地震前電磁異常現(xiàn)象的物理機(jī)制

臨沂大學(xué)沂水校區(qū)-------陳維會

（ 續(xù)）

2 地電容

2.1地電容

儲存電荷的容器叫電容器,，簡稱電容,。一般認(rèn)為：孤立導(dǎo)體與無窮遠(yuǎn)處即構(gòu)成電容。在電學(xué)中電容的定義是,；兩塊相互絕緣的導(dǎo)體之間即可形成一個電容; 

電容器儲存電荷量的多少叫電容量,。電容量的定義是：電容器所帶電量Q與電容器兩極間的電壓U的比值：

即C=Q/U-----------------（1）。

式中C是電容器的電容量,，Q是電容器儲存的電量,，單位是庫倫（C），U是兩導(dǎo)體之間的電勢差,，單位是伏特（V）,。一個電容器，如果帶1庫的電量時兩級間的電勢差是1伏,，這個電容器的電容就是1法拉（F---法拉）,。（1）式只是電容量的定義式，決定電容量大小的是導(dǎo)體之間的形態(tài)和導(dǎo)體之間絕緣體的介電常數(shù),，表達(dá)式是：

C=εS/4πkd,。

式中ε是絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)，S是兩導(dǎo)體的相對面積,，K是靜電力常量,，d是兩導(dǎo)體之間的距離。C是電容器的電容量,。如果是平行板電容器,電容為

C=εS/d---------------（2）,。

由于地殼表層是高導(dǎo)層，地殼下部到中心導(dǎo)體球之間的巖層是高阻層（忽略康拉德界面的低速高導(dǎo)層）,，中心導(dǎo)體球也是導(dǎo)體,，把地球表層的高導(dǎo)層作為上極板，地球表層以下的高阻巖石為電介質(zhì),，中心導(dǎo)體球作為下極板,，即可構(gòu)成一個天然的地電容器，這里叫它地電容,，見圖18,。上面所述地球的各導(dǎo)電層被科學(xué)家實際測量證實,，那么也就證明地電容是客觀存在的。

圖18     天然的地電容

這只是理論上論證地電容的存在,。我們常見的電容兩極板之間的距離都在幾毫米以下,，上述的地電容兩導(dǎo)體之間有幾百千米的距離，能形成電容嗎,，有事實依據(jù)嗎,？有一種測量云層雷電的振動電容式雷電監(jiān)測儀器，原理是,，探頭是一塊金屬板,，金屬板產(chǎn)生振動時，云層與金屬板之間的距離d就會產(chǎn)生微小的變化,，由公式C=εS/d可知,，云層與金屬板之間的電容量也會產(chǎn)生變化，由此可測出云層的電勢,。北京億艾迪科技有限公司銷售的EST001雷電預(yù)警系統(tǒng),，就是采用的上所述原理制造的，該儀器能探測20Km外云層的雷電情況,。由此可證實,，無論兩導(dǎo)體之間的距離怎樣遠(yuǎn)，都會形成電容器,，距離只是影響電容量的大小,。所以地電容確實是存在的。

作為地電容電介質(zhì)的地殼下層玄武巖,，是全球普遍分布的,，所以沒有電流的短路通道。其厚度雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們常見的人造電容器介電質(zhì)的厚度,，但與地球表面積相比只是薄薄的一層,。又因電荷的作用力是遠(yuǎn)程力，地電容上下極板上的電荷還是有相互作用力存在,，所以地電容是一個典型的電容器,。

2.2  地電容的電容量估算

上面證明地電容確實存在，那么地電容的容量有多大呢,？因作為地電容電介質(zhì)的巖石地層厚度各地均不相同,，這里只能大體的估算。巖石的介電系數(shù)在8—15之間,，取12,。以海水作為上極板，海洋平均深度是3.6822km,。中心導(dǎo)體球距地面約40km,。那么地電容高阻介電層厚度就是36km,。

地球表面積5.10067866×1014平方米。

真空介電系數(shù)ε0=8.854187817×10-12F/m（近似值）,。

地電容的電容量是：

C=εr*ε0*S/d=8.86×10-12 ×12×5.1×1014/3.6×104≈1.45F（法拉）,。

由于地殼介質(zhì)層不是均勻的,，以上數(shù)值只是估算值,。

3 地電容的充電   

3.1  中心導(dǎo)體球內(nèi)部的溫差電勢     

從地球表面到地心，溫度是不斷升高的,。這里我們只分析巖石在高溫熔融易于流動狀態(tài)的軟流層,，和地殼下面剛性巖石區(qū)域之間的情況?；鹕絿姲l(fā)時巖漿主要來自軟流層的中下部,，軟流層上部固相界面以上巖石由于溫度低，這里的巖石塑性差呈現(xiàn)剛性,，根本無法流動,，但這里的溫度足以使巖石成為高導(dǎo)體。因此從這一層到地心可看成一個導(dǎo)體球,。

