李 美 譚捍東 王中平 張小濤 曹 萌

1） 中國北京100045中國地震臺網(wǎng)中心 2） 中國北京100083中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院

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用電子-空穴理論推算汶川MS8.0地震電磁異常的 “能量源”大小

1） 中國北京100045中國地震臺網(wǎng)中心 2） 中國北京100083中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院

基于汶川MS8.0地震前3天記錄到的強空間電磁異常的觀測事實， 引用巖石壓電效應(yīng)模型和巖石受壓產(chǎn)生的電子-空穴理論， 嘗試推算和解釋汶川地震前產(chǎn)生的顯著空間電磁異?，F(xiàn)象的“能量源”問題． 結(jié)果顯示： 在設(shè)定汶川MS8.0地震發(fā)震主斷層所受最大水平主應(yīng)力和斷層表面積的情況下， 根據(jù)理論模型模擬計算得出， 當發(fā)震主斷層在強壓力作用下形成微破裂至宏觀破裂發(fā)育產(chǎn)生主破裂前， 斷層表面積累的電荷帶電量為106—107C， 產(chǎn)生的垂直地-氣界面附加電場為107—108V/m； 主破裂發(fā)生時， 斷層表面電量可達108C， 電場強度高達109V/m， 斷層輸出電流量級達105A． 震源區(qū)地-氣界面電磁場的增強， 一方面引起地面附近大范圍電磁觀測參數(shù)的大幅度突變異常， 另一方面加速震源區(qū)上空的氣體分子電離， 空氣電離增強空氣的電導(dǎo)率， 促使電荷快速擴散至電離層高度， 直接引起高空電離層參數(shù)的短時突變異常并經(jīng)空間地震監(jiān)測衛(wèi)星記錄到．

汶川地震 電磁異常 電子-空穴理論 能量源

Beijing100083，China

引言

地震前兆可以用來預(yù)測地震以減少地震造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失． 地震是極其復(fù)雜的地學(xué)過程， 在孕育、 發(fā)展、 發(fā)生的各個階段都伴隨著電磁現(xiàn)象已是不爭的事實． 目前， 基于地面的地震電磁觀測已經(jīng)積累了豐富的震例資料． 1989年10月18日美國Loma PrietaMS7.1地震前觀測到0.01—10 Hz頻段的電磁異常（Fraser-Smithetal， 1990）， 引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注； 2009年L’AquilaMS6.2地震前觀測到0.3—3 Hz頻段的地磁異常， 以及總電子含量（total electric content, 簡寫為TEC）和甚低頻異常（Eftaxiasetal， 2010; Villanteetal， 2010; Prattesetal， 2011; Stangletal， 2011）； Han等（2011）用小波分析評價了與2000年Izu Islands震群MS≥6.0地震有關(guān)的超低頻電磁異常特征； Chavez等（2011）對2010年墨西哥3次MS≥6.0地震總結(jié)了電磁異常探測方法及震前電磁異常． 李美和盧軍（2008）通過國內(nèi)刊物收集了百余次MS≥5.0震例的電磁輻射資料， 研究了地震電磁異常的統(tǒng)計特征．

然而， 與地震有關(guān)的電磁信號的發(fā)生與傳播機制的研究， 目前仍處于探索階段． 為了解釋地震相關(guān)電磁信號的產(chǎn)生機理和震前電磁現(xiàn)象（如信號選擇性或不均勻性）， 各國研究人員做了大量巖石受力破裂實驗， 發(fā)現(xiàn)巖石破裂過程中產(chǎn)生電磁信號并伴有電流形成． 目前， 有幾種物理機制可以解釋地下產(chǎn)生的電磁信號和強電流， 包括動電效應(yīng)、 磁流體動力學(xué)效應(yīng)、 壓電（磁）效應(yīng)， 以及應(yīng)力引起地殼電導(dǎo)率變化及微裂隙等（Draganovetal， 1991; Parketal， 1993; Simpson， Taflove， 2005）， 但對這些解釋仍有不同看法．

