巖石破壞過(guò)程磁場(chǎng)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究及其對(duì)地震預(yù)報(bào)的意義

何學(xué)秋, 孫曉磊,, 殷山,3*, 宋大釗, 邱黎明, 童永軍, 王橋, 李杰

1 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院, 北京 100083 2 應(yīng)急管理部, 北京 100054 3 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院, 江蘇徐州 221116 4 應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院, 北京 100085

0 引言

地震前存在可觀測(cè)的前兆電磁異?，F(xiàn)象(錢(qián)書(shū)清等, 1996; 馬瑾, 2016; Frid et al., 2020a; 趙國(guó)澤等, 2022),地震電磁法在地震前兆異常觀測(cè)中發(fā)揮著重要作用,被認(rèn)為是可能首先取得地震短臨預(yù)測(cè)突破性進(jìn)展的地球物理方法之一(Johnston and Uyeda, 1999; Bleier and Freund, 2005; 趙國(guó)澤等, 2022).地震是巖石破裂的產(chǎn)物,地殼巖層破裂到一定程度發(fā)生宏觀破壞能夠引發(fā)地震,巖石破裂過(guò)程與地震的孕育、發(fā)展規(guī)律密切相關(guān)(許昭永等, 2009).巖石破壞能夠產(chǎn)生可觀測(cè)的電磁信號(hào),深入認(rèn)識(shí)巖石破壞電磁信號(hào)特征及機(jī)理對(duì)于地震短臨預(yù)測(cè)具有重要意義.

巖石電磁輻射是巖石類材料在受載變形破壞過(guò)程向外輻射電磁波的物理現(xiàn)象,自20世紀(jì)20年代 Cohen提出電磁輻射(Cohen, 1914),1933年前蘇聯(lián)學(xué)者Stepanov首次在KCl晶體斷裂過(guò)程觀察到有電磁脈沖產(chǎn)生以來(lái)(Urusovskaya, 1969),中國(guó)、美國(guó)、日本、德國(guó)、希臘、瑞典、以色列等各國(guó)學(xué)者先后發(fā)現(xiàn)地震前后存在電磁輻射異?，F(xiàn)象(李均之等, 1982; Gokhberg et al., 1982; Khatiashvili et al., 1989; 錢(qián)書(shū)清等, 1998; Eftaxias et al., 2001),并逐漸開(kāi)展了巖石、煤體和混凝土破壞電磁輻射效應(yīng)及機(jī)理的研究.Nitsan(1977)實(shí)驗(yàn)表明伴隨含石英巖石破裂會(huì)產(chǎn)生電磁波,由此提出壓電效應(yīng)是產(chǎn)生電磁輻射的原因.Ogawa等(1985)認(rèn)為巖石破壞新生裂紋兩側(cè)壁面帶有不同電性的電荷,裂紋擴(kuò)展過(guò)程相當(dāng)于一個(gè)偶極子的充電與放電過(guò)程,因此會(huì)向外輻射電磁信號(hào).Frid等(2003)基于巖石破裂和裂紋擴(kuò)展擾動(dòng)原子產(chǎn)生電磁輻射的思想,提出了電磁輻射表面振蕩偶極子模型.王恩元、何學(xué)秋等(2009)開(kāi)展了煤體在變形破壞的電磁輻射研究,認(rèn)為煤體破壞產(chǎn)生的電磁輻射包含庫(kù)侖場(chǎng)和電磁脈沖波兩種形式.Frid等(2020b)分析了巖石破裂各個(gè)階段電磁輻射的頻率、方向和振幅變化,為地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提出一種基于壓裂過(guò)程電磁輻射計(jì)算地震矩的方法.宋大釗等研究了煤巖破壞電磁輻射定位技術(shù)方法,揭示了煤巖破壞電磁輻射的矢量特性,將煤巖電磁輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)從時(shí)序預(yù)測(cè)拓展到災(zāi)害孕災(zāi)區(qū)域的定位預(yù)警(宋大釗等, 2022; Wei et al., 2022, 2023).

迄今為止,各國(guó)學(xué)者已在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、理論建模和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面對(duì)巖石破壞電磁輻射現(xiàn)象進(jìn)行了深入的研究,并取得了廣泛的研究成果(Frid, 1997, 2005; 王恩元和何學(xué)秋, 2000; Carpinteri et al., 2010, 2012).根據(jù)電磁場(chǎng)理論,電磁輻射是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的交互變化向空中發(fā)射的電磁波(楊永俠等, 2011; 張洪欣等, 2016),磁場(chǎng)的變化與電場(chǎng)及電磁輻射的產(chǎn)生有著內(nèi)在的聯(lián)系,磁場(chǎng)的變化是電磁輻射產(chǎn)生的基礎(chǔ)和前提,因此,巖石變形破裂過(guò)程中存在著磁場(chǎng)的變化.地震產(chǎn)生的電磁場(chǎng)頻帶很寬(曹惠馨等, 1994; 錢(qián)書(shū)清等,1996; 趙國(guó)澤等, 2022),一般從幾到十幾kHz,甚者在MHz以上,目前已確認(rèn)低頻段的磁場(chǎng)異常是最重要的地震電磁前兆,且磁場(chǎng)往往發(fā)生于地震的短臨階段,對(duì)于地震的臨震預(yù)報(bào)更具有意義(郝錦綺等, 2003).

