地震的地电阻率前兆机制探讨

1、地震的地电阻率前兆机理探讨陈维会 （临沂大学）电法勘探是研允地质构造的地球物理勘探方法，其中理论研宂比较透彻的地 电阻率法具有设备简单，技术成熟，得到广泛的应用。此技术也被移植到地震前 兆检测中，但探测地质构造和检测地震前兆是大不相同的两种事物，有木质的区 别。如果把地质勘探的理论也用于地震前兆检测中就十分不妥，这不仅不能正确 的检测和区分地震前兆信息，更重要的是，这种检测方法得不到正确的理论支持, 无法进一步改进检测措施，提高利用地电阻率捕捉地震前兆信息的能力。地电阻率的大小决定于地层土壤或岩石的阎体电性、空隙结构、温度、含水 量、水中导电离子数量等因素。科学家经过严格的科学实验，得出地电阻

2、率与一 些因素的关系如下：1固体骨架的电性构成岩石或土壤的固体物质的电性有两种，一种是电子导电的矿物，如石墨、 黄铜矿、磁铁矿、闪锌矿等。这类矿石电阻率一般较低，作地震检测时应尽量避 开。一种是靠离子导电的矿物，主要是岩石及土壤。它们是靠空隙中水溶液中的 离子运动传导电流的。2岩石电阻率与应力的失系土壤或岩石受到外力时，骨架的空隙结构会发生变化，当应力为压缩力时， 具有饱和水的岩石，岩石的颗粒间接触紧密，使孔隙变小.甚至造成孔隙闭合， 导致孔隙连通受阻，防碍了流体中导电粒子运动，致使导电能力减弱，电阻率增 大，如下图：0120 jo 4050tt力（mp垂up3分mm/餐i知惠c水相反，当应力

3、为扩张力吋电阻率会减少。如果是不饱和水的岩石，受到压缩应力时，因岩石空隙变小，原空隙屮的液 体水会充满空隙，使各空隙联通，这时随压缩应力的增加，电阻率呈减小趋势。 反之则相反。3岩石电阻率与岩石水饱和度间的关系岩石在一定温度、压力条件下，岩石电阻率随含水饱和度的增加而降低。相 同的条件下，电阻率的大小取决于水充满有效孔隙体积时，水所占孔隙的比例。图s 岩裨食水憶k度与电囲寒关累qe岩石水占有效孔隙体积的百分数一定程度地消除了孔隙度的影响，在岩性 实验中证明，岩石电阻率与水饱和度有很强规律性。4岩石电阻率与温度的关系地层水电阻率与温度有密切的关系，温度影响水溶液中带电离子的迁移速度， 在外电场的

4、作用下，离子迁移速度与温度成正比，所以温度升高，水的导电能力 加强，电阻率降低。反之电阻率升高。5岩石电阻率与水中带电离子的关系靠离子导电的岩石，其干燥的岩石电阻率非常大，可看做是绝缘体，纯水的 电阻率也非常大，地层岩石的导电主要靠溶解到水中的带电离子，在水中定向移 动。所以水中的电荷直接影响到地层岩石的电阻率，这也是影响岩石电阻率的主 要因素，岩石电阻率与水中带电粒子数量成反比关系。地电阻率用于检测地震前兆信息己有儿十年的历史，全国布置了大量的地电 阻率检测台站，收集了大量信息，经对数据分析，地电阻率与地震有一定的对应 关系。地震前绝大多数台站的地电阻率均呈现下降异常。对地电阻率与地震的联

5、系机制，学者们都理所当然的套用地质勘探的理论，用地震前夕地层应力变化， 地下水位变化，地层温度变化三个方而来解释。当仔细研宄这些台站的地电阻率 检测环境和异常数据时，会发现用地质勘探的理论解释根本解释不通。例如，昌黎地电台检测到了固体潮引起的地电阻率变化曲线，说明地层电阻 率会随固体潮的应力变化而变化，有大有小。见下图：00)002060 i g 200scj/ihs由于地电阻率的检测系统都安置在地表，安置在深井的也不过几西米深，所 以所检测的岩石处于半围压状态，上部是自由空间，垂直方向几乎不受地震应力 作用。地震后，地面有隆起，有裂隙。这就证明地震孕育后期的地层岩石，有区 域受到的应力为压缩