地震是一個動力學(xué)演化過程， 同時在地震孕育、 發(fā)展和發(fā)生的各個階段都伴隨電磁異常信息， 因此， 利用力學(xué)-電磁學(xué)耦合機制來解釋地震相關(guān)電磁現(xiàn)象的壓電效應(yīng)是合理的． 盡管Tuck等（1977）認為自然界巖石的有效壓電效應(yīng)太弱而不足以產(chǎn)生可觀測到的電磁信號， 但是Sasaoka等（1998）給出室內(nèi)實驗的有效壓電效應(yīng)大約為0.1%—1%． Huang （2002）利用斷層電磁學(xué)模型研究得出： 在野外產(chǎn)生可觀測信號所需的有效壓電效應(yīng)僅為10-6； 當壓電晶體完全隨機分布時， 有效壓電效應(yīng)將不足以產(chǎn)生可被觀測到的電磁信號； 當壓電晶體出現(xiàn)微小的優(yōu)勢取向時， 即可根據(jù)斷層的電磁模型計算預(yù)期產(chǎn)生的可觀測信號． Freund等的室內(nèi)巖石壓力實驗結(jié)果表明， 當巖石受力時， 過氧鏈O3Si-OO-SiO3破裂產(chǎn)生電荷， 激活正的空穴作為電荷載荷子并產(chǎn)生沿應(yīng)力梯度方向的電流密度， 并提出電子-空穴理論（Freund， 2000， 2002， 2010; Freund， Sornette， 2007； Freundetal， 2009）． Kuo等（2011）基于電子-空穴理論和實驗數(shù)據(jù)， 建立巖石壓電效應(yīng)理論模型， 當?shù)卣饠鄬颖砻娣e為200 km×30 km， 斷層面電流密度取0.5 μA/m2時， 計算得到的斷層帶電量為1.3×106C， 產(chǎn)生垂直斷層面向上的電場強度為2.4×107V/m． 在此基礎(chǔ)上， 利用空間電磁耦合模型， 進一步計算得出： 理論上斷層面電荷密度為0.2—10 μA/m2所引起的白天電離層參數(shù)TEC變化為2%—25%； 0.01—1 μA/m2的電流密度可導(dǎo)致夜間TEC產(chǎn)生1%—30%的變化幅度．

本文首先列舉汶川MS8.0地震前3天觀測到的強空間電磁異?，F(xiàn)象的觀測事實， 然后利用Kuo等（2011）建立的巖石壓電效應(yīng)理論模型， 結(jié)合震源區(qū)參數(shù)， 嘗試模擬和解釋引起該地震前顯著空間電磁現(xiàn)象的“能量源”問題．

1 2008年汶川MS8.0地震及電磁異?，F(xiàn)象

2008年汶川MS8.0地震前觀測到從地面到高空電離層的電磁異常現(xiàn)象． 對于地面觀測， 在電場方面， 河北高碑店臺和寧晉臺在2007年10月末開始記錄到超低頻（0.1—10 Hz）電場異常， 2008年4月初異常開始增強， 至5月9日， 高碑店臺EW和SN兩個方向同時記錄到高頻（0.1—0.3 s）異常， 其幅度高達70 mm（1.3 mV/m）， 異常信息達到高潮， 且高值異常信息一直持續(xù)到5月17日， 即主震后5天． 地震前后異常信息持續(xù)了近11個月（李美等， 2009; Lietal， 2013）．

在磁場方面， 汶川MS8.0大地震前垂直分量日變化出現(xiàn)大范圍異常變化， 特別是5月9日前后其變化幅度約為10—20 nT， 4月24日和5月9日中國大陸地磁場出現(xiàn)低點位移異常（王武星等， 2009）． 5月9日四川6個地磁臺站觀測到地磁垂直分量整點值的日變形態(tài)出現(xiàn)波谷分裂現(xiàn)象， 觀測曲線均在5月9日出現(xiàn)畸變（程萬正等， 2010）； 5月9日我國13個地磁臺地磁垂直分量日變形態(tài)出現(xiàn)“雙低點” 異常（胡久常等， 2009）．