如果這個導(dǎo)體球中各處的溫度相等時,，由導(dǎo)體的靜電理論，在靜電平衡后地幔導(dǎo)體球內(nèi)部電場處處為零,，地幔中的凈電荷全部分布在導(dǎo)體球的外表面 (這里沒有傳統(tǒng)意義上的表面,外表面指的是由于地幔上層阻抗很大電荷不能再繼續(xù)上移近乎絕緣的一薄層),。但地幔中有軸向的溫度梯度，軟流層的溫度在1300℃以上,，軟流層上部固相界面以上巖石溫度不足400℃,，軟流層中部與軟流層上部的固相界面地幔上部有近1000度的溫度差，有溫差必定會產(chǎn)生溫差電勢,。

我們知道干燥巖石不能像金屬那樣靠自由電子導(dǎo)電,，因巖石中沒有自由電子。但高溫會使巖石中過氧化物的過氧鍵斷裂,，形成像半導(dǎo)體那樣的載流子（空穴）,。借助空穴，巖石晶格中電子的熱運(yùn)動范圍可擴(kuò)張許多,。

電子動能與溫度有如下關(guān)系：

式中m為電子質(zhì)量,，V為電子平均熱運(yùn)動速度，T為溫度,。由上式看出,，高溫軟流層的電子熱運(yùn)動速度，要比固相線上部剛性巖石中電子運(yùn)動速度大很多,，使兩處的電子擴(kuò)散形成差異,，由高溫區(qū)遷移擴(kuò)散到低溫區(qū)的電子多,，使高溫區(qū)的正電荷多于低溫區(qū)，于是就形成一個由高溫區(qū)指向低溫區(qū)的電場,。該電場會阻止電子從高溫區(qū)向低溫區(qū)的擴(kuò)散,，當(dāng)兩者達(dá)到動態(tài)平衡時，就形成一定的溫差電勢,，又稱湯姆遜電勢,。使固相線以上剛性巖石帶負(fù)電，軟流層帶正電,。雖然半導(dǎo)體的溫差電勢系數(shù)比一般金屬高幾千倍,，可這里的溫差電勢還是非常的小，僅有幾百毫伏量級,。這微小的溫差電勢也會使軟流層帶有少量正電荷,。

3.2  地電容的充電

軟流層是火山噴發(fā)的巖漿源頭（雖然火山巖漿是由火山巖漿池噴出，但巖漿池的巖漿也是來自軟流層）,，軟流層中的正電荷會隨巖漿一起被傳送到地球表面,。因中心導(dǎo)體球外界面是剛性的巖石無法流動，所以這里的負(fù)電荷不能移到地面,，只能積聚在此,。

根據(jù)靜電理論，中心導(dǎo)體球靜電平衡后,，導(dǎo)體內(nèi)部是不會有凈電荷的,。軟流層內(nèi)部由于正電荷流失而帶負(fù)電，產(chǎn)生一個由地殼指向軟流層負(fù)電荷的電場,。在這電場的作用下,，地幔中的載流子會有定向漂移運(yùn)動，使地幔內(nèi)部的負(fù)電荷轉(zhuǎn)移到中心導(dǎo)體球體的外表面,。此時,，中心導(dǎo)體球內(nèi)部上述的動態(tài)平衡被打亂，電子的熱擴(kuò)散加強(qiáng),，直至再次達(dá)到動態(tài)平衡,。因溫度的差異使軟流層始終保有少量的正電荷，這種溫差電勢只與溫差有關(guān),，與中心導(dǎo)體球外界面的電荷多少無關(guān),。

在漫長的時間里此起彼伏的火山噴發(fā)，巖漿裹挾正電荷不斷地輸送到地面,。中心導(dǎo)體球外界面不斷積累著負(fù)電荷,，使中心導(dǎo)體球外界面帶負(fù)電。

因電磁力和萬有引力一樣都是遠(yuǎn)程力，在中心導(dǎo)體球外界面負(fù)電荷的靜電力作用下,，隨巖漿升至地面的正電荷會下沉到地面導(dǎo)電層的下表面（這里的表面也不是傳統(tǒng)意義的表面,，而是地表層的正電荷下移到因巖石電阻增加而不能再下移的一層）。此時地電容的上極板帶正電,，下極板帶負(fù)電,，地電容被充電，地電容產(chǎn)生一定的電勢差,。隨著巖漿不斷地噴發(fā),，地表導(dǎo)電層下部的正電荷，和中心導(dǎo)體球外界面負(fù)電荷越積越多,，地電容的電勢差越來越高,。由巖漿的噴發(fā)及溫差電勢的作用下,，就像靜電起電機(jī)一樣,，把地電容充電到較高的電勢。作為地電容介質(zhì)的地殼巖石,，電阻不會無限大,，總會有漏電，漏電會隨地電容電勢差的增加而增加,，當(dāng)漏電損失的電荷和巖漿輸送到地面的電荷相等時,，地電容電勢差保持在一個動態(tài)平衡穩(wěn)定狀態(tài)，維持一定的電勢差,。見圖19,。

