岩石破裂过程中电磁辐射的实验研究

强烈地震前的电磁辐射信号是最有发展潜力的地震预测手段之一，利用岩石破裂实验可以模拟大地震临震阶段的微破裂发育过程，并借此研究岩石变形和破裂过程产生的电磁辐射的影响因素和机理。本项目拟在具有良好电磁屏蔽效果的《零磁空间》中开展岩石破裂实验并同步观测电、磁、应变和声发射信号，考虑到地震电磁辐射野外监测的频段以超低频段为主，对电磁信号的观测将以低频段为重点，并借助声发射定位技术反演微裂纹的动态演化过程，深入分析电磁辐射与微裂纹发育的相关性，进一步探讨岩石破裂电磁辐射的产生机理。研究结果将与野外震例观测结果互为借鉴，对于"以电磁波报震"理论和技术的发展有长远意义。

孕震发震过程中的电磁现象是客观存在的，在对岩石施压破裂过程中也观测到电磁脉冲信号，可用于模拟地震断裂过程并研究伴生的电磁现象及其发生机理。本项目选择不同类型的岩石，加工成不同尺寸的岩样，以压裂或膨胀致裂两种方式进行岩石破裂实验。在岩石破裂过程中同步监测应变、声发射和电磁辐射信号，采用同一台数采仪器记录这3种信号，避免了不同数采仪之间同步的难题。实验在“零磁空间”中进行，以屏蔽外界的电磁干扰。研究发现岩石在受压破裂过程中产生了大量的声发射信号，而只出现了很少量的电磁辐射信号，二者都是阵发性脉冲型信号。虽然声发射和电磁辐射信号都集中出现在宏观破裂前后，但在任何阶段声发射的数量都远大于电磁辐射数量。压裂实验所用的岩样体积虽小，但产生的电磁辐射信号数量多，强度大，主频率较高；膨胀破裂实验所用的岩样体积虽大，而产生的电磁辐射信号数量少，强度弱，主频较低。究其原因，二者的破裂速度差别太大，压裂的平均速度超过膨胀破裂的100倍。电磁辐射信号对应于宏观破裂，对应于大的应力降、应变曲线的突变和声发射信号急剧的增多增强。相对于主破裂时刻，其他时刻出现的电磁辐射信号数量少、不集中出现、信号弱、波形差（类似噪音）。考虑到声发射和电磁辐射信号的相关性和同步性问题，声发射信号是岩石内部应力调整、微裂纹发育等过程的直接和必然产物，而电磁辐射信号只是其间接产物，多了一些中间转换环节，导致一定的偶发性，因此二者并不能直接相关，且由于信号数量上差异巨大，完全不能一一对应，更无法同步。关于岩石电磁辐射信号的产生机理有多种说法，压电效应、动电效应、微裂纹起电说、氡气电离效应等都不足以解释。新兴的空穴载流子理论给我们以新的视角，并且已经有了很多实验结果的支持，是尝试解读岩石电磁辐射现象物理机理的新途径。