6、力，有区域为扩张力。按照岩石电阻率与应力的关系，无论 是水饱和岩石还是水的不饱和岩石，地震前检测的地电阻率，应像受到hm体潮应 力那样，应该有升高，也有降低。但实际是绝大多数为地电阻率是降低的。这与 理论和实际不符。如果说这是由于地t水上升引起的，地震前，井水有降有升，说明地下水并不是只有上升没有下降。按照岩石电阻率与岩石水饱和度间关系，地震前检测的 地电阻率，应该是也有升有降。实际是绝大多数为地电阻率是降低的。这也与理 论不符。近几年为了消除地表的各种干扰，采用深井法检测地电阻率。莒县深井的电 极全部在潜水水位以下，费县的地电阻率检测电极全部放入井屮。这些深井的检 测电流大部分集中在井筒的水

7、中，很少经过岩层。从实际检测结果分析，这些采 用深井检测地电阻率数据，除避免一些地面干扰外，异常信号特征与远距离电极 地表检测系统相同。因卯筒里的水不像岩石那样受到什么应力变化作用，或空隙 变化，或饱和度变化，但电阻率依旧冇应震现象，而ii还是电阻率降低。这用岩 石电阻率与岩石水饱和度间关系、岩石电阻率与应力的关系根本无法解释。这说 明我们必须另外寻找地震引起地电阻率变化的原因。除了岩石的水饱和度、岩石的应力能引起地电阻率变化外，岩石缝隙水中带 电离子的多少也会引起地电阻率的变化。结合地震前大气电场的负异常，电离层 总电子数异常，地震光等现象。地震前地电阻率异常是由地层水中电荷增加引起 的可能

8、性最大，这与其他电磁现象应是一脉相承的。那么是什么机理使地层屮电 荷增加呢？下面就定性的介绍一下。20世纪以前，人们认为地球是一个内部比较均匀的大圆球。1909年10/1， 巴尔干地区连续发生地震，克罗地亚地球物理学家安德烈莫霍洛维奇在研究近 30个地震台站的地震波记录资料吋发现，某些地震波到达观测站的时间比预计 的要早，因此他颠覆了以前的观念，推断地球内部结构是分层的。经科学探测， 世界科学家认同了这一观点。按导电能力，地球有着圈层结构。一、地球导电性特性的圈层结构目前人们最深钻探深度不超过12km,地球内部是遥不可及的区域，无法直 接进行取样检测，只能理论推测和间接测量。由许多科学家用大地

9、电磁探测法， 天然地震探测法等多种方法检测表明，地球存在着不同导电性能的圈层结构，按 照地球各物理层的电导率，地球可分为如下几层：1地球表层导电层地球表层导电层也就是地球最外面的高导层，主要是 由含水的多裂隙沉积岩，风化土壤，及海洋。电阻率在looq.m左右，海水小于 0.1 o .m,所以地球表层冇良好的导电能力。2地壳高阻层地球表层的高导层再向下的基岩，主要是花岗岩和玄武岩构 成，由于其内部压力和温度的升高，岩层里的水是以结晶水，强结合水和气态水 形式存在，电阻率很高，裂隙里虽有较多的自由水，但裂隙很少，多呈水平状态, 大多不贯通，所以整体电阻率很大，高达5x107q.m。对主要靠离子导电

10、的基 岩来说是很好的绝缘层。3地壳中间高导层经探测，在地1 6-12km的地壳屮存在一层全球性的 高导层，电阻率在0.02-lq.m。4上地幔高导层地幔的中上部可能由于放射元素大量集中，蜕变放热， 热量积累，使这里的温度有较大的异常升高，岩石软化并局部熔融造成“软流 层”。由于软流层温度高，再加上放射性元素的放射电离，氧逸度改变，所以软 流层也成高导层电导率在0.01s/mls/m左右。5下地幔高导层随着深度的增加，温度也缓慢升高，电导率也在增加。 下地幔的电导率大于ls/m。6内外核高导层据推测外核是液态的铁镍等金属，内核是固态的金属铁， 它们都是良好的导体。二、地球岩石形态的圈层结构1地壳

