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空间及大地电场总述 临沂大学---陈维会 地球内部的电场叫大地电场，简称为地电场。地电场是由地球内部、外部许多物理及化学机制产生的电场。大地每一点的电场值都是这众多电场的矢量和。地电场可分为自然电场和人为电场两大类。 自然界连一棵小草、一滴雨滴，风吹起的沙粒都会产生电场！这些对地电场的影响都非常小。最主要的自然电场是自然普遍电场和自然局部电场。 （一）、自然普遍大地电场 所谓自然普遍大地电场，是指分布范围宽广,甚至是全球性，具有某些共同特征的电场。这类电场的形成机理主要有如下几种。 一、日地静电感应大地电场 我们知道太阳主要是由氢氦等元素组成的恒星星球，是个巨大的热核反应堆。内部温度高达2000万摄氏度，表面也有约6000℃的高温。在这样高的温度作用下，一切物质只能以气态存在，并被电离。氢、氦等原子被电离成带正电的质子、氦原子核和带负电的自由电子。所以太阳是个炽热的高度电离的巨大离子气体球。 在静稳状态下，如果离子体中有一个带电电荷，这电荷周围就会吸引相同电量的异性电荷，形成一个正负离子团，这个离子团的半径可用下式表示： 式中 k为玻耳兹曼常数，Te、n、e 分别是电子的温度、离子数密度和电子的电荷量。 λD半径内，正负离子的电量相等，距离超过λD时，其电场就被周围的导性粒子的电场屏蔽而迅速消失，所以，λD也称为德拜屏蔽半径。当离子体的球半经大于德拜长度λD时，离子体中不会有电场存在。 在高导电率的太阳大气中，若在局部等离子体中出现正负电荷分离，产生宏观静电场，那么这电场会使正负电荷产生相对运动，使偏离电中性的等离子体很快恢复电中性状态。因此科学家们一直认为太阳上不会有宏观静电场存在。太阳大气的每个区域时时都处于电中性状态，抛射到星际空间的物质都是正负电荷数相等的等离体粒子流，因此太阳不会失去某种电荷而带电，整个太阳也就不存在静电场。正因如此也很少有人研究这个问题，也检索不到论述太阳静电场的文献。 但太阳不是一个静稳的电离气体球，太阳中的核聚变释放出巨大能量，使太阳离子体产生复杂的剧烈运动。运动的离子在太阳磁场中产生洛伦兹力，使正负离子分离。洛伦兹力克服了静电引力，使太阳产生巨大的电荷斑块，从而产生巨大的电场。那么事实如此吗？ 1、质子事件与电子事件 日冕层是太阳大气的最外层，有100万摄氏度的高温，带电粒子运动速度极快，以致不断有带电的粒子挣脱太阳的引力束缚，射向太阳的外围形成带电粒子流，又形象的称作太阳风。太阳风主要由带正电的质子，氦原子核，和带负电的电子组成，一般呈电中性的。 但在1964年行星际探测器“水手”4号首次探测到，太阳出现耀斑时抛射出的高速（高能）粒子中，有时电子数量远远大于质子数量的高能电子流现象，这叫电子事件。后在空间探测中，也不时观测到高速粒子流中只有电子而没有质子成分的情况，这为称为纯电子事件。 美国物理学家福布什在1946年，用电离室检测宇宙射线时发现，有高能粒子突然增多的现象，且这种现象主要发生在太阳耀斑后几个小时内。后经多年研究和探索，人们逐步认识到高能离子主要来源于太阳，是太阳耀斑期间由日冕层抛射的高能质子。后由卫星监测得到证实，并把由太阳向太空抛射高速质子现象称为质子事件。 在质子事件中，虽然伴有低速的电子流（非相对论电子），但是能量大于10兆电子伏的高速质子占了总粒子数的90%以上。 无论是质子事件还是电子事件，说明了三个问题：一是高速粒子流不再是电中性的等离子体，而是带有正电或负电的粒子流。二是太阳中存在电荷斑块，从带正电斑块抛射的粒子流必定是质子数大于电子数，形成质子事件，相反从负电荷斑块中抛射的离子流中必定电子数大于质子数，形成电子事件。三是太阳中存在单独加速正电荷粒子或负电荷粒子的物理机制，使抛射到太空的粒子，由于电性的不同而产生速度差异。这就存在太阳向外太空抛射正负电荷不均衡的可能，从而使太阳带某种电性的净电荷，使太阳产生某种极性的静电场。
图 1 太阳黑子 图2 太阳耀斑 对产生质子事件与电子事件的机理目前还不太清楚，但都与耀斑和黑子有关。通过对太阳大气的观察得知：黑子是光球层上巨大的气流旋涡，有着极强的磁场；耀斑是太阳色球层巨大能量爆发释放产生的闪光现象。太阳黑子和太阳耀斑的出现，证明太阳大气有着剧烈的物质运动。当等离子体中带有正、负电荷的粒子，在极强磁场中高速运动时会受到洛伦兹力作用，使正负电荷分离，于是在太阳的个别区域会产生准净电场。目前这种准净电场已被科学家检测到。 事实说明太阳向外太空抛射的物质并不是正负电荷相等的等离子体，存在着影响抛射物质电性的机制，使太阳上某些时刻某些区域抛射出正电荷或负电荷不平衡现象。太阳活动存在着一定的规律性。除有11年和22年的短周期外，有研究发现还存在周期约为225年、352年、441年----- 2270 年等长周期。这就有可能存在，在某周期中，由抛射物质电性机制作用，太阳抛射某种极性电荷的几率较大，因此整个太阳中的正负电荷不再相等，对外显示出一定电性。