宋成科等(2017)、宋成科和龐亞瑾(2018)對(duì)地震、火山活動(dòng)過(guò)程巖石圈的磁場(chǎng)變化進(jìn)行了總結(jié),發(fā)現(xiàn)地震和火山活動(dòng)過(guò)程伴隨著幾nT至幾十nT的磁場(chǎng)變化,認(rèn)為磁場(chǎng)的變化可能是地震使巖石圈積累的部分應(yīng)變能釋放所致.徐如剛等(2010)發(fā)現(xiàn)地震前震中附近能夠出現(xiàn)幅度大于100 nT的磁場(chǎng)異?，F(xiàn)象,磁場(chǎng)異常分布形態(tài)與巖石圈地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān).蘇樹(shù)朋等(2017)根據(jù)華北地區(qū)地磁觀測(cè)資料,研究得到地震與巖石圈磁場(chǎng)空間分布呈現(xiàn)一定程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系.地震前后巖石圈磁場(chǎng)的變化也引起了各國(guó)學(xué)者對(duì)巖石磁性的研究,如壓磁效應(yīng)、感應(yīng)磁效應(yīng)、流變磁效應(yīng)、動(dòng)電效應(yīng)等.Kalashnikov和Kapitsa(1952)和Kapitsa(1955)先后開(kāi)展了磁性巖石的壓磁實(shí)驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)巖石的壓磁效應(yīng)包括應(yīng)力作用下巖石的磁化率變化和自身剩余磁化強(qiáng)度變化兩類并存的物理機(jī)制.Mizutani和Ishido(1976)認(rèn)為動(dòng)電效應(yīng)是產(chǎn)生地震前磁場(chǎng)異常的可能機(jī)制.Gao等(2016,2020)基于動(dòng)電效應(yīng)模擬了實(shí)際地震發(fā)生過(guò)程中的電磁場(chǎng),很好地解釋了實(shí)際觀測(cè)的同震電磁信號(hào).郝錦綺等(1992)研究了巖石的流變磁效應(yīng),發(fā)現(xiàn)多數(shù)巖石在恒載期間和卸載后其剩余磁化強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化.徐小荷和邢國(guó)軍(1998)實(shí)驗(yàn)表明由于壓磁效應(yīng),應(yīng)變波通過(guò)巖石時(shí)會(huì)激發(fā)出不均勻的磁流,從而產(chǎn)生了磁場(chǎng)擾動(dòng).郝錦綺等(2003)在零磁空間利用高效無(wú)聲破碎劑,研究了花崗閃長(zhǎng)巖受力膨脹破裂產(chǎn)生的電場(chǎng)、磁場(chǎng)變化,發(fā)現(xiàn)在巖石受力破壞早期磁場(chǎng)出現(xiàn)緩慢變化,磁場(chǎng)增幅約為3～15 nT,在巖石破裂前,磁場(chǎng)出現(xiàn)短周期脈沖變化,增幅達(dá)到200～300 nT.

目前對(duì)于巖石單軸受載破壞過(guò)程磁場(chǎng)效應(yīng)規(guī)律鮮有研究,為此,本文采用高精度磁場(chǎng)傳感器,加載裝置局部區(qū)域采用無(wú)磁性鈦合金材料,設(shè)計(jì)建立巖石破壞磁場(chǎng)效應(yīng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),同步監(jiān)測(cè)巖石受載破壞過(guò)程中的磁場(chǎng)與聲發(fā)射信號(hào),研究分析磁場(chǎng)與載荷、聲發(fā)射、電磁輻射之間的關(guān)系,揭示巖石破壞過(guò)程的磁場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)制,探討巖石破壞磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)地震預(yù)報(bào)的意義,以期推動(dòng)地震電磁短臨監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的進(jìn)展.

1 巖石破壞磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)建立了巖石破壞磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)由磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)、加載控制和電磁屏蔽子系統(tǒng)組成,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 巖石破壞磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1 鈦合金壓頭; 2 巖石試樣; 3 鈦合金壓盤(pán); 4 磁場(chǎng)傳感器; 5 聲發(fā)射傳感器; 6 壓力試驗(yàn)機(jī); 7 磁場(chǎng)傳感器支架; 8 電磁屏蔽室; 9 磁場(chǎng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng); 10 聲發(fā)射數(shù)據(jù)分析系統(tǒng); 11 載荷數(shù)據(jù)分析系統(tǒng); 12 聲發(fā)射放大器; 13 聲發(fā)射采集儀; 14 磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集儀.Fig.1 Rock failure magnetic field monitoring experimental system1 Titanium alloy indenter; 2 Rock samples; 3 Titanium alloy pressure plate; 4 Magnetic field sensor; 5 Acoustic emission sensor; 6 Pressure testing machine; 7 Magnetic field sensor bracket; 8 Electromagnetic shielding room; 9 Magnetic field data analysis system; 10 Acoustic emission data analysis system; 11 Load data analysis system; 12 Acoustic emission amplifier; 13 Acoustic emission acquisition instrument; 14 Magnetic field data acquisition instrument.

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用軟島DS5系列8通道全波形采集儀,聲發(fā)射信號(hào)采集儀最高采樣頻率10 MHz,輸入信號(hào)電壓范圍±10 V.聲發(fā)射傳感器響應(yīng)頻率范圍為50～400 kHz,前置放大器輸入阻抗大于10 MΩ,輸出阻抗為50 Ω,放大倍數(shù)20、40和60 dB可調(diào).

加載控制系統(tǒng)采用YAW-600微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī),具備試驗(yàn)力、位移和變形三種控制方式,試驗(yàn)機(jī)主機(jī)剛度>5000 kN/mm,最大試驗(yàn)力600 kN,載荷分辨力3 N,位移分辨率0.3 μm,控制器采樣頻率1000 Hz,可實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)狀態(tài),能夠同時(shí)繪制應(yīng)力-應(yīng)變、力-時(shí)間、力-位移、力-變形、位移-時(shí)間、變形-時(shí)間等多種試驗(yàn)曲線.

