引言

人类对电磁波的认识始于十九世纪六十年代，之后的几十年里电波通讯及其应用得到了飞速的发展。1862年英国物理学家麦克斯韦发布麦克斯韦方程组，从理论上预言了电磁波的存在；1888年德国物理学家赫兹通过麦克斯韦理论设计出了电磁发生器和探测器，用实验验证了电磁波的存在，并借鉴驻波测声速的方法测出并证明了电磁波的传播速度等于光速，由此发现了电磁波的直射、折射、反射、偏振等现象；1896年意大利发明家马可尼受赫兹的启发发明了无线电；1901年跨越大西洋的无线电通信开通；1924年12月11日英国物理学家阿普尔顿利用英国广播公司设在波内茅斯（Bournemouth）的发射台以恒定的速率发射周期性变频信号，在牛津接收站接收到的信号显示距地面90 km处存在一个反射层，据此证实了电离层的存在，并相继发现了电离层E层和F层。电离层的发现，帮助人们认识了无线电波的传播过程，同时进一步细化了对大气层结构及其演化机制的深入研究。

无线电波在空间传播，其频率（或者波长）不同，传播特性不同，正是这些不同的特性使人们享受着电视实况转播、移动中的相互通信、同城调度、无线上网乃至跨洋可视电话通信等，并通过它控制天上的航空器及水上的船舶等。无线电中的长波和中波主要沿地球表面传播，其传播衰耗小、绕射能力强，但易于被大地吸收，受雷电影响大、传输带宽较窄、发射设备和天线都不易小型化布设。短波主要靠电离层反射（天波）传播，其传播距离可达几千千米，相对长波、中波、微波而言，设备和天线均较小，但易受四季天气影响，同时电离层变化、太阳耀斑和磁暴等空间天气活动事件也会对其造成较大影响。超短波和微波则主要是以直线视距传播，传播稳定、能穿透电离层、传输带宽宽，但受地形、地物及雨雪雾影响较大，虽然对空可达数万千米，但受地球曲径及其它影响，在地表传播的距离仅有几十千米。

根据《中华人民共和国无线电频率划分规定》（中华人民共和国工业和信息化部，2019），无线电频谱被划分为14个频段（表1），基于此我国形成了与世界接轨的无线电分段标准，进一步规范了无线电波信号的定义和使用。

表  1  中国无线电频率划分表

Table  1.  Regulations on the radio frequency allocation in China

带号	频 带 名 称	频 率 范 围	波 段 名 称	波 长 范 围
−1	至低频（TLF）	0.03—0.3 Hz	至长波或千兆米波	10 000—1 000 Mm
0	至低频（TLF）	0.3—3 Hz	至长波或百兆米波	1000—100 Mm
1	极低频（ELF）	3—30 Hz	极长波	100—10 Mm
2	超低频（SLF）	30—300 Hz	超长波	10—1 Mm
3	特低频（ULF）	300—3 000 Hz	特长波	1000—100 km
4	甚低频（VLF）	3—30 kHz	甚长波	100—10 km
5	低频（LF）	30—300 kHz	长波	10—1 km
6	中频（MF）	300—3 000 kHz	中波	1000—100 m
7	高频（HF）	3—30 MHz	短波	100—10 m
8	甚高频（VHF）	30—300 MHz	米波	10—1 m
9	特高频（UHF）	300—3000 MHz	分米波	10—1 dm
10	超高频（SHF）	3—30 GHz	厘米波	10—1 cm
11	极高频（EHF）	30—300 GHz	毫米波	10—1 mm
12	至高频（THF）	300—3 000 GHz	丝米波或亚毫米波	10—1 dmm

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鉴于长波信号的远距离传播特性，全球目前仍建有40余个10—60 kHz的甚低频（very low frequency，缩写为VLF）、低频（low frequency，缩写为LF）频段的人工源电波发射站（Loudet，2013），广泛用于远距离、海上导航、水下潜艇等通讯导航以及电离层突扰监测等，其中美国海军在澳大利亚建的西北角（North West Cape，缩写为NWC）发射站的发射功率达到1 MW，是目前世界上功率最大的甚低频发射站。在地震电磁应用研究中，科学家们发现了震前从超低频(ultra low frequency, 缩写为ULF）至甚高频（very high frequency，缩写为VHF）频段（DC—300 MHz）的多种电磁辐射现象（张学民等，2007），证明了地震孕育发展过程中地下岩石的微破裂等会激发强烈的电磁辐射信号，也明确指示了地震电磁有可能是最有希望突破地震短临预测的手段之一。根据电波传播理论，VLF/LF电波传播中绝大部分能量被限制在地-低电离层（D/E层）组成的波导层中，一旦发射站和接收站点固定，发射频率已知，在接收站获取的观测参量仅依赖于大气层-电离层边界（典型高度80—85 km）的电子密度大小及其梯度变化，而当传播路径上空的低电离层被各类因素（包括太阳耀斑、磁暴、雷闪放电、地震等）所扰动时，都会造成VLF/LF人工源信号异常。地震可造成强烈的电磁辐射并改变低电离层电磁特性，因此人工源电波观测为地震监测预测又提供了一种新的探测手段。二十世纪九十年代以来，以日本科学家Hayakawa为首的研究团队发表了多篇论文，证实了VLF/LF电波信号与地震之间的关联性（Hayakawa et al，1996a，b；Molchanov，Hayakawa，1998；Molchanov et al，1998），也逐步发展了多种数据的分析算法，并开展了可能的机理解析，为VLF/LF电波信号在地震领域的应用奠定了基础。近十年来地基和卫星VLF/LF信号的地震监测应用在我国也得到了迅速的发展，人工源信号监测成为地震电离层扰动分析的主要技术手段之一（张学民等，2016）。我国科学家充分利用地基布设的电波接收站以及卫星观测人工源电波信号，在汶川、玉树等M7.0以上地震前后发现了丰富的电磁扰动异常，为空地联合研究奠定了较好的基础。本文将就VLF/LF人工源信号的地震应用研究进展予以总结，并对目前存在的主要问题及其发展前景进行讨论，为未来的相关研究提供基础支撑。

