出版日期: 2018-01-25
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DOI: 10.11834/jrs.20187256
2018 | Volumn22 | Number s1
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岩石受力红外与微波辐射变化机理及地应力遥感关键问题
expand article info 吴立新1 , 毛文飞2 , 刘善军2 , 徐忠印2 , 李志伟1 , 齐源1 , 苗则朗1
1. 中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083
2. 东北大学 资源与土木工程学院，沈阳 110819
收稿日期: 2017-06-16
基金项目: 中南大学创新领军人才计划项目(编号：506030101)；国家自然科学基金(编号：41440032)
第一作者简介: 吴立新,1966年生，男，教授，研究方向为遥感−岩石力学、地灾感知认知、地学3维建模与应用及数字矿山。E-mail：awulixin@263.net
中图分类号: P228
文献标识码: A

摘要

地应力遥感是遥感科学的新范式，是打开地震遥感预测大门的金钥匙；岩石受力附加电磁辐射的产生机理、感知模型及定量分离是地应力遥感的理论基础。本文简要回顾了地震红外及微波遥感异常研究的历程，系统梳理了固体力学中电磁辐射实验观测的研究成果，包括材料应力与损伤的热像分析、岩石受力破裂过程的红外成像观测、红外波谱辐射观测及微波辐射观测。系统总结了岩石受力电磁辐射变化机理研究的代表性成果，包括矿物晶体压电效应、裂纹尖端放电效应、自由电子逃逸效应、孤立系统能量平衡等岩石物理机制；分析了岩石受力附加电磁辐射变化的量子力学机理，包括晶体原子振动能级跃迁及矿物分子转动能级跃迁；讨论了岩石介电常数变化效应、地表发射率变化效应等遥感物理机制。结合地应力变化驱动下的地球系统耦合现象，分析了地壳岩体电流激发效应、地下氡气逸出效应的原理与不足，总结提出了地球系统地震响应的多尺度性。最后，面向中国地球物理卫星重大计划，提出了地应力遥感亟待突破的三大关键问题，即地应力遥感卫星的波段优选与组合配置、构造活动及地震前兆的遥感识别与复合诊断、地应力响应现象的协同观测与智能分析。

关键词

地球物理卫星, 地应力遥感, 地应力场变化, 地应力响应, 红外亮温, 微波亮温, 遥感—岩石力学

Mechanisms of altering infrared-microwave radiation from stressed rock and key issues on crust stress remote sensing
expand article info WU Lixin1 , MAO Wenfei2 , LIU Shanjun2 , XU Zhongyin2 , LI Zhiwei1 , QI Yuan1 , MIAO Zelang1
1.School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China
2.School of Resource and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China

Abstract

Crust stress is recognized as the vital force of solid earth hazards including earthquake, landslide and rock burst. The Curst Stress Field Altering (CSFA) in not only the source of solid earth hazards, but also the results of rock fracturing and earthquakes. The precursors of coming earthquake is essentially the particular appearance or the spatio-temporal projection of CSFA and the accumulated crust stress before shocking. Crust Stress Remote Sensing (CSRS) is a new paradigm of Remote Sensing, which can pave the way to making earthquake prediction possible. However, the traditional science and technology of remote sensing, which we call as Side-A of Remote Sensing, is theoretically based on the physical-chemical property of target and the radiation characteristics of surface conditions, without consideration to the additional radiation in condition of stress and fracturing. Present remote sensing physics has insufficient interpretation on the abnormal infrared-microwave radiation preceding earthquakes. As the theoretical foundation of CSRS and the new science and technology of remote sensing on additional radiation from stressed and fracturing solid, which we call as Side-B of Remote Sensing, it is urgently demanded to establish the physical mechanism of additional radiation from loaded rock and the quantitative technologies for separating additional electromagnetic radiation from noisy backgrounds. This paper briefly reviews international studies on infrared and microwave anomalies related to tectonic earthquakes. It also systematically establishes the achievements of electromagnetic radiation experimental observations in the domain of solid mechanics, which include thermal imaging analysis of material stress and damages, and the thermal image, thermal spectrum and microwave radiation observation on loaded rock to fracturing. The main achievements of studies on the mechanism of altering electromagnetic radiation from loaded rock to fracturing are also introduced. Such studies focus on (1) the rock physics mechanism including the effects of piezoelectric mineral crystals, discharging of crack tips, escaping of free electrons, and energy balance in an isolated system, (2) the quantum mechanics mechanism including the energy jump due to atom vibration and molecule rotation, and (3) the remote sensing physics mechanism including the effect of changing dielectric effect and changing surface emissivity. Referring to the coupling behaviors of multiple spheres of Earth system driven by CSFA, the principles and shortcomings of both the effect of battery transfer in crust rock and the effect of underground radon emission are also analyzed, and the multiple scale properties of Earth system response on seismogenic activities are finally presented. With regard to the Geophysical Satellites Plan in China, the key technologies are suggested, including the optimal selection of sensitive wave bands and its configuration for CSRS satellites, the remote sensing identification and combined diagnosis of tectonic activities and earthquake precursors, and the synergic observation with the use of spaceborne, airborne, and ground-based platforms on CSFA appearances as well as intelligent analysis.