巖石破壞磁場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)在GP1A電磁屏蔽室進(jìn)行,電磁屏蔽室綜合屏蔽效能在75 dB以上.為了避免壓力試驗(yàn)機(jī)在使用過(guò)程產(chǎn)生的弱磁場(chǎng)干擾,對(duì)壓力機(jī)與巖石接觸的局部區(qū)域進(jìn)行了無(wú)磁化改造,將壓力機(jī)壓頭、壓盤(pán)所用的45號(hào)鋼材料更換為無(wú)磁性鈦合金TC4材料(如圖1a所示).鈦合金TC4材料是一種無(wú)磁性材料,在室溫環(huán)境下,TC4材料抗拉強(qiáng)度為902 MPa,屈服強(qiáng)度為824 MPa,能夠滿足巖石材料破壞的強(qiáng)度要求.

1.2 試樣制備

實(shí)驗(yàn)所用巖石為巖石圈常見(jiàn)的粗砂巖、細(xì)砂巖、石灰?guī)r、花崗巖,分別取自四川內(nèi)江、山西大同、陜北馬家溝組和山東泗水縣.將大塊巖體密封保存,按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn),在實(shí)驗(yàn)室取芯切割,加工制成Ф 50×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣,將試樣兩端打磨,保證平整度誤差不超過(guò)±0.02 mm,每種類型的試樣各制備10塊,試樣的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

巖石破壞磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)采用非接觸的布置方式,為了更好接收巖石破壞產(chǎn)生的磁場(chǎng),且不受試樣破壞后碎片的影響,磁場(chǎng)傳感器布置試樣前方,距試樣中心約7 cm.磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采樣頻率設(shè)為1000 Hz.聲發(fā)射傳感器布置在試樣表面,為了使信號(hào)很好地傳入傳感器,傳感器與試樣接觸點(diǎn)涂上耦合劑,聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率設(shè)為3 MHz.加載系統(tǒng)采用位移控制方式,加載速率為5 μm·s-1,具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,選擇磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)置零功能,用以記錄巖石破壞過(guò)程磁場(chǎng)的變化量.

(2)待磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與加載系統(tǒng)準(zhǔn)備完畢后,對(duì)試樣施加0.5 kN預(yù)載力,使試樣與鈦合金壓盤(pán)、壓頭充分接觸.

(3)實(shí)驗(yàn)時(shí),同步采集磁場(chǎng)、聲發(fā)射和壓力機(jī)數(shù)據(jù),觀察記錄數(shù)據(jù)的變化情況.

(4)巖石破壞后,停止壓力機(jī)加載,保存磁場(chǎng)、聲發(fā)射與壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并對(duì)破壞后的試樣拍照記錄,完成實(shí)驗(yàn).

1.4 磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)原理

巖石破壞磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)是基于磁通門(mén)弱磁檢測(cè)技術(shù),符合法拉第電磁感應(yīng)定律,屬于變壓器效應(yīng)的衍生現(xiàn)象,將不能直接測(cè)量的磁場(chǎng)物理量,轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電信號(hào),進(jìn)而得到巖石破壞產(chǎn)生的磁場(chǎng),磁場(chǎng)測(cè)試流程如圖2所示.該系統(tǒng)由激勵(lì)電路、磁通門(mén)傳感器和檢測(cè)電路組成(涂傳賓, 2013),激勵(lì)電路為磁通門(mén)傳感器提供激勵(lì)信號(hào),使其進(jìn)入周期性過(guò)飽和工作狀態(tài),檢測(cè)部分采集和處理磁通門(mén)傳感器輸出的電信號(hào),進(jìn)而輸出被測(cè)的磁場(chǎng)信號(hào).

圖2 磁場(chǎng)測(cè)試原理Fig.2 The principle of magnetic field test

磁場(chǎng)傳感器由磁芯、激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈組成,如圖3所示.其測(cè)量原理是利用磁芯磁化后,其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來(lái)測(cè)量巖石產(chǎn)生的弱磁場(chǎng)變化(高翔, 2018).激勵(lì)線圈為磁芯提供交變信號(hào),使磁芯往復(fù)飽和,當(dāng)磁芯處于非飽和狀態(tài)時(shí),其磁導(dǎo)率變化緩慢,當(dāng)處于飽和狀態(tài)時(shí),其磁導(dǎo)率變化明顯,此時(shí)巖石破壞產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)被調(diào)進(jìn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中,通過(guò)檢測(cè)電路對(duì)被測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行分離和提取,從而得到相應(yīng)的巖石破壞產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào).

圖3 磁場(chǎng)傳感器原理模型 其中H1為激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小,U為感應(yīng)線圈中產(chǎn)生的 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),H0為被測(cè)磁場(chǎng)大小,N為感應(yīng)線圈匝數(shù).Fig.3 Principle model of magnetic field sensor Among them: H1 is the size of the magnetic field generated by the excitation coil, U is the induced electromotive force generated in the induction coil, H0 is the size of the measured magnetic field, and N is the number of turns in the induction coil.

2 巖石破壞磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.1 巖石破壞過(guò)程磁場(chǎng)特征

巖石受載破壞過(guò)程磁場(chǎng)響應(yīng)特征如圖4所示,可以看出粗砂巖、細(xì)砂巖、花崗巖和石灰?guī)r破壞過(guò)程均能產(chǎn)生磁場(chǎng),不同磁場(chǎng)傳感器監(jiān)測(cè)到的磁場(chǎng)變化均與載荷具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

圖4 巖石破壞過(guò)程磁場(chǎng)變化結(jié)果(a) 粗砂巖; (b) 細(xì)砂巖; (c) 石灰?guī)r; (d) 花崗巖.Fig.4 Magnetic field change results during rock failure(a) Coarse sandstone; (b) Fine sandstone; (c) Limestone; (d) Granite.

