、海洋上层与海面的地震电磁信号,用声发射监测火山的生长、地壳结构的电磁成象、热温泉区的电磁研究,与地震有关的ULF/VLF电磁异常,震前等离子体异常,强震期间地球—大气层耦合,太阳活动与地震活动的相关性,磁暴影响地震活动性的研究,自然电场及其与地壳形变和地震活动性的联系,与地震有关的地磁转换函数的变化,地磁场对地震地质介质形成与构造地震的影响,地磁扰动对地震构造过程的影响等。
2005年3月14～19日,在日本东京召开了国际地震电磁学学术讨论会。该讨论会的主席是早川正士教授(Prof. Masashi Hayakawa)。来自20多个国家的120多名电磁专家学者、152篇论文参加了这次讨论会。这次讨论会有8个专题:(1)地震─岩石圈效应;(2)震源现象的信号处理;(3)地震─大气层与电离层现象以及岩石圈─大气层─电离层之间的耦合(LAI);(4)地震─大气层效应;(5)地震─电离层效应;(6)国家与国际计划;(7)地震现象的空间观测;(8)与2003～2004年日本地震有关的电磁现象。表2为各专题报告与展示的论文数。
表2 各专题报告与展示的论文数
Tab.2 Paper numbers of the oral and the poster in various sessions
在重点报告中,报告了地震前的低频电磁辐射,与地壳运动相关的超低频地磁变化,超低频磁场与地震发生时的地震近场效应。信号处理方面,阐述了为寻求异常的信号处理技术,日本地震活动区的超低频地磁场变化; 强震前后的电离层异常,地震发生期间所观测到的大气层异常现象; 法国DEMETER卫星观测的地震电磁异常的初步结果,遥感技术与地震。
震磁研究的论文有:构造磁学的现状与展望、台湾集集地震前后所观测到的地磁日变幅异常、乌兹别克斯坦长期研究所获得的震磁变化、北京及邻区的震磁研究、应用地磁方法在新疆地区的地震监测等等。
2005年11月3～4日在智利召开EMSEV学术讨论会“地震电磁学与岩石圈—大气层—电离层物理耦合机制的新进展”。内容包括:地震与火山的卫星与地面观测的联合电磁模式,活断层与火山的综合电磁监测; 地震与火山活动的多参数方法; 与地震及火山活动相关的所有频段的近地电磁过程与辐射,与地震地磁现象相关的地球化学及地热过程,与地震火山活动相关的空间等离子体变化,电磁现象的模拟。
表3列出了2006年EMSEV 参与的国际地震与火山电磁研究学术讨论会,可见,2006年是EMSEV活动很活跃的一年,其35名成员与200多名在册通信成员分别参与了2006年国际学术讨论会。
表3 2006年国际地震与火山电磁研究学术讨论会
Tab.3 International workshop of electromagnetic study on earthquakes and volcanoes during 2006
2011年4月3～8日在维也纳召开的欧洲地球物理联合会(EGU)大会上,EMSEV有3个专题:地震电磁现象与地震前兆; 从实验室到地球物理尺度上对岩石与其它物质的形变过程及其伴随的力学与电磁现象; 震害评估、前兆现象与预测的可信度。
2011年6月27日～7月8日在澳大利亚召开的IUGG大会上,EMSEV有5个专题:地震、活动断裂与海啸的电磁研究; 应用空间技术对地震与火山活动过程开展电磁研究; 应用电磁与其它地球物理技术成象与监测活动火山及地热场; 短期地震预报:电磁与其它可能的前兆及其产生机制; 从空间到地球的电磁振荡:庆祝150周年与超低频波研究的新进展。
2011年12月美国地球物理联合会(AGU)大会上,EMSEV的专题为“地震前兆真实性的多学科研究:震例研究与统计学”。
2003年1月13～17日,在菲律宾举行了主题为“亚洲国家地震与火山监测”学术讨论会,作了24篇论文报告。2003年1月15日在菲律宾召开了第3次EMSEV会议,决定EMSEV(主席Seiya Uyeda,秘书Toshiyasu Nagao)与菲律宾地震与火山研究所(所长Renato U Solidum Jr)开展Taal火山的监测与研究合作,并于2004年进行Taal火山的监测计划。通过对该火山的观测研究表明,有浅层岩浆活动的信号。法国小组(Zlotnichi为组长)、日本小组(Sasai为组长)与菲律宾火山与地震研究所合作,开展地磁、电位、排气与地温等测量,并建立了火山监测站,在2006年,继续进行Taal 火山监测计划。