對于空間電離層觀測， GPS衛(wèi)星觀測到汶川大地震震前3天（2008年5月9日）白天震中位置上空電離層TEC出現(xiàn)顯著增強， 與參考日相比增幅達60%， 當天夜間TEC與參考日相比出現(xiàn)下降．f0F2最明顯的正擾動出現(xiàn)在5月9日， 從正午到日落其幅度增強40%—80%（余濤等， 2009）． 震前4—6天在震中上空出現(xiàn)TEC下降， 但震前3天又出現(xiàn)增強， 高值區(qū)緯向和經(jīng)向分別延伸了1650 km和2850 km； F2層電子濃度峰值NmF2和高度hmF2分別下降約40%和降低50—80 km（Liuetal， 2009）． 震前3天10個臺站的f0F2數(shù)據(jù)顯示， 在震中上空右側(cè)出現(xiàn)一個大的圓形正擾動， 相對偏差達65%， 異常持續(xù)3小時． 這一異常形態(tài)區(qū)別于磁暴引起的電離層擾動（Xuetal， 2010a， b; 2011）． 汶川地震主震前2—3天記錄到的異常最強， TEC變化為-24% （Akhoondzadehetal， 2010）； 5月3日擾動幅度約為20%； 5月6日擾動幅度達26%； 5月9日最大異常值為5.9 TECu， 擾動幅度達31.4% （閆相相等， 2012）． 在震前多次出現(xiàn)垂直總電子濃度的異常擾動， 其中4月29日和5月6—7日異常減小， 相對變化超過30%； 5月9日異常增加， 最大值超出2倍標準差上限約4 TECu（祝芙英等， 2009）．

分析震前10天O+濃度數(shù)據(jù)， 震前3天達到最低值104/cm3（Zhangetal， 2009）， 震前4天電子濃度和電子溫度分別下降56.4%和28.3%； 震前3天電子濃度和電子溫度均有一個突變， 并達到極小值， 相對于前一個時刻（這里時間分辨率為1 s）電子濃度下降約3%， 電子溫度下降約7%， 且電場功率譜和磁場功率譜都達到最強（曾中超等， 2009）． 震前3天Langmuir探針和等離子體分析儀記錄的電子濃度轉(zhuǎn)折幅度為-24%， 震前2天達到最低值-37%， 電子溫度值變化分別為15%和29%（Akhoondzadehetal， 2010）．

綜上， 汶川MS8.0地震前， 從地面觀測到空間衛(wèi)星觀測均記錄到長時間、 大范圍出現(xiàn)的豐富的電磁異?，F(xiàn)象， 特別是震前3天（5月9日）電磁異常突然增強達到高潮， 這絕不是偶然現(xiàn)象， 必然存在驅(qū)動這些顯著空間電磁現(xiàn)象的“能量源”．

2 電子-空穴理論及其理論計算

2.1 電子-空穴理論

電子-空穴理論由Freund等通過室內(nèi)巖石壓力實驗提出（Freund， 2000， 2002; Freund， Sornette， 2007; Freundetal， 2009）， 如圖1所示． 該理論認為， 當巖石不斷受壓時， 巖石會激活正空穴（h*）作為載荷子， 同時產(chǎn)生沿應(yīng)力梯度方向的電流密度Jrock， 其方向與巖樣表面A正交， 并產(chǎn)生附加電場Eair． 空穴載荷子以過氧鏈形式存在于巖石中， 處于電性非激活狀態(tài)， 過氧鏈O3Si-OO-SiO3中兩個O-緊緊地束縛在一起． 在壓力下， 晶格位錯引起巖石礦物中過氧鏈斷裂， 斷裂的過氧鏈起到電子接收器作用， 它吸收電子且束縛住電子． 而離子團[SiO4]4-釋放電子， 變成[SiO4]3-， 形成正空穴， 用h*表示． 這樣， 電子被束縛在斷裂的過氧鏈中， 而正空穴可以自由傳播， 使O2-躍變?yōu)镺-．

圖1 巖石受壓產(chǎn)生電子和空穴模型示意圖

從受壓巖石中流出的正空穴子h*會引起： ① 在受壓巖石與非受壓巖石之間產(chǎn)生電位差， 因為相對于受壓巖石， 非受壓巖石帶正電荷； ② 非受壓巖石中自由正空穴（h*）載荷子產(chǎn)生靜電排斥， 最終被推向巖石表面； ③ 電暈放電．