1.   VLF/LF人工源信号观测原理及数据分析方法

1.1   地基和空基探测设备

美国斯坦福大学自二十世纪五十年代起开始利用极低频（extremely low frequency，缩写为ELF）、甚低频（very low frequency，缩写为VLF）接收器研究天电现象，此处的ELF相当于我国定义的表1中的超低频（ultra low frequency，缩写为ULF）频段（即300—3 000 Hz），VLF频段与表1相同，他们研发的AWESOME接收器也在全球多地安装使用（Cohen et al，2010；Singh et al，2010），中国武汉大学团队研发的接收器是在其基础上进行了发展完善（Chen et al，2016）。这种接收器的基本原理是利用环天线装置对垂直于环天线平面的磁场分量比较敏感的特性，记录处于该频段的天然源和人工源信号。实测时使用两个垂直于地面并互相垂直的环天线获取水平方向的磁场分量信号，而近地表垂向磁场由于信号非常弱，使用率很低，未进行观测，当然布设一个平行于地面的环天线也非常简单。

英国射电天文学协会（UK Radio Astronomy Association，2021）利用VLF接收器测量太阳闪烁引起的电离层突然扰动，观测频段为12—35 kHz。设备中包括1—2个磁环天线，天线方位尽量与VLF发射站方向一致，或互相垂直布设。电波发射站一般为多个电天线组成的天线阵，输出信号为随时间变化的电压。

乌克兰科学院乌西科夫放射物理和电子学研究所（Usikov Institute of Radiophysics and Electronics，National Academy of Sciences of Ukraine，缩写为IRE NASU）研制了一套设备，用于探测VLF频段垂向电场和两个水平方向的磁场分量（Shvets et al，2019）。该设备配置两个正交的等边三角形磁框架，同时配备一个铝杆电子天线安装在设备顶部，仪器采样率为48 kHz。

日本生产的OMNIPAL窄带接收器（相位和幅值记录仪）专门用于接收全球各地的VLF人工源发射信号，一般配备垂直向电场天线和两个水平磁环天线，用于探测水平向磁场和垂向电场信号。2000年之后，日本与俄罗斯、希腊、意大利等多国共同开展人工源电波联合观测，也是主要使用OMNIPAL接收器，且测站主要以垂向电伸杆天线为主（Biagi et al，2011）。意大利研制的电天线也使观测频段从VLF扩展至更高的LF （Biagi et al，2011）。

随着卫星探测技术的发展，电磁场探测也成为卫星探测电离层环境的主要科学目标，但卫星电磁场较少针对窄带信号进行探测，一般是在宽频带电磁探测仪上识别来自地面的VLF/LF人工源信号，设备也以探头式电位探测和感应式磁力仪为主，其中主要应用于地震信号探测的法国DEMETER卫星（2004—2010年）利用其电磁场载荷探测到了丰富的全球VLF人工源信号（Parrot，2018），电场的观测频段从近直流达到3.5 MHz，较好覆盖了VLF/LF频段，磁场频率可至20 kHz，也探测到了大部分VLF频段信号。

1.2   数据分析方法

从以上探测设备可以看出：由于科学研究目标的差异，有的接收器是用于宽频带探测的电磁设备，有的是只用于窄带信号提取的装置；天线以磁环天线和电伸杆天线为主。探测的物理量主要为经过快速傅里叶变换后的宽频带电磁频谱或功率谱密度，以及针对某一发射站提取的窄带信号的幅值和相位值。

