地电场的检测

                  地震杂谈--（八）

                  临沂大学 陈维会

自从发现了地电场后，人们观察到地震会引起地电场异常。于是世界许多国家展开了地电检测以期预报地震，特别是希腊雅典大学的教授，从1981年开始了新型土地电的观测研究和地震预报实验。但检测到地电异常却没有地震，没有地电异常却发生了地震。难道地电场与地震没有任何联系吗。答案是否定的，关键是我们的检测方式方法不合理。无法捕捉真正有用的信息。收集到的全都是无用的干扰信息。下面用地震本征电场理论做指导，介绍如何正确检测地震前地电异常信息的几项措施。

一、大地电场来源

大地中存在着一定量的电场，可分为普遍大地电场、局部自然电场 和地震本征电场。

1、普遍大地电场 　所谓普遍大地电场是指具有某些共同特征的电场分布范围宽广，甚至是全球性的。这类电场的形成因素主要有如下几种。

（1）普遍大地电场是由地球磁层捕获宇宙带电粒子形成的带电团雾，在地磁场的作用下，带电团雾在地球南北极之间来回旋进运动，带电团雾的运动致使地层的带电粒子做相应的移动，因而产生地电场。这种地电场与空间电磁环境有关，无任何规律，强度波动范围很大，频率范围很广，主要能量集中在中高频上，影响区域面积大。是强干扰源。但这类地电场由于频率高，在地层中衰减大，所以穿透的地层较浅。

太阳黑子，太阳耀斑所产生的太阳风是空间电荷主要来源，对地电场干扰特别剧烈。这类干扰有24年，12年等周期性 。

（2）太阳是带有巨量电荷的星球，由于地球的自传，地球上的电荷受太阳电场的作用，产生围绕地球的电流，并由此产生磁场和电场。

这种地电场具有全球普遍性，按一定形式分布于广大地区，也有其区域特征。不同地区的大地电场强度差异很大。在中纬度地区的低电阻率地层中,大地电场强度一般不超过0.5～1毫伏／公里，在高电阻率基岩隆起的地区也不超过3～10毫伏／公里，在南、北极地区竟达1伏／公里,特别是在强干扰期间甚至可达10伏／公里。

电场的幅度具有一定的时间变化规律，有随季节长周期的变化，有随地球的自传有以24、12、8和6小时为周期的谐波。频率主要分布在极低频频段，以24和12小时周期波占主要成分。地域不同地电场的方向也不尽相同，且方向也随时间周期变化。这类地电场有很强的规律性。受太阳活动影响极大。由于趋肤效应，大地电场强度随地层深度按指数规律衰减，电场的频率和介质的电导率越高，衰减得越快。初步计算表明,周期为24小时的谐变场,没有穿透到1200公里以下的深度。

（3）带电云层在地球内部感应产生的电场。由大气电学和对近地大气电场检测得知：低层的带电云层也会在地层中感应出地电场，特别是雷雨云。由此引起的地电场波动幅度大，频率范围广，无任何规律。不只是雷雨云，冬季的积雪云，沙尘暴，也会产生强烈的地电场扰动。

（4）强风也会产生地电场。研究发现近地电场有很强的日变化规律，原因是空气中的电荷大多凝聚在气溶胶上，而大气中的气溶胶是有日变化规律的。近地大气电场的变化规律和空气中的气溶胶变化规律完全一致，这表明大气电场与大气中的气溶胶有关。气溶胶的分布是不均匀的，城市，工矿区上空气溶胶含量比原野高出许多倍。这些气溶胶气团随风移动时，必定会在地层中感应出地电场。这时虽然天空没有云，但有我们看不见的电荷云，所以风也会引起地电场的变化。