圖19    火山噴發(fā)地電容被充電

3.3地電容的電勢差

因地心不可入，無法直接測量地電容的電勢差,，現(xiàn)在沒人研究這問題,，沒任何資料可借鑒，所以只能大體估算,。

地球表面與近地空間及宇宙間有著頻繁的物質(zhì)交換,，當(dāng)然也有電荷的交換。地面的電荷,，會因植物尖葉等地面尖端物體的尖端放電,，把電荷釋放到空間；或大風(fēng)把附著在氣溶膠上的電荷吹拂到空間,；或降雨閃電等把電荷輸送到地面,；或宇宙帶電粒子沉降到地面等，都會使地面電荷發(fā)生變化,。

地球表層導(dǎo)電層是與地幔導(dǎo)電球體同心的導(dǎo)電球殼層,，由靜電感應(yīng)得知地球表層導(dǎo)電層下表面的電荷，與地幔導(dǎo)電球體外表面的負(fù)電荷電荷數(shù)量相等，都是由巖漿帶到地面的電荷量,。

如果地球表面沒有損失電荷,，那么地球表層導(dǎo)電層的上表面也不會有電荷，實際測量地球表層帶有負(fù)電荷,，所以這種假設(shè)不成立,；如果地球表面損失的是負(fù)電荷，地球表層導(dǎo)電層的上表面應(yīng)當(dāng)感應(yīng)出正電荷,，這也與實際不符,；只有地球表面損失的是正電荷，才能使地球表層導(dǎo)電層的上表面感應(yīng)出負(fù)電荷,，那么損失了多少正電荷呢,？一種可能是沒損失，如上面分析,，這種可能不成立,。一種是有損失，但損失的正電荷比巖漿從地下帶出的正電荷多,，另一種可能是有損失,，但損失的正電荷比巖漿從地下帶出的正電荷少。我們不知巖漿帶出的正電荷量,，只知道無論地球表面損失的正電荷是多還是少,，都會使地球表面帶負(fù)電荷，地球表面負(fù)電荷量就是地球表層損失的正電荷量,，那么到底損失的正電荷量比巖漿帶出的正電荷量是多還是少呢,？我們不妨這樣來估測一下。

軟流層溫度為1300℃,，軟流層上部剛性且導(dǎo)電率較高的區(qū)域溫度為400℃.若按2.5℃/100m的溫度梯度計算,，由400℃升高到1300℃，

溫差是：

△t=1300-400=900℃,。

距離是：

h=100×（1300—400）÷2.5=36Km

取地殼下面到軟流層中部一個截面s為1平方米,，長L為36km的柱體，由于溫差作用使負(fù)電荷擴(kuò)散到柱體的一端,，從而使L/2的另一端帶正電荷,。設(shè)柱體的冷端電勢為零，電荷體密度為ρ,。L/2柱體帶正電荷量Q是,；

Q= ρdL=SLρ/2。

由理論計算得知,，半導(dǎo)體的溫差電動勢率約為129μV/K,。所以這柱體的溫差電勢U=129μV/K ×（273+△t）=0.15V,。在電子熱擴(kuò)散與電場作用平衡時，柱體內(nèi)正電荷產(chǎn)生的凈電勢值就等于溫差電勢值：

U=KQ/r=K S（L/2）ρ/L=0.15v,，

K為靜電力常量,，k=9.0×109 N·m2/C2。

由此得,；

ρ=2×0.15/9.0×109=3.3-11庫倫/立方米,。

由實測得知：晴穩(wěn)天氣下大陸近地面大氣電場強(qiáng)度值E=120V/m，電場方向向下,，表明地面帶負(fù)電荷,。根據(jù)高斯定理，沿地面做高斯面得∮E.ds=E 4πR2=4πkq,，因此q=ER2/K,，計算的q=5.4×105庫倫。即地球表面帶有5.4×105庫倫的負(fù)電荷,。

假設(shè)地球表面帶的負(fù)電荷,，在數(shù)量上就是地球表面損失的正電荷量，由此得知只要1.6 x1016立方米巖漿就能帶出這些電荷,。

黃石國家公園最大一次火山噴發(fā),，就噴出巖漿2.45x1013立方米，所攜帶出的電荷接近地電容所儲存的電量,。全球每年約有50多次火山噴發(fā)，噴發(fā)出的正電荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地電容儲存的電荷量,。

