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.     

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.     

Experimental study on the mechanism of non-synchronism of seismo-electromagnetic radiation precursors

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｒｏｕｇｈ２０－ｏｄｄｙｅａｒｓ’ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄｓｔｕｄｙａｆｔｅｒｔｈｅ１９７６Ｔａｎｇｓｈａｎｇｒｅａｔｅａｒｔｈｑｕａｋｅ,ｔｈｅｓｅｉｓｍｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｐｒｅｃ...     

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。     

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...     

岩石破裂电磁辐射（EMR）现象实验研究

岩石破裂电磁辐射现象是客观存在的物理现象.随着电磁辐射观测技术在地震研究、冲击矿压预测等领域的应用，极大地推动了岩石破裂电磁辐射的实验研究.本文对岩石破裂电磁辐射的影响因素以及相伴生的现象，以及有关的物理解释进行了概括介绍.由于不同研究者使用实验设计、实验参数、实验条件的不同，使得观测和研究结果同样难以统一认识.不同的研究者根据各自的试验提出了不同的物理机制.同时对已发现现象的重复性、证实性研究岩石试验缺乏.严重匮乏利用数值模拟以及建立模型定量研究岩石破裂的电磁辐射.此外，岩样实验系统不同于实际的地震系统，进行模拟震源环境的实验研究，发展大尺度的标本和原岩现场实验的基础上，如何建立室内室外岩石实验与地震观测事实之间的联系是问题的关键.     

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。     

岩石破裂过程中电磁辐射的实验研究

在单轴压力下对灰岩、花岗岩、石英岩三种样品的破裂过程与电磁辐射进行了实验室试验。结果表明,含有石英晶体的岩石,在破裂过程中产生的电磁信息,其振幅具有脉冲形态;随着应力水平的增高,电磁脉冲的频度增加,与声发射具有同步发展的趋势;不同结构的介质,主破裂前又呈现出平静和高潮两种不同类型。此外,含有石英晶体的岩石其主破裂及解体过程中,伴随最强的电磁脉冲,出现明显的闪光现象。文中对实验结果作了初步的讨论。     

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.     

煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应实验研究

实验研究了原煤、型煤单轴压缩电磁辐射记忆效应特征、记忆内容及变化规律，探讨并分析了煤岩电磁辐射记忆效应机理.结果表明，煤岩变形破坏电磁辐射具有记忆先期最大应力、纵向应变、横向应变和体应变的能力，最直接的记忆内容是先期受到的应力、纵向应变和横向应变；当先期施加的应力水平大于70%～80%时，电磁辐射记忆能力迅速减弱，甚至根本失去记忆能力；煤岩损伤破坏过程的不可逆决定了电磁辐射过程的不可逆，电磁辐射过程的不可逆是煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应的直接原因.煤岩电磁辐射记忆效应理论在地应力测试、巷道围岩不同应力区范围的确定及煤岩动力灾害预测等方面具有广阔的应用前景.     

受载煤体表面电位效应的实验研究

利用建立的煤体表面电位实验系统,研究了煤体在单轴压缩、拉伸、三点弯曲等不同破坏方式下的表面电位效应特征和规律. 研究结果表明, 煤体在受载破坏时能够产生表面电位, 并且表面电位与载荷呈较好的一致性,它们之间的相关系数可达到0.6～0.9;同时,载荷的变化会引起表面电位相应的变化,表面电位信号一般随载荷的增加而增强, 随载荷的降低而减弱;并且表面电位在煤样表面上的分布是随载荷增加及煤样的破坏而变化的. 通过煤体表面电位的研究, 对进一步深入研究煤体破裂电磁辐射的产生机理, 促进煤岩电磁辐射技术的发展和应用具有一定的作用. 同时,对于煤体表面电位的深入研究,可望为评定煤矿现场煤体应力状态及其稳定性、监测预报煤岩动力灾害提供一种新的方法和手段.     

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.     