Taal火山的监测与研究的合作项目于2004年11月开始,该国际合作包括来自日本、法国、美国、希腊、意大利与比利时等国家的研究小组。观测研究显示,观测到电磁信号与地面形变,2010年4～8月出现了地震与火山的险情。因此,2010年11月EMSEV与菲律宾继续签订了今后4年Taal火山监测与研究的合作协议。
多年来,EMSEV起着推进关于活动火山与活动断层新研究的作用。目前,EMSEV与菲律宾火山与地震研究所关于Taal火山缓慢苏醒的合作监测与研究,进行得很顺利。现在,EMSEV正在推进关于地震发生与地震可能伴随的电磁信号的研究。2009年EMSEV成员Uyeda与Nagao访问了俄罗斯科学院Bishkek研究站。2011年11月Uyeda与Komagawa又再次对其进行了访问,他们都得到很深的印象,并一致认为今后双方需要开展密切的国际合作。
俄罗斯科学院(RAS)在Bishkek研究站(站长Anatoly Rybin为EMSEV成员)进行了30多年的地下电导率的监测研究。他们的试验包括由4.5 km长的双电极向地下注入强大电流,这是当今世界上最大尺度的电/电磁探测试验。通过试验发现,在一些中等地震前,电阻率变化百分之几,且在地震前这些电阻率变化已恢复正常。如在强大电流注入测验后的2～6天,观测到地震活动水平上升了,被释放的地震能量为注入能量的106倍。这意味着电流注入触发了地震活动。所有这些结果都是在前苏联时就得到的,但至今国际学术界尚未确认这些结果。
在2011年7月第14次EMSEV工作会议(表1)上,讨论了EMSEV与俄罗斯科学院(RAS)Bishkek研究站的科学合作协定,其科学合作主题为“在中亚地区应用大电流注入系统研究与地震活动有关的电导率结构变化”。具体内容为:(1)出现电导率变化的震源区的3D模拟;(2)电导率变化与地震活动性相关性的深入研究;(3)电磁触发过程及其意义:(4)由局部构造与断裂系统引起的电信号变化;(5)野外试验;(6)在希腊之外的地区独立试验地震电信号的观测;(7)由MHD发电机产生的电磁信号的物理机制。
为获得Bishkek科学家们所从事研究的确切信息,2011年11月8～12日在Bishkek研究站召开了第一次Bishkek-EMSEV联合学术讨论会。
2011年11月10日,EMSEV(主席Jacques Zlotnicki,秘书Toshiyasu Nagao,副主席Malcolm Johnston)与在Bishkek的国际研究中心—地球动力学试验基地(IGRC)(执行站长A. K. Rybin)、俄罗斯科学院 Bishkek研究站(RS RAS)(副站长G. G.Schelochkov)正式签订了科学与技术合作协定,该协定的目的是在合作研究中亚地区活动断层与发生地震的物理过程期间,为双方提供科学与技术的活动平台,以推进应用电磁与其它地球物理方法的新研究,并增强资料的处理和分析。 该协定将推进发展合作参加者的科学关系,以利于解决有关中亚大陆岩石圈的不同活动断层的地震发生与监测并减轻这类地震的基本问题。 其它类似研究亦包括在该协定中。
该协定的合作时间为从2011年11月10日开始4年; 如果双方同意,该协定的合作时间可以再延期4年。因此,双方的合作研究将获得丰硕的成果。
2001年 IUGG 正式成立了 EMSEV,因为EMSEV的研究领域很广,故EMSEV与 IAGA、IASPEI及IAVCEI关系密切。为了解地震与火山的活动过程以及能够测定、分析与活动构造过程相关的电磁信号,必须具有多个领域研究的专业知识:地球物理学、断层破裂与火山喷发的物理学、实验室实验、产生磁、电及电磁信号的物理机制、地壳中流体、气体及热流的作用、电磁信号在地壳中及其通向电离层的传播等专业知识。
