地震电磁辐射与地震预报的观测实验研究

作者参加了30多年的地震电磁辐射观测实践和震例研究,总结了中国地震电磁辐射信号在频率域、时间域和空间分布的特性。为了探索地震电磁辐射的物理机制,作者做了一系列的岩石破裂实验研究（室内和野外实验）。企图模拟在观测实践中出现的各种现象和岩石破裂不同阶段产生电磁辐射信号的机理。     

由含断层岩石非均匀性产生的地震前兆的数值模拟研究

使用新开发岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)，通过一系列模型实验，研究岩石中预制断层面几何特征和力学非均匀性对地震前兆产生的影响。模型使用5个具有不同均质度的岩石样本进行数值模拟研究。数值模拟结果表明，不同均质度岩石破坏在地壳中会产生不同的地震前兆现象。在一些区域，可以观测到明显的前兆，而在另一些地区却很难观测到明显的前兆现象。模拟结果与实验观测和自然界实际观测结果由很好的一致性。     

岩石破裂电磁辐射频率与弹性参数的关系

为进一步研究岩石破裂电磁辐射特征，本文根据岩石破裂电磁辐射是由岩石破裂时产生带电粒子扰动引起的假说，通过断裂力学理论中的张开位移法计算岩石破裂过程中的裂纹宽度，由电磁辐射频率与破裂宽度之间的关系，研究电磁辐射频率与弹性参数之间的关系，并给出了它们之间的关系表达式.通过建立具有中心贯穿裂纹的无限大平板模型，根据破裂宽度计算了在该模型条件下几种岩石破裂过程中产生电磁辐射频率范围.理论模型计算出来的频率范围主要集中在实验观测的中高频段，并体现出频率随弹性参数的变化.     

地震短期预测方法物理机理的研究途径

通过实验室研究与野外观测实验分析，可以揭示典型短期前兆现象的动力机制和响应条件。基于特殊条件岩石力学实验结果，给出典型地震活动图像产生的条件及其物理机制。进行多种类型、不同尺度动力作用的野外试验，对流体前兆成因过程的机理进行揭示和解释。进行地电阻率、地电场的典型观测研究，建立异常识别的综合分析方法等。这些研究工作是探索地震短期预测方法物理机理的有效途径。     

煤岩变形破裂电磁辐射的实验研究

对受载煤体变形破裂产生电磁辐射进行了实验研究及规律分析,并对煤岩变形破裂电磁辐射的机理进行了探讨分析．研究结果表明,煤体变形破裂时能够产生电磁辐射,电磁辐射信号与声发射信号并非严格同步,电磁辐射信号较声发射信号丰富,电磁辐射与煤岩体的变形破裂过程密切相关．煤岩电磁辐射技术在揭示煤岩变形破裂机理,预测、预报地震,矿山煤岩灾害动力现象及岩石混凝土建筑稳定性方面有着非常广泛的应用前景．     

地震电磁辐射前兆不同步现象物理机制的实验研究

为了研究地震电磁辐射前兆信号不同步现象的物理机制,我们对岩样施加双轴压力,使岩样产生剪切破裂和摩擦滑动,以模拟地震孕震区构造断裂带的活动．在断裂缝周围放置各类频率的天线,采用自动快速连续观测系统,记录各类岩样在剪切破裂和滑动摩擦过程中不同方位、不同频率的电磁辐射和声发射信号． 实验结果表明: ① 岩样在双轴压力作用下发生剪切破裂和滑动摩擦过程中出现大量的电磁信号,信号的频率从几百赫兹~几千赫兹;② 不同方位、不同频率的天线接收的信号到时不同步、信号幅度也有差异,位于裂缝处的天线接收的信号最大;③ 电信号和磁信号不同步出现,其中电信号出现的频率次数多,而且幅度大． 笔者认为,产生电信号（E）和磁信号（M）的机理不同．岩样内部的电信号是由于岩石晶体的压电效应和破裂的新生表面的净电荷产生的,而磁信号是岩石带电碎片的高速运动和岩石破裂时向外发射电子激励周围空气电离产生．分析几次中强地震的电磁前兆信号,也存在电和磁信号的不同步现象,而且电信号早于磁信号．如果同一个台站同时观测电场（地下）和磁场（大气）,能有效提高地震预报的效能．      

伴随岩石破裂的VLF，MF，HF和VHF电磁辐射特性的实验研究.

许多国内外学者观测到伴随岩石破裂的电磁辐射现象，但实验结果不能解释实际观测记录的不同步现象，即有的台有异常，有的台没有异常；同一个观测台不同频段的信号也不同时出现．给地震预报工作带来不少困难．本实验结果可以解释不同步现象．实验采用单轴加压岩样直至破裂．不同频段的天线安置在远离岩样2 m的不同方位上．采用14道磁带机同步记录岩样破裂全过程的电磁信号． 实验结果表明:① 岩样在主破裂过程中，4种频段都记录到了信号，但不同频率出现的时间有时不同步；② 主破裂发生时刻电磁辐射强度最大，但不同方位信号的强度不同.      