粗砂巖破壞過(guò)程磁場(chǎng)特征如圖4a所示,在受載初期,試樣內(nèi)部原生孔隙、裂隙、顆粒間發(fā)生閉合、摩擦,磁感應(yīng)強(qiáng)度波動(dòng)增加.當(dāng)試樣進(jìn)入彈性變形階段,由于粗砂巖質(zhì)地較為松軟,在載荷的作用下試樣內(nèi)部顆粒間仍能發(fā)生一定的摩擦滑移,磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增加.在150.12 s后,試樣進(jìn)入損傷塑性變形階段,磁感應(yīng)強(qiáng)度快速增加.當(dāng)試樣進(jìn)入裂隙擴(kuò)展階段,載荷出現(xiàn)波動(dòng)下降,大量裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展,在188.86 s,試樣局部出現(xiàn)較大的變形破壞,磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)突增、隨后回落,但仍保持在較高水平.在214.18 s局部應(yīng)力不足以支撐試樣強(qiáng)度,試樣發(fā)生主破壞,載荷瞬間跌落,磁感應(yīng)強(qiáng)度再次出現(xiàn)突增.

細(xì)砂巖破壞過(guò)程磁場(chǎng)特征如圖4b所示,在受載前期,試樣出現(xiàn)了短暫的壓密階段,磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯增加.隨著載荷增加,試樣進(jìn)入彈性變形階段,磁感應(yīng)強(qiáng)度緩慢增加.在86.49 s后載荷出現(xiàn)明顯了波動(dòng),試樣內(nèi)部出現(xiàn)了顯著的破壞,磁感應(yīng)強(qiáng)度顯著增加.在載荷作用下,試樣內(nèi)部損傷破壞愈發(fā)嚴(yán)重,磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)一步增大,在119.82 s,載荷瞬間跌落,試樣失穩(wěn)破壞,磁感應(yīng)強(qiáng)度瞬間到達(dá)最大值.

相對(duì)于粗砂巖和細(xì)砂巖,石灰?guī)r與花崗巖結(jié)構(gòu)致密、單軸抗壓強(qiáng)度較高.石灰?guī)r破壞過(guò)程磁場(chǎng)特征如圖4c所示.可以看出,磁場(chǎng)與載荷呈現(xiàn)出較好的一致性,在初始加載階段,磁感應(yīng)強(qiáng)度平穩(wěn)增加、強(qiáng)度較低.在105.43 s后,磁感應(yīng)強(qiáng)度逐步增大,表明試樣內(nèi)部損傷加劇,在137.50 s后,磁感應(yīng)強(qiáng)度快速上升.在173.82 s,載荷達(dá)到峰值,磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)突增,達(dá)到最大值.花崗巖在破壞過(guò)程磁場(chǎng)特征如圖4d所示,在加載初期,磁感應(yīng)強(qiáng)度變化平緩.隨著加載進(jìn)行,試樣進(jìn)入線彈性階段,磁感應(yīng)強(qiáng)度緩慢增加.在118.72 s后,試樣逐漸進(jìn)入塑性變形階段,內(nèi)部損傷加劇、裂隙逐漸擴(kuò)展,磁感應(yīng)強(qiáng)度開(kāi)始顯著增加.在163.81 s,伴隨著巨大的破裂聲,試樣完全破壞,大量裂紋匯合、貫通,磁感應(yīng)強(qiáng)度瞬間達(dá)到最大值.

由于巖石性質(zhì)的差異,磁場(chǎng)也表現(xiàn)出顯著的差異性.對(duì)于性質(zhì)較軟的粗砂巖,磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著載荷的增加而增大,在試樣發(fā)生較大的破壞時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)突增.對(duì)于性質(zhì)較硬、強(qiáng)度較高的細(xì)砂巖、花崗巖和石灰?guī)r,試樣能夠承載較大載荷,磁感應(yīng)強(qiáng)度在試樣受載破壞前期較為穩(wěn)定,在試樣快速破裂至完全失穩(wěn)破壞階段,磁感應(yīng)強(qiáng)度快速增加,磁感應(yīng)強(qiáng)度在巖石主破壞瞬間達(dá)到最大值.

2.2 磁場(chǎng)與巖石變形破壞的關(guān)系

聲發(fā)射已經(jīng)廣泛應(yīng)用于巖石類材料失穩(wěn)破壞的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào),聲發(fā)射計(jì)數(shù)與能量能夠反映巖石材料內(nèi)部的損傷破壞狀態(tài)(Lou et al., 2019; Yin et al., 2022a).為了揭示巖石破壞過(guò)程磁場(chǎng)與試樣變形破壞之間的內(nèi)在聯(lián)系,本文結(jié)合巖石破壞的聲發(fā)射計(jì)數(shù)對(duì)磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,巖石受載過(guò)程聲發(fā)射與磁場(chǎng)變化曲線如圖5所示.

圖5 巖石破壞過(guò)程磁感應(yīng)強(qiáng)度與聲發(fā)射變化結(jié)果(a) 粗砂巖; (b) 細(xì)砂巖; (c) 石灰?guī)r; (d) 花崗巖.Fig.5 Variation results of magnetic induction intensity and acoustic emission during rock failure(a) Coarse sandstone; (b) Fine sandstone; (c) Limestone; (d) Granite.