1.2.1   晨昏时间位移法

VLF/LF主要在地-电离层波导中传播，其反射界面是电离层中的D/E层，夜间D/E层消失，电离层电子密度发生显著变化，因此观测曲线能呈现明显的日变化特征。在日出日落时分更是由于温度和太阳光电离作用引起的电离层电子密度及其梯度的剧烈变化，VLF/LF人工源信号受到较大影响，在接收站的观测序列中呈现为两个极小值点，这两个时刻被定义为晨昏时间（terminator time，缩写为TT）。Hayakawa等（1996a）研究显示，1995年1月17日日本神户M_S7.2地震前三天，TT出现了明显的位移（图1），尤其是日落时间向后延迟了1—2个小时，反映了地震前低电离层扰动对VLF信号传播的影响作用（Molchanov et al，1998a）。晨昏时间位移（terminator time shift，缩写为TTs）法主要基于原始观测曲线中低点时间的对比，简单直观，是VLF/LF电波信号地震应用研究中发展较早且目前仍在广泛使用的方法之一。

图  1  1995年1月17日日本神户M_S7.2地震前后晨昏时间位移异常（引自Molchanov et al，1998b）

t_m为早晨日出时间，t_e为黄昏日落时间，图中阴影区为异常；N_ph为对应低点的相位值，*为地震当日

Figure  1.  The TTs anomalies around Kobe M_S7.2 earthquake on 17 January 1995 （Molchanov et al，1998b）

x-axis indicates the local time of 0−24，t_m is the morning time，t_e is the evening time，the shadow areas are the anomalies；N_ph denote the phase corresponding to the lowest TTs anomalies，* denotes the earthquake occurrence time

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1.2.2   夜侧波动法

夜侧波动法通用于信号的幅值A和相位P的处理，利用

计算信号相位和幅值的相对变化（Rozhnoi et al，2004；Hayakawa et al，2010），式中<A>和<P>分别为观测日前后几天磁静日的均值，A（t）和P（t）为观测当日的数据。一般定义绝对变化dA和dP超过2σ （σ为标准偏差）即为异常，此时仅使用夜侧数据来计算，故称之为夜侧波动法。在此基础上，定义平均幅值T、均方根离差D和夜侧幅值波动NF等参数进一步研究信号的波动幅值，相关表达式如下：

式中N_s为计算起始点时间，N_e为计算结束点时间。Hayakawa等 （2018）利用发射-接收链路JJY-PTK的信号幅值变化（图2），研究了2011年3月11日东日本大地震前后的幅值变化特征，结果表明3月1日前后，信号的平均幅值T和离差D分别出现了大幅度下降和上升异常，其异常幅值达到4—8σ。

图  2  2011年3月11日东日本大地震前后VLF信号夜侧平均幅值T和离差D的归一化标准差直方图以及M-t地震序列（Hayakawa et al，2018）

Figure  2.  The histogram of nighttime average amplitude （T） and deviation （D） of VLF signals around Tohoku earthquake in Japan on 11 March 2011 and the M-t series plot of this earthquake （Hayakawa et al，2018）

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1.2.3   声重波波动法

该方法一般利用上节提到的dA序列，通过快速傅里叶变换或者小波谱分析等得到某一研究时段内dA值的宽频带（包含声重波及声波在内）谱分析结果，定义

式中S（ f ）为研究当天的谱值，<S（ f ）>为前后一段时间（一般取研究当日之前的一个月）内的均值，当dS（ f ）＞0 时，通过声波、大气重力波、内重力波等信号的固有周期范围，得到声重波波动值如下式（Muto et al，2009）所示：

式中R表示声重波的频率范围。高频采样的VLF/LF电波观测信号中含有丰富的大气波动信号，日出日落时分声重波波动更为明显。为地震研究需要，人们往往利用夜侧时段相对稳定的观测记录提取与地震相关的声重波等扰动（图3）。

图  3  2005年6—9月VLF 观测链路上夜测波动NF，平均幅值T和AGWM的归一化标准差σ直方图及区域M5.0以上地震的M-t图（顶部红色垂线）（Muto et al，2009）

Figure  3.  The normalized standard deviation histogram of three parameters （ NF，T，and AGWM） along the VLF observing link of JJY-KCK and the M-t plot of the M≥5.0 earthquakes （the red vertical line at the top of each panel） in the area during June to September in 2005 （Muto et al，2009）

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1.2.4   信噪比

Molchanov等（2006）在分析DEMETER卫星记录VLF人工源信号时，提出了信噪比（signal noise ratio，缩写为SNR）方法，其表达式为

式中：f₀为对应的人工源信号发射频点；δf为对应的频带宽度，一般小于100 Hz；A为对应频点的信号幅值。

多个研究震例显示，信噪比在地震前表现为下降异常。图4是利用DEMETER卫星观测到的低频人工源信号研究的2008年汶川地震前后的信噪比变化特征（Zhang et al，2019），结果显示低频信号的覆盖范围自4月中旬之后呈现明显的缩减，同时邻近震中轨道记录的信噪比显著减小。此外，信噪比观测序列研究也反映了与本身信号幅值变化曲线较好的一致性（Zhang et al，2019）。由此可见，信噪比不仅考虑了人工源信号的观测幅值，同时还通过与其相邻背景频点对比的方式对信号进行了归一化处理，可以有效地反映信号在频谱图中的能量大小及分辨率，大大降低了背景噪声对信号的影响。