大震前地震活动平静现象一种可能的机制:断层的蠕滑-匀阻化

许多大地震前地震活动存在明显的平静现象,由于其普遍性,地震平静现象被认为是具有物理意义的地震前兆并被作为地震预报的重要依据.关于大震前地震平静现象的物理机制,国内外学者从不同角度进行了研究,其中包括用破裂强度的双峰式分布、扩容硬化、震前滑动造成的应力松弛、震源体内外介质性质的差异和相互作用等机制解释强震孕育过程中短期地震活动的平静现象.尽管在一些模型中把岩石力学实验结果作为证据之一,但来自与地震活动最相似的岩石变形声发射的实验证据并不多.因为以往大量的实验结果表明,在恒定的加载条件下(等位移速率、等应力速率等),岩石破坏失稳前声发射活动多表现为加速特征,尽管一些岩石破坏前声发射活动加速现象不明显,但也难以观测到平静现象.然而,在我们开展的一系列断层结构和介质不同的中尺度标本的声发射实验中,一些标本破坏失稳前声发射活动表现出明显的相对平静现象,据此我们对大地震前地震活动平静现象的物理机制进行了讨论.     

煤炭变形破裂电磁辐射的实验研究

对受载煤体变形破裂产生电磁辐射地实验研究及规律分析,并对煤炭变形破裂电磁辐射的机理进行了探讨分析。研究结果表明,煤体变形破裂时能够产生电磁辐射,电磁辐射信号与声发射信号并非严格同步,电磁辐射信号罗声发射信号丰富,电磁辐射与煤盎体的变形破裂过程密切相关。煤炭电在辐射技术在揭示煤岩变形破裂机理,预测、预报地震、矿山煤炭灾害动力现象及岩石混凝土稳定性方面有着非常广泛的应用前景。     

人工地震的电磁效应

人们把电磁现象作为一种可能的地震短临前兆进行观测研究。为探讨这种电磁现象的辐射机理,我们以随县500吨TNT人工爆破模拟天然地震,观测岩石破裂时可能产生的电磁现象。现将观测系统与观测结果简述如下。     

Observational results of electromagnetic radiation caused by explosion of small dimension rocks in field experiments

ＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｙｅｘｐｌｏｓｉｏｎｏｆｓｍａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎｒｏｃｋｓｉｎｆｉｅｌｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓＡＮＺＨＯＮＧＪＩＮ１）（金安忠）ＱＩＡＮ...     

Experimental study of the features of VLF, MF, HF and VHF electromagnetic radiation accompanying rock fracture

In order to investigate the physical mechanism of seismo-electromagnetic signals, many scholars from China and other countries have carried out laboratory and field experiments of rock samples by loading them up to fracture in recent ten-odd years. In each of these experiments, the phenomenon of electromagnetic radiation was observed during the process of rock sample fracture. However, the experimental results can not explain the non-synchronous electromagnetic radiation in actual observation records. In these records, some stations displayed anomalies but some others did not, and the signals of different frequency bands observed by the same station did not occur simultaneously. This has brought about many difficulties to the application of electromagnetic radiation in earthquake prediction. The experimental result of this paper can explain the phenomenon of non-synchronous electromagnetic radiation. In the experiment of this paper, rock samples are uniaxially compressed up to fracture. The antennas of different frequency bands are installed two meters away from the rock sample in different directions. The electromagnetic signals during the whole process of rock sample fracture are recorded synchronously by a 14-channel tape recorder. The experimental results are as follows: (1) signals of the four frequency bands: VLF, MF, HF and VHF, are all recorded during the main fracturing process of rock samples, but signals of different frequencies may somtimes occur non-synchronously; (2) the intensity of electromagnetic radiation is the highest at the moment when the main fracture occurs, but signals in different directions are of different intensities. The above results are consistent with the non-synchronous electromagnetic radiation observed in real earthquakes. It seems possible to predict the orientation of future seismic source by the electromagnetic method of the LF or VLF frequency bands. Contribution No. 95A0075, Institute of Geophysics, SSB, China. The paper is translated by Prof.Jie-Fan HUANG, Peking University from the Chinese into English version.     