由圖5可以看出,粗砂巖、細(xì)砂巖、花崗巖和石灰?guī)r破壞過(guò)程聲發(fā)射計(jì)數(shù)與磁感應(yīng)強(qiáng)度變化具有較好的一致性.本文以粗砂巖為例進(jìn)行分析,試樣在受載初期,處于壓密階段,產(chǎn)生了豐富的聲發(fā)射計(jì)數(shù),對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度波動(dòng)增加.當(dāng)試樣進(jìn)入彈性變形階段,出現(xiàn)了大量幅度較低的聲發(fā)射計(jì)數(shù),對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增加.在150.12 s后,試樣進(jìn)入損傷塑性變形階段,磁感應(yīng)強(qiáng)度與聲發(fā)射計(jì)數(shù)快速增加.在188.86 s時(shí),載荷出現(xiàn)波動(dòng)下降,大量裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展,試樣局部出現(xiàn)較大的變形破壞,聲發(fā)射計(jì)數(shù)與磁感應(yīng)強(qiáng)度同時(shí)突增達(dá)到最大值.隨后聲發(fā)射計(jì)數(shù)與磁感應(yīng)強(qiáng)度回落,但仍保持在較高水平.在214.18 s局部應(yīng)力不足以支撐試樣強(qiáng)度,試樣發(fā)生主破壞,載荷瞬間跌落,磁感應(yīng)強(qiáng)度和聲發(fā)射計(jì)數(shù)瞬間再次出現(xiàn)突增.

聲發(fā)射計(jì)數(shù)能夠反應(yīng)試樣內(nèi)部損傷破壞演化過(guò)程,累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)同步監(jiān)測(cè)結(jié)果是試樣損傷在時(shí)間的疊加,試樣損傷破壞越劇烈,累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)增長(zhǎng)越快.對(duì)巖石破壞過(guò)程磁感應(yīng)強(qiáng)度與累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算,如圖6所示,粗砂巖、細(xì)砂巖、花崗巖和石灰?guī)r磁感應(yīng)強(qiáng)度與累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)相關(guān)系數(shù)分別為0.688、0.830、0.814和0.968,平均相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.825,呈現(xiàn)高度相關(guān),進(jìn)一步表明磁感應(yīng)強(qiáng)度與巖石的變形破壞有關(guān).可以看出,巖石在破壞過(guò)程中具有顯著的磁場(chǎng)效應(yīng),磁場(chǎng)的變化與巖石的變形破壞具有較好的一致性,磁場(chǎng)能夠反映巖石的變形破壞過(guò)程.

圖6 巖石破壞磁感應(yīng)強(qiáng)度與累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)曲線(a) 粗砂巖; (b) 細(xì)砂巖; (c) 石灰?guī)r; (d) 花崗巖.Fig.6 Curve of rock failure magnetic induction intensity and cumulative acoustic emission count(a) Coarse sandstone; (b) Fine sandstone; (c) Limestone; (d) Granite.

3 討論

3.1 巖石破壞磁場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)理分析

磁場(chǎng)的產(chǎn)生主要有兩種機(jī)制:一是磁性物質(zhì)能夠產(chǎn)生磁場(chǎng),二是運(yùn)動(dòng)電荷或電流的變化產(chǎn)生磁場(chǎng).地震研究人員發(fā)現(xiàn),當(dāng)巖石所受應(yīng)力變化時(shí),其磁化率和剩余磁化強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化,進(jìn)而引起磁場(chǎng)變化,即巖石具有壓磁效應(yīng)(楊濤, 2011),但壓磁效應(yīng)引起磁場(chǎng)的變化主要適用于鐵磁性較強(qiáng)的巖石(Kalashnikov and Kapitsa, 1952; Kapitsa, 1955),如含有強(qiáng)磁性礦物的磁鐵礦和鈦磁鐵礦等,其磁化率在10-1～1 SI之間,本文所用的粗砂巖、細(xì)砂巖、石灰?guī)r和花崗巖磁性較弱,磁化率普遍在10-6～10-3SI,一般認(rèn)為是無(wú)磁性礦物(楊正華,2021),因此磁場(chǎng)的產(chǎn)生主要與巖石破壞過(guò)程電性變化有關(guān).前人通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論證實(shí),巖石在受載變形和破裂過(guò)程中能夠激發(fā)出電流(吳小平等, 1990; Enomoto et al., 1993; 李敏, 2020; 李德行, 2021).在應(yīng)力作用下,巖石內(nèi)部微觀損傷不斷形成,相鄰顆粒間發(fā)生非均勻變形,界面處的電平衡被打破,導(dǎo)致了自由電荷的產(chǎn)生與遷移,引起了電流效應(yīng),電流的變化能夠產(chǎn)生磁場(chǎng).對(duì)于巖石破壞過(guò)程電荷的產(chǎn)生與分離機(jī)制,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多假說(shuō),如壓電效應(yīng)、裂紋擴(kuò)展效應(yīng)、摩擦效應(yīng)、晶界/位錯(cuò)效應(yīng)等(Nitsan, 1977; Alekseev et al., 1993; Leeman et al., 2014; Rabinovitch et al., 2017).巖石是一種內(nèi)部及分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變的非均質(zhì)多孔隙裂隙材料,在其受載變形破壞過(guò)程中,礦物顆粒、膠結(jié)物及雜質(zhì)發(fā)生滑移與錯(cuò)動(dòng),巖石內(nèi)部發(fā)生著復(fù)雜的物理與化學(xué)變化,巖石破壞磁場(chǎng)的產(chǎn)生一般是多種電流產(chǎn)生機(jī)制綜合作用的結(jié)果.

為研究電流產(chǎn)生磁場(chǎng)機(jī)制,將電荷的移動(dòng)過(guò)程等效為一個(gè)電流元,如圖7所示.

圖7 電流元產(chǎn)生磁場(chǎng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the magnetic field generated by the current element

設(shè)電荷q以速度v從a點(diǎn)移動(dòng)到b點(diǎn),移動(dòng)距離為l,則形成的電流元Il可以表示為

(1)

電流元的推遲矢量磁位的復(fù)數(shù)為(張洪欣等, 2016)

(2)

根據(jù)式(2),滯后矢量磁位在球坐標(biāo)系中的三個(gè)坐標(biāo)分量為

(3)

其中A與坐標(biāo)φ無(wú)關(guān),根據(jù)式(3),有

(4)

因此三個(gè)坐標(biāo)分量的磁場(chǎng)可以表示為

(5)

電場(chǎng)強(qiáng)度為

(6)

三個(gè)坐標(biāo)分量的電場(chǎng)可以表示為

(7)

由式(5)和式(7)可知,電流元形成的電場(chǎng)強(qiáng)度有Er和Eθ分量,磁場(chǎng)強(qiáng)度僅有Bφ分量.