所以地電容極板上的電荷要比5.4×105庫倫大的多,，且地球表層導(dǎo)電層的下表面積小于上表面積，因而地電容極板間電場,，即地球表層導(dǎo)電層以下的地殼中的電場要比近地大氣電場大的多,。按近地大氣電場大的數(shù)值E0=120V/m，巖石相對電介系數(shù)εr=12,，大體估算,。

E=E0/εr=10V/m

其地電容的電勢差:

U=Ed=10×3.6×104=3.6×105伏。

所以地電容的電勢差至少在十萬伏以上,。

巖漿從軟流層中（火山巖漿池的巖漿來源也是軟流層）噴出,，是客觀事實。只要證明火山噴出的巖漿帶正電荷,，以上論述就會得以證明,。那么有什么證據(jù)證明巖漿帶正電荷？最好的方法是取火山剛噴出的巖漿進(jìn)行檢測,，但到此沒人做過此項檢測,。

巖漿噴出后有些會在地面慢慢冷卻，其攜帶的正電荷，在巖漿的電導(dǎo)率還沒變小前已釋放完,，所以大部分巖漿巖不帶電荷,。有些巖漿會噴到高空快速冷卻，在落回地面前已由高導(dǎo)狀態(tài)變?yōu)楦咦锠顟B(tài),，如果巖漿帶電,，噴出地面的巖漿來不及把所帶的正電荷全部釋放完，由于冷卻巖漿會由高導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)變成高阻狀態(tài),，巖漿中的部分正電荷會被禁錮在火山巖中,。在高阻狀態(tài)下巖漿巖會保留原來的電荷而帶電。大家知道海綿狀巖漿巖帶有正電荷,，常用作火山巖生物濾料使用,。這就證明巖漿在涌出之前是帶正電的。如果巖漿在噴發(fā)過程中由于摩擦而帶電,，那么部分火山巖必定帶有負(fù)電,，事實是火山巖都帶正電，這就否定了由于摩擦而帶電的假設(shè),?？烧f明巖漿噴出前是帶正電的。這事實驗證了上述論斷的正確性,。

3.4 地電容的漏電

實驗室模擬地下溫度,，壓力逸氧度等環(huán)境下測得的地下巖石電阻率，僅為104—106Ω·m之間,。如果按此值計算,，全球地電容兩端之間的總電阻不到1歐姆，這樣小的電阻,，地電容的電壓瞬間即可消失,！

依據(jù)導(dǎo)電機(jī)理，可分為靠電子移動傳導(dǎo)電流的電子型導(dǎo)體,，如金屬導(dǎo)體,。靠離子移動傳導(dǎo)電流的離子型導(dǎo)體,，如含有帶電離子的液體氣體等,。還有靠化合鍵位的電子空穴移動傳導(dǎo)電流的半導(dǎo)體。作為地下巖石,，以上三種電流傳導(dǎo)方式都有,。

地殼中雖然有黃銅礦，閃鋅礦,，石墨等電子導(dǎo)體,，但含量有限只是局部存在,，不會形成貫穿地殼的導(dǎo)電通路。巖石中有可自由移動的電子但微乎其微,。中下地殼中雖然存在由過氧化物的過氧鍵斷裂,，巖石結(jié)晶缺陷等因素形成的P型導(dǎo)電空穴，但因空穴數(shù)量過少,，彼此之間相距甚遠(yuǎn),，也無法形成導(dǎo)電通路。

在數(shù)千米地下,，由于溫度的升高,，巖石所受壓力增大，巖石裂隙減少,，空隙閉合,，互不聯(lián)通，巖石內(nèi)部僅存有極少量的流體（液態(tài)水）,。包裹全球的厚厚干熱巖是無法利用巖體內(nèi)離子移動傳遞電流,。

從世界第一深井--科拉半島深井取得的巖心分析，在9Km以下巖石中的水是以結(jié)晶水形式存在,，這就不存在離子移動的可能性,。這說明中下層地殼巖石電阻率極高。

在巖石電阻率的測量中,，無論使用什么儀器,，其原理是一樣的。先用精密儀器測出流過巖石的電流和施加的電壓,，由電阻的定義式R=U/I求出電阻,，或由公式ρ=E/j計算出電阻率ρ。如下圖：

圖20                                                   圖21

在圖（20）中,，兩測量電極間施加一定電壓U，在兩電極間無任何電介質(zhì)（真空）時,，在兩電極間的外加電場強(qiáng)度為E0,，當(dāng)兩電極間放入巖石介質(zhì)后，巖石介質(zhì)中分子的正負(fù)電荷,，在外加電場E0作用下會產(chǎn)生偏移,，這種現(xiàn)象叫電介質(zhì)極化。電介質(zhì)極化后會在垂直外電場的介質(zhì)面上產(chǎn)生束縛電荷（極化電荷）,，如圖（21）,。極化電荷產(chǎn)生的電場Er方向與外加電場E0方向相反，介質(zhì)內(nèi)部的電場強(qiáng)度E是外電場和極化電荷電場的代數(shù)和：