图3 1992年日全食期间拍到的日珥 图4 根据美国宇航局“太阳动力学天文台”（SDO）探测器在2016年3月12日拍摄的图像，科学家们绘制出了太阳磁场的结构图 目前对太阳整体电场研究的很少，没有人去检测验证太阳是否有静电场存在。但有人开始对太阳局部电场探索，并取得一些进展。无论是太阳中存在某种极性的静止电荷；或运动的电荷；或驻留在地球电离层中的电荷；或略过地球的带电离子雾团，由下面麦克斯韦微分方程组的第一第二方程式可知；必定会产生一定性质空间的电场。 处在太阳系中的地球必定会受到这些电场的影响，在地球大气或地层中产生相应的电场。 2、近地大气电场 若太阳抛射质子数量过多，那么整个太阳会带负电荷。虽然日地平均距离为14000万多公里，但电磁力像万有引力一样也是远程力，太阳上的负电荷会对地球有一定的静电作用。 地面土壤中存在放射性物质，其射线会使近地大气电离、阳光中的紫外线也会使大气气体电离；植物生长过长中也向大气释放电荷；由于地幔的温度远高于地壳的温度，必定会产生温差电势，使温度高的地幔带正电荷，火山喷发时又把这些正电荷喷发到大气中。由于种种因素使大气中带有大量的正负电荷。这些电荷附着在气溶胶上，形成带电粒子，悬浮在近地大气层中。这时大地和近地大气就形成一个垂直向下的电场，经检测这个电场的平均值是120V/m。 这种近地大气电场的物理机制可用雷雨云的起电来证实。在发生大气的上下对流时，若气流向上运动，此时正电荷受到太阳电场力的方向和气流运动方向相同，向上的速度较快，负电荷受到太阳电场力的方向与气流方向相反，运动速度减慢。这样正电荷会集中在云层的上方，负电荷留在了云层的下方。如果对流的气流方向向下，也会产生同样结果。 由于地球背阳面受到太阳电场力较小或消失，电荷的运动差异减小，晚上云层带电量较白天少。再加上云层电荷的积累需要一个过程，有一定的延时。所以早上的闪电频次远小于傍晚的闪电频次。 当然雷雨云的起电假设还有；水滴破裂效应、水滴冰冻效应、温差起电效应等，但最终结果是一样的。雷雨云带有上正下负的电荷也得到了仪器探测证实。
图5 用探空气球检测到的云层三极性电荷结构示意图 雷雨云下部负电荷靠近地面时就会对地放电，把负电荷传导到地面，使地球带负电荷，近地大气带正电。当近地大气中的正电荷积累到一定量时，由大气电荷产生的垂直向下电场，大于太阳向上的电场，于是就形成一个垂直向下的近地大气电场。经仪器检测证明这种电场确实存在。 近地大气中的正电荷大多都集中在靠近地面的大气中，所以随着高度的增加电荷量急剧减少，大气电场值也减小。按电场随高度的变化规律有四种类型，其中有一类型在三四千米处，大气电场矢量反号。如果通过此处做一个包围地球和地球大气的高斯面，因高斯面内陆球带的负电荷和大气中的正电荷量值相等，净电荷为零，因此高斯面上不应有电力线穿过，电场强度应为零。但这里却有垂直向上的电场，这电场必定是高斯面之外电荷产生的，如高空电离层的电荷，也有太阳电荷产生的可能。见下面示意图。
图6 日地电场静电作用示意图 3、日地静电感应的大地电场 近地大气电场是近地大气和大地之间的电场，两者之间任何一方有电荷的变化，都会引起近地电场的变化，一般我们都是把地球看成是零电势。 靠近地面的大气密度高，带电粒子与空气分子频繁碰撞，使带电粒子的自由行程很短。所以近地大气的电阻率非常高，在晴稳天气状况下，大气中的电荷不会产生很大的变化，是相当稳定的。相反大地是导电的，大地的电荷能够快速变化。 近地大气电场，是太阳中负电荷电场与大气中正电荷电场的矢量和，在地球的向阳面，太阳负电荷电场方向垂直向上，大气正电荷电场方向向下，两者方向相反，使垂直向下的大气电场值减小。因大气的正电荷量不变，大气电场值的减小，意味着向阳面的地面正电荷量增多。这相当于在太阳电场的作用下，向阳面感应产生了正电荷。只不过产生的正电荷数量少于大气中的正电荷，此时的近地大气电场还是垂直向下的。为直观起见，我们把近地大气中的正电荷忽略掉，只考虑太阳和地球之间的静电作用。 如果太阳中真的带有净负电荷，根据上面分析，那么白天的近地大气电场数值应小于晚上。一般情况下，日出后由于环境污染，大气气溶胶增多，再加阳光紫外线的电离作用，近地大气电场在白天是上升的。在污染比较轻的地方，如太原市小店大气电场检测点在2009年7月2日采集的近地大气电场值，还是表现出白天逆势下降的原本规律。从图看记录的大气电场变化曲线看出，在日出后大气电场明显值减小了，这就证明太阳是带负电的。