在r?λ,即kr?1的區(qū)域?yàn)殡娏髟慕鼌^(qū),在此區(qū)域中電場(chǎng)強(qiáng)度為

(8)

磁場(chǎng)強(qiáng)度為

(9)

基于磁場(chǎng)矢量疊加原理,則觀測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以表示為

(10)

因此,基于電流元的巖石破壞磁場(chǎng)模型為

(11)

由式(11)可以看出,磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流元大小成正比.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,對(duì)于同一種巖石,在其不同受載階段,磁場(chǎng)變化存在著顯著差異.本文結(jié)合建立的基于電流元的磁場(chǎng)產(chǎn)生模型,對(duì)巖石在不同受載階段的磁場(chǎng)產(chǎn)生主導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行分析,圖8為巖石不同受載階段磁場(chǎng)產(chǎn)生示意圖.

圖8 巖石不同受載階段磁場(chǎng)產(chǎn)生示意圖Fig.8 Schematic diagram of magnetic field generation of rocks at different loading stages

在受載初期壓密階段,磁感應(yīng)強(qiáng)度呈現(xiàn)波動(dòng)增加,此階段磁場(chǎng)主要由巖石內(nèi)部顆粒間、原生孔隙裂隙間錯(cuò)動(dòng)摩擦引起的電流變化產(chǎn)生.在彈性變形階段,磁感應(yīng)強(qiáng)度呈現(xiàn)出穩(wěn)定增大趨勢(shì),此時(shí)磁場(chǎng)的產(chǎn)生主要為壓電極化電流效應(yīng).在裂紋擴(kuò)展階段,巖石內(nèi)部裂隙萌生發(fā)育、錯(cuò)動(dòng)摩擦產(chǎn)生了電流變化,磁感應(yīng)強(qiáng)度快速增加,此時(shí)磁場(chǎng)的產(chǎn)生除了少量的壓電極化電流效應(yīng),主要為摩擦電流效應(yīng)和裂紋擴(kuò)展電流效應(yīng).在破壞階段,巖石內(nèi)部大量微裂紋快速擴(kuò)展、交叉、聚集,多條裂紋之間瞬間貫通,形成明顯的宏觀裂紋,磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度迅速增加.裂紋數(shù)量越多,擴(kuò)展速度越快,產(chǎn)生的電流越大,在載荷降、巖石主破出現(xiàn)時(shí),巖石內(nèi)部積聚的能量瞬間釋放,產(chǎn)生的電流迅速增加,對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)突增.巖石失穩(wěn)破壞之后,磁感應(yīng)強(qiáng)度快速下降.

3.2 巖石破壞磁場(chǎng)與電磁輻射對(duì)比分析

目前對(duì)于巖石破壞過(guò)程電磁信號(hào)的研究多為電磁輻射(孫正江等, 1986; 朱元清等, 1991; 劉煜洲等,1997; 錢(qián)書(shū)清, 2009; Song et al., 2016; Wei et al., 2020).如圖9a所示,電磁輻射信號(hào)伴隨著巖石破壞及聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)(Carpinteri et al., 2012; Lou et al., 2019; Yin et al., 2022b),在巖石發(fā)生主破壞、載荷曲線出現(xiàn)顯著載荷降時(shí),電磁輻射信號(hào)出現(xiàn)突增,以電磁波的形式向外釋放.如圖9b所示,電磁輻射波形呈現(xiàn)振蕩衰減的形式,在達(dá)到最高幅度時(shí)刻后逐漸衰減,當(dāng)衰減到與觸發(fā)時(shí)刻一致的穩(wěn)定值時(shí),電磁輻射波形信號(hào)停止(Li et al., 2018; Yin et al., 2022b).對(duì)電磁輻射波形進(jìn)行快速傅里葉變換,得到電磁輻射的頻譜如圖9c所示,可以看出,花崗巖破壞電磁輻射頻率主要分布在200 kHz以下,主頻為35.6 kHz.巖石破壞產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)是一種瞬態(tài)、陣發(fā)性的電磁波,電磁波波形多數(shù)為單個(gè)脈沖或連續(xù)的脈沖串(錢(qián)書(shū)清等, 1996; Wei et al., 2020; Frid et al., 2020b; 林鵬等, 2013).前人通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論證實(shí),巖石破裂的電磁輻射具有不同的頻段(曹惠馨等, 1994; 錢(qián)書(shū)清等, 1996; 龔強(qiáng)等, 2006; Song et al., 2016),如低頻(100 Hz～100 kHz)、中頻(100 kHz～1 MHz)和高頻(1～5 MHz),其中低頻頻段的電磁信號(hào)與地震觀測(cè)結(jié)果較為一致(中國(guó)地震局, 2009; 趙國(guó)澤等, 2022).為了規(guī)范使用電磁場(chǎng)頻段,2018年我國(guó)對(duì)電磁場(chǎng)頻帶進(jìn)行了更為細(xì)致、準(zhǔn)確的劃分,將其分為甚低頻(VLF,3～30 kHz)、特低頻(ULF,300～3000 Hz)、超低頻(SLF,30～300 Hz)、極低頻(ELF,3～30 Hz)和至低頻(TLF,<3 Hz)(趙國(guó)澤等, 2015; 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部, 2018).與電磁輻射不同,巖石破壞產(chǎn)生的磁場(chǎng)主要是一種極低頻、連續(xù)、脈沖式的信號(hào),信號(hào)頻率為0～20 Hz(郝錦綺等, 2003).