图  4  2008年5月12日汶川M_S8.0地震前后低频人工源信号SNR时空演化图（1—5月，每半月一张图；引自Zhang et al，2019）

Figure  4.  The spatio-temporal variations of SNR from LF transmitter signals around Wenchuan M_S8.0 earthquake on 12 May 2008 （during January to May with half month for each panel，from Zhang et al，2019）

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2.   VLF/LF电波信号的地震监测应用

VLF/LF电波的地震应用研究已有二十余年，期间得到了大量的典型震例及统计分析结果（Biagi et al，2002，2004；Hayakawa et al，1996a，b，2010b；Molchanov，Hayakawa，1998；Molchanov et al，1998；Rozhnoi et al，2008，2015），有些震例因分析水平的提高甚至多次论证，本文很难一一列举，将从以下三个方面围绕全球典型强震进行总结，以期为未来研究提供更充分的证据。

2.1   地面观测震例应用

VLF/LF人工源电波观测依赖于发射站和接收站的位置，其覆盖区域也处于链路分布的狭长范围内，距离链路较远的地震很难与此相关联。日本是该领域应用研究较早的国家，相对获取的震例也较多。最早的如前文提及的1995年1月17日神户地震（Hayakawa et al，1996a；Molchanov et al，1998），晨昏时间TT在主震发生前几天出现明显的相位漂移，且持续至震后几个星期，显示了10天左右的振荡周期。2004年12月26日印度尼西亚苏门答腊M_W9.2地震前，在NWC发射站与日本三个接收站获取的VLF信号传播路径上，均观测到夜侧波动NF在震前4天显著增强（Horie et al，2007）。2008年5月12日汶川M_S8.0地震前，Maurya等（2013）利用跨过震中区的日本发射站与印度接收站所形成的VLF链路信号，观测到2008年汶川地震前夜侧幅值波动NF在震前两天出现显著增强和离散现象，扰动幅值超过背景变化的2σ，但平均幅值T无明显异常；另外来自日本发射站的观测结果显示日变化幅值在5月11—12日呈现明显增加。Rozhnoi等（2009）分别利用来自意大利Sardinia （20.27 kHz）和Sicily （45.9 kHz）两个发射站以及英国（19.58 kHz）和德国（23.4 kHz）的两个发射站，与位于俄罗斯、奥地利和意大利三地的三个接收站形成的VLF/LF观测链路，揭示了在经过2009年4月6日拉奎拉M_W6.3地震震中区的两条链路上晨昏时间和夜侧波动NF在震前2—8天呈明显异常，而距离震中区较远的链路无异常出现。在2010年1月12日海地M_W7.0地震前，Hayakawa等 （2011）利用美国缅因州的NAA发射站与位于秘鲁的一个接收站形成的VLF观测链路，在1月1日也就是震前12天观测到平均幅值T下降，离差D和夜侧幅值波动NF值增大。针对2011年3月11日日本大地震，Hayakawa 等 （2012，2013a，b，2018） 基于日本和俄罗斯的VLF/LF低电离层观测网，发现穿过震中的链路上（美国NLK发射站至日本调布市接收站），平均幅值T和离差D在3月5—6日均有增强，同时在日本至俄罗斯的一条链路上发现3月1—6日离差D也存在异常，其夜侧平均幅值T的最小值出现于3月3—4日。但Cohen和Marshall （2012）利用当地VLF观测并未发现与2011年3月11日日本大地震相关的低电离层扰动信号，他们认为当发射站而非接收站更靠近震中位置时可能更容易接收到异常扰动。2015年4月25日尼泊尔M_W7.8地震和5月12日M_W7.3强余震前，Maurya等（2016）通过接收来自澳大利亚NWC发射站的VLF信号，发现晨昏时间位移TTs和NF值在震前一天均有显著异常，夜侧日落时间低点分别漂移了45 min和26 min；Phanikumar等（2018）对尼泊尔地震前电波信号的进一步研究也显示每日夜侧的TT时间漂移在震前一天均会超出2σ，并同步伴随有大气层臭氧增加异常。

低频频段电波监测在欧洲的地震应用研究更为广泛，而且研究人员们也增加了一些新的频谱分析算法，但研究震例的震级均不高，以中强地震为主。Biagi和Hayakawa （2002）以及Biagi等（2004）基于布设在欧洲的VLF （20—60 kHz）和LF （150—300 kHz）频段监测网，通过对斯洛文尼亚和意大利南部发生的多次M5.0—6.0地震的研究，发现靠近发射-接收链路（＜100 km）的地震前电场信号幅值减小，以及2001年5月19日土耳其西部一次M_W5.7地震前后VLF和LF链路及接收站附近出现扰动信号，利用小波谱、主成分分析以及标准差等方法对以上异常的研究结果显示后两种方法更有利于提取震前异常（Biagi et al，2012）。2013年10月12日克里特岛发生的一次M_W6.5地震，距离CRE接收站仅60 km，Maggipinto 等（2015）通过提取该地震小波谱中的主成分发现，在该接收站记录的10条电波信号中有一条来自MCO发射站（216 kHz）的电波链路在震前7天出现显著扰动，电场信号显著增强。