Key words

geophysics satellite, crust stress remote sensing (CSRS), crustal stress field alteration (CSFA), crustal stress responding, infrared brightness temperature, microwave brightness temperature, remote sensing rock mechanics (RSRM)

1 引　言

地应力是地壳应力的统称，包括由重力、地热、构造活动、孔隙流体、地球自转速度变化等产生的应力，它驱动构造活动与地震孕育；地应力场具体表征为地应力水平分量(σxy)的空间展布。受地壳物质非均匀性和断裂构造复杂性影响，地应力场空间分布(s)非均匀；受地球内部过程及构造活动非稳定性影响，地应力场随时间(t)而动态变化(Δσxy(s，t)≠0)。地应力场变化CSFA(Crustal Stress Field Altering)既是固体地球灾害的根源，也是地震断裂活动的后效(Heki 等，1997；Toda 等，2002，2012)。震前积累的地应力可在发震瞬间部分或全部释放而引发巨大灾难(Brace和Byerlee，1966；Parsons 等，2008；陈运泰，2009；Lin 等，2013)。地壳浅表断层破裂、岩层移动、矿震岩爆、地表形变等多尺度固体地球灾害孕育、发展与发生，均是CSFA引发的结果，并导致岩石圈、盖层、大气圈、电离层等地球系统区域对象的能量耗散、物质迁移及电磁响应。地震学中“应力影区”、“地震空区”等既是CSFA的时空投射，也是“震间形变”、“地震活动性图像”的本底驱动。地应力遥感及地球系统地震响应分析，应是固体地球灾害尤其是构造地震监测、预测及应对的基础性工作。但迄今为止，地应力测量仍以点接触式原位观测为主(蔡美峰 等，2000)，区域及全球CSFA观测仍是世界性难题(谢富仁 等，2004)；科学界对CSFA规律及其引发的地球系统地震响应现象的地球物理机制、发育规律与时空特征，还知之甚少。

分析全球地应力观测值的深度分布特征，Brown和Hoek(1978)发现地壳水平应力总体上与重力(暨深度的函数)成线性关系，到一定深度后其比率接近于1。但地壳浅部则不同，近地表水平应力可高达重力的10倍以上，尤其某些构造活跃区的水平应力更大。Zoback(1992)、谢富仁和崔效峰(2015)收集整理观测资料，分别绘制了全球地应力图和中国及邻区的现代构造应力图，展现了全球及区域地应力场的空间差异与非均匀性。地应力场的空间非均匀性及其动态变化特性，正是多尺度固体地球灾害发生的内因。Crampin等人(2015)分析发现大多数地震前均存在地应力集中现象，并指出断裂带地应力集中可作为地震前兆信息。

自1980’s末俄罗斯科学家在活动构造遥感调查中意外发现地震红外异常(Gorny 等，1988)以来，国内外广泛开展了地震红外及微波辐射遥感异常的分析研究，已确认中强以上构造地震发生前普遍存在地表辐射亮温异常现象(Qiang 等，1991；Tronin，1996；马瑾和单新建，2000；吕琪琦 等，2000；Tramutoli 等，2001，2005；Ouzounov等，2006；Wu 等，2012)。为解释这些异常现象的可能机理，国内外先后提出了温室气体逸出(Qiang 等，1991；Tronin，2002)、地下水位升高致土壤湿度增加(Chadha 等，2003)、氡气逸出电离致水汽凝结和潜热释放(Pulinets 等，2006)等假说。近年，日本学者基于Aqua卫星AMSR-E微波辐射计(18.7 GHz)观测数据，率先分析了2004年摩洛哥6.3级地震和2008年汶川8.0级地震的微波辐射异常，发现摩洛哥地震前2 d以及汶川地震后1 d在震中附近出现了微波辐射增强异常现象(Maeda和Takano，2009，2011；Takano和Maeda，2009)；中国学者利用AMSR-E微波辐射计的水平极化数据，也检测到了玉树7.1级震前2 d、汶川震前1 d的微波辐射异常(陈昊和金亚秋，2010；Ma 等，2011)。

但是，传统的遥感科学与技术(称之为遥感的A面)是以目标物性和表面条件的辐射特性为理论基础，对目标受力及其变化状态下的辐射差异没有涉及；现有的遥感物理对震前红外及微波辐射异常问题，也缺乏针对性科学解释。作为固态对象受力及其变化状态下遥感科学与技术(称之为遥感的B面)及地应力遥感的理论基础——岩石受力附加电磁辐射变化的物理机制与基本规律，亟待研究建立。本文尝试从固体热−力耦合效应及岩石辐射观测实验入手，梳理岩石受力电磁辐射变化的岩石物理机制、量子力学机理，分析其遥感物理机制，讨论地应力驱动下地球系统地震响应现象的多模式与多尺度性，并面向中国地球物理卫星重大计划提出地应力遥感的关键问题。

2 固体力学中的电磁辐射观测研究

地壳岩石是一类矿物成份复杂、裂隙缺陷发育、非均匀性极强的复杂固体材料。岩石破裂过程的电磁辐射变化现象研究可追溯到20世纪30年代，即1933年俄国A.B.斯捷潘诺夫发现岩盐塑性变形时出现带电现象；20世纪中后期以来，国际上为解释地震闪光的现象，开展了岩石受力辐射的岩石物理分析(Lockner 等，1983)。近半个世纪以来，为测量材料应力及解释材料受力的电磁辐射变化现象，国内外大量进行了固体材料(包括岩石)受力变形与破裂过程的电磁辐射观测实验与分析研究。

2.1 材料应力与损伤的热像分析

一般地，固体材料受力作用下的生热现象称为固体热—力耦合效应。按固体材料特性及不同变形阶段，固体热—力耦合效应包括对应于弹性变形的热弹效应、对应于塑性变形的热塑效应以及对应于黏性变形的热粘效应。按固体热弹性理论，各向同性线弹性材料表面的物理温度变化与其两个主应力之和密切相关：

$\Delta T = - \frac{\alpha }{{\rho {C_p}}} \cdot T \cdot \Delta ({\sigma _1} + {\sigma _2})$ (1)

式中，T为固体的物理温度(K)； $\Delta T$ 为固体物理温度的变化量(K)； $ \Delta \left( {{\sigma _1} + {\sigma _2}} \right) $ 为垂直于固体表面法向的两个正交主应力之和的变化(Pa)； $\alpha $ 为固体的线膨胀系数(K–1)； $\rho $ 为固体的密度(Kg·m–3)；Cp为固体的比热容(J·Kg–1·K–1)。