图7 太原市小店大气电场检测点在2009年7月2日采集的近地大气电场值
图 8 福建建阳大气电场检测站2008年10月22日检测的大气电场数据曲线
图9 图中黑色曲线是山东省莒县仙姑山监测点在2021年3月检测到的地下 带电粒子变化情况，地下带电粒子在日出后显著减小，日落时分前回升到最大值。 为叙述方便，把阳光垂直于地面的点叫光垂点。由于地球是有一定曲率半径的球体。平行的太阳电场矢量在地球表面光垂点外，电场矢量不再垂直于地面，与地面的水平面有一定夹角，见下图。 图10 日地电场正垂点示意图 这时电场矢量可分解成垂直于地面的分量fy，和在球面切点处沿水平方向的分量fx。所有fx都指向光垂点。受太阳负电荷静电引力作用下，地面感应的正电荷都沿fx方向汇聚到光垂点周围。在光垂点处电荷多，远离光垂点处正电荷逐渐减少。形成一个类似月牙型的中间厚周边薄的正电荷斑块。由此可见，地面处在光垂点处的大气电场值要小于周边区域。 由于光垂点在南北回归线之间来回摆动，在冬季偏向南半球，夏季偏向北半球，从而使北半球夏季地表面感应的正电荷多于冬季，从而使夏季近地大气电场值也小于冬季。下图是太原市小店大气电场检测站在2009年年变化曲线。
图11 太原市小店大气电场检测点在2009年年变化曲线 7、8月份太阳直射点在北回归线附近，地面感应正电荷增多，相对来说地面负电荷减少，因近地大气电场是方向是垂直向下的，地面正电荷增多，垂直向下的近地大气电场就减小，在冬季的11月至来年的1至3月份太阳直射点在南半球，此时北半球感应的地面正电荷减小，相应负电荷增多，从图中可明显看出地电场的这种规律变化。所以近地大气电场增加这些事实也说明；近地大气电场确实受日地静电影响。 因地球的自转，使向阳面的正电荷斑块跟随光垂点由东向西运动，地球背阳面的正电荷在向阳面正电荷的排斥推挤下也由东向西运动，形成一股环绕全球的电流。这好像在地球的向阳面由太阳电场的作用形成了发电机，西边为正极，东边为负极。地球的背阳面好像一段导线，连接发电机的两极，于是就形成了闭合的电流回路。由太阳负电荷的感应，在地球地层中产生的电流，叫日地静电感应电流。 一般在进行地电场检测时，需在大地中埋设两个电极，检测的地电场值，实际是测量的地层电流在两电极间地电阻上产生的电压降。在无降雨灌溉干旱等改变电极间环境时，两电极之间的大地电阻值一般不会变化。地电场的大小反映了地电流的大小。这电流就包含了日地静电感应电流。单纯由日地静电感应电流在两极间电阻上产生的压降，叫日地静电感应地电场。 4、日地静电感应地电场的变化规律 大量的地电场检测数据显示，大地电场有特定的变化规律。主要是24小时周期，还有12小时，8小时等固定周期。是什么机制产生的这种周期变化呢。 地球上有海洋陆地，有干燥的沙漠岩石裸露的高山，所以地球表层各处的电阻率各不相同，当电荷斑块处在这不同环境时产生的电流也就不同。由此各地检测的地电场值也就随之变化。 下图是临汾地震台东西向2009年7月25日地电场分钟值曲线，曲线显示出典型的地电场日变化规律。为说明地电场变化规律，特配世界地图如下。
图12 地电场日变化与正垂点的对应图 在7月份光垂点靠近北回归线，电荷斑块沿北回归线由东向西移动。北京时间5点多出太阳，光垂点在太平洋东海岸，此时电荷斑块还影响不到我国，亚洲大陆的地电流处于较低值。因此临汾地电台检测到的地电场数值不高。 在8点后，电荷斑块靠近亚洲大陆，光垂点处于太平洋上。因海水电阻率较低，因此电荷斑块产生的电流较大，地电场数值上升。 在11点电荷斑块已进入亚洲大陆，因大陆的电阻率远大于海洋，电荷斑块产生的电流减小，因此地电场数值开始减小。 在减小的过程中，由于光垂点经过的地点不同，地电场值也会出现小幅波动。如13点光垂点到达泰国陆地，地电场值有小的谷底。14点光垂点进入印度洋，地电场又会出现小的峰值，15点光垂点进入印度大陆，地电场值又出现谷底。 在18点后临汾地电场检测台进入背阳面，地电场检测值恢复到平均水平。但还会受到光垂点处的地层环境影响，如21点光垂点进入大西洋，电荷斑块引起的地电流又增多，检测的地电场也出现增高现象。 