此外，在几次大地震激发的海啸活动中，如2010年智利M_W8.8地震、2006年11月15日千岛群岛M_W8.3地震和2011年3月11日日本东北M_W9.0大地震等，VLF电波信号链路上也都记录到以内重力波等形式传播的声重波信号（Rozhnoi et al，2012，2014），信号幅值出现约10 dB的异常，相位变化高达50°，周期在几十至上百分钟以及几小时不等，反映了VLF电波信号对低电离层扰动的敏感特性。

2.2   卫星观测震例应用及天地联合分析

2004年法国第一颗专门用于地震电离层扰动监测的卫星DEMETER发射升空，其上搭载了宽频带电磁场探测仪。鉴于地面上分布于全球的大量VLF/LF人工源发射站，卫星作为移动的空间接收站可以记录到各个站点的信息，为研究卫星探测VLF/LF人工源信号的地震监测应用提供了很好的平台。Molchanov等 （2006） 提出了针对卫星VLF电波信号探测的SNR方法用于获取地震相关扰动，并通过SNR散点图分布发现欧洲2004年11—12月4次M_W5.5地震序列的影响范围在1 000 km左右，印度尼西亚2004年11月的两次M7.5和M7.2地震的影响范围可达2 000—3 000 km，而2004年12月苏门答腊M_W9.0地震的影响范围拓展至5 000 km。Solovieva等（2009）进一步确认了2004年苏门答腊M_W9.0地震前一个月卫星信号接收带VLF电波幅值下降的现象。Muto等（2008）研究了以2005年8月16日日本宫城M_W7.2地震为主的几次M_W5.5地震前低频发射站JJY （40 kHz）在DEMETER卫星上的观测结果，其结果显示宫城地震前几周SNR相对背景趋势呈下降态势，其它几次地震的演化形态也有相似特征。Slominska等（2009） 利用俄罗斯VLF发射站信息分析了日本2005年宫城M_W7.2和2007年7月16日新潟M_S6.7地震前的卫星电场记录信号，其结果显示地震前14天信号幅值呈明显的下降异常。何宇飞等（2009） 利用中国周边的几个VLF发射站所获取信息研究了2008年汶川地震前后的电离层扰动变化，揭示了VLF电波信号的SNR在震前一个月出现显著下降、震后异常恢复且多个站点的变化形态类似的变化规律。Zhang等 （2019） 利用DEMETER卫星观测162 kHz的LF频段人工源信号围绕汶川地震展开研究，其结果表明5月1—12日卫星记录的夜侧信号幅值和SNR呈明显下降，与2007—2010年同期数据对比，2008年汶川地震前的下降也是最低值，与2008年太阳活动低年电波穿透能量较高的传播特性明显不符，反映了地震孕育过程对电离层的强烈耦合作用。针对2010年4月13日青海玉树M_S7.1地震，Shen等 （2017） 利用中国地基VLF观测网和DEMETER卫星记录，深入分析了与俄罗斯三个VLF发射站（均发射11.9，12.6，14.9 kHz三个频点信号）链路上的信号扰动，其结果显示经过震中上空的NOV−TH地基链路在震前一天信号幅值增大，空间DEMETER卫星观测的14.9 kHz电波信号的SNR值在震前四天下降。Zhao 等（2020）也利用距离中国较近的NOV发射站发射的三个频点（11.9，12.6，14.9 kHz）对玉树M_S7.1地震进行深入研究，其结果显示DEMETER观测的VLF信号的SNR在距离震中10°范围内于4月2—14日观测时段内均出现快速下降。Rozhnoi等（2015）总结了2004—2010年期间千岛群岛和日本发生的9次强震震例，通过夜侧观测与模型计算的幅值和相位变化（dA和dP）的对比，其结果显示几次M≥6.8地震前，地基和卫星观测的VLF/LF电波信号显示了很好的一致性，地基链路和DEMETER卫星记录信号的SNR在震前几天同步出现大于2σ的下降，卫星在所有震例前均观测到下降异常，地基链路只有在震中位置正好位于电波传播敏感带内时才观测到异常。卫星和地基的同时段扰动观测对比分析可以相互检验，并相应提高地震异常扰动信号的信度。