11、地壳是地球表层的岩石层，大陆下的地壳平均厚度约35公里，海 洋下的地壳厚度仅约510公里；整个地壳的平均厚度约17公里，这与地球平 均半径6371公里相比，仅是薄薄的一层。地壳上层主耍由花岗岩层（岩浆岩），下层为玄武岩层（岩浆岩）组成。理 论上认为每深入100米温度升高1°c。近年的钻探结果表明，在深达3km以上时， 每深入100米温度升高2.5°c,到11公里深处温度己达200°c。2上地幔在地面下33980km深度处为上地幔，厚度约950km，温度为 4003000°c。科学家研宄地震波传播速度在地球内部的变化时发现，上地幔 接近顶部的位置有一个地震

12、波传播速度明显减缓的层，称为“古登堡低速层”。 推测此层是由于放射元素大量集中，蜕变放热，积累的热量使岩石软化并局部熔 融造成的，故称为“软流层”。软流层深度在60-250km之间，温度在1300度左 右，基本上呈全球性分布。据推测，可能是岩浆的发源地。3下地幔下地幔深度在9802900km,美国一些科学家用实验方法推算出 地幔与核交界处的温度为350ctc以上，上部是阀态，下部是液态或熔融状态。4外核外核深度约29004700km，外核与内核交界处温度在5000°c以 上横波不能在外核中传播，表明了外核的物质在高温和高压环境下呈液态或熔融 状态。5闪核n地核是一个半径为1250公里

13、的球心，物质大概是固态的，主要 由铁、镍等金属元素构成。地核的温度和压力都很高，据美国科学家最新研究, 估计温度可达6300°c。三、地电容由于地壳表层是高导层，地壳的屮部岩石是高阻层（忽略康拉德界面的低速 高导层），地壳下面的地幔又是高导层，把地球表层的导电层作为一个上极板， 地球表层以下地壳岩石作为电介质，导电的软流层作为一个下极板，即可构成一 个天然的电容器，这里叫它地电容。作为地电容电介质的地壳下层玄武岩其介电系数在815之间，取12。海 洋平均深度是3.6822km,地壳的下部上地幔顶部电导率已很高，接近常温半导 体的电异率，把这里看作是地壳的绝缘层边界是可以的，这里距地面

14、约40km, 那么地电容电介质层厚度就是36km。地球表面积5.10067866x1014平方米，e 0=8.854187817x 10-12f/m （近似值），地电容的电容量是：c= e r* e 0*s/d=8.86x 10-12 x 12x5.1 x 1014/3.6x 1041.45 法拉。由于地壳介质层不是均匀的，以上数值只是估算值。四、地电容的电势差因橄揽石是上地幔顶部最主要的组成矿物，科学家模拟地幔上部的温度压力 氧逸度及其它热力学条件下测出橄榄石的电导率在0.00010.01s/m，科学家用 大地电磁探测法测得，上地幔软流层顶部的电导可达0.01s/m以上，远远高于室 温下半导

15、体硅的电导率（0.00046s/m）,在传异电流近似为零的情况下，把地壳 以下（包括刚性的上地幔上部，熔融状态的上地幔中下部，下地幔及外核内核） 部分看作是导体球是完全可以的。1、地电容的充电软流层中底部的温度在130ctc以上，这里的物质呈现熔融的软流状态，易 于流动。软流层上部的上地幔与地壳的过渡区温度不足400度，这里的岩石塑性 差呈现刚性，根木无法流动，所以火山岩浆主要来自软流层的中下部。如果把地壳以下部分看作是导体球，且各处温度相等时，那么在静电平衡后 地幔导体球a部电场处处为零，地幔屮的净电荷全部分亦在导体球的外表面（这 里没有传统意义上的表面，外表面指的是由于地幔上层阻抗很大电荷

16、不能再继续 上移近乎绝缘的一薄层）。但地幔中有轴向的温度梯度，软流层中部和地幔上部 有近1000度的温度差，有温差必定会产生温差电势。依据经典物理学理论，刚性不能流动的上地幔上层，与火山喷发吋的岩浆源 头一一软流层（上地幔的中丁部）两处的温度不同，高温软流层的电子热运动, 耍比温度较低的地幔上部电子运动激烈，使两处的电子扩散形成差异，由高温区 扩散到低温区的电子多，使高温区的正电荷多于低温区，于是就形成一个由高温 区指向低温区的电场，该电场会阻止电子从高温区向低温区的进一步扩散，当两 者达到动态平衡时，就形成一定的温差电势，又称汤姆逊电势。使刚性的上地幔 上部带负电，熔融可流动的上地幔屮下部带