基于固体材料热弹效应，1960’s国际上发展形成了一种热弹应力分析技术TSA(Thermoelastic Stress Analysis)(Harwood和Cummings，1991)。1978年，英国研制了一款名为SPATE(Stress Pattern Analysis by Thermal Emission)的红外辐射应力图分析系统，其原理是材料表面辐射温度(即亮温)增量与表面主应力之和的变化存在如下定量关系：

$\Delta {T_r} = \gamma \cdot {\beta ^{ - 1}} \cdot T \cdot \Delta ({\sigma _1} + {\sigma _2})$ (2)

式中， $\Delta {T_r}$ 为仪器探测到的材料表面亮温变化(K)； $\beta $ 为与材料表面辐射系数(发射率)、材料热弹性系数及辐射探测器特征参数有关的常数(Pa·K·U–1)； $\gamma $ 为仪器探测到的电压信号与亮温之间的转换系数(K·U–1)。

1985年，英国科学家应用SPATE仪器测量了钢材铝材三点弯曲梁、对径受压圆盘和“S”形剪切板受循环载荷作用下的红外亮温变化，发现由红外亮温换算得到的材料应力与理论计算结果符合得很好，可达到单位牛顿力级别的测量精度(Stanley和Chan，1985)。之后，多国学者开展了类似研究(Shiratori 等，1986，1987；Hartley 等，1987；顾绍德 等，1993)，如日本Shiratori等人(1986)采用扫描式红外相机观测预制切口铝板和铸钢板的应力集中、疲劳裂纹扩展和裂尖塑化现象，发现红外测量结果和有限元分析结果符合得很好(相对误差为8.9%)；Shiratori等人(1987)还用红外热像仪测量分析了合金材料疲劳裂纹尖端塑性区的应力密度系数及其塑性能分布情况。SPATE系统因其简易便携、全场覆盖、数据可视化和适于现场监测等突出优点，在均质材料(如金属、高分子及复合材料)应力分析及实验固体力学研究中得到了广泛应用，并促进了材料损伤热诊断学(Thermo-Diagnose)的形成与发展(Barone和Patterson，1999)。

2.2 岩石受力破裂过程的红外辐射观测

1990年代初，法国科学家率先将TSA技术用于岩石、混凝土类非均匀材料受力破裂过程的红外辐射实验(Luong，1990，1993)。我国科学家为揭示地震红外异常机制，也应用红外辐射计、红外热像仪和红外光谱仪等遥感仪器，开展了室内环境中多种加载方式下岩石变形破裂过程的热红外观测实验。实验表明，岩石弹性变形及破裂阶段不仅存在规律性电磁辐射及前兆性红外亮温变化(崔承禹 等，1993；邓明德 等，1997；吴立新和王金庄，1998；Wu和Wang，1998；董玉芬 等，2001；刘培洵 等，2004；Wu 等，2006a；吴立新 等，2006)，而且在热红外波段存在近乎一致的波谱响应特性(尹京苑 等，2000)、岩石表面红外热像与岩石应力场、破裂声发射场的空间形态及位置基本一致(Wu 等，2006b；吴立新 等，2006)。2000年开始，美国NASA科学家通过岩石加载过程中岩石表面电场及红外辐射光谱的观测实验，证实了岩石受力红外辐射变化现象及光谱辐射强度的频谱差异性(Freund，2002)。作者近年开展的室外天空冷背景下岩石受力辐射观测实验发现：与实验室观测结果相比，室外天空冷背景下岩石受力红外亮温变化的规律性更好，与应力变化的相关性更强(徐忠印 等，2015)。

上述研究不仅促成了遥感−岩石力学RSRM(Remote Sensing Rock Mechanics)的诞生与发展(耿乃光 等，1992；Wu 等，2000)，而且激发了固体地球灾害遥感观测协作(吴立新和李德仁，2006)与广义遥感监测的设想(吴立新和刘善军，2007)，以及利用卫星热红外信息研究断层活动的新思路(马瑾 等，2008)。

2.3 岩石受力破裂过程的微波辐射观测

1990年代末以来，中国学者率先开展了被动微波遥感用于地震预报的实验研究。使用8 mm、2 cm、3 cm及10 cm波长微波辐射计，实验观测了花岗岩、大理岩、砂岩、煤岩加载过程中的微波辐射变化(耿乃光 等，1995；房宗绯 等，2000；钱家栋 等，2005；王恩元 等，2011)。分析发现：(1)岩石的微波亮温随应力状态变化而显著变化，2 cm波段的亮温变化量为0.3–6.0 K；(2)许多岩样表现出临破裂前亮温急速增加或急速降低的异常前兆(注：应与破裂面优势角度有关)；(3)不同波段及不同极化方式的微波辐射变化特性有所不同，不同波段的垂直极化与水平极化的比值也有差异。

近年，日本学者也开展了岩石加载过程微波辐射变化观测研究，发现岩石(石英岩、辉长岩、花岗岩和玄武岩)在单轴压缩破裂时产生了300 MHz、2 GHz、22 GHz的微波辐射脉冲(Maki 等，2006；Takano和Maeda，2009)。采用6.6 GHz、18.7 GHz、37.5 GHz的微波辐射计开展了岩石受力微波辐射变化的遥感探测实验，并与红外辐射、破裂声发射进行同步观测对比，揭示岩石受力破裂过程微波亮温具有不同于红外亮温的阶段性变化规律与破裂前兆特征(徐忠印 等，2015)；并且设计进行了室外大型水平加载模式的岩石受力微波辐射变化遥感探测实验，不仅揭示了岩石循环加载条件下微波亮温变化与应力变化的同步响应特性，而且发现了岩石受力微波亮温变化的层状结构极化效应(Liu 等，2014，2016)、分层破裂响应现象(徐忠印 等，2015；Liu 等，2016)及盖层耦合效应(毛文飞 等，2018)。