以上介绍的普遍大地电场均与地震无关，是干扰。

2、局部自然电场

按照局部自然电场形成机制分为如下几种：

（1）过滤电场

二氧化硅是世界上分布最广和数量最多的矿物，硅与氧是共价键结构，晶体破裂后，表面界层价电子缺失，很易吸附溶液中的电子形成负电层，负电层又吸附正电荷，与周围溶液之间形成离子双电层，靠岩石颗粒一边带阴离子，而溶液一侧为阳离子。当地下水在岩石中流过时，将带走双电层溶液一侧（扩散区中）的部分阳离子。于是在水流的上游会留下多余的负电荷（阴离子），而在下游有多余的正电荷（阳离子）。因而破坏了正负电荷的平衡，形成极化，这种极化的结果，将沿水流方向产生电位差，这在电化学上叫流动电位。在此种极化机理中，好似水流过岩石时，岩石颗粒滤下了部分阴离子，故形象地称为过滤电场。地壳中的过滤电场主要有裂隙渗漏电场，上升泉电场，山地电场和河流电场等。这类自然电场都与地下水的流动有关。

过滤电场可用下式求得： U=0.77ρ水.ΔP  式中ρ水地下水的电阻率,单位（Ω•m）；P引起地下水流的水压差，单位千帕斯卡。（每十米水柱 的水压约等于一个大气压。标准大气压为： 1.013×10^5Pa）地震孕育过程中，由于地壳的形变可形成一定的水压，引起水的流动，形成过滤电势。

（2）氧化还原电场 

当电子导体和溶液接触时，由于热运动，导体的金属离子或自由电子可能有足够大的能量，以致克服晶格间的结合力越出导体而进入溶液中。从而破坏了导体与溶液的电中性，分别带异性电荷，并在分界面附近形成双电层，此双电层的电位差称为电子导体在该溶液中的电极电位。它与导体和溶液的性质有关。若导体及其周围的溶液都是均匀的，则界面上的双电层也是均匀的，这种均匀、封闭的双电层不会产生外电场。如果导体或溶液是不均匀的，则界面上的双电层呈不均匀分布，产生极化，并在导体内、外产生电场引起自然电流。这种极化所引起电流的趋势是减少造成极化的导体或溶液的不均匀性。故若不能继续保持原有的导体或溶液的不均匀性，使之因极化而引起的自然电流会随时间逐渐减小，以至最终消失。因此电子导体周围产生稳定电流场的条件是：导体或溶液具有不均匀性，并有某种外界作用保持这种不均匀性，使之不因极化放电而减弱。

 地下的电子导体矿体，当其被地下潜水面截过时，往往在周围形成稳定的自然电场。原因是，潜水面以上，由于靠近地表而富含氧气，使那里的（附着水）溶液氧化性较强；相反，潜水面以下含氧气较少，使那里的水溶液相对来说是还原性的。潜水面上、下部分总是分别处于性质不同的溶液中，在导体和周围溶液的分界面上形成不均匀的双层面，产生自然极化，并形成稳定的自然极化电流场。通常称这样的自然电场为氧化—还原电场。通过大气降水的循环，从大气中不断向地下补充的氧气，提供了氧化—还原电场的能源。  在上述特定自然条件下，导体上部处于氧化性质溶液中，电极电位较高，导体相对带正电，而周围溶液带负电；而导体下部分处于还原性质溶液中，电极电位较低，导体相对带负电，周围溶液带正电。由此形成的电流在导体内部自上而下；而在导体外自下而上。从地面上看，自然电流由四面八方流向导体，因此离导体越近电位越低。在导体正上方电位最低，称为自然电位负心。通常，在硫化金属矿上可观测到几十到五百毫伏的自然电位负异常；而在石墨化程度较高的地层或石墨矿上，自电负异常的幅度可达-800~-900 mV，甚至更大。

地震与氧化还原电场关系不大。

（3）扩散电场

自然状态下，大多数岩石和矿物是离子导电的导体。其固体框架几乎不导电，导电体中的载流子主要是孔隙溶液中的正负离子。不同岩石或矿物的孔隙溶液的成分和浓度不同，从而其中的离子浓度也不同。当两种岩层互相接触时,离子互相扩散，在接触面上形成双电层,后者又阻碍着扩散的进行，以至达到动平衡。当正离子的扩散速度（迁移率）大于负离子时，离子浓度大的岩层带负电，离子浓度小的岩层带正电。此外，双电层电位差的大小还同固体微粒对孔隙溶液里的离子的吸附作用有关，一般可达数十毫伏。