冬季，光垂点在南回归线附近，光垂点经过的地域不同，全球性的地电流有所变化，但在北半球地电检测点的地电场值还受北半球地域影响，所以检测点的地电场变化规律有所改变。 因光垂点沿北回归线移动，交替的经过海洋陆地不同电阻率的地方，由此出现了光垂点绕地球一圈时，地电场24小时变化周期；白天电流主要集中在电荷斑块周围，地电场值较大，晚上电流比较分散，地电场值变小。昼夜各约12小时，地电场便有12小时变化规律；4点到12间的8个小时，光垂点在太平洋中，产生的电流较大，因此地电场又有8小时变化规律；光垂点需经约4小时才能移出亚洲大陆进入阿拉伯海，地电场又有了4小时变化规律；光垂点经过泰国陆地，孟加拉湾海，印度大陆，阿拉伯海时，地电场有1—2小时的变化规律。
图13 地电场变化与经度的关系 在我国同一纬度线上，从东向西依次排列的郯城，周至，大武，和田地电场检测点检测的地电场周期规律曲线，排列在同一坐标线中可看出，随着光垂点从东向西依次延时，地电场的谷底点也相应延迟。在东边的郯城阳光垂直照射地面的时间约12点，西边的和田阳光垂直照射地面的时间约为15时左右，完全与实际检测数值相符。 这些实际检测的地电场变化规律与光垂点移动路径上电阻率，及光垂点到达时刻的变化完美匹配，证明地电场变化规律确实由太阳的静电感应引起。 5、地球磁场 很早人们就对对地球磁场进行了深入研究，提出了许多假设，目光大都聚焦在地核中，但都没有统一认识。
图14 地球感应电流流经路径与地磁示意图 电荷斑块跟随光垂点移动时会形成由东到西环绕地球的电流。这电流必定会形成磁场。因电流主要通过电阻率较低的海洋。所以电流不会严格跟随光垂点的轨迹沿赤道直线流动。在东经110度附近，受南美大陆的阻挡，电流主要通过赤道以北的加勒比海，电流路径向北偏移了15度左右。而地球背面的东经70度附近，受欧洲大陆和印度大陆阻挡，通过印度大陆的电流密度较低。因电流产生的磁场与电流强度成正比，所以北磁极会偏向电流强的地方，沿东经110度线向南偏移约15度。在电阻率较小的太平洋和印度洋，电荷斑块会产生较强的电流。受印度尼西亚群岛及菲律宾群岛的阻碍，电流向南偏移，主要通过澳大利亚北部的珊瑚海。这里是连接广大的太平洋和印度洋的电流通道，所以这里的电流强度比其他地方大许多。所以南磁极点没有出现在东经70度线上，而是向东弯曲至东经135度左右，向北移出了南极圈，靠向电流较强的珊瑚海。这就像一个弯曲的线圈，由此产生的磁场也是弯曲的，所以地球两磁极点与地理南北极不重合。在一年中，光垂点在南北回归线间摆动，使围绕地球的电流环流路径也发生变化，这除了磁场强度变化外，南北磁极点也发生漂移。另外洋流，气象干旱也会改变电流路径及流经电流密度，从而改变地磁南北极的位置。 二、电离层感应地电场 地球大气外层的稀薄气体，由于受地球以外宇宙射线及太阳紫外线作用，中性的原子和空气分子被电离，产生自由电子和正、负离子，形成等离子体区域即电离层。电离层从宏观上呈现中性。这种相对静稳的电离层在大地中不会产生地电场。 电离层并不是整体静止或处处均衡的，那里也存在着对流与随机的热运动等。正负离子在运动时会受到地球磁场的洛伦兹力，带电粒子的分布是在其平均值上叠加着随机的起伏，使正负电荷与粒子密度不再均衡分布。在某些地区还可能存在浓度较高偏离电中性的云雾状团块，而且这些云雾团块都是随时间变动的。这必定会在地层中感应产生地电场。 当太阳风掠过地球，特别是太阳耀斑爆发，发生质子事件或电子事件时，高能带电离子会闯入地球磁场内，在地磁场的作用下带电粒子沿磁力线旋进，向两级靠近。见下图。
图15 带电粒子在地球磁场中的运动示意图 这些带电云雾在旋进时，时而强时而弱，也会在地层中产生感应地电场。因带电云雾绕地球磁力线旋进的半径与太阳风离子能量有关，与带电离子的质量有关。所以地电场的频率也就非常丰富。太阳抛射的高能离子流是否对准地球，抛射的规模，离子能量等决定着进入地球磁场带电云雾的规模，从而影响到地电场的幅度。在强干扰期间，高纬度地区甚至可达10伏／公里。 三、台风、风暴云层感应地电场 在大气的对流层，无论冬夏大气均会产生对流。特别是夏天强烈的对流使云层带电，带电的云层会使地面感应出较强的地电场。无论是空中云层间放电，还是云层与地的放电，都会引起地电场剧烈变化。这不仅对地电场造成干扰，对地电场检测设备也造成很大的危害。 近地大气在太阳紫外线的作用下会电离，电离产生的电荷大多凝聚在气溶胶上。地面的沙粒在风的作用下相互摩擦也会产生电荷，并随气溶胶扩散到近地大气中。