EMSEV为推进地震与火山电磁研究,经常召开地震与火山电磁研究的国际学术讨论会。从 2004年开始至今,EMSEV与菲律宾开展了Taal火山的监测与研究合作。这些地震与火山电磁研究的国际学术交流与合作,大大增进了地震与火山电磁研究(Hayakawa et al,2006)。EMSEV与菲律宾在Taal火山监测与研究的国际合作中,来自日本、法国、美国、希腊、意大利与比利时等国家的研究小组都参加了该国际合作,充分体现了EMSEV国际合作的特色与优势。这种强有力的国际合作研究,有助于攻克科学难题。此外,EMSEV还积极鼓励与推进科学家与研究机构之间的国际合作,同样取得了地震与火山电磁研究的可喜成果(Hayakawa,Molchanov,2004; Zhan et al,2004; Johnston et al,2006; 范莹莹等,2010; 刘君等,2011)。
在2001～2012年期间,世界上的地震活动区与火山活动区都进行着大量而质量较好的磁、电与电磁场测量,获得了地震与火山电磁研究的新进展与新成果(Oshiman et al,2001; Uyeda et al,2002; Matsushima et al,2002; Gu et al,2006; Parrot,2006; 顾左文等,2006; Enomoto et al,2006; Gu et al,2008; Yoshimura et al,2008; 汤吉等,2008; 陈 斌,2011; 谭大成等,2012)。
总之,地震与火山电磁研究已获得了长足的进步。然而,为确定电磁信号与地震和火山喷发之间的因果关系,还需要做更多的工作。实际上,在测定多种电磁参量、应用参考测点、识别和降低电磁噪声、是否与应力、应变、物质性质、流体含量等其他地球物理量资料的一致性、以及探讨火山与地震活动区的地壳破裂等方面的研究,都需要进一步改进与提高。
2012年9月30日至10月4日,将在日本静岗召开EMSEV2012学术讨论会。这次学术讨论会包括5个专题:(1)与地震、海啸、火山、断层活动、山崩、地热活动等活动过程有关的电、磁与电磁现象;(2)基于大陆与空间监测技术的电磁成象;(3)为确保可靠解释,应用多种参数观测的与岩石圈—大气层—电离层耦合有关的震前、震时与震后的现象;(4)与活动过程相关的电磁信号的产生机制:理论与实验研究;(5)与2011年3月11日日本9级地震与海啸相关的地震、大地测距与电磁的研究。该地方委员会组织专题3以纪念Oleg Molchanov先生。Oleg Molchanov先生是地震电磁研究的先锋,2011年逝世,享年71岁; 日本神户地震后,日本科技厅于1996年启动了地震尖端研究计划; 他与Hayakawa专家一起参加了该计划,并做出了巨大贡献。这次由 EMSEV主办的每两年召开一次的学术讨论会,将展示地震与火山电磁研究的最新进展与成果。从2012年起,每两年由 EMSEV主办的学术讨论会,将有效地推进地震与火山的电磁研究。
EMSEV积极鼓励并推进地震与火山电磁研究的国际合作。由于Taal火山正在缓慢苏醒,因此,2010年11月EMSEV与菲律宾继续签订了今后4年Taal火山监测与研究的合作协议。在经过深入考察与研究的基础上,2011年11月10日EMSEV 与俄罗斯科学院签订了今后4年的合作协议; 如果双方同意,该协定的合作时间可以再延长4年。这样稳定而长期的国际合作将有助于解决地震与火山电磁研究的基本问题。
我国相关的专家学者积极地参加了EMSEV的活动及国际地震与火山的电磁学学术讨论会,向国际同行介绍了我国的进展与科研成果,与国际同行交流讨论了有关工作与研究等问题,沟通了今后的学术交流与合作的国际通道,有助于我国今后的工作与国际交流合作。中国地震局在地震与火山电磁学的观测研究方面做了大量的工作,积累了丰富的经验,取得一批电磁前兆。为推进该学科的发展及其在地震与火山监测预报工作的效能,应当进一步加强国际学术交流与合作,不断提升我国的学术水平。
地震与火山电磁研究的最终目标是探索电磁前兆及地震与火山喷发的预测预报、减轻乃至消除地震与火山喷发所造成的灾害。为此,今后需要在地震与火山活动区进行更多的电磁观测与研究,进一步开展国际学术交流与合作,不断推进地震与火山电磁效应的深入研究。