电子导体同离子导体相接触也可以概括成电子导电的矿体同岩层中的水溶液互相接触。这时，矿体溶解形成双电层。溶液中与矿体同种元素的离子也会不断地从矿体中夺取电子，变成中性原子附着于矿体上。结果矿体带正电，而周围溶液带负电，因沉淀速度同浓度有关，所以矿体界面上的双电层电位差同周围溶液中的离子浓度有关。岩层中的水多半是自上而下地渗流着的。在直立矿体的上部，由于水刚刚接触矿体，溶解的矿物质成分少，离子的浓度小；而在矿体的下部，由于水长时间冲涮矿体，溶解的矿物质成分多，离子浓度大。所以，矿体的上部带负电，下部带正电，而周围溶液中的电荷分布则相反,结果形成天然浓差电池。在矿体的正上方可以观测到电位的极大值。

因地震可改变地下矿体周围的水环境，引起扩散电场的改变。

（4）压电电场

自然界中有些晶体，如石英，电气石和含锌矿等，在某方向收到外界作用力后会在界面产生电荷，生成压电电场。但由于自然界中晶体晶轴的方向混乱，即使受力总体对外也显现不出明显的电场。

（5）人为电场，人们在生活生产中必定会产生大量形形色色的电场，这些人为电场强度大，无任何规律，频率范围宽广。

以上所介绍的大地电场除个别与地震有关外，大多数与地震无关，是严重的干扰。以前和现在我们检测的地电场数据基本都是与地震无关的以上两类电场，因此我们无法依此来预报地震。

第三种电场是地震本征电场，这类电场是与地震伴生的，与地震息息相关。如果能正确的捕捉到和区别出地震本征电场，预报地震将成为现实。关于地震本征电场请参阅本人博客文章。

二、地电场的干扰来源。

上面介绍的普遍大地电场及局部自然电场都是一种干扰。除此之外还有如下几类干扰电场。

1、  由电极引起的干扰。

由电极引起的干扰主要有以下几种：

（1）浓差极化。

当有电流流过两极板及极板之间的地层时，极板附近地层中的离子被吸引到电极上，因离子在地层中移动较慢，不能及时补充极板附近被吸走的电荷，使这区域的离子数量相对减少，地层中离子浓度不均匀，离子朝着浓度低的方向迅速扩散而产生了内电场，这种现象称为浓差极化。

 浓差极化所产生的内电场称为浓差电势，它与地电场方向相反，起降低地电场的作用，相当于增大了地层的电阻，也就是电极与地的电阻，给测量带来误差

（2）化学极化。

地层中的水溶解了各种化学物质，是很好的电解质，金属电极在这电解质中必定会产生氧化还原反应，从而使两电极间形成一个电势，这就是化学极化，由于氧化——还原反应，其结果是一个电极上析出金属，另一个电极上析出氧化物或气体，也就是电解现象。

电解产物附着在电极上形成了原电池，其电动势也是与外加电场方向相反，削弱了地电场强度。引起测量误差。如果两电极是完全相同的金属，产生的化学极化就会很小，甚至为零。

浓差极化和化学极化统称电极极化，它是地电场测量需考虑的重要内容。在有源地质勘探中因电流都比较大，且测量时间短，所以都使用不极化电极，在地震前兆的地电场测量中，需要长期工作，前后数据要有可比性，因不极化电极无法保持长期稳定的工作，所以绝对不能使用不极化电极。需采取其他措施消除极化现象及两电极电位不等的问题。

（3）电极接触电阻引起的干扰。

如果电极埋设的较浅，处在地下潜水层以上，电极界面不能很好的与土壤接触，存在大量间隙。这不仅减小了电极的有效面积，还增大了电极与地层介质之间的接触电阻。这电阻不仅阻碍地电信号的传导，更重要的是这种电阻会产生相当大的噪声，这噪声会随温度，风霜，降雨，昼夜等气候因素变化。是一种严重的干扰源。