圖9 巖石破壞過(guò)程的電磁輻射信號(hào)(Wei等, 2020)(a) 電磁輻射時(shí)序特征; (b) 電磁輻射波形; (c) 電磁輻射頻譜.Fig.9 Electromagnetic radiation signal of rock failure process(a) Time series characteristics of electromagnetic radiation; (b) Electromagnetic radiation waveform; (c) Electromagnetic radiation spectrum.

巖石破壞電磁輻射監(jiān)測(cè)通常使用寬頻環(huán)形電磁天線或點(diǎn)頻磁棒電磁天線(郭自強(qiáng)等, 1999; 王恩元和何學(xué)秋, 2000; 陳國(guó)強(qiáng)等, 2010; Carpinteri et al., 2012),屬于一種無(wú)源監(jiān)測(cè),其原理為電磁感應(yīng)定律,通過(guò)監(jiān)測(cè)線圈中磁通量的變化量感知外界的電磁信號(hào),而本文的巖石破壞磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)使用磁通門(mén)傳感器,是利用高磁導(dǎo)率磁芯在交變磁場(chǎng)的飽和激勵(lì)下磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來(lái)測(cè)磁場(chǎng)的方法(涂傳賓, 2013; 支萌輝, 2017),不僅能夠測(cè)量靜態(tài)磁場(chǎng),而且可以測(cè)量交變磁場(chǎng).巖石破壞電磁輻射監(jiān)測(cè)對(duì)于頻率較高的電磁信號(hào)較為敏感,監(jiān)測(cè)頻率一般在kHz至MHz級(jí)別(王繼軍等, 2005; Carpinteri et al., 2012; Wei et al., 2020; Frid et al., 2020b),本文的巖石破壞磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)頻率一般較低,通常在1000 Hz以下,低頻磁場(chǎng)具有衰減速度慢、傳播距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)(Wang et al., 2014; 李成武等, 2014).

與巖石破壞過(guò)程的電磁輻射信號(hào)相比,磁場(chǎng)在試樣整個(gè)變形破壞過(guò)程中均有響應(yīng),根據(jù)電磁輻射機(jī)理,電場(chǎng)和磁場(chǎng)變化是產(chǎn)生電磁輻射的基礎(chǔ)和前提,因此,磁場(chǎng)變化與巖石變形破壞有更為直接的關(guān)系,具有更為明顯的前兆意義.

3.3 巖石破壞磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)地震預(yù)報(bào)的意義

地震臺(tái)站、測(cè)點(diǎn)觀測(cè)、巖石實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究表明,地震前存在可觀測(cè)的前兆電磁異?，F(xiàn)象(馬瑾, 2016; 趙國(guó)澤等, 2022).地震電磁法被認(rèn)為是可能首先取得地震短臨預(yù)測(cè)突破性進(jìn)展的地球物理方法之一(Johnston and Uyeda, 1999; Bleier and Freund, 2005; 趙國(guó)澤等, 2022).因此,許多學(xué)者開(kāi)展了地震電磁異常相關(guān)的觀測(cè)與研究,如大地電磁觀測(cè)、地磁觀測(cè)、地電場(chǎng)觀測(cè)、電磁輻射和地電阻率觀測(cè)等(趙國(guó)澤和陸建勛, 2003; 趙國(guó)澤等, 2015; 馬欽忠等, 2017; 杜學(xué)彬等, 2017).

在近年來(lái)觀測(cè)到的幾次地震電磁前兆異常中,目前已確認(rèn)極低頻(ELF)和至低頻(TLF)的磁場(chǎng)和電場(chǎng)異常是最重要的前兆(郝錦綺等, 2003; 宋成科等, 2017).電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁輻射前兆雖同屬地震電磁前兆異常,但前兆出現(xiàn)的時(shí)間卻有所差別,在時(shí)間序列上通常電場(chǎng)異常前兆先出現(xiàn),磁場(chǎng)和電磁輻射異常前兆后出現(xiàn),且前兆出現(xiàn)的時(shí)間與電磁頻率有關(guān),往往較低頻率的異常先出現(xiàn),較高頻率的異常后出現(xiàn)(錢(qián)書(shū)清等, 1996; 郝錦綺等, 2003).在本文的研究中,巖石破壞的磁場(chǎng)是一種極低頻的連續(xù)信號(hào),信號(hào)頻率為0～20 Hz,巖石破壞的電磁輻射信號(hào)頻率相對(duì)較高,往往達(dá)到kHz至MHz級(jí)別,因此,巖石破壞磁場(chǎng)前兆異常對(duì)于地震臨震預(yù)報(bào)具有更為顯著的意義.巖石破壞產(chǎn)生的磁場(chǎng)是連續(xù)的狀態(tài)量,在巖石受載破壞前期,磁感應(yīng)強(qiáng)度緩慢波動(dòng)增加,在受載中后期,磁感應(yīng)強(qiáng)度快速增加,在巖石發(fā)生破壞、載荷瞬間跌落時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)突增,巖石破壞磁場(chǎng)的連續(xù)狀態(tài)量對(duì)于地震的臨震預(yù)報(bào)具有明顯的前兆特征.