E = E0－Er,。----------------------（1）

如果用0 表示極板上的電荷面密度,，由高斯定理:

同理如果用r表示極化電荷面密度得：

在一定外電場中,，極化電荷的多少與電介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。設(shè)P為與電介質(zhì)有關(guān)的電介質(zhì)極化強(qiáng)度,，則有：

當(dāng)極化強(qiáng)度的矢量方向與電介質(zhì)界面垂直時 

得：

由實驗得知：電介質(zhì)的極化強(qiáng)度P與介質(zhì)中的電

P=0eE,，     式中e是電介質(zhì)的電極化率。

所以：E =0/0－r/0=E0－eE     E=E0/(1+e),， 0E=0E0/(1+e),

常數(shù),。

由于組成巖石的礦物成分復(fù)雜，存在不同化學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的礦物,，處在電場中的巖石,，有電子位移式極化、離子位移式極化及偶極子取向式極化,。不同的礦物,，不同的極化類型，極化的程度也各不相同,。這多種極化類型的礦物混雜在一起,，極化情況極為復(fù)雜。為簡便分析,，我們把它看成是簡單的兩層,，這又會形成夾層極化現(xiàn)象。見圖（22）所示,。

圖22                                                      圖23 

圖中22電極1和電極2中間巖石,，是不同介電常數(shù)和電導(dǎo)率的多種電介質(zhì)組成的絕緣體，電極1和兩種介質(zhì)的分界面電荷形成電容C1,，電極2和兩種介質(zhì)的分界面電荷形成電容C2,，介質(zhì)1和介質(zhì)2的傳導(dǎo)電阻為R1和R2。右邊為等效的電路圖,。

在外部電場作用下,，各層電壓從開始按介電常數(shù)分布逐漸過渡到穩(wěn)態(tài)時按電導(dǎo)率分布。在電壓分配的過程中,，夾層上會積聚一些電荷,，使得整個介質(zhì)的等值電容增大，這種極化稱為夾層介質(zhì)界面極化（夾層極化）,。

分析可得初始時刻和穩(wěn)態(tài)時,，電壓的分布情況：

假設(shè)C1＜C2，而R1＜R2,，而且C1/C2≠R2/R1,。 t=0時：U1＞U2；t=∞時：U1＜U2,。則從初始時刻到穩(wěn)態(tài),，U1下降而U2 增高,，這意味著電容C1要通過電阻R1放掉一部分電荷，而C2電容要通過電阻R2補(bǔ)充一部分電荷,，分界面上將積聚一批多余的空間電荷,，這就是夾層極化引起的吸收電荷，電荷積聚過程形成的電流稱為吸收電流,。這種極化現(xiàn)象存在于復(fù)合介質(zhì),、不均勻介質(zhì)中，極化過程很緩慢,，電荷積聚和移動,，極化伴隨著能量損耗。這種能量消耗叫極化吸收消耗,。

另外巖石中不可避免的會有一些含水孤立裂隙如圖（24）所示,。

圖24  

水中的離子在電場的作用下會在孤立裂隙中移動，改變巖石內(nèi)部的電場分布,，從而改變巖石表面的極化電荷數(shù)量,，使電路中產(chǎn)生電流，這就是離子遷移極化電流,。由于裂隙是孤立切封閉的,，裂隙水中的離子無法移出巖石體外，當(dāng)裂隙里的離子移動到裂隙盡頭時無法不再移動,，電路中的遷移極化電流就降為零,。

在離子遷移極化過程中是消耗能量的，遷移極化消耗能量越大,，測得的介質(zhì)電阻率越小,。由于離子在水中移動速度緩慢，電路中遷移極化電流需很長時間才消失,。遷移極化電阻率是和傳導(dǎo)電流的電阻率是并聯(lián)的,，當(dāng)測量時間較短時，得到的遷移電阻率就越小,。

綜上所述,，可用下圖25等效直流電阻測量電路。

圖25   等效直流電阻測量電路

電路中的R1,、R2為介質(zhì)1、介質(zhì)2的介質(zhì)極化平衡消耗電阻,。R3為離子遷移消耗電阻,，R4為直流傳導(dǎo)消耗電阻。C1,、C2為介質(zhì)極化平衡電容,，C0為無損耗等效電容,。I0為穩(wěn)態(tài)電流，I1為極化平衡電流或吸收電流,，I2為離子遷移電流,，I3為等效電容充電電流，I4為直流傳導(dǎo)電流,。