17、正电荷。虽然半导体的温差系数比一 般金属高几千倍，可这里的温差电势还是远小于1伏。这微小的温差电势也会使 软流层带有极微量正电荷。地幔导电球体内部电场不再为零，但净电荷为零。软流层是火山喷发的岩浆源头，软流层那少量的正电荷随岩浆一起被传送到 地球的表面，因地幔顶部的物质是刚性的无法流动，所以这里的负电荷不能移到 地面，只能积聚在此。地幔导电球体闪部由于正电荷流失而带负电，导体内部是 不会有净电荷的，导体中的电荷都分布在导体的表面。静电平衡后，地幔导电球 体内部的负电荷会转移到这导电球体的外表面，此时地幔导电球体内部上述的动 态平衡被打乱，电子的热扩散加强，直至再次达到动态平衡。因此软流层中下部

18、 始终保冇微量的正电荷。在漫长的时间里此起彼伏的火山喷发，岩浆裹挟正电荷 不断地输送到地面。地幔导电球体外表面不断积累着负电荷，使地幔导电球体带 负电。因电磁力和万有引力一样都是远程力，随岩浆升至地面的正电荷，在地幔 导电球体负电荷的静电感应作用下，升至地面的正电荷会下沉到地面导电层的下 表面（这里的表面也不是传统意义的表面，而是地表层的正电荷下移到因岩石电 阻增加而不能再下移的一层）。此时地电容的上极板带正电，下极板带负电，地 电容被充电，地电容有一定的电势差。随着岩浆不断地喷发，地表导电层不部的 正电荷，和地幔上部的负电荷越积越多，地电容的电势差越来越大。由岩浆的喷 发及温差电势的作用下，

19、就像静电起电机一样，把地电容充电到较高的电势。作 为地电容介质的地壳岩石，电阻不会无限大，总会有漏电，漏电会随地电容电势 差的增加而增加，当漏电损失的电荷和岩浆输送到地面的电荷相等时，地电容电 势差保持在一个静电平的衡稳定状态，维持一定的电势差。2、地电容的电势差因地心不可入，无法直接测量地电容的电势差，现在没人研究这问题，没任 何资料可借鉴，所以只能大体估算。地球表面与近地空间及宇宙间有着频繁的物质交换，当然也冇电荷的交换。 地面的电荷，会因植物尖叶等地面尖端物体的尖端放电，把电荷释放到空间；或 大风把附着在气溶胶上的电荷吹拂到空间；或降雨闪电等把电荷输送到地面；或 宇宙带电粒子沉降到地面等

20、，都会使地面电荷发生变化。地球表层导电层是与地幔导电球体同心的导电球壳层，由静电感应得知地球 表层导电层下表面的电荷，与地幔导电球体外表面的负电荷电荷数量相等，都是 由岩浆带到地面的电荷量。如果地球表面没有损失电荷，那么地球表层导电层的上表面也不会有电荷， 实际测量地球表层带有负电荷，所以这种假设不成立；如果地球表面损失的是负 电荷，地球表层导电层的上表面应当感应出正电荷，这也与实际不符；只冇地球 表面损失的是正电荷，才能使地球表层导电层的上表面感应出负电荷，那么损失 了多少正电荷呢？ 一种可能是没损失，如上面分析，这种可能不成立。一种是有 损失，但损失的正电荷比岩浆从地下带出的正电荷多，另一

21、种可能是有损失，但 损失的正电荷比岩浆从地下带出的正电荷少。我们不知岩浆带出的正电荷量，只 知道无论地球表面损失的正电荷是多还是少，都会使地球表面带负电荷，地球表 面负电荷量就是地球表层损失的正电荷量，那么到底损失的正电荷量比岩浆带出 的正电荷量是多还是少呢？我们不妨这样来估测一下。取地壳下面到软流层中部一个截面s为1平方米，长l为100公里的柱体， 由于温差作用使负电荷扩散到柱体的一端，从而使1/2l的另一端带正电荷。设 电荷体密度为p，1/2l柱体带正电荷量q是；q= pdl=slp/2。设这柱体的温 差电势u=100mv, 一端为零电势点，在电子热扩散与电场作用平衡时，柱体内 正电荷产生