3 岩石受力电磁辐射变化的岩石物理机制

近30年来国内外大量实验观测表明，岩石受力破裂过程红外与微波辐射能量暨亮温会随之变化；尤其在弹性循环加载过程中，红外及微波亮温随岩石应力的变化现象是可重复观测的、是同步的且高度相关的(Liu 等，2016)。但是，岩石受力辐射亮温变化的遥感物理机制尚不明确，附加辐射(叠加在由岩石矿物及其物理温度决定的正常辐射量之上的增量部分，可以为正、也可以为负)定量分离的信息模型尚未建立。如何建立地应力遥感范式及CSFA红外与微波观测的遥感物理基础，亟需重点研究与攻关。迄今为止，岩石受力电磁辐射变化的岩石物理机制解释主要有矿物晶体压电效应、裂纹尖端放电效应、自由电子逃逸效应和孤立系统能量平衡。

3.1 矿物晶体压电效应

岩石矿物晶体的正压电效应表明(王秀琨 等，1985)：当各向异性的矿物晶体(如电气石、石英、钠氯酸盐、闪锌矿、方硼石等)受到某特定方向外力作用时，晶体内部会产生电极化现象，并在晶体的两个相对表面上分别产生正、负电荷；当外力撤去后，晶体又恢复非带电状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力产生的电荷量与外力大小成正比。Nitson(1977)对固体受力过程中的射频段(2 MHz)电磁辐射信号进行实验观测，发现含有石英等压电矿物的岩石(如石英岩、花岗岩、花岗闪长岩、砂岩等)破裂时都会产生可探测的射频信号；而对于不含压电矿物的固体材料(如玄武岩、黑曜石、石灰岩、玻璃、氧化铝、铁、硬塑料)，其破裂时并未观测到射频信号；据此认为，岩石受力射频辐射的可能机理为岩石压电效应产生的电荷伴随破裂瞬间而快速转移，引起射频辐射。Brady和Rowell(1986)在Nature上发文指出，岩石矿物压电效应产生的静电放电可形成微波辐射。

但是，Cress等人(1987)对花岗岩、玄武岩、玻璃、大理石、黄铁矿等样品的破裂观测实验进一步表明：除黄铁矿外，其余样品也都有射频辐射产生；而其中只有花岗岩中含有石英，只不过花岗岩样品的射频辐射幅值比其他样品要大一个数量级。因此，Cress等人(1987)、Brady和Rowell认为压电效应并非岩石受力破裂产生低频电磁辐射的必要条件，伴随岩石破裂产生的裂纹表面电荷分离(分别带正、负净电荷)及带电岩屑的转动、振动及线性移动，是产生低频辐射的主因；而且，微波脉冲信号可能是岩石破裂形成的带电微粒之间的放电作用所致。

3.2 裂纹尖端放电效应

固体材料受力破裂时，裂纹壁的振动会在材料内部产生弹性波(对应声发射现象)，进而引起电磁辐射(Ogawa 等，1985；徐为民 等，1985；郭自强等，1988；Yamada 等，1989；钱书清 等，1996；刘煜洲 等，1997)。Maki等人(2005)定量表述了超高速撞击下材料破裂时的微波辐射机理，提出了微裂纹表面放电的微波辐射模型：当微裂纹产生后，材料分子化学键的破坏或压电效应会使得裂纹两壁形成不同的电荷聚集，进而放电形成有效电流；该放电过程可等效为一个电偶极子，当有效电流以角频率发生震荡时，变化的电场会形成变化的磁场，即电偶极子会沿一定方向辐射电磁波。Maki等人(2005，2006)假设岩石破裂时裂纹表面产生的有效电流在时域上的分布为矩形，通过震荡电流辐射电磁场模型、结合狄拉克函数和傅里叶变换，得到了辐射电场的频域表达式；再通过傅里叶逆变换，得到了两个脉冲形式的辐射电场信号。上述表明，岩石破裂处的电荷运动(如有效电流、脉冲电流)可与电磁辐射建立数学表达式。

Frid等人(2003)、Rabinovitc等人(2007)以及Lacidogna等人(2010)建议，可以采用电荷表面震荡波的形式来描述电磁辐射现象。岩石裂纹的产生，破坏了裂纹两侧岩石矿物的原有化学键，使原子由原先的“均衡”态变为“非均衡”态，并在当前位置上发生震荡。裂纹壁两侧分别带正、负电荷)，且正、负电荷在各自“非均衡”位置的震荡相位恰好相反，由此形成了“震荡电偶极子模型”，从而向外辐射电磁波。Gade等人(2014)通过对环氧树脂高分子材料的研究显示，脆性介电材料破裂过程中的电磁辐射信号由两部分组成：其一为低频部分，来源于裂纹生成和扩展过程中的电荷不平衡度(因电荷在裂纹两侧正负分离导致的非对称分布)加强，其特征取决于裂尖位置随时间的演化和电荷弛豫，与材料介电性质有关；其二为叠加在低频信号之上的小幅高频振荡信号，与声发射信号的频率范围大致相同，是由裂纹壁振动引起的裂纹壁电荷运动。不同于高分子材料，岩石材料在不同尺度上的各向异性与非均匀性均很强，导致岩石受力破裂过程中裂纹尺度的多样性及裂纹群扩展的非均衡现象，这些复杂问题对岩石受力电磁辐射频率与辐射强度的影响规律十分复杂，尚不清晰。

3.3 自由电子逃逸效应

Brady和Rowell(1986)在Nature发表论文，报道了用光学摄谱方法研究花岗岩、玄武岩单轴压缩破裂时光辐射特性的实验成果，推断这种光辐射很可能是由从受力岩石表面逃逸出来的自由电子和周围气体分子碰撞而激发的。之后，针对岩石受力的辐射效应，相继提出了“逃逸电子撞击”(Cress 等，1987)、“裂纹尖端电子飞溅”(朱元清 等，1991)等假说。吴小平等人(1990)对花岗岩压缩过程中岩样表面电荷分布的实验观测证实，岩样表面产生的是正电荷，并解释为除α-石英矿物的压电效应外，岩石受力后产生的许多微破裂致使一些自由电子逃逸出岩石表面，导致岩石表面带正电荷。但是，岩石表面微破裂处电子逃逸的碰撞效应是否会引起红外及微波的附加辐射变化，尚缺乏充分依据。