2、半岛效应干扰。

在土壤中有许多空腔，见下图。

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     图一  土壤中的半岛电荷陷阱

图中空白区域表示空腔，空腔中与电场方向一致的突出叫半岛，离子在电场的作用力下运动到半岛上，由于没有通路，离子像掉进陷阱一样，被困在半岛上，半岛上的离子越聚越

多，直到半岛上电荷的斥力与电场的引力相等时，半岛上的电荷不再增多，保持动态平衡状态。

 

土壤中的水是动态的，降雨，灌溉等当土壤上层含水较多时，水会有由高处向低处渗流，当地表干旱时，由于土壤中有许多细小缝隙，会产生毛细现象，水会向上蒸腾，当地表水较多时，地表水会向下渗漏。地下水的运动不是均匀的，由水的表面张力和土壤的亲水性共同作用，使空腔里的水有脉动现象，像屋檐的滴水一样。土壤空腔中的水有时多有时少，空腔中的水增多时，会形成电荷的桥路，半岛上积聚的电荷会集中冲向电极，形成电脉冲。空腔中的水减少时，电荷通路又被阻断，电荷又会重新积聚。由此在电极上产生的电脉冲强弱不等，脉冲的强弱决定于半岛的形状，和积聚的时间，与地电场的强弱基本无关。无论是胶结离子团形成的脉冲，还是半岛陷阱形成的脉冲都是无规律的随机的，与电极附近的土壤结构成分，含水量，电极的形状，电极的表面积有关。它的谐波非常丰富，可达105HZ以上。用示波器可观察到这些脉冲，如果用音频放大器放大，可听到噼噼啪啪的爆裂声。这些脉冲不代表地电场的强弱，是一种干扰，它像雷电，电器漏电干扰一样必须滤除。

由地震本征电场的特点得知，在震源区，由于地面电势普遍升高，不远的两点处电位差很小，在震源区的边缘，也因地质构造的不同各处地电场强度差异也很大。微弱的地震特征电场信号被淹没在以上众多强干扰信号中，很难被区分出来。

三、地震本征电场的检测      

地震本征电场也是一种电场，与其他电场混杂在一起，很难区分。由于地震本征电场的特殊性，对地震本征电场的探测必须有与之相对应的技术措施，照搬地质勘探技术显然不行，希腊雅典大学三位教授发明的多极距分析方法也不能很好扑捉地震的本证电场。据了解，目前我国地电场监测点虽然使用了先进的仪器设备，但基本上检测不到地震本证电场，更谈不上利用其进行地震预报。那么怎样才能扑捉到地震本征电场呢，这就必须依据地震本证电场的特性来设计，主要措施有如下几点。

1、  选择合适的检测点

应选择远离城市居民区，工厂，矿山，地下地上轨道交通线路，高压线，输变电站，机井，灌溉设施，垃圾填埋场等易产生人为干扰的偏远地区。地下不应有石墨，黄铜，铁等矿藏。地下水位浅，水质无差异的较大的平坦地域。不应有地磁异常，雷暴异常现象等。

2、  深埋电极

因为太空间电荷，近地空间电荷干扰，地面局部自然电场干扰，气候变化的干扰及人为干扰等。其高频段信号穿透力不强，在地层中很快就衰减掉。极低频段虽能穿透到较深的地层中，但这些信号有很强的规律性，很容易滤除。所以避免这些干扰最有效措施就是深埋电极。深埋电极时，电极必定会浸没在地下水中，这样还会有效减轻半岛效应干扰和电极接触电阻噪声干扰。 

又因与地震有关的地震本征电场是从地下传导到地面的，所以最有效的接收检测地震异常电场的措施就是深埋电极。最好是在高阻岩层下面的高导层中。两电极要置于不同的高导层中。因此电极要置于250米到300米以下的深井中。