2.2 巖石受壓產(chǎn)生的電荷帶電量計算

Kuo等（2011）基于上述的巖石受壓產(chǎn)生的電子-空穴模型， 給出了其理論計算公式. 對于大地與空氣的界面， 靠近空氣一側(cè)的電場強度Eair和空氣中的電流密度Jair分別為

（1）

Jair=σairEair,

（2）

式中qs為面電荷密度，ε0為自由空間介電常數(shù)，σair為空氣電導(dǎo)率． 由式（1）和（2）， 受力巖石面電荷帶電量Q可表示為

（3）

Q隨時間t的變化滿足

（4）

式中A為受壓巖的表面積，Jrock為巖石中的電流密度.

圖2 總電荷帶電量Q隨充電時間t的變化曲線

正常情況下， 空氣背景電導(dǎo)率σ0是由空氣中正離子（n+0）和負離子（n-0）中有限離子流（μ+和μ-）引起的， 多種過程均會產(chǎn)生空氣中的正負離子， 例如， 宇宙射線引起空氣電離、 放射性氣體和土壤中放射性物質(zhì)（Rycroftetal， 2008）． 因此，σ0=q+μ+n+0+q-μ-n+0， 式中n+0=n-0=2.7×108/m3， 正離子流μ+=2.5×10-4V·m2/s， 負離子流μ-=2.2×10-4V·m2/s （Rioussetetal， 2010）， 所以σ0≈2.0×10-14S/m． 若忽略受壓巖石表面正載荷子引起的導(dǎo)電性， 取σair=σ0， 則式（4）的解析解為

Q（t）=Q0（1-e-t/τ0），

（5）

式中τ0=ε0/σ0，

（6）

圖2為總電荷帶電量Q隨時間t的變化曲線． 總電荷帶電量Q（t）=Q0（1-e-t/τ0）為充電時間t的函數(shù)， 其中，Q0=AJrockτ0為Q在t→∞時的漸近值． 可以看出， 隨著充電時間的增長， 總面電荷帶電量Q（t）很快接近其漸近值Q0； 當充電時間t=τ0=ε0/σ0約為440 s時， 總面電荷帶電量Q=63.2%Q0．

3 汶川MS8.0地震在主斷層帶產(chǎn)生的總電荷帶電量及電場強度

Freund等（2009）用從中國山西采集到的地殼深層火成巖——輝長巖樣品做巖石壓力實驗． 樣品孔隙度約為0.3%， 含水量<1%． 實驗發(fā)現(xiàn)： 加載前背景離子電流在pA量級； 在低加載時電流仍然很低； 當巖石受壓為10000—25000 lbs （2.23—5.58 MPa）時， 在表面積為200 cm2集熱板的正離子電流升高至10—25 nA； 在巖樣破裂前2 s， 壓力約為30000 lbs（6.67 MPa）， 記錄到55 nA電流脈沖； 巖樣破碎時電流脈沖達450 nA. 因此在整個巖樣受壓至破裂前， 受壓巖石產(chǎn)生的面電流密度Jrock約為0.5—2.75 μA/m2， 巖樣破碎時面電流密度約為22.5 μA/m2．

受印度板塊與歐亞板塊碰撞及其持續(xù)北東向推擠導(dǎo)致的高原物質(zhì)東移的影響， 龍門山斷裂帶自新生代以來經(jīng)歷了強烈的地殼變形和斷裂作用， 汶川MS8.0地震發(fā)生在青藏高原東緣的龍門山推覆構(gòu)造帶內(nèi)， 形成長240—350 km、 寬30 km的地表破裂帶（丁志峰等， 2008; 徐錫偉， 2009; 解朝娣等， 2010）． 汶川地震震中位于龍門山斷裂帶中間斷裂汶川地區(qū)， 震源位于厚度不規(guī)則花崗巖層（朱迎堂等， 2008）． 安其美等（2004）沿龍門山斷裂帶兩側(cè)9個鉆孔進行水壓致裂地應(yīng)力測量結(jié)果顯示， 距汶川地震震中最近的400 m深汶川鉆孔， 其水平最大主應(yīng)力為14 MPa（約為Freund等（2009）實驗時巖樣應(yīng)力的2倍）， 且水平主應(yīng)力隨深度增加而增大． 同時， 郝錦綺等（2004）研究表明雙軸壓力下巖樣自電位ΔV與應(yīng)力突變率Δγ的異常幅度成正比． 因此， 若不考慮深度對水平主應(yīng)力的影響， 汶川地震震源區(qū)受壓前期巖石所產(chǎn)生的面電流密度小于5.5 μA/m2（2.75×2=5.5 μA/m2）， 其下限假定等于上述實驗值， 為0.5 μA/m2； 而在發(fā)震主斷層微裂隙迅速發(fā)育至宏觀破裂時， 主斷層表面電流密度可達45.0 μA/m2（22.5×2=45.0 μA/m2）．