各電流隨時間的變化曲線如圖26所示：

圖26  

在電路接通的瞬間,，C0充電電流I3極大，其大小決定于外電路的電阻,，但會迅速下降到零,，是存在時間短暫的充電電流；吸收電流I1則隨著加壓時間增長而逐漸減小,，減小的速度與巖石介質(zhì)的電阻率有關(guān),，當(dāng)巖石電阻率相當(dāng)大時，需要數(shù)十分鐘或數(shù)天甚至數(shù)年才衰減到零,；離子遷移電流I2與巖石裂隙長度巖石裂隙填充物等有關(guān),，短的裂隙幾秒即可減小到零，實際地層中可能幾年以上,，由于巖石裂隙眾多,，長短不一，宏觀上I2也是逐漸減小,，經(jīng)很長很長時間離子遷移電流才減小到零,；直流傳導(dǎo)電流是長期存在的。無論是吸收消耗,，遷移消耗,、還是傳導(dǎo)消耗，消耗功率越大,，測得的電阻率越小,，他們都是并聯(lián)關(guān)系。前兩項與時間有關(guān),，當(dāng)測量時間不夠長時,，前兩項所呈現(xiàn)的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳導(dǎo)消耗的電阻率。

由于在直流電阻率檢測中,，檢測時間不可能很長,，所以測量的巖石電阻率中包含了遷移電流損耗電阻、吸收電流損耗電阻及傳導(dǎo)電流損耗電阻三種的混合值,。當(dāng)檢測用時不夠長時,，前兩種產(chǎn)生的電阻率遠(yuǎn)小于傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的電阻率。

地層在地電容電勢的作用下，經(jīng)千萬年漫長時間過程,，遷移電流和吸收電流均為零,，只有傳導(dǎo)電流，而巖石骨架是極好的絕緣體,，所以地下巖層的傳導(dǎo)電流幾乎為零,，所以地電容能夠長期保持一定的電壓。

在采用直流測量法中,，如果是高電阻率的巖石,，由于電源電壓不可能很高，（過高的電壓極易燒壞儀器）因而通過巖石的電流非常微小,，無法檢出,，即是采用精密放大電路，放大器噪聲,，零點漂移等使誤差很大,。

由于直流法測量電阻率有許多缺點，所以現(xiàn)在大都采用交流法,。

在交流電路中,，阻抗往往用復(fù)數(shù)形式Z=R+jX來表示。其中,，實數(shù)部分R就是電阻,，虛數(shù)部分是由容抗XC、感抗XL組成,。容抗XC=1/2πfC,，感抗XL=2πfL。容抗與感抗在向量上是相反的兩個量,，因電容上的電流超前電壓一定角度,，所以容抗是負(fù)值。電路的阻抗為：

Z=R+（2πfL-1/2πfC）----------------------------（5）

理想的電感或電容,，只是儲存電荷的容器,，進(jìn)行電場和磁場的轉(zhuǎn)換中不消耗任何能量。當(dāng)電路諧振時J（XL－XC）=0,，因電抗和容抗在相位上正好相反,，相互抵消，電抗部分為零,，這時電路的阻抗就只有傳導(dǎo)阻抗R,。這時測出電路的電流值即可求得電阻率。

在交變電場作用下,，作為電容電介質(zhì)的巖石電介質(zhì)開始受電場作用產(chǎn)生極化,，需經(jīng)過一段時間后，電介質(zhì)才能達(dá)到應(yīng)有的極化強(qiáng)度，這叫松弛極化,。如果交變電場變化太快，電介質(zhì)還沒達(dá)到應(yīng)有極化強(qiáng)度時,，電場就轉(zhuǎn)向,。使極化強(qiáng)度跟不上外電場的變化出現(xiàn)滯后，從而引起介質(zhì)的發(fā)熱損耗,，這叫松弛極化損耗,。

若作用在介質(zhì)上的是交變電場，如果外加電場的角速度為ω則有：

所以相角δ也與頻率有關(guān),。當(dāng)頻率為零時,，δ也為零，電介質(zhì)不會出現(xiàn)松弛極化,，這時ε1=E0,、ε2=0。這便是靜電場的情形,，這時介質(zhì)損耗為零,。

由于地下巖石成分復(fù)雜，不同性質(zhì)的巖石顆粒產(chǎn)生松弛極化的頻率起點不一樣,，隨著頻率的增加,，介質(zhì)損耗越來越大。

令 tan(δ)= ε2（ω）/ε1（ω）,，可證明tan(δ)與介質(zhì)損耗有關(guān),，所以把tan(δ)叫做損耗因子。頻率越高tan(δ)越大介質(zhì)損耗也越大,。

在交流巖石電阻率的檢測中,，不但有遷移電流損耗、吸收電流損耗還有松弛極化損耗和諧振消耗,，這些消耗越大,，等效電阻率越小。所有這些等效電阻都是并聯(lián)關(guān)系,，這些等效電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖石的傳導(dǎo)電阻率,。所以這交流參量是不適宜用于長期靜穩(wěn)的地下環(huán)境。

