地震電磁輻射機(jī)理研究

關(guān)華平關(guān)歆瑩中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036北京市第三建筑工程有限公司，北京 100044

地震電磁輻射機(jī)理研究

關(guān)華平1）關(guān)歆瑩2）
1）中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036
2）北京市第三建筑工程有限公司，北京 100044

地震前和地震時(shí)觀測到的很多電磁效應(yīng)，與地震孕育階段和發(fā)生地震時(shí)震源區(qū)活動(dòng)的過程有關(guān)。地震區(qū)內(nèi)應(yīng)力分布和深部物質(zhì)性質(zhì)具有強(qiáng)烈的、時(shí)空不均一的特點(diǎn)，因此，斷裂的孕育區(qū)是很多單個(gè)機(jī)電轉(zhuǎn)換體（源）組合的結(jié)果。

（1）破裂摩擦過程中的生電現(xiàn)象、發(fā)光現(xiàn)象和電磁輻射。物質(zhì)的破壞與摩擦過程，新表面的形成伴隨有閃光和頻帶相當(dāng)寬的電磁輻射。發(fā)光現(xiàn)象和電磁輻射是與裂隙發(fā)展過程中電荷的形成和發(fā)展聯(lián)系著的。形成電荷的本質(zhì)乃是在接觸面上分子相互作用時(shí)，根據(jù)“給”電與“受”電的機(jī)制，電子和離子發(fā)生重新分布，或者是與擴(kuò)展著的裂隙邊緣的不均一變形和帶電位錯(cuò)出露到表面有關(guān)的。當(dāng)表面電荷密度很高時(shí)，在張開的裂隙間隙中局部電場可能超過擊穿值，并且引起放電。物質(zhì)破壞時(shí)的帶電現(xiàn)象，在氣體介質(zhì)中可能會在小于5～6 μm的間隙內(nèi)的物質(zhì)蒸汽中引起脈沖式放電，在小于1～2 μm的間隙中會出現(xiàn)電子發(fā)射脈沖。在物質(zhì)破壞時(shí)可觀察到無線電波段的電磁輻射，它是與放電時(shí)的閃光同時(shí)出現(xiàn)的。電磁輻射是物質(zhì)破壞時(shí)發(fā)生放電現(xiàn)象的證據(jù)，這是由放電通道內(nèi)微型等離子體中帶電粒子運(yùn)動(dòng)造成的。

（2）準(zhǔn)靜態(tài)變形時(shí)離子鍵型物質(zhì)的生電現(xiàn)象。一系列沒有壓電效應(yīng)的物質(zhì)變形時(shí)在標(biāo)本和裂隙表面伴有電荷出現(xiàn)，并且電導(dǎo)率增加。晶體變形和破壞時(shí)出現(xiàn)電荷時(shí)與帶電位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)的。位錯(cuò)電荷的極性取決于雜質(zhì)電荷的類型和極性，也取決于陰離子和陽離子形成的空位。上述基本規(guī)律：電荷在不均一變形處出現(xiàn)，卸載會使電荷在幾分之一秒內(nèi)馳豫。電荷極性和多少取決于晶體的純度、結(jié)構(gòu)的缺陷、溫度和加卸速度。表面電荷的多少隨加載的程度和速度增長。離子晶體破裂時(shí)裂隙相對兩面上形成波動(dòng)電荷鑲嵌，帶電位錯(cuò)的產(chǎn)生和振蕩，以及介電質(zhì)中導(dǎo)電或磁化小質(zhì)點(diǎn)都能產(chǎn)生電磁輻射。雙電層的形成和振蕩是低頻電磁輻射源。雙電層參數(shù)因外部壓力、水分變化等引起的變動(dòng)能直接導(dǎo)致電磁輻射發(fā)射。雙電層在巖石中廣泛分布，構(gòu)造活動(dòng)的雙電層是野外觀測到的低頻電磁輻射的機(jī)制。

（3）在應(yīng)力場作用下電介質(zhì)的極化。常見巖石中壓電效應(yīng)最大的是石英脈、石英巖、片麻巖和花崗巖。石英中壓電效應(yīng)可以一直保持到攝氏870℃，即埋藏在深處的含石英體在改變其機(jī)械應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，會產(chǎn)生電場。對復(fù)合石英巖石組成的球形體在瞬間加載，在距離為10 a的地方（a為球的半徑）可產(chǎn)生幾十V/km的電場強(qiáng)度。

（4）動(dòng)電電效應(yīng)和動(dòng)電磁效應(yīng)。動(dòng)電效應(yīng)是由于流體在多孔介質(zhì)（巖石）中滲流時(shí)，在孔（裂）隙固體－液體分界處，一種離子被固體吸附，留在液體中相反符號的另一種離子隨流體流動(dòng)（在壓力梯度驅(qū)使下）而引起電荷分離產(chǎn)生電動(dòng)勢的效應(yīng)。正負(fù)電荷一旦分離，便因這種反電勢而引起反電流jb。因此同時(shí)分析與地震有關(guān)的水流（孔壓）、電場與磁場的異常，可綜合發(fā)現(xiàn)動(dòng)電效應(yīng)的電磁耦合前兆?？紤]到地球基本上是一個(gè)導(dǎo)體，電阻率一般為10～103??m。因此，地球上自由電荷必在10-6s內(nèi)消散，不能積累。而震源深處的電磁輻射在到達(dá)地表前將被吸收。故認(rèn)為地震孕育過程中最可能產(chǎn)生局部電磁場的機(jī)制是動(dòng)電效應(yīng)（過濾電勢效應(yīng)）。

（5）長周期地面振動(dòng)引起甚低頻電磁輻射。在應(yīng)力釋放前，斷層的微破裂和預(yù)滑，從力學(xué)角度看必伴隨介質(zhì)的準(zhǔn)周期振蕩。震源區(qū)介質(zhì)力學(xué)振動(dòng)的頻譜很寬，長周期的有地球自由振蕩的高階模影響，短周期的有斷層斷裂之前的顫動(dòng)和脈動(dòng)。與晶體振蕩器的原理相似，介質(zhì)發(fā)生準(zhǔn)周期性振動(dòng)時(shí)，不僅介質(zhì)電磁特性（σ，μ）發(fā)生相應(yīng)的振蕩，電荷ρs和電流Js也將發(fā)生相應(yīng)的周期變化。這兩種過程疊加將引起介質(zhì)中電磁場準(zhǔn)周期擾動(dòng)，這種周期擾動(dòng)可引起甚低頻電波的發(fā)射。同時(shí)，由于地面振動(dòng)可激發(fā)大氣聲重波，引起電離層擾動(dòng)，利于觀測這種地面振動(dòng)與甚低頻電磁輻射的聯(lián)系；易于檢測，并可在遠(yuǎn)區(qū)檢測。