为防止地面干扰电信号沿井内水体传导到电极上，或地表水流入使井内水的化学成分改变，应在电极以上部位的井体进行密封隔离。

3、电极材料选择   

因不极化电极都用盐类的溶液作为金属电极与大地之间的电流介质。这些盐类离子会形成扩散电场，当两电极扩散条件不同时，扩散电场之差会形成干扰。更严重的是，不极化电极长期稳定性极差，所以不能用不极化电极作为地电检测的电极。

埋设在两地的电极板必须是化学性能非常稳定的单质或合金材料，两块电极板材料的化学性质必须完全相同避免产生化学电势。钝化的铅电极，对硫酸、磷酸、碳酸的耐蚀性高，但不耐硝酸、醋酸、碱及其它一些有机酸的腐蚀，所以铅电极不是首选。目前比较理想的电极材料是276合金，它易于获得，价格低廉，同批次材质性能一致，化学电位低等优点。

4、电极形状及面积 

 地电场引起的地电流是分布在广大的地壳截面上且极不均匀的，地震本征电场一般不是特别的强，因而远离地震中心较小面积上通过的电流就非常小，地震中心与探测点之间不可避免的会存在地质阻隔，电流会更小，为了获得较大的电流，电极的面积越大越好。

土壤主要靠带电离子的运动形成电流，带电粒子在土壤中移动非常缓慢，带电离子数量有限，还有吸空和注储效应的存在，所以埋在地下的电极，不能是圆柱体，必须是面积足够大的平板，最少是1平方米，这样平板外的电场，除边缘外可看作是匀电场，平板外的电场与距离无关，这样就不会产生吸空效应，平板面积大收集的离子多，能够准确的反映地电场的强弱，另外平板电极有较强的方向性，对平行于平板平面的电场接受效率最低，相反，对垂直于极板的电场接收力最强，这有利于计算电场方向，判别震源方位。较大面积的电极能够均衡，胶结离子脉冲和半岛陷阱脉冲，减弱脉冲干扰。大面积的电极会减少电流密度，有效降低极化电势。

5、极板极间距

由于地震区域的电势普遍升高，近距离的两点间电位差较小，必须设法提高检测电压。我们要测的地电场，其实是地下电流在地层两点间即下图中R2两端的电压降。由下图的等效电路看出，当U一定时，要想在R2上得到更高的电压，必须减小R1和R3。减小R1和

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图二  地电场检测等效电路 

R3的措施就是把电极置于地层深处的导电层中。但这样也会减小R2的值，增加R2值的措

施有两个，一是增加两电极之间的距离。所以应尽量加大两电极之间的距离。最少不低于1000米。为使各检测点数据有可比性，便于集中数据处理，各检测点的电极距离应相同。二是两极间设置高阻带，也就是两电极安置在不同的导电层带上，中间最好是电阻率较大的高阻层。

6、减小电极极化

为减少极化现象，应用较大大面积的电极，减少电极板单位面积的电流密度。尽量提高检测仪器的输入阻抗，使流过电极的电流趋于零。这不仅降低了大地对信号的分压作用，使输入仪器的有效信号增强，还降低了流过电极的电流。

电极的极化不仅与电极面积，流过电极的电流大小，还与电极流过电流的时间有关。现有仪器都是使用模拟电子开关进行通道切换，虽然电子开关断开时的阻值很大，但长时间挂接在电路中，对地电场影响较大，可能会淹没微弱的地震本征电场信号。因此在测量时间外应彻底断开电路与电极的连接。采取以上措施后电极的极化现象可以忽略。

7、提高仪器输入阻抗

因仪器的输入电流也会分流两电极之间的地电流，降低两级间的地电压，所以仪器的输入电阻也越大越好。

另外电路的零点几伏偏置电压也会通过电极给地层充电，这偏置电压远远高于地震本征电场电压值，使仪器无法检测出地震本征电场。所以绝不能使仪器的偏置电压出现在两电极之间，必须重新设计相关仪器，采用具有结型场效应电晶体(JFET)输入的高阻抗的差分输入电路。

 

采取以上措施后就能很好的捕捉地震本征电场信息，再结合其他检测信息相互验证，就不难做出正确判断。