地下巖石介質(zhì)在千百年的漫長時間里,。其遷移損耗電流,、吸收損耗電流早已降至為零。又因地電容電勢是千古不變的靜穩(wěn)電壓,，也就沒有松弛極化損耗和諧振消耗,，有的只是傳導(dǎo)損耗電阻R。無論是直流還是交流檢測方法得到的是遷移電流損耗、吸收電流損耗還有松弛極化損耗的等效電阻率,，這些電阻率特別小,。組成巖石骨架物質(zhì)的電阻率是無窮大的，是良好的絕緣體,。這就使地電容的漏電流非常微小,，使地電容長期保持穩(wěn)定的電勢。

下圖27是地電容漏電的等效電路,。A,、B是地表層和上地幔的導(dǎo)電層，Ud是地電容的電勢,，AB之間是巖石介電質(zhì),，I0是漏電流。由于地下巖石是靠離子移動傳導(dǎo)電流,，這類似于電解池中的電解液,。當(dāng)有漏電流通過時，巖石中微量的自由電子移動到電極處必定會在AB兩導(dǎo)電界面處發(fā)生氧化還原反應(yīng),。因電化學(xué)反應(yīng)速度遠(yuǎn)小于電子的遷移速度,，導(dǎo)致A極板處正電荷積累，B極板處負(fù)電荷積累,，

圖27   地電容漏電等效電路

產(chǎn)生化學(xué)極化,。化學(xué)極化電勢與地電容電勢相同,，這極大的阻礙了漏電流的增加,。

圖28                                                 圖29

極化效應(yīng)等效為一個電容，即極化電容,，等效電路如上圖,，Uc為極化電容， R1為巖石電阻,。在巖石電導(dǎo)率的測量中,，回路總電阻R為阻抗R1與容抗Xc=1/2πfc的并聯(lián)值，即R=R1/(R1+2πfc ),。所以即是采用直流測量,，由于測量時間的限制，測得的巖石電阻率遠(yuǎn)小于實際值,。

如果施加到AB極板間的電壓是交流電,，靠近極板界面巖石中的帶電離子只在原地來回擺動，即可形成很大的漏電流,?？傻仉娙輧蓸O板間是千百萬年不變的直流電壓,。界面巖石中微量可移動的電荷一直沿一個方向移動，若沒有液態(tài)水的存在,，帶電離子是不能在固態(tài)巖石中移動的,，界面巖石中的帶電離子得不到補(bǔ)充，這類似于半導(dǎo)體二極管的PN結(jié),?？傆幸惶鞎褬O板附近的可移動電荷消耗殆盡，形成一層高阻層,，屆時漏電流將減小到接近零。此高阻層的阻抗便是法拉第阻抗,。圖28中R1,，R2是法拉第阻抗的等效電阻。

無論是向下滲漏的水,。還是向上噴涌的巖漿其電阻率都很低,，均會使地電容短路，泄漏掉地電容的電壓,。由于法拉第阻抗的產(chǎn)生,，使漏水或巖漿噴涌的管道周圍形成電阻率極高的套管，阻止了漏電流的發(fā)生,。再者每年幾十次的火山噴發(fā),，各大洋洋中脊連續(xù)不斷的巖漿涌出，源源不斷地補(bǔ)充著地電容因漏電損失的電荷,，使地電容保持著基本恒定的電壓,。

3.5 地電容的漏電補(bǔ)償

雖然地電容的漏電很小，如果得不到充電補(bǔ)償,，天長日久地電容電壓就會消失殆盡,。是什么機(jī)理維持地電容保持恒定的電壓呢？顯然幾次火山噴發(fā)是不能維持的,，必定還有別的電荷供給渠道,。

維持地電容電壓不變的能量來源就是地球內(nèi)部的熱能，地幔的熱能不僅能使正負(fù)電荷分離產(chǎn)生溫差電勢,，還使正電荷逆地電容的電場而升至地殼層,。

全球各大洋中都存在大洋中脊。大洋中脊是由因地球深部地幔熾熱巖漿對流活動產(chǎn)生的地幔柱,，地幔柱撕裂地殼不斷地向上噴涌巖漿形成的海嶺,。海嶺長度達(dá)8萬公里，高度約3公里,。涌出的巖漿形成新的地殼,，并以每年1—5厘米的速度橫向推擠兩邊原地殼,。但靠涌出巖漿攜帶的電荷來補(bǔ)償?shù)仉娙蓦姾蓳p失，是杯水車薪,。

地電容的主要電荷補(bǔ)償來源是不計其數(shù)的海底煙囪,。1979年，美國科學(xué)家比肖夫博士首次在太平洋2500米的海底發(fā)現(xiàn)海底黑煙囪,。2014年日本海上保安廳用無人機(jī)探測發(fā)現(xiàn),，日本近海海底有100多座海底黑煙囪群。海底黑煙囪是溫度高達(dá)400℃的海底噴泉,。