3.4 孤立系统能量平衡

岩石受力变形与破裂是一个复杂的能量输入与耗散过程。从岩石加载辐射观测实验角度，可将岩石加载端、岩石试块及其周边空气视为一个相对孤立的封闭系统(吴立新 等，2006)(图1)。在此孤立系统中，若加载过程中岩石内部无化学反应及其可能引起的能量变化，则受力岩石的能量输入包括两部分，即加载端的机械能输入、加载端与周边空气的热能交换输入；而受力岩石的能量耗散则比较复杂，一部分以变形能、裂纹表面能、摩擦热能等形式积累在岩石中，另一部分则以微破裂面振动、岩表碎块弹射、孔隙气体解析、热能交换输出及电磁辐射等方式而耗散掉。该孤立系统的能量构成一个自平衡态，岩石受力变形、破裂及热交换等能量输入与耗散过程所致的岩石物理温度、岩石介电常数及表面发射率变化，将共同导致岩石红外及微波亮温观测值的相应变化。


图 1 岩石受力辐射变化的孤立系统能量平衡效应
Fig. 1 Energy balance effect on infrared-microwave radiation from stressed rock in an isolated system

4 岩石受力电磁辐射变化的量子力学机理

根据电磁波理论及热辐射原理，自然界任何物理温度处于绝对零度以上的物体都会自发向外辐射电磁波，且固体具有完整的辐射光谱，地壳岩石亦然。所需关注的是，因为岩石矿物成分及其微结构的复杂性、非均匀性和不确定性，应力作用下岩石内晶体原子振动与矿物分子转动能级跃迁所致附加电磁辐射变化(相对与自发辐射而言的增量部分)的量子力学机理有其特殊性和复杂性。

固体材料内部分子的运动状态包括：电子运动、各原子在其平衡位置附近的晶格振动与分子振动(分子振动实际上也是组成分子的原子的振动，与晶格振动相似，即各原子的振动模式相互影响)、分子整体绕质心的转动。量子力学认为，分子内部的电子运动能量、原子振动能量和分子转动能量都是量子化的，三者的能量相差2—4个数量级，它们共同构成分子的总能量。上述能量状态的变化暨能级跃迁会产生不同频率的电磁辐射。一般认为，电子能级跃迁对应紫外—可见光波段，晶格原子振动对应光谱一般为红外波段，分子转动能级跃迁对应微波波段。

对于晶体材料，包括原子晶体(如二氧化硅、晶体硅、碳化硅)、分子晶体(如所有非金属氢化物、大多数非金属氧化物、绝大多数共价化合物)、离子晶体(如氯化钠等大多数盐类)，微观上都是由大量原子通过化学键(离子键、共价键)作用而在空间上有序排列构成的。由于晶体内原子之间的间距很小，原子壳层重叠导致电子共有化运动，使得每个原子的固有能级还可容纳相同能量壳层上参与共有化运动的电子，即原子各能级将在电子共有化作用下演化成由密集子能级组成的准连续能带。例如，对于原子数量为1023(1摩尔)的晶体，原子的一个能级可以分裂成1023个子能级(子能级数量决定于组成晶体的原子数量)，由此导致一个能带(能带宽度约1 eV)中相邻子能级间的能差约为10–23eV。当该能带中的电子从它原来占据的某一较高能级转移到同一能带中的任一较低能级(Busch，1976)而发生能级跃迁，应是晶体向外发射相应能量电磁波的内在机理。晶体材料受压时，原子之间的距离缩短，可导致晶体能带宽度变大；因原子数量、子能级数量未变，则同一能带中各子能级之差必然变大。此时，若电子在各能级之间跃迁的概率分布不变，电子在具有更大能级差的子能级间发生跃迁时因子能级能量差增加而可辐射出更高能量，相应地处于能谱(约10–23eV—1 eV)前部的微波辐射(约10–4eV—10–7eV)能量会增大，从而整体上导致晶体材料受压时微波辐射能上升。

因此，岩石材料受力发生压缩变形时，矿物晶体随之发生压缩变形。受晶体压缩变形影响，一方面，晶格原子振动受限导致红外波段的电磁辐射变化；二方面，通过电子共有化形成的原子晶体或离子晶体能带宽度变大、子能级能量差变大，子能级间跃迁的微波辐射能量增大；三方面，通过分子间范德华力结合形成的分子晶体(如所有非金属氢化物、大多数非金属氧化物、绝大多数共价化合物)，受力压缩时分子间距缩短，导致分子转动态能级跃迁引起微波辐射。以上，应是岩石受力红外及微波附加辐射产生的量子力学机制。

此外，物体破裂过程与裂纹尖端(简称裂尖)的原子、分子行为紧密相关。岩石内部结构一般分为晶体结构、斑晶结构、玻璃结构和胶结结构4类；岩石受力产生的微破裂包括裂尖的晶内断裂(由位错滑移、解理断裂引起)、晶间断裂(常为结构薄弱面开裂)以及穿晶断裂(晶内断裂扩张外延)，这些裂尖断裂行为势必破坏晶体中的化学键(离子键、共价键)(Gade，2014)。由于化学键的破断，使得晶格结构改变及矿物分子的质量和质心位置发生变化，导致晶格原子振动能级及矿物分子转动态能级改变，进而引起红外及微波附加电磁辐射变化。因此，岩石受力破裂过程中裂尖矿物化学键破断并形成群集效应，也可显现红外及微波辐射能暨亮温的宏观变化。