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。 （二）、自然局部电场 按照局部自然电场形成机制分为如下几种： 一、过滤电场 1 动电现象 俄国莫斯科大学的斐迪南·弗雷德里克·罗伊斯（Ferdinand Frederic Reuss），于1807年发现了在外加电场中，静止液体中固体颗粒的运动现象即电泳现象，和在外加电场作用下, 固体间隙中液体的流动现象即电渗现象。这些现象称为电动效应。此后科学家又发现了与电动效应相反的动电效应。即液体在固体毛细空隙中流动时，在固体毛细空隙两端产生了电位差，这叫流动电位，或过滤电势。及液体中的固体颗粒在外力作用下沉降产生的沉降电位。 产生这些动电现象或者电动现象，必定与固液界面带电有关，那么固液界面带电的机理是什么呢？由于只有液体中存在固体时才会产生流动电位，所以必须先了解固体的结构。 （1）固体结构 任何物质都是由及其微小的分子或原子组成，而原子又是由原子核和核外电子组成。原子核带正电荷，电子带负电荷，原子核带的正电荷量和核外所有电子所带的负电荷量相等，所以整个原子对外不显电性。电子有自旋运动和围绕原子核的圆周运动，因而每个电子具有不同能量。电子并不是随意聚拢在原子核外，而是按一定的规律排布的。 电子的排布规律 原子核外的电子是按其能量不同有规律排布的，主要遵从泡利不相容原理、能量最低原理、洪特定则等。 能量最低原理： 原子核和电子都是有一定质量的物质，它们之间存在着万有引力。另外原子核带有正电荷，电子带有负电荷，也存在正负电荷的相互引力。在这些引力的作用下，电子会聚集在原子核的周围，做围绕原子核的圆周运动。电子围绕原子核做圆周运动需要向心力，正是这些引力提供电子做圆周运动时的向心力。当电子太靠近原子核时，所需向心力大于引力，电子远离原子核；当电子远离原子核时引力大于向心力，电子在引力作用下会靠近原子核。当引力和向心力平衡时，电子就有一个确定的轨道运动半径。这时电子的能量最低，所处的轨道是低能级轨道（稳定或叫基态）。由于核外电子的能量各不相同，所以所处的轨道也不同。
图16 原子结构示意图 当外力作用于电子上时，会对电子做功，使电子远离平衡轨道，电子的势能增加，电子从低能级轨道跳变到高能级轨道（激发态）。当外力消失后，电子会以某种形式释放出从外界吸收的能量，再回到原来的平衡轨道。 根据电子运动轨道半径的大小，把核外电子分成许多层，从内到外分别用数字1、2、3、4、5、6、7或字符K、L、M、N、O、P、Q、R等表示不同的电子层。每一层又分成许多亚层用s、p、d、f等符号表示。 能量最低原理是电子在原子核外排布时，总是先处在能量最低状态。一般情况下电子在原子核外排布时遵守下列次序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s…… 泡利不相容原理： 一个电子的运动状态要从4个方面来进行描述，即它所处的电子层、电子亚层、电子云的伸展方向以及电子的自旋方向。在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在，这就是泡利不相容原理。 根据这个规则，如果两个电子处于同一轨道，那么，这两个电子的自旋方向必定相反。也就是说，每一个轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。 洪特规则： 从光谱实验结果总结出来的洪特规则有两方面：一是电子在原子核外排布时，将尽可能分占不同的轨道，且自旋轴平行。另一个是：对于同一个电子亚层，当电子排布处于全满状态时，每一个亚层上最多能够排布的电子数为，s亚层2个，p亚层6个，d亚层10个，f亚层14个。 若电子层数是n，这层的电子数目最多是2n2个，因此第一电子层（K层）中只有1s亚层，最多容纳两个电子，第二电子层（L层）中包括2s和2p两个亚层，总共可以容纳8个电子；第3电子层（M层）中包括3s、3p、3d三个亚层，总共可以容纳18个无论有第几个电子层，作为最外层时，这层的电子数不能超过8个。 原子最外层是8个电子的结构是化学性质最稳定结构，金属原子最外层电子数小于4，容易失去电子，非金属原子最外层电子数大于或等于4， 容易得到电子，这两类原子的化学性质极不稳定。 （2）、共价化合物 因原子最外层有8个电子是最稳定结构，所有原子都趋向这种稳定结构。当多个原子靠近时，便会产生电子交换，使各个原子都形成稳定结构形式。由于原子间的电子交换，原子间变产生了电的相互作用力，这种相互作用力就是原子间的连接键。连接键把各原子按一定方式紧紧的联系在一起，形成化合物。化合物分为两类，一类是离子化合物，由某些原子失去电子形成的阳离子和另一些原子得到电子形成的阴离子，靠正负离子的引力作用结合在一起形成的物质叫离子化合物。原子之间的作用力叫离子键。另一类是共价化合物，共价化合物是依靠共用电子对形成分子的化合物，其连接键叫共价键。
