岩石破裂以及破裂前信号的演变＊

Freund F T，Dahlgren R P，Chu J J

1）NASA Ames Research Center，Earth Science Division，Code SGE，Moffett Field，CA 94035，USA

2）Department of Physics ＆Astronomy，San JoséState University，San José，CA 95192－0106，USA

3）Carl Sagan Center，The SETI Institute，Mountain View，CA 94043，USA

4）Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing，China

岩石破裂以及破裂前信号的演变＊

Freund F T1，2，3），Dahlgren R P2，3），Chu J J4）

1）NASA Ames Research Center，Earth Science Division，Code SGE，Moffett Field，CA 94035，USA

2）Department of Physics ＆Astronomy，San JoséState University，San José，CA 95192－0106，USA

3）Carl Sagan Center，The SETI Institute，Mountain View，CA 94043，USA

4）Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing，China

地震是大量的岩石破裂事件。很多大地震之前都存在瞬态信号：电磁信号、磁场变化、电离层扰动、土壤导电率的变化以及其他震前信号。令监测人员奇怪的是，在震前短时间内一些震前信号会衰弱甚至消失不见。岩石中应力活化电流的发现提供了一个可能的解释，应力能够激活岩石中的移动电荷载体，即电子空位缺陷（electron vacancy defects，EVD），也称空穴，用h·表示。h·相当于O2－中的O－，且以电钝性及休止的状态存在于无应力岩石中。当被激活时，h·沿着应力梯度方向流动，从而产生电流。在非常高的应力速率下，位错累积成微破裂，这正是灾变破裂的开始。当h·电荷载体无法再被激活时，震前破裂信号会明显衰弱。

引言

当地壳中大尺度构造应力超出临界阈值时，会产生灾害性断层破坏并引发地震。矿井中的岩爆以及其他岩石破裂都是这个道理，只是规模比较小。

岩石破裂属于经典力学范畴，且经常在这个背景下讨论。

大量文献指出，在主震之前地球会发出各种各样的震前信号。震前信号本身与地震无关，而且时强时弱。震前信号包括磁场变化，可见光、红外光范围以及无线电频率到超低频率的电磁辐射（EM），震电信号（SES），各种大气电离层扰动及其他现象。

很多人采用各种各样的方法试图解释这些不同类型的非震震前信号［1－2］。例如，对电磁辐射的解释包括微破裂、压电压磁效应、流动电位等方面内容。卫星影像发现震前热红外异常，可能是下层岩石微破裂导致土壤CO2或氡排放量增加从而引起地表大气离子中水分凝结进而导致潜伏热增加。还提出了解释其他类型震前信号的一些说法。

这就提出一个问题，是否不同的前震信号需要有不同的解释方法呢？如果信号源（即地下深部应力积聚的地方）相同，那这些信号的起因是否也应该一样呢？

因为地震学家一般从岩石力学着手处理问题，其他研究团体在研究非震震前信号时也主要基于岩石力学来寻求解释。普遍认为，破裂和微破裂是震前信号的起因。本文认为将注意力放在破裂和微破裂上会混淆研究的领域。

这里，我们使用一种非常规的方法，来判断破裂和微破裂对于理解不同类型的震前信号是否是必需的。

震前信号有一个典型的特征，在主震前几天或几个小时能观测到，而在地震临近发生时却逐渐衰弱。尽管地震发生时岩石破裂最有力最剧烈，但震前信号却并没有随着地震强度的增加而达到最大值。

震前信号在主震之前迅速减弱及在主震过程中消失这一现象与震前信号是由地壳中的破裂或微破裂引起的这一观点相冲突。由于破裂或微破裂的重要性被普遍认同，人们不再信任震前信号，并对其产生了质疑［3－4］。

1 成岩矿中长期忽视的缺陷

在对矿产品一系列点缺陷的研究中，取得了关于非震震前信号的新见解。这些矿产品中氧离子的化合价产生了变化，氧离子通常是－2价，但部分却变为－1价，这个看似微小的细节意义却重大。

过氧键是一种点缺陷，化合物中O3Si－O－SiO3被O3Si－OO－SiO3所取代，其一般式为O3X－OO－YO3，其中X，Y＝Si4＋，Al3＋等。过氧键是无水矿物在高温环境下与H2O结合，通过结晶或重结晶形成H2O－的时候产生的［5］。过氧键和H2O相互结合形成羟基，O3（X，Y）－OH，而部分羟基对在冷却过程中重新组合分裂出H2分子和过氧键。因为H2O在地质环境中无处不在，基本上所有地壳中岩石的矿物组成中都应该含有一定浓度的过氧键。