2.3   统计分析

Rozhnoi等（2004）分析了两年观测时段内的LF （40 kHz）信号变化与磁暴及日本地震的关系，结果显示M≥5.5地震前夜侧观测幅值与相位变化日均值、均方差等变化密切相关，典型异常出现在震前7天、2—3天以及震后6—7天。Shvets等（2004）研究了1997年3—8月日本中强地震活动与VLF电波信号的关系，其结果表明：M5.0—6.1的中等浅源地震（≤40 km）活动与VLF波动信号显著相关，在震前1—3天或者地震当天VLF电波信号中存在周期为3小时左右的类波动信号，同时大范围地震目录频谱分析显示存在4—14天周期，而澳大利亚NWC发射站至日本Chofu链路上的VLF电波也显示类似周期成分。Maekawa等（2006）基于时间叠加分析方法，统计分析了日本JJY发射站（40 kHz）与接收站Kochi （相距770 km）链路1999年6月至2005年6月（期间剔除了2004年全年资料）这五年的观测数据，其结果显示站点附近强烈地震活动（有效震级M_eff≥6.0，将当天所有地震的能量进行积分后再换算所得震级作为当天的M_eff）前2—6天电波信号幅值下降，均方差D显著增强。Rozhnoi等（2008）利用2005—2006年的DEMETER观测资料及研究区域（3个低纬地区，一个中纬度地区）内M6.0以上的地震目录，统计分析了中低纬度带VLF人工源信号、ELF/VLF电离层紊流（150—500 Hz）、VLF频带拓展现象等与地震的关系，发现中纬度日本地区的VLF信号幅值下降以及电离层紊流增强均与地震活动有较强的相关性，但VLF频带拓展现象只显示弱相关特性。Kasahara等（2008）分析了日本—太平洋VLF/LF监测网四年的观测数据，通过整理发生在观测链路第五菲涅尔带内的M6.0以上强震目录，发现在震源深度小于30 km的浅源地震前5天夜侧平均幅值T下降超出2σ，NF增强超出2σ；在考虑所有地震的情况下，两个参数的异常均不明显。Hayakawa等（2010a） 统计分析了2001—2007年日本M6.0以上地震与VLF/LF传播异常之间的相关性，结果显示浅源地震（＜40 km）发生前10天内，参数D和NF均超出2σ，反映了二者之间的密切关联。综上，从统计学研究结果来看，VLF/LF电波信号扰动异常与地震存在显著的相关性，多数异常集中在震前一周内出现，且浅源地震表现出更突出的扰动特征。

3.   震前低电离层电波信号扰动机理

针对地震电离层耦合机理，国际上目前比较认可的有三种耦合通道（图5），分别是与化学物质释放相关的附加直流电场通道也称为化学（电场）途径、与气体和热释放等相关的大气振荡即声重波途径、与超低频电磁辐射相关的电磁途径（Hayakawa，1999，2004；Hayakawa，Molchanov，2002；Hayakawa et al，2010a）。由于圈层耦合机理的复杂性，迄今为止没有一个模型能较好地解释电波传播信号的扰动机制，与VLF/LF电波扰动相关的地震耦合机理多认为与前两种途径的关系更为密切，下面将分别予以介绍。

图  5  岩石层-大气层-电离层圈层耦合机理及耦合通道（引自Hayakawa，2004）

Figure  5.  Lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling mechanism and channels （from Hayakawa，2004）

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3.1   化学(电场)途径

大量地震前均报道有氡气辐射等放射性化学元素释放，因此化学因素成为解释大气层、电离层很多扰动产生的源。Baba和Hayakawa （1995）利用有限元方法模拟了区域电离层扰动对VLF电波传播的影响，通过设置均匀半空间模型中低电离层底界面的不均匀体模拟了入射电波的传播过程，结果显示在水平方向25 km、垂直高度下降10 km的不均匀体条件下，且只考虑一阶传播模式的情况下，5—20 kHz的电波传播在幅值和相位上均受到较大影响，频率越高，其水平传播距离影响范围越大，20 kHz信号的最大影响范围可达600 km。Molchanov等（1998）通过简单计算发现，要解释日本神户地震前VLF电波晨昏时间TT异常，电离层底部的下降高度大概需要在2 km左右。Zhang等 （2020）在分析2018年8月5日印度尼西亚M_S6.9地震前的VLF电波信号异常时，同时利用中国地震电磁监测卫星观测电场资料计算了电离层反射高度，其结果显示在震中区上空电离层反射高度下降约5 km。上述观测和模拟结果均说明，震中区附近的电离层高度变化和电离层不均匀体结构的存在确实会严重影响地-电离层波导信号的传播，这个通道目前的难点在于它还不能称为一个完整的模型，因为对于通道建立的前端氡气释放—对大气层的影响—大气电场改变至最终的电离层不均匀体结构形成这个过程，氡气释放及其对大气层的影响多在定性化描述，较少能用量化表达。目前提出的直流电场耦合模型（Kuo et al，2011，2014；Zhou et al，2017）较好地模拟了直流电场传播至低电离层的电磁场分布，以及这些附加电场与电离层电子密度之间的相互作用，其结果显示异常信号多为伴生的南北向正负扰动，并无电离层高度改变的明确信息。实际上，震前电离层电子密度变化也有正负，而且这种电离层扰动形态会增强或减弱电波传播，因此还需要直流电场模型与电波传播模型之间的配合。另外，直流电场耦合模型中，初始条件多为地下电流，而且地面正常大气电场带负电的情况下也不可能赋存大量的带电粒子，除非在地下以电流的形式才可能存在较长时间，所以单纯将化学元素释放作为模型的源头可能还缺乏理论支撑，地下流体在这个环节也许发挥了更多的贡献。直流电场传播过程的模拟显示直接到达低电离层高度的电场非常弱（Zhou et al，2017），基本在10⁻³ mV/m量级，而实际卫星观测的近直流电场在3—15 mV/m量级（Zhang et al，2014），数值模拟结果与之还有相当的差距，这样的弱电场无法引起强烈的电离层扰动，只有正离子的运移改变大气层电导率而形成的较大垂向电流才能在电离层引起mV/m量级的电场扰动（Kuo et al，2014），所以加强近地表大气电场、大气电导率观测也是改进模型的重要手段之一，更多参量的约束才能使传播链路更完整，理论模型更切合实际。