图17 化合键示意图 共价键可分为极性键和非极性键。 ①极性键 ：由于两个原子对电子的吸引能力不一样，共用电子对总是偏向得电子能力强的一方，这一方的原子略显负电性，另一方的原子略显正电性，作为整体，分子仍显电中性。 比较典型的共价化合物是水、 氯化氢以及二氧化碳。共用电子对总是偏向 氧原子的一方，偏离 氢原子的一方。 ②非极性键：某些 单质的分子是依靠共用电子来达到最外电子层8个电子的稳定结构。 （3）、固液界面的双电层 为了解释动电现象，亥姆霍兹在1879年提出了双电层模型，后经古依、查普曼、斯特恩等不断改进完善，形成了现在的双电层理论。 1 界面上电荷的来源 电动现象说明液体中固体颗粒的固液界面上带有某种电荷。产生这些电荷的机制有如下几种可能。 (1 ) 电离。 所谓电离，就是原子受到外界的作用使原子中的外层电子摆脱原子核的束缚成为一个带正电荷的离子，这就是阳离子。如果原子得到了电子，则成为阴离子。 电离有两种，一种是化学上的电离，另一种是物理上的电离，也就是物理电离过程和化学电离过程。 化学上的电离是指电解质在一定条件下（例如溶于某些溶剂、加热熔化等），电解质中原有的一部分化学键断裂，电离成可自由移动的正负离子的过程。电离过程中断裂的化学键有的是离子键，如氯化钠等大多数盐类的电离，氢氧化钠等大多数碱的电离。也有的电离过程断裂的是共价键，如硫酸的电离，氯化氢的电离等等。 需要注意的是，化学电离不是化学变化。化学电离是断开原有的化学键，在这过程中没有电子的转移和得失，如氯化钠溶于水生成氯离子Cl-，和钠离子Na+，原有的离子键断裂。所以电离不是化学变化，不会生成新的物质也不会有新的键生成。而化学变化是有电子的转移和得失的，除了旧键断裂还要有新键的生成，如氯元素和钠元素化合，首先钠失去电子，氯得到电子，形成正负离子，氯离子与钠离子间生成成离子键，生成新物质盐。所以化学变化既会生成新物质，同时又有新键产生。 物理上的电离是指不带电的粒子在高温，其他高速离子的碰撞等作用下，变成了带电粒子的过程。例如地球电离层里的粒子就属于这种情况。电离层中的粒子，在宇宙中高能射线的作用下，电离成了带电的粒子。 处在水溶液的固体表面会发生电离, 部分电离的离子会游离到水溶液中。此时固体表面会带电荷，产生一定的电位，这叫表面电位。固体表面电荷吸附溶液中的异性电荷形成双电层。如SiO2与水生成弱酸性H2SiO3，电离出的负离子SiO32-有一部分吸附在固体SiO2表面上，形成一层负电层，液相中的正离子H+受其吸引形成反粒子层。 (2 ) 离子交换。 例 如 ，当玻 璃 与 CaC1 水溶液接触时，玻璃中硅酸钠的钠离子可被钙离子取代，使得玻璃表面带正电。 (3 ) 离子吸附。 离子吸附作用。在一般情况下 ，固体物质在溶液中选择性地优先吸附某种离子(包括 一些分 子)，与组成成分性质越相似的离子越易吸附。若固体表面吸附的是正离子，则该表面带正电，反之带负电。 二氧化硅除上面的化学电离外还存在着离子吸附，二氧化硅就是靠离子吸附使固液界面带电的矿物之一。其吸附机理是：硅与氧是共价键结构，晶体在机械力作用下产生破裂，裂纹表面硅与氧原子之间的共价键断裂。处在表面界层的原子并没有电子的得失，因而破裂后的两个表面并不带电。但联结破裂前两界面之间原子的共价键断裂了，使处于物体表面原子最外层电子不再是最稳定的8个，缺少一些价电子，这时溶液中负离子的电子就会填充这些共价键电子空位，此时固体表面会有多余的负电荷，在固体界面形成负电层。 固体表面带电层的电荷称为定位离子。这些电荷主要集中在1—2个原子厚度的表面层中。见下图：