尽管过氧键早就被人们所了解［5］，但它们在矿物和岩石中的普遍存在还没有引起地球科学界的足够重视。

应力导致位错移动和新位错的产生，也会引起塑性变形，尤其是在应力集中的颗粒间接触面上。当过氧键受到扰动发生断裂时，邻近的O2－会将电荷转移到断裂的过氧键上［6］。电子被截获后，捐献电子的O2－出现了一个空穴，用h·来表示：

空穴是缺失了电子的O2－所呈现的一种电子态，它是一种电荷载体，以丢失电荷的氧离子为中心呈现波函数运动。h·存在于价键上边缘的能级中。尽管硅酸盐类矿物没有自由电子，但它们却是空穴的P型半导体，h·可作为正电荷在矿物颗粒中进行传播，它们能在颗粒间转移，所以可以在岩石之间传播，而且可以传播得很快很远［7］。

2 震前信号的一般解释

因为地震学家处理地震问题时一般从经典力学着手，因而大部分非地震学界的研究人员在研究震前信号时也不知不觉地把注意力集中在力学概念上，尤其是在研究电磁辐射问题时。

的确，在处理震前信号时主要考虑岩石破裂和微破裂。我们知道，当岩石在加压实验室里被加压到破裂临界点时，就会发出从X射线到可见光再到无线电频率以及更低频率的电磁辐射［8－10］。然而，这些电磁辐射仅在岩柱受压膨胀凸出的情况下才会出现，此时岩柱产生张应力，直至出现破裂。破裂产生大量正负电荷分别停留在裂缝的上下面，这些电荷导致瞬间能量释放并伴随大波段的电磁辐射发生［11－12］。

震前电磁信号是由岩石破裂引起的这一观点进入了两难的境地：如果岩石的破裂或微破裂是电磁辐射的来源，那么地震发生时刻应该观测到最强的电磁辐射。然而，让我们感到手足无措的是，从来没有在地震过程中观测到电磁辐射的大规模释放［13］。

我们在实验室中用无约束的岩柱证实了破裂和微破裂普遍存在于地震准备阶段，然而实际的地震肯定与实验是不同的。地壳中的受压破裂岩石并不靠近地表，而是在10～35km深的地下。始终承受着巨大的地压，而过载开始于破裂或微破裂这是难以想象的，进而说明深层的破裂或微破裂引起电磁信号这一说法不成立。

压电效应也是产生震前电磁辐射的一种途径，我们所知的唯一的压电岩成矿是石英。在石英岩中即使石英晶体排列成直线，其压电双极轴也总是随机导向，这种随机导向使得单石英晶体产生的电偶极子相互抵消，只有少量存在于岩石表面。因此，即使是石英岩，也不可能通过压电产生足够的电偶极子来放射强的震前电磁辐射［2］。

动电效应（EK）也是产生震前电磁信号的一个候选因素。动电效应的原理是流动电位，当盐水穿过渗透介质时，阳离子附着在介质的毛细壁上而阴离子被水流带走，从而产生电位。

饱和盐溶液在一般情况下产生的流动电位不会超过几十到几百豪伏，而且流动电位只能在地壳最上层3～5km范围内产生，因为在这个范围内岩石孔隙度足够让盐溶液沿应力梯度流动。而大部分地壳地震发生在7～35km，这个范围内的地压力过大导致毛细孔关闭，盐溶液无法流动，因此，我们有理由相信，是动电效应产生了足够大的电磁信号［14］。

假设震前电磁辐射是基于微破裂或压电现象或动电效应，那么它的强度不仅应该随着应力的增加而增加，而且应该在地震发生时刻达到最大强度，而震前电磁信号强烈衰减和迅速消失说明这些信号有根本不同的发生机制。

3 空穴电荷载体的应力激活

岩石中应力激活空穴电荷载体的发现，为处理和解释电磁及其他震前信号提供了新方法。抛开破裂和微破裂或以上提到的其他过程，而是关注岩石中通过应力激活的电荷载体。

如方程（1）所述，定向应力和塑性形变导致矿物粒子发生错位，从而产生电子e’和空穴电荷载体h·。电子e’被吸附在破裂的过氧键上，而电荷载体h·能够溢出受压岩石，沿应力梯度流向无压岩石。这就像电池中存在两种类型的电荷载体，电子和阳离子，两种载体通过不同路径流出阳极。

岩石中的电荷载体是电子和空穴，e’和h·，它们在无压岩石中保持静止。当矿物粒子发生错位时会被激活，而在这一过程中不需要岩石破裂。在大多数地震的预备时间里，e’和h·在岩石中的产生速率是应力速度的函数。

