地震電磁輻射機理研究

關華平關歆瑩中國地震局地震預測研究所，北京 100036北京市第三建筑工程有限公司，北京 100044

地震電磁輻射機理研究

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

地震前和地震時觀測到的很多電磁效應，與地震孕育階段和發生地震時震源區活動的過程有關。地震區內應力分布和深部物質性質具有強烈的、時空不均一的特點，因此，斷裂的孕育區是很多單個機電轉換體（源）組合的結果。

（1）破裂摩擦過程中的生電現象、發光現象和電磁輻射。物質的破壞與摩擦過程，新表面的形成伴隨有閃光和頻帶相當寬的電磁輻射。發光現象和電磁輻射是與裂隙發展過程中電荷的形成和發展聯系著的。形成電荷的本質乃是在接觸面上分子相互作用時，根據“給”電與“受”電的機制，電子和離子發生重新分布，或者是與擴展著的裂隙邊緣的不均一變形和帶電位錯出露到表面有關的。當表面電荷密度很高時，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。物質破壞時的帶電現象，在氣體介質中可能會在小于5～6 μm的間隙內的物質蒸汽中引起脈沖式放電，在小于1～2 μm的間隙中會出現電子發射脈沖。在物質破壞時可觀察到無線電波段的電磁輻射，它是與放電時的閃光同時出現的。電磁輻射是物質破壞時發生放電現象的證據，這是由放電通道內微型等離子體中帶電粒子運動造成的。

（2）準靜態變形時離子鍵型物質的生電現象。一系列沒有壓電效應的物質變形時在標本和裂隙表面伴有電荷出現，并且電導率增加。晶體變形和破壞時出現電荷時與帶電位錯的運動有關的。位錯電荷的極性取決于雜質電荷的類型和極性，也取決于陰離子和陽離子形成的空位。上述基本規律：電荷在不均一變形處出現，卸載會使電荷在幾分之一秒內馳豫。電荷極性和多少取決于晶體的純度、結構的缺陷、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。離子晶體破裂時裂隙相對兩面上形成波動電荷鑲嵌，帶電位錯的產生和振蕩，以及介電質中導電或磁化小質點都能產生電磁輻射。雙電層的形成和振蕩是低頻電磁輻射源。雙電層參數因外部壓力、水分變化等引起的變動能直接導致電磁輻射發射。雙電層在巖石中廣泛分布，構造活動的雙電層是野外觀測到的低頻電磁輻射的機制。

（3）在應力場作用下電介質的極化。常見巖石中壓電效應最大的是石英脈、石英巖、片麻巖和花崗巖。石英中壓電效應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械應力狀態時，會產生電場。對復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）可產生幾十V/km的電場強度。

（4）動電電效應和動電磁效應。動電效應是由于流體在多孔介質（巖石）中滲流時，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（在壓力梯度驅使下）而引起電荷分離產生電動勢的效應。正負電荷一旦分離，便因這種反電勢而引起反電流jb。因此同時分析與地震有關的水流（孔壓）、電場與磁場的異常，可綜合發現動電效應的電磁耦合前兆?？紤]到地球基本上是一個導體，電阻率一般為10～103??m。因此，地球上自由電荷必在10-6s內消散，不能積累。而震源深處的電磁輻射在到達地表前將被吸收。故認為地震孕育過程中最可能產生局部電磁場的機制是動電效應（過濾電勢效應）。

（5）長周期地面振動引起甚低頻電磁輻射。在應力釋放前，斷層的微破裂和預滑，從力學角度看必伴隨介質的準周期振蕩。震源區介質力學振動的頻譜很寬，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和脈動。與晶體振蕩器的原理相似，介質發生準周期性振動時，不僅介質電磁特性（σ，μ）發生相應的振蕩，電荷ρs和電流Js也將發生相應的周期變化。這兩種過程疊加將引起介質中電磁場準周期擾動，這種周期擾動可引起甚低頻電波的發射。同時，由于地面振動可激發大氣聲重波，引起電離層擾動，利于觀測這種地面振動與甚低頻電磁輻射的聯系；易于檢測，并可在遠區檢測。