巖石破裂以及破裂前信號的演變＊

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

巖石破裂以及破裂前信號的演變＊

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

地震是大量的巖石破裂事件。很多大地震之前都存在瞬態信號：電磁信號、磁場變化、電離層擾動、土壤導電率的變化以及其他震前信號。令監測人員奇怪的是，在震前短時間內一些震前信號會衰弱甚至消失不見。巖石中應力活化電流的發現提供了一個可能的解釋，應力能夠激活巖石中的移動電荷載體，即電子空位缺陷（electron vacancy defects，EVD），也稱空穴，用h·表示。h·相當于O2－中的O－，且以電鈍性及休止的狀態存在于無應力巖石中。當被激活時，h·沿著應力梯度方向流動，從而產生電流。在非常高的應力速率下，位錯累積成微破裂，這正是災變破裂的開始。當h·電荷載體無法再被激活時，震前破裂信號會明顯衰弱。

引言

當地殼中大尺度構造應力超出臨界閾值時，會產生災害性斷層破壞并引發地震。礦井中的巖爆以及其他巖石破裂都是這個道理，只是規模比較小。

巖石破裂屬于經典力學范疇，且經常在這個背景下討論。

大量文獻指出，在主震之前地球會發出各種各樣的震前信號。震前信號本身與地震無關，而且時強時弱。震前信號包括磁場變化，可見光、紅外光范圍以及無線電頻率到超低頻率的電磁輻射（EM），震電信號（SES），各種大氣電離層擾動及其他現象。

很多人采用各種各樣的方法試圖解釋這些不同類型的非震震前信號［1－2］。例如，對電磁輻射的解釋包括微破裂、壓電壓磁效應、流動電位等方面內容。衛星影像發現震前熱紅外異常，可能是下層巖石微破裂導致土壤CO2或氡排放量增加從而引起地表大氣離子中水分凝結進而導致潛伏熱增加。還提出了解釋其他類型震前信號的一些說法。

這就提出一個問題，是否不同的前震信號需要有不同的解釋方法呢？如果信號源（即地下深部應力積聚的地方）相同，那這些信號的起因是否也應該一樣呢？

因為地震學家一般從巖石力學著手處理問題，其他研究團體在研究非震震前信號時也主要基于巖石力學來尋求解釋。普遍認為，破裂和微破裂是震前信號的起因。本文認為將注意力放在破裂和微破裂上會混淆研究的領域。

這里，我們使用一種非常規的方法，來判斷破裂和微破裂對于理解不同類型的震前信號是否是必需的。

震前信號有一個典型的特征，在主震前幾天或幾個小時能觀測到，而在地震臨近發生時卻逐漸衰弱。盡管地震發生時巖石破裂最有力最劇烈，但震前信號卻并沒有隨著地震強度的增加而達到最大值。

震前信號在主震之前迅速減弱及在主震過程中消失這一現象與震前信號是由地殼中的破裂或微破裂引起的這一觀點相沖突。由于破裂或微破裂的重要性被普遍認同，人們不再信任震前信號，并對其產生了質疑［3－4］。

1 成巖礦中長期忽視的缺陷

在對礦產品一系列點缺陷的研究中，取得了關于非震震前信號的新見解。這些礦產品中氧離子的化合價產生了變化，氧離子通常是－2價，但部分卻變為－1價，這個看似微小的細節意義卻重大。

過氧鍵是一種點缺陷，化合物中O3Si－O－SiO3被O3Si－OO－SiO3所取代，其一般式為O3X－OO－YO3，其中X，Y＝Si4＋，Al3＋等。過氧鍵是無水礦物在高溫環境下與H2O結合，通過結晶或重結晶形成H2O－的時候產生的［5］。過氧鍵和H2O相互結合形成羥基，O3（X，Y）－OH，而部分羥基對在冷卻過程中重新組合分裂出H2分子和過氧鍵。因為H2O在地質環境中無處不在，基本上所有地殼中巖石的礦物組成中都應該含有一定濃度的過氧鍵。

盡管過氧鍵早就被人們所了解［5］，但它們在礦物和巖石中的普遍存在還沒有引起地球科學界的足夠重視。

應力導致位錯移動和新位錯的產生，也會引起塑性變形，尤其是在應力集中的顆粒間接觸面上。當過氧鍵受到擾動發生斷裂時，鄰近的O2－會將電荷轉移到斷裂的過氧鍵上［6］。電子被截獲后，捐獻電子的O2－出現了一個空穴，用h·來表示：