5 岩石受力电磁辐射变化的遥感物理机制

5.1 介电常数变化效应

根据Rayleigh-Jeans定律，在物理温度不变的前提下，物体微波辐射变化很大程度上是由其发射率变化引起的，而发射率决定于介电常数(Ulaby 等，1990)。介电常数( $\varepsilon ' + {\rm{j}}\varepsilon ''$ )由实部( $\varepsilon '$ )和虚部( $\varepsilon ''$ )组成。在微波遥感领域，一般采用自由空间法实测大面积地物的介电常数；利用测量得到的反射参数幅度和相位，经系统定标(金属板或相对定标)即可按菲涅尔反射定律反演地物的介电常数(肖金凯，1988；王湘云 等，1999)。仿真分析表明：物理温度不变时，随介电常数实部增大，物体微波亮温会降低(近似线性)；而随介电常数虚部增大，物体微波亮温会升高(近似对数曲线)。基于岩石加载实验发现的微波亮温随载荷增大而升高现象，可以推测：岩石受力破裂过程中介电常数变化有5种可能，即(1)实部变小、虚部不变；(2)虚部变大、实部不变；(3)实部变小、虚部变大同时发生；(4)实部、虚部同时变大，但前者的降温效应小于后者的升温效应；(5)实部、虚部同时变小，但前者的升温效应大于后者的降温效应。

迄今为止，物体受力变形及破裂过程的介电常数变化研究几乎为空白。如何在岩石加载实验过程中，高可靠、高精度地观测岩石介电常数的受力变化特征，探索其受力变化的基本规律，并进行不同类型、不同材质岩石受力破裂过程的微波亮温变化观测对比，是亟待开展的基础性研究工作。

5.2 表面发射率变化效应

物体表面发射率是决定辐射探测器接收到来自被探测物体电磁辐射能量大小的决定性因素。岩石表面发射率越高，辐射探测器接收的岩石表面辐射能量越多；反之亦然。通常，岩石表面发射率(ε)由岩石材质及表面粗糙度决定，与波段(λ)有关。对于特定材质的岩石，其表面发射率(ελ)受岩石表面粗糙度的影响。岩石受力变形与破裂过程中，其表面粗糙度将随之发生改变；尤其当岩石发生内部微破裂、表面开裂及非弹性非均匀变形时，岩石表面粗糙度将随之增大。

常温下岩石自然表面的ελ一般为0.85左右，如玄武岩、花岗岩、石英、大理岩ελ依次为0.69、0.78、0.89、0.95。因此，岩石表面粗糙度变化导致的岩石ελ变化的空间较大。以绝对黑体发射率1.0为上限，岩石ελ提高的幅度最多为(1−ελ)。以花岗岩为例，常温下ελ因粗糙度提高而提高的幅度最多为(1−0.78=0.22)，即最多可提高28%。

按斯蒂芬-玻尔兹曼定律，物体辐射通量密度 ${W_\lambda }$ (单位：W/m2)与 ${\varepsilon _\lambda }$ (无量纲)的一次方、物理温度T (单位：K)的四次方呈线性关系：

${W_\lambda } = {\varepsilon _\lambda }\sigma {T^4}$ (3)

式中， $\sigma $ 为斯蒂芬-玻尔兹曼常数( $5.67 \times {10^{ - 8}}{\rm{W/}}{{\rm{m}}^{\rm{2}}} \cdot {{\rm{K}}^{ - 4}}$ )。据此，可推导T不变时， ${\varepsilon _\lambda }$ 变化( $\Delta {\varepsilon _\lambda }$ )引起的辐射亮温增量( $\Delta {T_\lambda }$ )为

$ \Delta {T_\lambda } = T \times \left( {\sqrt[4]{{1 + \Delta {\varepsilon _\lambda }/{\varepsilon _\lambda }}}{\rm{ - }}1} \right) $ (4)

以常温下(约300 K)的花岗岩( ${\varepsilon _\lambda }$ =0.78)为例，在其T不变的前提下， $\Delta {\varepsilon _\lambda }$ =0.01即可引起0.95 K的 $\Delta {T_\lambda }$ 变化；若 $\Delta {\varepsilon _\lambda }$ =0.1，则可引起9.15 K的 $\Delta {T_\lambda }$ 变化。

6 地震遥感异常的地球系统耦合效应

6.1 地壳岩体电流激发效应

美国NASA Ames研究中心从火成岩试样加载过程的电位观测发现，岩样远端未加载部分存在正电荷集聚现象(Freund，2002)。据此提出一阶氧离子对(O–-O–)破断与电子捕获、酸根离子亚晶格(即岩石孔隙正电荷P-Hole)激活迁移的P-Hole模型(Freund 等，2006，2009)；进而构建了地壳岩石受力电流激发(类电解质模式的岩石电池转换)、岩石及地表正电荷集聚、空气电离的响应链条，并以此来寻求热红外升温、地光、电离层异常等震前地球系统响应现象的科学解释(Freund 等，2007；Freund，2011)。基于岩石受力后孔隙正电荷在岩石远端表面积聚及其透过水层、沙土层传递的实验结果(Freund，2009)，P-hole模型可在一定程度上解释震源、震中及遥感异常区之间存在空间差异的原因。

但是，P-hole模型有一个前提条件，具备孔隙电荷激活效应的岩石特指火成岩和高度变质岩(如辉长岩、片麻岩、花岗岩)。这就引出一个问题：孕震区是否一定存在火成岩和高度变质岩。此外，若要将P-hole模型与地震遥感异常建立必然联系，还需回答以下基本问题：(1)在岩石物理与量子力学层面，一阶氧离子对(O–-O–)破断与岩石应力及微破裂如何定量关联；(2)在遥感物理与遥感反演层面，岩石表面电荷分布密度与地表辐射增量及卫星遥感亮温异常如何定量联系。