图18 固液界面电性 一般情况下液体中的正负电荷数量相等，正负电荷中和，对外不显电性。设距离固液界面较远的液体电势为零。固体表面层中由定位离子与液体内部会产生电位差，这电位差叫表面电位，一般用Ψ0表示。 在表面电位的吸引下，液体中的正电荷会被吸附在固相界面附近，形成一层正电荷层，这层离子称为配衡离子，也叫反号离子。于是在固液界面两侧形成负正排列的两层电离子，这就是固液界面的双电层。 受定位离子层异性电荷的引力作用，靠近定位离子层的配衡离子排列紧密，形成牢固的紧密层（或称斯特恩层）。紧密层中心与液体零电势处的电势差用Ψδ表示。在斯特恩双电层模型中Ψδ电势又叫斯特恩电势。紧密层的离子受固体表面电荷的作用力强，一般不会随液体流动。故又把这层称为吸附层。 紧密层外侧的配衡离子，因距定位离子较远，受固体表面电荷的引力逐渐减小，加之离子的热运动，离子密度分布趋向于均匀值，因而配衡离子密度逐渐降低，形成扩散层（或称古伊层）。因扩散层离子受到固体表面电荷的引力较小，易于在水的粘滞裹挟随水流移动。 因定位离子层和配衡离子层是符号相反的异性电荷，正负电荷数量相等，总电荷为零，对外不显任何电性。但当扩散层的配衡离子流失后，定位层和配衡层的正负电荷数不再相等，紧密层对远离界面液体而言会产生一个电位差，这电位差用ζ表示（希腊字母大写Z，小写ζ，英语读音Zeta--泽塔）。又称作动电位或Zeta电位。 双电层是固液界面处普遍存在的一种现象，它的影响范围大致是在几十纳米之间。 （4）、过滤电势 当地下水在岩石毛细微裂隙中流过时，将带走双电层溶液一侧（扩散区中）的部分正离子。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。 靠水流动产生电位差的机制叫动电效应。动电效应使岩石裂隙出水口端的正电荷逐渐增加，流动电位逐渐上升。流动电位产生的电场会使水中正电荷受到与水流方向相反的电场力，当电场力与水对电荷的粘滞裹挟力相等时，裂隙出口的电荷不再增加，形成一定的流动电位。 水溶胶是水中细小的固体颗粒物，如矿物颗粒，有机质颗粒细菌等。在自然界的地下水中水溶胶大多是细小的硅等矿物颗粒。在这固体颗粒物的固液界面上必定会存在双电层。当用滤网过滤这些颗粒物时，颗粒物被滤网阻挡，不能随水运动，但颗粒物双电层扩散区中的离子会随水流通过滤网，于是在滤网两边形成电动势。所以也把由动电效应形成的电势，形象地称为过滤电势或过滤电场。 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。固体物大多是硅等矿物，其界面电位为负值，因此水的上游是负电势，下游为正电势。 地层中流动电位与许多因素有关，根据亥姆霍兹的理论可用下面公式近似求解： U=ρζε△P/4πβ---------------------------（1） 式中, U为过滤电位，单位为mv/m,，ρ为液体的电阻率，单位为Ω▪m；ζ为动电位，单位为m v；ε是水的介电系数，ε=81；△P为压力差( 单位为MPa)；β是水的粘滞系数( 单位为厘泊) 在地层中，一般情况下过滤电势可用下面简略公式计算： △U=0.77ρ水.ΔP。-------------------------（2） 式中，△U过滤电势，单位是mV；△P为岩石微裂隙两端水的压力差，单位一个大气压（每十米水柱的水压约等于一个大气压。一个标准大气压是 1.013×10^5Pa）；ρ流体的电阻率，单位（Ω·m）。 在地层中过滤电势还与毛细裂隙的孔径有关。实验证明当岩石的渗透率过小时，几乎不会产生过滤电势，见下图。
图19、岩心渗透率与过滤电势的关系 （5）、海洋潮汐与地电场变化规律 下面我们分析一下地电场的日变化与海洋潮汐的关系。海洋潮汐主要受月亮和太阳的引力作用产生的，虽然月亮的质量远小于太阳质量，但由于月亮离地球近，经计算，月亮与太阳的引潮力之比为 （F月潮∶F日潮）11∶5。 海水发生潮汐有其周期性, 这主要是地球的自转和月球绕地球的公转引起的。地球自转的周期T地为23小时56分零4秒 , 月球公转周期T月为27天7小时43分 ,海水的潮汐周期设为T , 则有T(2π/T 地- 2π/T月)=2π, 所以T =T地· T月/ T月-T地, 计算得到T 为24小时50分 。一日之内陆球上除南北两极及个别地区外, 各处的潮汐均有两次, 每次周期12小时25分,这就是 一日两次共24小时50分的原因。因此潮汐涨落时间每天都要延后50 分钟。 因月亮绕地球的公转周期和地球的自传周期不同，在农历的初一和十五左右，月球、太阳和地球的位置大致处于一条直线上，它们所引起的潮汐相互增强，便出现比平常大得多的大潮。 如果地电场的日变化规律是由地球的潮汐现象引起，那么地电场的变化应与地球潮汐有相同的规律。
图20 平凉地电台在2009年5月18号至7月1号检测的地电场分钟值曲线
图21 2001年10月10—24日上海崇明台地电场分钟值曲线
图23 平凉地电台在2009年6月2号检测的地电场分钟值曲线