空穴是缺失了電子的O2－所呈現的一種電子態，它是一種電荷載體，以丟失電荷的氧離子為中心呈現波函數運動。h·存在于價鍵上邊緣的能級中。盡管硅酸鹽類礦物沒有自由電子，但它們卻是空穴的P型半導體，h·可作為正電荷在礦物顆粒中進行傳播，它們能在顆粒間轉移，所以可以在巖石之間傳播，而且可以傳播得很快很遠［7］。

2 震前信號的一般解釋

因為地震學家處理地震問題時一般從經典力學著手，因而大部分非地震學界的研究人員在研究震前信號時也不知不覺地把注意力集中在力學概念上，尤其是在研究電磁輻射問題時。

的確，在處理震前信號時主要考慮巖石破裂和微破裂。我們知道，當巖石在加壓實驗室里被加壓到破裂臨界點時，就會發出從X射線到可見光再到無線電頻率以及更低頻率的電磁輻射［8－10］。然而，這些電磁輻射僅在巖柱受壓膨脹凸出的情況下才會出現，此時巖柱產生張應力，直至出現破裂。破裂產生大量正負電荷分別停留在裂縫的上下面，這些電荷導致瞬間能量釋放并伴隨大波段的電磁輻射發生［11－12］。

震前電磁信號是由巖石破裂引起的這一觀點進入了兩難的境地：如果巖石的破裂或微破裂是電磁輻射的來源，那么地震發生時刻應該觀測到最強的電磁輻射。然而，讓我們感到手足無措的是，從來沒有在地震過程中觀測到電磁輻射的大規模釋放［13］。

我們在實驗室中用無約束的巖柱證實了破裂和微破裂普遍存在于地震準備階段，然而實際的地震肯定與實驗是不同的。地殼中的受壓破裂巖石并不靠近地表，而是在10～35km深的地下。始終承受著巨大的地壓，而過載開始于破裂或微破裂這是難以想象的，進而說明深層的破裂或微破裂引起電磁信號這一說法不成立。

壓電效應也是產生震前電磁輻射的一種途徑，我們所知的唯一的壓電巖成礦是石英。在石英巖中即使石英晶體排列成直線，其壓電雙極軸也總是隨機導向，這種隨機導向使得單石英晶體產生的電偶極子相互抵消，只有少量存在于巖石表面。因此，即使是石英巖，也不可能通過壓電產生足夠的電偶極子來放射強的震前電磁輻射［2］。

動電效應（EK）也是產生震前電磁信號的一個候選因素。動電效應的原理是流動電位，當鹽水穿過滲透介質時，陽離子附著在介質的毛細壁上而陰離子被水流帶走，從而產生電位。

飽和鹽溶液在一般情況下產生的流動電位不會超過幾十到幾百豪伏，而且流動電位只能在地殼最上層3～5km范圍內產生，因為在這個范圍內巖石孔隙度足夠讓鹽溶液沿應力梯度流動。而大部分地殼地震發生在7～35km，這個范圍內的地壓力過大導致毛細孔關閉，鹽溶液無法流動，因此，我們有理由相信，是動電效應產生了足夠大的電磁信號［14］。

假設震前電磁輻射是基于微破裂或壓電現象或動電效應，那么它的強度不僅應該隨著應力的增加而增加，而且應該在地震發生時刻達到最大強度，而震前電磁信號強烈衰減和迅速消失說明這些信號有根本不同的發生機制。

3 空穴電荷載體的應力激活

巖石中應力激活空穴電荷載體的發現，為處理和解釋電磁及其他震前信號提供了新方法。拋開破裂和微破裂或以上提到的其他過程，而是關注巖石中通過應力激活的電荷載體。

如方程（1）所述，定向應力和塑性形變導致礦物粒子發生錯位，從而產生電子e’和空穴電荷載體h·。電子e’被吸附在破裂的過氧鍵上，而電荷載體h·能夠溢出受壓巖石，沿應力梯度流向無壓巖石。這就像電池中存在兩種類型的電荷載體，電子和陽離子，兩種載體通過不同路徑流出陽極。

巖石中的電荷載體是電子和空穴，e’和h·，它們在無壓巖石中保持靜止。當礦物粒子發生錯位時會被激活，而在這一過程中不需要巖石破裂。在大多數地震的預備時間里，e’和h·在巖石中的產生速率是應力速度的函數。