煤矿采掘过程中煤岩体电磁辐射特征及应用

运用研制的KBD5矿用本安型电磁辐射监测仪测试了煤矿采掘过程中工作面煤岩体的电磁辐射，分析了电磁信号与采掘工艺及煤岩动力灾害危险性等的关系。研究表明，煤矿采掘过程伴随产生电磁辐射，电磁辐射是煤岩体受到采动影响后应力重新分布或变形破裂趋向新平衡的结果；有煤与瓦斯突出和冲击地压危险时，有明显的电磁异常前兆；采取防治措施后，电磁辐射显著下降。电磁辐射技术在煤矿可以用于预测煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害。     

利用煤体破裂电磁信号进行局部震源定位方法研究

准确预测煤岩破裂震源方位,确定采掘工作面重点灾害区域,可以使煤岩动力灾害防治措施更为有效.根据煤岩变形破裂电磁效应规律和电磁波基础理论,提出了一种利用电磁信号能量来确定局部震源方位的方法,并通过实验室定向接收实验和平煤十矿现场测试验证该方法的有效性.结果表明,电磁信号强度随着煤岩体应力状态变化而变化;两个正交天线接收的电磁信号能量分别与各自接收夹角余弦值的平方成正比,利用此比例关系可以确定震源的方位;电磁信号定位方法与静态指标法预测局部区域危险性具有较好的检验一致性.研究成果为煤岩动力灾害重点灾害区域的判定提供依据.     

Electromagnetic radiation method water-infusion control in rockburst-prone strata

An electromagnetic radiation (EMR) method associated with rock fracture was employed to study water infusion in rockburst-prone coal strata. Measurements of EMR activity during borehole drilling revealed that a hole nearing a stress peak excites a sharp increase in EMR activity. Water pressure increase/decrease excited EMR activity up to the coal stratum transition to residual stress. An absence of EMR activity during water pressure changes could be a criterion for water infusion performance.     

Calculation of Electromagnetic Radiation Criterion for Rockburst Hazard Forecast in Coal Mines

— Intensive micro-fracturing of rock close to mining operations accompanies an increase in the likelihood of rockbursting. This fracturing causes an increase of the electromagnetic radiation (EMR) level by up two orders of magnitude, depending on the mining environment. Several examples of this enhanced EMR are presented in this paper. We first treat the EMR theoretical criterion of rockburst hazard in coal mines and compare it with the empirical criterion of EMR activity that was revealed on the basis of more than 400 different hazardous and non-hazardous situations in underground coal mines. Only the following parameters are needed to estimate the EMR criterion of rockburst hazard: limiting value of gum volume, mine working width, coal seam thickness, and coal elastic properties.     

Experimental study of ultralong wave band for electro－magnetic signals and acoustic emission during rock fracture

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｌｏｎｇ　ｗａｖｅ　ｂａｎｄ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｓｉｇｎａｌｓ　ａｎｄ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｄｕｒｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｆｒａｃｔｕｒｅ（曹惠馨）（钱书清）（吕...     

远场地震电磁辐射强度与孕震震级关系

基于垂直电偶极子激发源模型,首先研究了远场地震电磁场辐射场及其分布特征,其次分析了远场地震电磁辐射强度与孕震震级之间的关系.结果表明垂直电偶极子激发源可以解释孕震区激发电磁辐射现象,是激发地震电磁辐射最有可能的激发源之一;远场地震电磁辐射强度的对数与地震震级呈线性关系,直线的斜率与孕震区裂隙特性分布及其电磁特性有关.研究结果对进一步认识地震电磁辐射现象和拓宽地震监测预报思路均有积极意义.     

岩石破裂时电磁辐射的机理研究

本文提出了岩石破裂时的电磁辐射是裂纹尖端电荷随着裂纹加速扩展运动所产生的假说.应用断裂力学方法推导了岩石破裂时初始裂纹长度与裂纹扩展加速度的关系,并计算了其速度和加速度值.根据破裂岩石的电子发射理论,解释了裂纹尖端带电荷的现象.利用岩石在单轴压缩致裂过程中记录到的近场电磁辐射的实验结果,计算了裂纹扩展时裂纹尖端的电荷量和远场电磁辐射强度.通过对电磁辐射波谱分析的研究,得到岩石破裂时电磁辐射频率上限的估计值.最后对岩石破裂时出现的声光电磁现象在理论上作了统一的定性的解释.     

Electromagnetic Radiation Generated by Acoustic Excitation of Rock Samples

The paper presents an experiment on acoustic excitation of electromagnetic radiation (EMR) signals in skarn, sandstone, and magnetite ore samples. For the skarn and sandstone samples, the EMR signal amplitude was observed to decrease with increasing ultimate strength. Supposedly, this effect can be explained by assuming that EMR is generated when an acoustic wave propagates through an electrical double layer. The presence of piezoelectric inclusions (e.g., quartz) in the magnetite ore enhances the analog EMR signal and its spectral components.