海底煙囪的成因是,，海水通過地殼裂隙下滲到地幔熔巖層，滲入的冷海水受地幔高溫加熱后,，以熱泉形式從海底噴出,。若海底熱泉噴口溫度在400℃以上時，噴出的熱水像黑煙一樣,，故名黑煙囪,。因地下達(dá)到400℃的地層是地幔上層，熱水上涌過程中溫度必定會逐漸降低,，熱噴泉口水溫達(dá)400℃,，說明下滲的海水深達(dá)地幔的軟流層。

海水也是導(dǎo)電體,，也必定產(chǎn)生溫差電勢,。噴泉的水柱靠近地幔軟流層端帶正電荷，靠近地殼下層端帶負(fù)電荷,。同火山噴發(fā)的巖漿一樣,，上涌的熱水把正電荷帶到地球表層，使地電容充電,。世界各地不計其數(shù)的熱泉不停地噴涌,，使地電容保持恒定的電壓。

海水是電阻率較小的導(dǎo)體,，貫穿地電容上下極板的水柱,，會不會形成短路，把地電容的電壓放掉呢,？我們知道導(dǎo)體大致有三種導(dǎo)電機(jī)制：一是靠電子移動傳導(dǎo)電荷的電子類導(dǎo)體,，這類導(dǎo)體主要是金屬，石墨,，水銀,，閃鋅礦等物質(zhì)。二是靠離子移動傳導(dǎo)荷的離子型導(dǎo)體,，如水溶液,，電離氣體等,。還有靠共價鍵的價位空穴傳導(dǎo)電荷的半導(dǎo)體。把黑煙囪的水柱換成電子類導(dǎo)體,，因金屬導(dǎo)體中有大量自由電子,，而且電子的移動速度極快，肯定會把地電容短路,。水是靠溶解到水中的電解離子移動導(dǎo)電的,，水中的帶電離子移動速度很慢，且數(shù)量有限,。當(dāng)水流的速度大于離子移動速度時,，地電容上的電荷就無法靠離子移動把電荷傳送到另一極板，因而地電容不會短路,。

當(dāng)然還有一些不為人知的機(jī)制來給地電容充電,，維持地電容電勢長期不變。

4  地震本征電場

由北京大學(xué)王麗華,，孫正江學(xué)者試驗得知，花崗巖,，玄武巖,，沉積巖等巖石發(fā)生破裂時其介電系數(shù)會大幅減小，Δεr/εr可達(dá)35%之多[12],。地震大都發(fā)生在地幔以上作為地電容介質(zhì)的地殼和上地幔中,，地震前巖石首先發(fā)生分子層面的微破裂，大量的微破裂就會引起宏觀展現(xiàn),，大區(qū)域的介質(zhì)系數(shù)也會大幅減小,。根據(jù)電容公式C=εS/D, C=Q/U, 得U=QD/εS,設(shè)Q不變時，可知其電容的端電壓與ε成反比,。此時地電容電勢將升高原來的30%以上,。

我們知道平板電容兩極板若帶等量異種電荷，無論電荷多少,或者電容的電勢高低,，極板外側(cè)電場均為零,。但當(dāng)電容的電介質(zhì)系數(shù)變化時就是另一情景。

在外加電場的作用下,，作為絕緣介電物質(zhì)的地殼巖石分子會產(chǎn)生極化,，垂直電場的兩個界面會產(chǎn)生不能移動的極化電荷。巖石的介電常數(shù)減小后,，產(chǎn)生的極化電荷也減少,。因此處原有的正電荷沒有變化，所以正電荷數(shù)量遠(yuǎn)大于極化的負(fù)電荷,，釋放出大量正電荷,。

這里距中心導(dǎo)體球表面的負(fù)電荷約40km,，中心導(dǎo)體球表面負(fù)電荷對這些釋放出來的正電荷的靜電引力，小于此處正電荷的相互斥力,，于是正電荷擴(kuò)散到地表,。使地表正電荷數(shù)量增多，地面電勢升高,。這種現(xiàn)象我們叫地電容的震電效應(yīng),，見圖30。

圖30  地震前正電荷上浮到地球表面

由于地震區(qū)域地表的正電荷數(shù)量比其他地方多,，必定與周邊區(qū)域形成一個向四周輻射的地電場,。因只有地層巖石破裂才會產(chǎn)生這種電場所以這電場僅與地震唯一關(guān)聯(lián)，且與地震參量保持一定的線性關(guān)系,，為區(qū)別其他電場,，把這電場叫做地震本征電場。如果巖石破裂使地震區(qū)域的整體巖石介電系數(shù)減小1%,，那么地面電勢至少會上升幾萬伏以上,。（待續(xù)）