地震电磁辐射机理研究

关华平关歆莹中国地震局地震预测研究所，北京 100036北京市第三建筑工程有限公司，北京 100044

地震电磁辐射机理研究

关华平1）关歆莹2）
1）中国地震局地震预测研究所，北京 100036
2）北京市第三建筑工程有限公司，北京 100044

地震前和地震时观测到的很多电磁效应，与地震孕育阶段和发生地震时震源区活动的过程有关。地震区内应力分布和深部物质性质具有强烈的、时空不均一的特点，因此，断裂的孕育区是很多单个机电转换体（源）组合的结果。

（1）破裂摩擦过程中的生电现象、发光现象和电磁辐射。物质的破坏与摩擦过程，新表面的形成伴随有闪光和频带相当宽的电磁辐射。发光现象和电磁辐射是与裂隙发展过程中电荷的形成和发展联系着的。形成电荷的本质乃是在接触面上分子相互作用时，根据“给”电与“受”电的机制，电子和离子发生重新分布，或者是与扩展着的裂隙边缘的不均一变形和带电位错出露到表面有关的。当表面电荷密度很高时，在张开的裂隙间隙中局部电场可能超过击穿值，并且引起放电。物质破坏时的带电现象，在气体介质中可能会在小于5～6 μm的间隙内的物质蒸汽中引起脉冲式放电，在小于1～2 μm的间隙中会出现电子发射脉冲。在物质破坏时可观察到无线电波段的电磁辐射，它是与放电时的闪光同时出现的。电磁辐射是物质破坏时发生放电现象的证据，这是由放电通道内微型等离子体中带电粒子运动造成的。

（2）准静态变形时离子键型物质的生电现象。一系列没有压电效应的物质变形时在标本和裂隙表面伴有电荷出现，并且电导率增加。晶体变形和破坏时出现电荷时与带电位错的运动有关的。位错电荷的极性取决于杂质电荷的类型和极性，也取决于阴离子和阳离子形成的空位。上述基本规律：电荷在不均一变形处出现，卸载会使电荷在几分之一秒内驰豫。电荷极性和多少取决于晶体的纯度、结构的缺陷、温度和加卸速度。表面电荷的多少随加载的程度和速度增长。离子晶体破裂时裂隙相对两面上形成波动电荷镶嵌，带电位错的产生和振荡，以及介电质中导电或磁化小质点都能产生电磁辐射。双电层的形成和振荡是低频电磁辐射源。双电层参数因外部压力、水分变化等引起的变动能直接导致电磁辐射发射。双电层在岩石中广泛分布，构造活动的双电层是野外观测到的低频电磁辐射的机制。

（3）在应力场作用下电介质的极化。常见岩石中压电效应最大的是石英脉、石英岩、片麻岩和花岗岩。石英中压电效应可以一直保持到摄氏870℃，即埋藏在深处的含石英体在改变其机械应力状态时，会产生电场。对复合石英岩石组成的球形体在瞬间加载，在距离为10 a的地方（a为球的半径）可产生几十V/km的电场强度。

（4）动电电效应和动电磁效应。动电效应是由于流体在多孔介质（岩石）中渗流时，在孔（裂）隙固体－液体分界处，一种离子被固体吸附，留在液体中相反符号的另一种离子随流体流动（在压力梯度驱使下）而引起电荷分离产生电动势的效应。正负电荷一旦分离，便因这种反电势而引起反电流jb。因此同时分析与地震有关的水流（孔压）、电场与磁场的异常，可综合发现动电效应的电磁耦合前兆。考虑到地球基本上是一个导体，电阻率一般为10～103Ω•m。因此，地球上自由电荷必在10-6s内消散，不能积累。而震源深处的电磁辐射在到达地表前将被吸收。故认为地震孕育过程中最可能产生局部电磁场的机制是动电效应（过滤电势效应）。

（5）长周期地面振动引起甚低频电磁辐射。在应力释放前，断层的微破裂和预滑，从力学角度看必伴随介质的准周期振荡。震源区介质力学振动的频谱很宽，长周期的有地球自由振荡的高阶模影响，短周期的有断层断裂之前的颤动和脉动。与晶体振荡器的原理相似，介质发生准周期性振动时，不仅介质电磁特性（σ，μ）发生相应的振荡，电荷ρs和电流Js也将发生相应的周期变化。这两种过程叠加将引起介质中电磁场准周期扰动，这种周期扰动可引起甚低频电波的发射。同时，由于地面振动可激发大气声重波，引起电离层扰动，利于观测这种地面振动与甚低频电磁辐射的联系；易于检测，并可在远区检测。