在地下电流形成机制中，美国科学家Freund团队的贡献也极为重要（Freund，2000，2002，2010；Freund，Sornette，2007；Freund et al，2009），他们通过岩石试验证明岩石在受压过程中作为电荷载体可以激发正空穴效应，并沿着应力梯度方向形成电流，Kuo等（2011）的直流电场模型中地下电流的形成就是基于他们提出的应力岩石电流理论而来。当正空穴在地表累积使地表带正电荷，岩石表面的微观高电场锐边界会引起大气分子的电离，从而观测到正离子穿过大气与岩石的分界面向空气中运移的现象（Freund，2010）。直流电场模型的关键是地下电流的形成以及传播过程中大气电导率的改变，大气分子电离究竟是来源于氡气的辐射衰变还是Freund （2002）提出的空穴运移，目前看来很难肯定或者否定其一，只有更多密切相关的物理或者化学参量观测才能给出更好的解释和界定。

3.2   声重波途径

Molchanov等（2004） 提出了一个相对完善的理论模型，即地下气体/流体物质的向上移动会导致近地表的水或气运移并在某些区域聚集，这也是强度弱化区发生地震的根源，而紧跟震前水（或气）释放而来的大气温度和密度扰动会产生6—60分钟的内重力波（internal gravity waves，缩写为IGWs），进而扰动电离层，引起低频电波传播等异常。Sorokin和Pokhotelov （2014）研究了震区的准静电场对内重力波的影响，其结果表明：带电气溶胶进入大气层后引起电离层电场扰动，在全球电流系统上形成一个可传导电流，可传导电流携带正离子从大气层进入电离层；地震带电流的放大伴随着低电离层扰动的形成，电离层中性风与磁场的相互作用形成安培力，而其垂向梯度将改变内重力波特征，震源区电流产生的安培力增加将引起10分钟和22分钟的电离层短周期振荡。声重波通道的主要由来是VLF/LF电波中确实观测到在重力波频段的波动信号，尤其是日出日落时分重力波的信号非常强。Yang等（2019）利用融合数据ERA5产出的大气层小时温度剖面进一步捕捉到了重力波信号，其结果显示大气温度剖面中存在大量的与气象因素等相关的重力波，另外还需考虑山脉高度差引起的山波，在剔除这些影响因素的条件下发现了与VLF电波扰动出现在相同时段内的平流层大气声重波（acoustic gravity wave，缩写为AGW）扰动，其时空范围及传播方向与VLF电波扰动非常一致，反映了两者之间的密切关联。需要注意的是，大气声重波使用的数据是小时值数据，只能反映两小时以上的周期信息，同时大气声重波扰动主要出现在日侧，而VLF电波的分析数据使用的是夜侧NF。该机制的最大难点是这类声重波信号的起源。Chakraborty等（2018）也报道了热红外长波辐射与电离层扰动的震前特征，显示了两者的一致性，但两个参量之间并未形成定量的关联。大多科研人员均认为水汽、氡气、氦气等各类气体喷发是造成大气温度和气压改变的主要来源，近期地面振动也是一个主要参考源（Chen et al，2020a）。大地震破裂瞬间激发的地震波及后续的海啸活动等激发的大气振荡和由此激发的声重波信号确实在电离层、地磁场等多种观测中记录到（Hao et al，2012；Jin et al，2010），同震或震后激发的声重波速度可回溯到震源破裂位置，而地震时巨大的水平和垂直滑移过程从理论上也确实可以激发大气中的声重波信号生成及传播，相反地震孕育过程中并不存在如此巨大的波动，而且微破裂尺度也较小，是否能由此激发声重波信号并传播至电离层，尚需检验。Chen等 （2020b）提出的地下应力变化激发地壳共振频率从震前几十天前的5×10⁻⁴ Hz至震前几天的10⁻³ Hz的临震变化，也许是未来研究震前大气声重波激发过程的重要指示。

3.3   电磁途径

ULF频段（对应于表1中的ELF频段）电磁波可直接穿透电离层，并与磁层高能粒子耦合引起电离层电子密度的波动，也是地震电离层的重要耦合通道（Hayakawa，1999，2004）。事实上，前文的卫星应用结果已经说明，VLF/LF电波自身也可直接穿透电离层被卫星观测到，且一些功率较大的电波信号能引起几百keV的高能粒子沉降，并在南北半球生成新的高能粒子沉降带，DEMETER卫星和张衡一号卫星在不同电离层高度利用电场仪和高能粒子探测仪观测到了类似的结果（Li et al，2012；Wang et al，2018）。除了与高能粒子的耦合关系，大功率VLF电波信号还能在电离层电子密度较低的夜侧加热电离层，引起等离子体参量的人工导管现象（Bell et al，2011），一般情况下，在加热区域，人工源电波信号在卫星高度记录的能量增强，频带拓宽，同时电子密度下降，电子温度上升。个别参量的扰动可能极易与地震引起的电离层扰动混淆，需要在发射源本地的震例应用研究中格外关注，并予以有效区分。