6.2 地下氡气逸出效应

地壳岩石及地表土壤的孔隙中均封闭有一定量的辐射性氡气。地应力或矿山采动应力作用下，地下岩层及土体开裂会促使氡气与其他流体一起沿贯通性裂缝逃逸出地表。密闭条件下岩石加载破裂氡气观测实验表明，氡气逸出量与岩石应力、变形破裂联系密切(Zhang 等，2016)。俄罗斯Pulinets SA提出：地壳岩石微破裂导致氡气逸出地表后，可像宇宙射线一样引起断裂活动区上方近地表大气电离、边界层垂直电场变化及高层电离层异常，并成为低层大气水汽凝结核而导致大气潜热释放和大气增温，是震前岩石圈—大气层—电离层LAI(Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere)耦合的根源(Dunajecka和Pulinets，2005；Pulinets，2007；Omori 等，2009；Pulinets和Ouzounov，2011；Pulinets，2012)。

可见，地下氡气逸出和地壳岩石电池转换效应导致LAI耦合响应的关键环节均为大气电离。但是，与构造活动相关的地下氡气逸出量十分有限，近地表氡的平均浓度很低且半衰期为3.8 d(İnan 等，2008)，单位时间、单位体积空气中的氡衰变事件仅为0.25 cm–3s–1，并且向上迅速衰减，至1000 m高空时降低约2个数量级(Freund，2009)。因此，Freund(2009)认为震前地下氡气逸出效应不足以解释震前大气层—中间层—电离层的异常现象。尽管如此，地下氡气逸出的LAI效应仍有其合理成分。但是，地下氡气逸与地应力的定量联系及其对辐射亮温变化的实际贡献，尚有待深入研究和实践分析。

6.3 地球系统地震响应的多尺度性

综上，地壳岩石受力辐射变化的物理机制具有多模式和多尺度特性。CSFA驱动下的地球系统地震响应及其遥感异常现象，既可在微观尺度上得到量子力学解释、在细观尺度上得到岩石物理与遥感物理解释，也可在宏观尺度上得到岩体物理与地球系统多圈层耦合效应的合理解释。这些解释均因地应力作用下地壳岩石/岩体受力破裂效应而贯穿、而尺度递进。其逻辑联系如图2所示。


图 2 地应力卫星遥感的多尺度原理及其内在联系
Fig. 2 Multi-scale principles of crustal stress remote sensing and its inherent correlation

7 地应力遥感的关键问题

面向地应力遥感、地震遥感监测及地球系统地震响应科学研究的重大需求，作为中国地球物理卫星系列的重要组成部分，地应力遥感卫星的设计与研发，亟需研究岩石受力辐射变化规律及其可遥感性，这是遥感科学与技术B面及地应力遥感的科学基础；而且，地应力遥感的技术关键是CSFA所致附加电磁辐射的有效识别与定量分离。未来10—15年，地应力遥感是可预期的，其技术实现需要突破以下关键问题。

7.1 地应力遥感卫星的波段优选与组合配置

红外及微波传感器是地应力遥感卫星的主体载荷，其波段优选与组合配置是关键。岩石受力辐射变化存在波段敏感性，主要体现在：(1)岩石是一种典型的选择性灰体材料，其发射率是波长的某种函数，即岩石表面发射率随电磁波长而变化；不同的岩石因其矿物成分、晶体大小、微裂隙分布等不同，发射率—波长函数关系导致某些波段的辐射通量密度比别的波段大，称为相对敏感的优势波段。(2)岩石受力导致的原子振动能级跃迁，对应红外辐射，其优势波长与岩石矿物晶体的原子类型及振动能级跃迁的带宽有关。(3)不同种类及不同粒度的原子晶体中，原子数及共有电子化的规模不同，导致原子能级及子能级的带宽不一样；应力作用下矿物晶体中原子的子能级跃迁导致的微波辐射优势波段也有所差别；因此，不同矿物晶体对应不同的微波辐射波段和特定的优势波段。(4)不同种类及不同粒度的矿物晶体，其分子转动态能级不一样，受力变形时分子转动态能级跃迁引起的微波辐射优势波段也不同。

作者通过岩石受力红外辐射观测实验发现，石英砂岩、富含钾长石的斑状花岗岩及富含斜长石的等粒花岗岩受力红外光谱变化敏感波段分别为8.6—9.1 μm、8.4—10.6 μm、8.2—11.7 μm(刘善军 等，2012；徐忠印 等，2013)。作者进行的岩石受力破裂过程1.0—37.0 GHz的微波辐射观测实验也发现，某些波段的观测数据比较敏感、某些波段则不敏感；对于不同地壳岩石种类，这种微波波段的选择性存在差异(Liu S J et al.，2014，2016；徐忠印 等，2015)。

总之，由于岩石矿物成分及晶体粒度的多样性，岩石微结构及岩体缺陷的复杂性，以及CSFA驱动下地下岩土介电常数变化及地表发射率变化的多尺度特征与不确定性，岩石/岩体受力电磁辐射的波段敏感性及优势波段必定千差万别。如何针对特定与普遍的地质与地貌条件，选择地应力遥感卫星的红外及微波载荷的优势波段，并设计其组合配置方式，尚需系统研究。通过大规模实验测试与分析对比，方能找到基本规律，进而建立地应力遥感特征谱系，为卫星载荷设计、波段优选及其组合配置提供科学依据。

7.2 构造活动及地震前兆的遥感识别与复合诊断

作者的前期实验研究，不仅发现岩石表面红外及微波辐射亮温随应力呈阶段性变化并存在突变性破裂前兆，而且揭示了模拟断层活动的结构块体表面红外辐射亮温在剪切滑移带、摩擦滑移带或断裂错动区的显著变化与迁移现象(吴立新 等，2004a，2004b，2004c，2004d；刘善军 等，2004a，2004b)，这些成果为构造活动及孕震灾变的遥感分析提供了实验依据。马瑾院士及其团队不仅应用卫星遥感数据分析了卫星热红外信息与断层活动的关系，而且从实验观测角度研究了断层受力错动及雁列构造变形过程的热场演化特征(马瑾 等，2005，2006，2007，2008；刘培洵 等，2007)，得到了可指导地震遥感观测实践的成果。