22、的净电势值就等于温差电势值，u=kq/r=k slp/2=100mv,由此得；p =2.2x10-15库伦/立方米。由实测得知：晴稳天气下大陆近地面大气电场强度值e=120v/m,电场方向 向下，表明地面带负电荷。根据高斯定理，沿地面做高斯面得# e.ds=e 4 j： r2=4 kq,因此q=er2/k,计算的q=5.4x 105库伦。即地球表面带有5.4x 105库伦的负电荷。由此得知需2.45x1020立方米岩浆冰能带出这些电荷。黄石公园最大一次火山喷发，就喷出岩浆2.45x1013立方米，在1650万年间喷发了 100次，这只是冰山一角，世界四大火山带，不计其数的火山，喷发岀 的岩浆远

23、超2.45 x1020立方米，所以地球表面损失的正电荷量比岩浆带出的正电 荷量是少很多。所以地电容极板上的电荷要比5.4x105库伦大的多，且地球表层导电层的 下表面积小于上表面积，因而地电容极板间电场，即地球表层导电层以下的地壳 中的电场要比近地大气电场大的多。按近地大气电场大的数值120v/m计算，其 地电容的电势差u=ed=120x3.6x 104=4.3x106伏。所以地电容的电势差至少在 4百万伏以上。岩浆喷出后快速冷却，会由高导状态变为高阻状态，如果岩浆带电，喷出地 面的岩浆来不及把所带的正电荷全部释放完，由于冷却岩浆会由高导状态转变成 高阻状态，岩浆中的部分正电荷会被禁锢在火山岩

24、中。在高阻状态下岩浆岩会保 留原来的电荷而带电。人家知道海绵状岩浆岩带冇正电荷，常用作火山岩生物滤 料使用。这就证明岩浆在涌出之前是带正电的。如果岩浆在喷发过程屮由于摩擦 而带电，那么部分火山岩必定带有负电，事实是火山岩都带正电，这就否定了由 于摩擦而带电的假设。虽不能证明地下岩浆一定带正电荷，可说明岩浆喷出前是 带正电的。五、地震本征电场由试验得知，花岗岩，玄武岩，沉积岩等岩石在受到的压力增加时，其相 对介电系数er会略有增加，发生破裂时其介电系数会大幅减小，a er/er可达 35%之多。地震大都发生在地幔以上作为地电容介质的地壳中，地震前岩石首先 发生分子层面的微破裂，人量的微破裂就会引

25、起宏观展现，人区域的介质系数也 会因此而发生变化，由地球表层、地壳和软流层组成的电容中，作为电介质的地 壳的介质系数发生了变化，根据电容公式c= e s/d,c=q/u,得1)=即/£5,设q不变时，可知其电容的端电压与e成反比，地震前，地震区域应力增 加，地电容端电压减小。如果把地电容的下极板看作电势不变，地电容端电压减 小，就相当于地震区域的地面电势降低。地震区域地卜岩石发生破裂时，其介电 系数大幅减少，这一区域地面电势就会大幅升高。我们知道平板电容两极板若带 等量异种电荷，无论电荷多少，极板外侧电场均为零，但当介质的和对介电系数 变化时，情况就不同了。介电物质晶体分子偶极矩越长

26、，在一定的电场中产生的 表面极化电荷就越多，其相对介电系数就越大。当相对介电系数减小吋，作为电 介质的地壳岩石表面极化电荷减少，吸附地表导电层的电荷也减少，原多余的正 电荷在自身斥力下传导到地面，使地面正电荷增多，产生垂直向上的电场。如果 岩石破裂使地震区域的整体岩石介电系数减小1%，那么地面电势至少会上升儿 万伏以上。当地震区域的地面电势升高吋，必定与周边区域形成一个电场。电场方向 是以震屮向四周辐射的。只有地层岩石破裂才会产生这种电场所以这电场仅与地 震唯一关联，且与地震参量保持一定的线性关系，为区别其他电场，把这电场叫 做地震本征电场。由以上介绍我们知道，地震前，当震源的岩石应力达到其弹性极限吋，就会 产生微破裂。由此引起于地电容容量的减少，原本集聚在地不的电荷会释放到地 面表层，