取汶川地震有效受壓主斷層表面積A=300 km×30 km，Jrock=0.5—5.5 μA/m2和σ0=2.0×10-14S/m， 由式（1）和（6）， 本文得到汶川地震前主斷層面帶電荷帶電量Q0=（2.0—22）×106C， 且垂直斷層表面向上的電場強度Eair=（2.5—27）×107V/m. 主破裂發(fā)生時斷層表面帶電量和電場強度分別為Q0=1.8×108C和Eair=2.2×109V/m， 該值大于空氣電離所需電場強度值（近地表約為3.0×106V/m）． 在地-氣界面， 該值足以使空氣電離， 產(chǎn)生電荷和附加電場， 改變空氣電導(dǎo)率．

設(shè)總電荷帶電量漸近值為Q∞， 當Q達到其漸近值即Q∞=Q0時， 輸入到大氣中的總電流Iair=AJair應(yīng)該等于從巖石中輸出的電流Irock=AJrock， 因此dQ/dt=0． 此時， 斷層面向上輸出電流強度Irock=4.5—50 kA， 而在主破裂發(fā)生時斷層輸出電流Irock可高達410 kA．

4 討論與結(jié)論

受壓巖石像一個發(fā)電機（“電池組”）產(chǎn)生電流沿主斷裂傳播， 并逐漸向周邊地區(qū)擴散， 引起大范圍地區(qū)電磁參數(shù)發(fā)生變化， 導(dǎo)致巖石表面-大氣層-電離層耦合． 錢書清等（1996）的巖石壓力實驗也表明， 隨著壓力的不斷增加， 電磁異常信息出現(xiàn)起伏變化， 在主破裂發(fā)生前和主破裂發(fā)生時電磁輻射會突然增強且強度最大， 但不同方位信號的強度不同． Freund等（2009）的實驗結(jié)果也同樣顯示巖樣破碎時會出現(xiàn)電流脈沖突然增強現(xiàn)象. 汶川MS8.0地震動力來源推測是印度板塊向北推擠與青藏高原中部巴顏喀拉地塊的南東向運移在四川盆地西北側(cè)受到華南地塊強烈阻擋， 在龍門推覆構(gòu)造帶上彈性應(yīng)變長期緩慢積累、 增大， 并達到和超過先存逆斷層面上摩擦滑動強度， 于2008年5月12日14時28分產(chǎn)生突發(fā)性錯動、 釋放的結(jié)果（徐錫偉， 2009）． 這一應(yīng)力積累是一個長期過程， 當應(yīng)力積累到一定程度， 激發(fā)巖石空穴載荷子形成電流脈沖， 并產(chǎn)生附加電磁場． 隨著應(yīng)力調(diào)整和增強， 巖石形成微破裂至宏觀破裂發(fā)育產(chǎn)生主破裂前， 這一階段大量的正空穴載荷子沿主斷裂產(chǎn)生， 并且逐漸向周邊地區(qū)擴散， 引起電場、 磁場、 自然電位等電磁參數(shù)發(fā)生變化， 其異常范圍超過1000 km， 具體表現(xiàn)在2008年4月初， 高碑店臺NS測向超低頻電磁異常信息的增強． 郝錦綺等（2003）的巖石壓力實驗也表明， 巖石微破裂引起裂隙尖端處的電荷分離， 靜電荷在局部區(qū)域的積累和運移， 導(dǎo)致自電位出現(xiàn)脈沖狀變化； 而在主破裂階段， 積累電荷的急速運動形成瞬間電流， 激發(fā)了脈沖式的磁場異常． 2008年5月9日， 即主震前3天， 發(fā)震斷層進入主破裂階段， 強電流誘發(fā)電場向各個方向傳播， 引起距震中1440 km的高碑店臺SN和EW兩測向電磁異常信息突然增強， 且出現(xiàn)異常信息釋放高潮， 電場強度高達1.3 mV/m． 同時導(dǎo)致5月9日全國大面積地磁觀測垂直分量日變畸變和“低點位移”現(xiàn)象． 若按此時汶川發(fā)震主斷層受壓巖石產(chǎn)生面電流密度為45.0 μA/m2計算（當然， 地震時地震主斷裂的應(yīng)力觸發(fā)電流密度可能取決于壓力、 壓力梯度及其它因素）， 則所產(chǎn)生的附加電場強度高達2.2×109V/m， 斷層輸出電流為4.1×105A． Bortnik等（2010）利用地下偶極子產(chǎn)生的電磁場模型結(jié)合地面觀測磁場資料， 經(jīng)正反演計算得出， 2007年10月31日美國加州圣荷西Alum RockMW5.6地震前， 地面觀測到距震中2 km處頻率為1 Hz的30 nT 磁場強度所需震源區(qū)的地電流量級為10—100 kA， 與本文結(jié)果具有可比性．

