基于时域方法研究地震期间的特低频电磁环境

Electromagnetic environments and phenomena during earthquakes are very important to the study of earthquake mechanism and observation method. Anomalous electromagnetic (EM) phenomena, especially below the ultra-low frequency range (<3000Hz), have often been observed during earthquakes (pre-, during, after). Because the EM environment during earthquakes is in a complex system combined by lithosphere, atmosphere and ionosphere, difficulties exist in accurately simulating this environment using traditional analytical EM methods because geologic/geodesic information and physical mechanisms have to be fully introduced. The time domain EM methods can overcome this difficuty by simulating environment details. We propose to study the simulation of earthquake EM environment, the propagation properties of EM waves, the possible anomalous EM phenomena during earthquakes in the ultra-low frequency range (300-3000Hz) using the finite-difference time domain (FDTD) EM method. The purpose of this work is to establish rigorous EM model during earthquakes, in order to provide efficient support for future earthquake observation and prediction study.

地震期间的电磁环境和电磁现象的研究对地震机理和观测方法研究具有重要的意义。地震期间（包括震前、震中、震后）出现的电磁现象、尤其是处在特低频（包括）以下频段的电磁异常现象具有持续时间长、范围大、强度强等特点，并已被大量观测所证实。由于地震期间的电磁环境研究涉及到由岩石圈-大气层-电离层所组成的复杂系统及其内部的地质地形信息和各种物理机理，这使得传统的电磁学解析方法无法对其进行准确的仿真。采用时域方法可以克服传统解析方法研究的局限性，引入更为精确的震区环境因素，求得电磁波传播更严格的解。本课题提出采用时域方法对地震期间的电磁环境和特低频（ULF，300-3000Hz）电磁现象进行研究。主要研究内容包括地震电磁环境仿真、电磁波传播特性研究、电磁异常现象研究。本课题的研究目标是建立地震期间的电磁环境模型，课题的完成将为未来的地震观测和预测研究提供有效的理论支撑，有效的促进地震电磁学的发展。

从电磁学角度出发，采用时域电磁方法研究特低频频段的地震期间的震区电磁环境和电磁异常现象对地震的观测和预测活动具有重要的意义。本研究主要采用时域数值方法中的时域有限差分方法（Finte-difference Time Domain）对地球电磁环境进行系统建模、并求解电磁波在其中的传播现象、尤其是对地震环境下各个不同区域的电磁环境进行仿真研究。主要的研究内容涉及在地球电磁建模、低频/特低频电磁波的应用、时域电磁计算方法等方面。课题所涉及的相关技术的研究进展包括：.1、对电离层算法进行了分析，对电离层进行了磁化等离子体和各向异性建模，初步研究了电磁波在电离层中的传播过程；.2、对地震涉及的整个地球系统中的舒曼谐振、传播常数和特低频传播规律进行了整体建模研究；.3、对地震涉及的两种耦合现象的应用进行了展开研究：地震期间的超低频电磁波传播规律和存在地下电磁源时的地表响应进行了建模和分析。.通过上述研究，得到了地震期间的电离层环境、地球环境的电磁波传播基本规律和总结了地震期间可能出现的电磁现象，有效的推动了地震电磁学的发展。