但是，如何将实验成果具体应用于地应力及地震遥感观测，尤其是用于地震监测预报，尚有待时日。迄今为止，人类对地壳内部的认知还十分有限。对隐伏构造的空间展布、地下断层的3维形态、地下岩层的结构特征、地下岩体的矿物成分等等，均缺乏足够的了解。虽然利用大地测量、卫星定位及雷达干涉测量技术可以了解地壳板块与活动构造的运动变形情况，利用地球物理探测技术可以揭示地下物质的电磁性能差异并进行大型结构和宏观属性推断；但还难以据此准确判断隐伏构造的空间展布和地下断层的3维形态，难以精准识别地下岩层的结构特征和矿物成分。在板块运动和地应力作用下，断裂块体与地层岩体均会产生不同模式和不同规模的运动、变形、破裂及电磁辐射效应，并由此引发一系列可被卫星遥感的地应力响应现象(如地表亮温变化、近地表大气潜热变化、近地表大气成份变化、大气气溶胶变化、电离层扰动等，涉及地球系统的地壳岩石、地表盖层、大气层、电离层等多个圈层)。如何将遥感观测获得的地应力响应信息与CSFA、构造活动乃至地震建立定性定量联系，开发CSFA驱动下的地表辐射异常的遥感识别模型、建立地震前兆的复合诊断方法等，均有待研究。尤其，如何将卫星遥感观测到的构造活动区亮温异常的空间形态及其迁移演化与CSFA及孕震过程建立时空关联，如何将亮温异常时间、区域及峰值大小与短临地震的时空强三参数建立定量联系，仍是挑战性问题。

7.3 地应力响应现象的协同观测与智能分析

CSFA驱动下的构造活动及孕震过程，以及由此引起的地应力响应，是一个多参数、多物理场、多尺度时空关联的多圈层耦合I LCA(Lithosphere-Coversphere-Atmosphere-Ionosphere)现象(Wu 等，2012)，是一个以CSFA为核心的地球系统复杂现象。多源遥感信息的多参数关联分析与多圈层耦合标定，是地应力遥感应用及固体地球灾变前兆识别研究的关键。针对包括地震在内的固体地球灾害监测预测需求，如何设计地球物理卫星系列中地应力卫星的观测参数与技术指标、研发其特定载荷、构建区域及全球CSFA观测体系，不仅是遥感科学与技术的新范式和地球科学的前沿，也是国家民用卫星发展的重大战略方向。

对地观测集成系统(吴立新和李德仁，2006)及全球变化科学卫星系统(Guo 等，2014)构建，为实现CSFA及地球系统地震响应遥感观测提供了空前机遇；中国首颗地震电磁试验卫星的研制与发射(申旭辉 等，2011；Shen，2014)，开启了中国地球物理卫星研发及国际地震遥感观测研究的新篇章。在GEOSS框架下，未来如何综合发挥地球物理卫星与陆地卫星、海洋卫星、气象卫星联合的整体优势，如何针对CSFA构建多平台、多模式、多参数、多尺度、多分辨率、多精度的空天地立体协同观测体系，如何从时间、空间和参数上实现空天地立体观测数据的CSFA关联与互补增强，均亟待研究。深入理解CSFA驱动下固体地球灾害孕育过程物与象、形与理、内与外的统一关系，开发面向固体地球灾害的遥感大数据智能分析系统，实现构造活动、CSFA、地震前兆及地质灾害智能分析与短临预报，是地球观测及遥感应用的重要方向。

8 结　语

地应力是包括地震、滑坡、岩爆在内的各类固体地球灾害的控制性因素；CSFA既是固体地球灾害的根源，也是地震断裂活动的后效。尽管受地球内部“不可入性”、大地震的“非频发性”和地球物理过程的复杂性制约，地震预测困难重重，但“一个7级大地震释放的应变能的数量级达1015 J，很难置信在如此巨大的应变能释放之前不出现任何“讯号”(陈运泰，2009)。可以确定地讲，地震前兆(无论是来自地球物理、大地测量、地球化学等测量方法的“微观”前兆，还是来自动物行为、地下水及温度感知的“宏观”异常)，其本质均是震前CSFA及地壳岩石临破裂前地应力积聚的特定显现或时空投射。地应力遥感是打开地震预测大门的金钥匙，是科学解释“应力影区”、“地震空区”、“震间形变”和“地震活动性图像”的黑匣子。国内外近半个世纪以来的材料应力热像分析和岩石受力电磁辐射观测研究，以及20多年遥感—岩石力学理论、实验与实践研究，已基本揭示了岩石受力附加电磁辐射变化规律，展现了地应力遥感的前景。基于岩石受力附加电磁辐射变化反演CSFA的地应力遥感，无论在区域覆盖还是在连续观测方面，均具有传统接触式原位地应力测量无可比拟的优势。深入开展岩石受力辐射变化机理规律、遥感识别及定量反演等基础研究，揭示地壳岩石及断裂块体受力附加辐射变化的物理机制与影响因素，进而建立地应力遥感的物理基础、遥感范式与技术系统，是遥感科学与技术的重要使命和拓展。

但是，受地壳岩石成分复杂性和断裂损伤不确定性(陈颙 等，2001)约束，地壳岩石受力附加辐射变化不仅决定于岩石本身的热弹效应、微破裂过程、介电常数及表面发射率变化，还受地质块体相互作用模式、断裂及孔隙内流体效应、表层岩土湿度等复杂因素影响，以及非稳定观测环境及天空下行辐射变化的不确定性影响(陈述彭 等，1998)。“上天容易入地难”，地应力遥感及地震预测必定充满挑战，但“是可以审慎地乐观的”(陈运泰，2009)。深入系统地研究揭示地壳岩石及断裂块体受力辐射亮温变化的物理机制与影响因素、定量可靠地建立地壳岩石及断裂块体受力附加辐射遥感识别与反演模型，是亟待建立的地应力遥感的理论与技术基础。

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