區(qū)域性電場強度的突然增強加速了周圍空氣分子的電離， 使近地面電荷集中， 容易引起空氣分子電離. 空氣電離增強空氣的電導(dǎo)率， 促使電荷快速擴散至電離層高度， 引起高空電離層參數(shù)TEC，f0F2，Ni，Ne等大范圍擾動異常， 其異常幅度高達60%． Kuo等（2011）通過建立地-氣耦合模型得到的模擬結(jié)果顯示， 理論上震源區(qū)電流密度Jrock=0.2—10.0 μA/m2時， 白天可引起的電離層TEC變化為2%—25%； 同時，Jrock=0.01—1.0 μA/m2時可引起夜間電離層TEC 1%—30%變化及等離子體泡現(xiàn)象． 野外鉆孔巖石壓裂應(yīng)力觀測表明， 水平主應(yīng)力隨深度增加而增大． 汶川MS8.0地震震源深度為19 km， 塊體擠壓產(chǎn)生的水平主應(yīng)力可能大于本文使用的14 MPa， 因此其產(chǎn)生的電場參數(shù)可能會遠遠大于本文計算結(jié)果． 那么， 汶川地震主斷層表面帶電量也會更大， 會引起更大的電離層擾動異常． 然而， 模型計算結(jié)果能否引起上述大范圍地面觀測電磁參數(shù)變化幅度， 以及通過地-氣耦合理論引起的電離層參數(shù)變化是否與實際觀測結(jié)果相吻合， 尚需進一步具體計算和驗證．

如果認為巖石受壓的“電池組”效應(yīng)是從初次記錄到的電磁異常信息開始， 那么這一過程最主要的標志是高碑店臺在2007年10月26日記錄到的超低頻電磁異常信息． 到2008年4月初該異常信息增強且連續(xù)出現(xiàn)， 甚至到4月底， 這段時間并沒有空間電離層參數(shù)異常的報道． 恰恰是5月9日， 即汶川MS8.0地震前3天， 高碑店臺SN和EW兩測向電磁異常信息同時增強并達到高潮， 且全國大范圍地磁日變畸變發(fā)生， 記錄到高空電離層參數(shù)的大幅度突變異常． 這一發(fā)展過程， 一方面說明受壓斷層（“電池組”）狀態(tài)發(fā)生了突變， 或者認為是存在“臨界狀態(tài)”， 作者認為是宏觀破裂發(fā)育主破裂開始； 另一方面說明地面電磁場變化所引起的高空電離層異常存在 “臨界點”或者“閾值”， 只有地面電磁場突然增強且達到“閾值”才能通過大氣層引起電離層參數(shù)異常， 反之， 當收發(fā)距達到1000 km或者更大時， 空間電磁場的傳播受到電離層的影響， 且為相長干涉（李勇等， 2010； 李帝銓等， 2011； 付長民等， 2012）． 這一交互過程， 稱為巖石圈-大氣層-電離層電磁耦合現(xiàn)象．