巖石破壞具有顯著的磁場(chǎng)效應(yīng),磁場(chǎng)的變化與巖石的變形破壞具有較好的一致性,磁場(chǎng)能夠反映巖石的變形破壞狀態(tài).本文開(kāi)展了小尺度的巖石破壞磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn),對(duì)于大尺度的巖體破壞,如地震、火山噴發(fā)、礦山煤巖動(dòng)力災(zāi)害等監(jiān)測(cè)預(yù)警也具有一定的啟示意義.例如,近年來(lái),我國(guó)提出了衛(wèi)星技術(shù)電磁觀測(cè)(趙國(guó)澤, 2003; 卓賢軍等, 2005),并于2018年2月2日成功發(fā)射了第一顆地震電磁衛(wèi)星CSES(Shen et al., 2018),開(kāi)展了空間電磁信號(hào)監(jiān)測(cè)研究.在2022年1月15日,南太平洋島國(guó)湯加火山發(fā)生強(qiáng)烈噴發(fā)活動(dòng)時(shí),張衡一號(hào)衛(wèi)星觀測(cè)到在火山噴發(fā)后6～12 h,湯加地區(qū)磁場(chǎng)三分量均發(fā)生顯著變化(圖10a),正負(fù)變化幅度高達(dá)60 nT,且擾動(dòng)隨時(shí)間呈現(xiàn)擴(kuò)散趨勢(shì)(圖10b).火山噴發(fā)引起的磁場(chǎng)變化與地震、巖石破壞產(chǎn)生的磁場(chǎng)具有一定的關(guān)聯(lián)性,火山噴發(fā)、地震引起構(gòu)造變動(dòng)、地殼巖石劇烈破壞,從而產(chǎn)生磁場(chǎng)的變化.

圖10 湯加火山噴發(fā)后張衡一號(hào)衛(wèi)星觀測(cè)到的磁場(chǎng)擾動(dòng)(a) 火山噴發(fā)8 h后; (b) 火山噴發(fā)10 h后.Fig.10 Geomagnetic variation field disturbance observed by ZH-1 satellite after Tonga volcanic eruption(a) After 8 hours; (b) After 10 hours.

在下一步的研究中,我們將利用巖石破壞的磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法,研發(fā)適用于現(xiàn)場(chǎng)的巖體破壞磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備,開(kāi)展中等尺度、大尺度的磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn),如監(jiān)測(cè)隧道掘進(jìn)巖體破壞過(guò)程、大尺度的巖體斷裂、斷層活化等產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化,以深入揭示巖體破壞磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)地震預(yù)報(bào)的意義.同時(shí)將進(jìn)一步開(kāi)展巖石破壞的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁輻射等多參量電磁信號(hào)的綜合觀測(cè),以提取巖石破壞產(chǎn)生的可觀測(cè)的震前電磁前兆異常信息.巖石破壞磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)具有非接觸、無(wú)需耦合劑、無(wú)損監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì),能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)巖石變形破壞過(guò)程,有望成為一種的方便、快捷、可連續(xù)監(jiān)測(cè)的新型無(wú)損、非接觸監(jiān)測(cè)方法,成功應(yīng)用于地震臨震預(yù)報(bào)、隧道、礦山監(jiān)測(cè)預(yù)警、城市地下空間穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域.

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)建立了巖石破壞磁場(chǎng)效應(yīng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),測(cè)試了巖石破壞過(guò)程磁場(chǎng)的變化特征,分析了巖石破壞過(guò)程磁場(chǎng)與載荷、聲發(fā)射、電磁輻射之間的關(guān)系,揭示了巖石破壞過(guò)程的磁場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)制,探討了巖石破壞磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)地震預(yù)報(bào)的意義,主要結(jié)論如下:

(1)巖石在受載破壞過(guò)程能夠產(chǎn)生磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度與載荷變化存在著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.在受載前期,巖石內(nèi)部原生孔隙、裂隙、顆粒間發(fā)生閉合、摩擦,磁感應(yīng)強(qiáng)度波動(dòng)增加;在受載中后期,巖石內(nèi)部新生裂隙開(kāi)始發(fā)育,磁場(chǎng)強(qiáng)度顯著增加;在主破壞發(fā)生時(shí),巖石內(nèi)部微裂紋突然快速擴(kuò)展貫通,磁場(chǎng)強(qiáng)度快速增加并達(dá)到最大值.

(2)磁場(chǎng)變化能夠反映巖石的損傷破壞過(guò)程,磁感應(yīng)強(qiáng)度與聲發(fā)射計(jì)數(shù)變化具有很好的一致性,平均相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.825,呈高度相關(guān),表明磁場(chǎng)的產(chǎn)生與巖石的變形破壞密切相關(guān),磁場(chǎng)能夠反映巖石的變形破壞狀態(tài).

(3)巖石破壞磁場(chǎng)與電磁輻射同屬于電磁信號(hào),磁場(chǎng)是一種超低頻、連續(xù)、脈沖式的信號(hào),信號(hào)頻率一般為0～20 Hz;電磁輻射信號(hào)是一種瞬態(tài)、陣發(fā)性的電磁波,電磁波波形多數(shù)為單個(gè)脈沖或連續(xù)的脈沖串,信號(hào)頻率一般為kHz～MHz.

(4)地震前存在可觀測(cè)的前兆電磁異?，F(xiàn)象,其中極低頻和至低頻的磁場(chǎng)異常是最重要的前兆.在時(shí)間序列上通常電場(chǎng)異常前兆先出現(xiàn),磁場(chǎng)和電磁輻射異常前兆后出現(xiàn),前兆出現(xiàn)的時(shí)間與電磁頻率有關(guān),往往較低頻率的異常先出現(xiàn),較高頻率的異常后出現(xiàn),巖石破壞磁場(chǎng)前兆異常對(duì)于地震的臨震預(yù)報(bào)具有顯著的意義.

致謝感謝中國(guó)地震局地球物理研究所副研究員王紅強(qiáng)博士在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開(kāi)展過(guò)程給予的指導(dǎo)與幫助,感謝應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院提供的張衡一號(hào)衛(wèi)星觀測(cè)的電磁數(shù)據(jù)資料.衷心感謝審稿專家提出的寶貴建議,在此一并感謝.