板块间或板块内断层的两部分相对运动，往往会形成滑动面，滑动面是封闭断层的一部分。断面相互接触部分继续互相挤压或以几乎相等的速度（如应变速率）越过对方。假设应变速率不变，相互作用的岩石之间的应力呈近似指数方式的非线性增长。

然而，只要e’和h·的激活速率是应力的线性函数，应力的非线性增长就会迅速地增加e’和h·电荷载体的数量。

一些e’和h·电荷载体一旦被激活就会重新组合。在地壳这样的复杂系统中，不同类型的e’和h·电荷载体以不同速率进行重组，我们用辉长岩来代替火成岩进行试验，观察到e’和h·电荷载体的寿命短到1s，长到几个月。给定岩石内活化e’和h·电荷载体数量的实际增长是两个对立过程的函数：（1）由于应力增加和断层移动而产生；（2）由于重组或其他反作用而消失。那么当应力速率变得很高，灾变破裂前会发生什么？电荷载体会继续增长并超过其消失速度吗？

4 震前信号随应力增加的演化

如果岩石内激活e’和h·电荷载体的数量最终抑制了震源的无限制增长，我们可以认为震前信号的强度持续增长到灾变破裂时刻。e’和h·电荷载体激活数量受3个控制因素影响：（1）给定岩石体积内的过氧键数量；（2）能移动或新生的断层数量；（3）岩石的电阻率。

（1）限定岩石内可激活的e’和h·电荷载体的数量，因为系统内过氧缺陷数量有限，当所有过氧键断裂及所有空穴被激活时达到上限。

（2）当位错密度在给定体积内变得很大时，新位错的产生就会变慢，因为现存的位错会合并成滑移面（微破裂）。岩石由于塑性变形演变成糜棱岩，它的矿物粒子尺寸变得比位错间相互作用距离还要小，同时被激活的h·电荷载体会继续通过重组及其他机制消亡。

因此，如果系统中活化h·电荷载体数量及其在岩石中的运动决定震前信号强度，那么任何减少h·的过程将会削弱震前信号的强度。如果由于系统位错饱和，h·电荷载体的激活速率减慢而消亡速率有增无减，那么h·的数量将会减少。如果这种情况发生在临近灾变破裂时，震前信号的强度就会减弱。

（3）限定岩石横截面的电流量。在恒温和欧姆定律条件下，电流随电压线性增长。如果把受压岩石比喻成电池，电池电压就是其中一个特征参数，它取决于所施加的应力比率［15］。快速加压，伴随高应力比率，会产生更高的电压。根据欧姆定律，高电压相应的产生高电流。通过实验得知，电压增长仅由一个参数决定，这个参数按照慢、快、非常快加压的顺序在2～5之间选择，电流也是如此［16］。

地震中应力变化非常快，会在瞬间产生垂直于断层的高电压，并伴随空穴电流增加。然而，在地震时是否大电流能够转化成更强的电磁信号决定于附加因素。例如，空穴电荷云的相位速率约为200m／s，是P波和S波传播速度的1／10～1／30。那么在承受灾变破裂的断层附近，强烈的地震波超出空穴云的膨胀速度，从而干扰电偶极子的增长，而电偶极子正是发射电磁波所必须的。为处理这些复杂问题，我们还需要做更多的工作。

5 结论

了解岩石中应力施加及灾变破裂发生过程的细节，对于理解震前信号是非常关键的。任何复杂系统方法论中最关键的是预破裂条件，非震震前信号之所以重要，是因为它包含了预破裂条件的信息，例如地震前数小时、数天或数周内局部地壳，或者岩石破裂前瞬间的局部岩体。

所以，仅根据岩石中应力激活空穴电荷载体的研究成果，得出单纯的关于岩石的力学特性是不够的，甚至是错误的。

地震通常发生在地壳以下7～35km的范围内，微破裂的解释基本不适用。实验室中进行的无约束岩柱静水加压实验中，静水压力太高不可能产生破裂或微破裂。相反，我们要关注由于电荷载体应力激活，电荷载体沿应力梯度方向传播这些过程所产生的信号。

译自：Proceedings of the 5thInternational Symposium on In－Situ Rock Stress“Rock Stress and Earthquake”，Edited by Furen Xie，CRC Press／Balkema，Leiden，The Netherlands：833－837，2010

原题：Rock failure and the evolution of pre－failure signals

（中国地震局地壳应力研究所研究生 张 祯译；田家勇 校）

（译者电子邮箱，张 祯：zh1yf2＠163.com）

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10.3969／j.issn.0235－4975.2011.01.017

2010－11－15。