本文通過將汶川MS8.0地震發(fā)震龍門山斷裂帶在巴顏喀拉地塊的南東向運移并受華南地塊強烈阻擋 “雙重”擠壓作用等效為巖石受壓模型， 來模擬和解釋汶川地震前， 尤其是震前3天， 即2008年5月9日， 伴生大面積豐富電磁異常現(xiàn)象的原因． 根據(jù)巖石受壓破裂的電子-空穴理論， 認為汶川地震發(fā)震主斷層在推擠作用下， 強應(yīng)力激發(fā)巖石空穴載荷子并導(dǎo)致斷層表面正電荷快速積累， 結(jié)合Freund等（2009）實驗室?guī)r石壓力產(chǎn)生電流的結(jié)果， 且將發(fā)震斷層相關(guān)參數(shù)考慮在內(nèi)， 推算得出面電流密度為0.5—5.5 μA/m2. 根據(jù)巖石受壓的電子-空穴理論模型， 計算得出發(fā)震主斷層表面帶電量為（2.0—22）×106C， 同時， 形成垂直地-氣界面向上的附加電場強度為（2.5—27）×107V/m， 斷層輸出強電流為4.5—50 kA； 當主斷層在強應(yīng)力作用下致宏觀破裂發(fā)育主破裂發(fā)生時， 面電流密度可達45.0 μA/m2， 面電荷帶電量為1.8×108C， 斷層輸出電流為4.1×105A， 且電場強度可高達2.2×109V/m ．

綜上， 汶川地震發(fā)震主斷層在兩邊擠壓作用下， 大量的正空穴載荷子沿主斷裂產(chǎn)生， 猶如一個“發(fā)電機”源源不斷地輸送“能量”． 特別是在主破裂階段， 在“發(fā)電機”效應(yīng)的驅(qū)動下， 震源區(qū)斷層表面電荷快速積累， 并向四周擴散， 同時， 產(chǎn)生垂直地-氣界面的強附加電場. 其一方面引起地面附近電磁觀測參數(shù)大幅度突變異常， 并達到高潮； 另一方面加速震源區(qū)上空氣體分子的電離， 空氣電離增強空氣的電導(dǎo)率， 促使電荷快速擴散至電離層高度， 引起高空電離層參數(shù)大范圍短時突變異常并經(jīng)空間地震監(jiān)測衛(wèi)星記錄到．

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Using the electron-hole theory to estimate the “energy” magnitude related to the electromagnetic abnormities before the WenchuanMS8.0 earthquake

1）ChinaEarthquakeNetworksCenter，Beijing100045，China

2）SchoolofGeophysicsandInformationTechnology，ChinaUniversityofGeosciences，

On the base of the electron-hole theory stated by Freundetal， this paper attempts to deduce and interpret the energy of the obvious lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling observed on May 9， 2008， three days before the WenchuanMS8.0 earthquake. During the process， we set the largest horizontal principal stress and the earthquake plate area of the main fault. The simulation results show， during the period of the micro-cracks developing into the macro-cracks before the main rupture occurs， the total surface charge range of the main fault falls in 106—107C and the related upward electric field， which is perpendicular to the interface between the Earth surface and the atmosphere， is 107—108V/m. The corresponding parameters are up to 108C and 109V/m when the main rupture happens， and the output current is up to 105A in order. On one hand， the electric field increasing in the interface between the Earth surface and the atmosphere， can cause electromagnetic parameter abnormities of the ground-based observation， with the range beyond 1000 km; on the other hand， it can accumulate air ionization above pre-earthquake zone， leading to ionospheric parameters short-time sudden changes recorded by some spatial seismic monitoring satellites.

Wenchuan earthquake; electromagnetic abnormity; electron-hole theory; energy magnitude

10.11939/jass.2015.05.012.

國家自然科學(xué)基金（No.41204057）資助．

2014-12-29收到初稿， 2015-05-12決定采用修改稿.

e-mail: limeixuxl@seis.ac.cn

10.11939/jass.2015.05.012

P319.1+2

A

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