岩石破裂电磁辐射频率与岩石属性参数的关系

为进一步明确岩石破裂电磁辐射频率特征,基于岩石破裂电磁辐射是由岩石破裂时传播裂纹引起原子扰动产生的假说, 通过断裂力学理论中小范围屈服条件下张开位移法计算岩石破裂时的裂纹宽度,由单脉冲电磁辐射频率与裂纹宽度之间的关系,研究电磁辐射频率与岩石属性参数之间的关系,并给出了它们之间的关系表达式;单独讨论了不同属性参数对电磁辐射频率的影响.结果表明,电磁辐射频率随弹性模量增大而增大,随岩样尺寸和强度增大而减小,随泊松比的变化、岩石弹模的不同电磁辐射频率有变化;当弹模较小时,泊松比的影响也较小,而当弹模很大,即岩石刚度很大时,泊松比的增大会导致频率的增大;裂纹初始长度的变化受试件尺寸的影响,进而影响频率,当尺寸较大时,裂纹长度对频率影响较小,当尺寸较小时,频率随裂纹长度增大而增大.通过计算几种常见岩石破裂时电磁辐射频率值发现,岩石破裂时电磁辐射频率达到10⁵ Hz量级,这与现有的实验结果相吻合.     

Electromagnetic tomography: consistency of images and groundwater prospecting

Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙｏｆｉｍａｇｅｓａｎｄｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇＲＵＩＦＥＮＧ１）（冯锐）ＫＵＩＸＩＡＮＧＭＡ２）（马奎祥）ＨＯＮＧＧＵＯ３）（郭鸿）ＣＨＡＮＧＱＵＡＮ...     

岩石破裂电磁辐射的频率特性

本文提出岩石破裂时产生的低频电磁辐射起源于微破裂引起的电子发射，并用电四极子模型计算了近区电磁场的频率特性．结果表明，近区电磁场的频率与样品尺寸和初始裂纹长度有关，利用典型实验样品尺寸和花岗岩初始裂纹数据计算出近区电磁场的频率为５０ｋＨＺ－１ＭＨｚ量级．它与已有实验测量结果相符．     

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.     

煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应的力电耦合规律

理论分析了煤岩变形破坏过程中电磁辐射脉冲数与损伤之间的关系，探讨了煤岩变形破坏电磁辐射产生机制及电磁辐射记忆效应的力电耦合规律，建立了等围压三轴应力状态下含瓦斯煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应的力电耦合模型，实验测定并分析了单轴压缩状况下含瓦斯煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应的力电耦合规律.结果表明，含瓦斯煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应力电耦合模型很好地反映了煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应特征规律和微观损伤机理.     

岩石变形破裂过程中电荷感应信号的检测

设计了采用非接触方式、高放大倍数、高效率的电荷传感器,并给出了电荷传感器的设计原理和技术指标。利用研制的电荷传感器对岩石变形破裂过程中产生的电荷感应信号进行了检测试验。结果表明,岩石在变形破裂过程中会产生电荷感应信号,并能够被研制的电荷传感器检测到;电荷感应信号是瞬时脉冲的;随着加载应力水平的增加,电荷感应信号强度增强,在峰值应力前,电荷感应信号强度达到最大值;在破裂面接收到的电荷感应信号较强,主破裂面接收到的信号最强,因而电荷的产生和岩石的破裂有很大的关系。作为正在探索的检测岩石破坏过程的手段之一,电荷感应方法应是一种很具潜力的方法,值得深入研究。     

岩石破裂中的电子发射

利用G-M计数器和塑料闪烁体探测器在花岗岩单轴压缩破裂实验中首次记录到电子发射,电子能量分别为0.05McV和0.35MeV量级。根据这一结果提出了岩石破裂中出现可见光及其它电磁辐射的理论解释。     

地震电磁辐射数字化观测方法及异常信号分析

地震电磁辐射观测对短临预报非常有意义,讨论了以计算机为核心的数字化观测系统的可行性与必要性,并给出了实际观测系统的设计方法。数字化系统具有观测灵敏度高,便于观测信号的实时分析识别,便于应用算法提取短临预报的有用信息和便于观测台网间数据交流与处理等优点,基于对观测信号的时域,频域分析的比较,给出干扰信号与异常电磁辐射信号的判别方法。