板塊間或板塊內斷層的兩部分相對運動，往往會形成滑動面，滑動面是封閉斷層的一部分。斷面相互接觸部分繼續互相擠壓或以幾乎相等的速度（如應變速率）越過對方。假設應變速率不變，相互作用的巖石之間的應力呈近似指數方式的非線性增長。

然而，只要e’和h·的激活速率是應力的線性函數，應力的非線性增長就會迅速地增加e’和h·電荷載體的數量。

一些e’和h·電荷載體一旦被激活就會重新組合。在地殼這樣的復雜系統中，不同類型的e’和h·電荷載體以不同速率進行重組，我們用輝長巖來代替火成巖進行試驗，觀察到e’和h·電荷載體的壽命短到1s，長到幾個月。給定巖石內活化e’和h·電荷載體數量的實際增長是兩個對立過程的函數：（1）由于應力增加和斷層移動而產生；（2）由于重組或其他反作用而消失。那么當應力速率變得很高，災變破裂前會發生什么？電荷載體會繼續增長并超過其消失速度嗎？

4 震前信號隨應力增加的演化

如果巖石內激活e’和h·電荷載體的數量最終抑制了震源的無限制增長，我們可以認為震前信號的強度持續增長到災變破裂時刻。e’和h·電荷載體激活數量受3個控制因素影響：（1）給定巖石體積內的過氧鍵數量；（2）能移動或新生的斷層數量；（3）巖石的電阻率。

（1）限定巖石內可激活的e’和h·電荷載體的數量，因為系統內過氧缺陷數量有限，當所有過氧鍵斷裂及所有空穴被激活時達到上限。

（2）當位錯密度在給定體積內變得很大時，新位錯的產生就會變慢，因為現存的位錯會合并成滑移面（微破裂）。巖石由于塑性變形演變成糜棱巖，它的礦物粒子尺寸變得比位錯間相互作用距離還要小，同時被激活的h·電荷載體會繼續通過重組及其他機制消亡。

因此，如果系統中活化h·電荷載體數量及其在巖石中的運動決定震前信號強度，那么任何減少h·的過程將會削弱震前信號的強度。如果由于系統位錯飽和，h·電荷載體的激活速率減慢而消亡速率有增無減，那么h·的數量將會減少。如果這種情況發生在臨近災變破裂時，震前信號的強度就會減弱。

（3）限定巖石橫截面的電流量。在恒溫和歐姆定律條件下，電流隨電壓線性增長。如果把受壓巖石比喻成電池，電池電壓就是其中一個特征參數，它取決于所施加的應力比率［15］。快速加壓，伴隨高應力比率，會產生更高的電壓。根據歐姆定律，高電壓相應的產生高電流。通過實驗得知，電壓增長僅由一個參數決定，這個參數按照慢、快、非常快加壓的順序在2～5之間選擇，電流也是如此［16］。

地震中應力變化非常快，會在瞬間產生垂直于斷層的高電壓，并伴隨空穴電流增加。然而，在地震時是否大電流能夠轉化成更強的電磁信號決定于附加因素。例如，空穴電荷云的相位速率約為200m／s，是P波和S波傳播速度的1／10～1／30。那么在承受災變破裂的斷層附近，強烈的地震波超出空穴云的膨脹速度，從而干擾電偶極子的增長，而電偶極子正是發射電磁波所必須的。為處理這些復雜問題，我們還需要做更多的工作。

5 結論

了解巖石中應力施加及災變破裂發生過程的細節，對于理解震前信號是非常關鍵的。任何復雜系統方法論中最關鍵的是預破裂條件，非震震前信號之所以重要，是因為它包含了預破裂條件的信息，例如地震前數小時、數天或數周內局部地殼，或者巖石破裂前瞬間的局部巖體。

所以，僅根據巖石中應力激活空穴電荷載體的研究成果，得出單純的關于巖石的力學特性是不夠的，甚至是錯誤的。

地震通常發生在地殼以下7～35km的范圍內，微破裂的解釋基本不適用。實驗室中進行的無約束巖柱靜水加壓實驗中，靜水壓力太高不可能產生破裂或微破裂。相反，我們要關注由于電荷載體應力激活，電荷載體沿應力梯度方向傳播這些過程所產生的信號。

譯自：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

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

（中國地震局地殼應力研究所研究生 張 禎譯；田家勇 校）

（譯者電子郵箱，張 禎：zh1yf2＠163.com）

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