4.   总结及展望

地震的孕育和发生是板块边界碰撞运移的结果，而大陆内部地震孕育过程更为复杂，由于地球的不可入性，各种观测技术也均是从自身的物理参量出发观测其在地表的呈现状态，但无法对震源深度的介质有更深入的了解，所以也很难对地震的孕育过程进行深度解析，只能通过各种物理模型，加上地面观测的约束得到一些较为合理的解释。地震学和电磁学的探测技术有主动源和被动源两种模式，主动源虽然相对成本较高，但发射源、发射频率可控，信号更易提取，所以在很多情况下仍然采用这种模式有针对性地开展研究。本文介绍的VLF/LF低电离层探测技术也是主动源探测的一种，其在地震应用研究中展现出来的优势不言而喻，同时它在圈层耦合机理研究中也发挥出了重要的作用。VLF/LF人工源电波探测技术在地震应用中的主要优势为：① 人工源信号稳定，具有较强的连续性观测特点；② 反射高度低，主要反映低电离层（D层和E层）的变化特征，可有效地弥补这个层位当前探测技术的不足；③ 电波传播理论相对完善，可有效地正演模拟电波传播过程；④ 发射功率大，强电波信号可穿透电离层传播，从而在卫星观测与地面观测之间形成最直观的链接和对比。

前期的震例及统计研究结果显示，VLF/LF电波监测在震前显示了明显的短临时间特性，大多数异常出现在震前一个月或者更短的时间内；就震源深度而言，浅源地震显示出更明显的前兆特征；M6.0以上地震震前异常更为显著。当然，VLF/LF人工源信号探测技术作为一种捕捉地震前兆的辅助观测手段，也存在着其它前兆共同面临的一些问题，例如引起VLF/LF信号变化的来源不明、耦合过程不清楚、受气象及空间扰动因素影响严重等。虽然震例及统计研究均显示了VLF/LF电波信号与地震的较强关联性，日本、欧洲等国家和地区也建立了一定的观测网，但并未形成行之有效的地震预测，所以未造成诸如希腊VAN短临预报那样的全球轰动效应，距离将之变成地震短临监测预测的业务化运行尚有一段距离，但就目前而言，因其探测高度与其它电离层手段有明显差异，不失为地震-电离层立体观测链路上的重要一环（张学民等，2016）。该技术目前存在的问题主要有：① 该项技术未经过实际地震预测检验，其应用效能有待评估，目前的结果仅反映其时间特性较为明显，对于震级和地点的预测能力都非常薄弱，未来可考虑利用卫星探测弥补地基震例积累的不足；② 扰动信号的同步性较差，不同观测链路上较难记录到同一扰动信号，导致扰动信号的定向、溯源等难以实现，链路越长，其覆盖范围越大，地震地点预测的难度就越大，这也是这项探测技术的严重不足之处，需要在未来的组网观测中考虑链路之间的交叠性，以提高扰动信号的后向定位能力；③ 低电离层的不稳定性和扰动源众多，VLF/LF信号传播与之息息相关，如何从中提取科学合理的物理参量，区分正常与异常，获取与地震活动密切相关的敏感参数，仍需要慎重对待。另外，参数的遴选最好考虑能与其它探测参量形成能量传播链路，充分挖掘其潜在信息，发挥更大的应用效能。每一个单一探测手段均因其自身的观测特点存在固有的问题，在未来应用研究中，需要突出技术观测优势，合理解决问题，才能有效推进该探测技术的实用化进程。

2018年5月12日中国地震局宣布启动“中国地震科学实验场”，2021年实验场计划被明确列入国家“十四五”发展规划，我国将建成具有多种地球物理、地球化学探测技术的综合性试验场地。电磁场作为地球的基本地球物理场一直是地球科学研究的重点，电磁场也是串联地球各个圈层的重要媒介，电磁前兆观测是突破地震短临监测预测最有前景的手段之一。随着2018年中国第一颗电磁监测试验卫星（张衡一号）发射升空，中国成为全球唯一拥有最完备的地面观测和综合性电磁卫星观测平台的国家，天地一体化观测也逐渐成为地震监测应用的新模式。张衡一号卫星上携带有更宽频带的电磁场观测仪，并保存有大量波形数据（张学民等，2020），将为电磁场信号幅值和相位信息分析提供基础数据。目前电场探测仪在VLF人工源信号观测中已取得高质量观测结果，并已实现与实测吻合的数值模拟计算（廖力等，2019）。若同步配合地面VLF/LF频段人工源信号观测网的建设，必将在防震减灾行业发挥重要作用，为地震短临监测预测提供有效的技术手段，同时为解剖地震电离层圈层耦合机理研究提供基础支撑。