图24 2009年5月8号海安地电台，检测的地电场分钟值曲线
图25 2009年5月13号海安地电台，检测的地电场分钟值曲线 从图20到图25看，实际检测的地电场变化规律，既没有农历初一十五的极大值现象，也没有每天延后50分钟的延后现象。图24、图25是海安地电台相距5天的地电场分钟值，如果地电场的规律变化是潮汐引起，那么5月8号8点的最小值在5月13号应延后至12点，但从图4丝毫看不出地电场最低值延后现象。地电场的变化规律完全不同于海洋的潮汐规律，由此证明地电场的变化规律不是由潮汐引起。 根据平衡潮理论，如果地球完全由等深海水覆盖，用万有引力计算，月球所产生的最大引潮力可使海水面升高0.563m，太阳引潮力的作用为0.246m，两者相加不足1米。在特殊区域如夏威夷等大洋处观测的潮差约1m，与平衡潮理论比较接近。
图26 海洋潮汐示意图 如果陆地上也有1米的潮差，地球赤道周长大约为40076千米，其四分之一约10000Km，由上图可见，地下水在10000Km的距离内升高了1米。设地电场两电极间距为1Km，两级间的水位差为万分之一米。地下水的电阻率与矿化度有关，一般在10---50Ω▪m。取ρ=20Ω▪m。用动电近似公式（△U=0.77ρ水.ΔP）计算，因潮差在陆地上产生的过滤电势约为1.5x10-5mV,这完全可忽略不计。 同海洋一样，大陆也存在着固体潮汐。一般钻探的深井直径很小，地下含水岩层渗漏到深井的水量有限，因此地下岩层水所承受的压力，与井水相同。固体潮汐的应力会传递到井水中，使井水出现潮汐现象。经对祁县440米深井水位监测，日变幅为7—12cm。即使地下水的潮差全部落在检测地电场的两电极之间，所产生的过滤电场也只有0.15mV/km。由各地电台检测的数据看出，地电场日变化幅值差均大于10mV，远大于地球潮汐产生的过滤电势，从这电动机理也证明地电场的变化，不是由地球潮汐产生的过滤电势所致。 乍看地电场有类似海洋潮汐的变化，但没有海洋潮汐的变化规律，潮汐引起的过滤电势幅值也远小于地电场变化幅值。所以地电场的规律性变化不是地球潮汐现象引起的，可能是其他因素引起,必须进一步探究。 （6）、地震异常电场与过滤电势 目前许多学者都用动电效应解释与地震有关的电磁现象，下面我们再看看地震前的地电场异常，是不是由于地应力作用下的动电机制产生的。 ▲从地电场的幅值判别 假设震源区的岩石中有一条无限长的毛细微裂隙，毛细裂隙两端水的压差为△P。由此产生的过滤电势为△U。在此电压作用下地球表层会产生向四周辐射的电流。设地球表层电阻率ρ是各向均匀的，由毛细裂隙端点向外辐射的总电流为I0，则: I0=△U/R0。 R0是毛细裂隙端点圆柱面到电势为零的极远处H，这圆柱体的径向总电阻。 如果把毛细裂隙端点区域看成一个圆，圆的半径用h0表示，圆柱面的高度用D表示。把围绕毛细裂隙端点区的柱面展开成长方形,其面积为： S=2πh0D， 从h0处沿径向x向外，取其厚度为dx的薄层，根据电阻的定义式R=ρ 所以：
R0= 地震源区域向外辐射的总电流是： I0=△U/R0= 假设地电场的检测电极在h0到无穷远处H之间的任意点b，b点到原点o的距离是h，b点处的圆柱面面积是S=2πhD。 所以在检测点处的电流密度为： j=I0/S= 如果地电场两检测电极的极矩为L，极板面积为S，所处地层的电阻率为ρ。那么两极板间的电阻为R=ρL/S。流过极板间的地电流为： I=j▪S= 两极板间的电势差为： V=I▪R= V是我们检测仪器检测到的两电极之间的电压值。我们设电阻率是各向均匀的，也就是ρ=ρ0 由（5）式得： V= 假设：检测到的地电场异常值为V=5mV=0.005V；毛细裂隙端点圆柱面半径为h0=10米；因地球赤道周长约4万里，其二分之一的地球对面为电势零点，即H=20000 000米；地电场检测点到地震中心的距离h=300000米；两电极之间距离为L=1000米。 把以上数据代入（6）式得：V=21V。 这就是说地震中心由动电机理产生的过滤电场必须高达21V，才能在300Km处检测到5mV/km的异常电信号。 那么由地震能产生这样高的过滤电势吗，我们再从过滤电势的机理进行计算。一般地震的震源深度在10Km，即使地震使地面水直接渗漏到震源处，水位差为10千米，这时地下深处裂隙与地面有1000个大气压的水压差即：△P=1000。ρ=20Ω▪m，用动电近似公式△U=0.77ρ水.ΔP计算，才产生约15V的过滤电势，这远小于20伏。 地震前震源区的岩石会受到巨大的应力作用，岩石毛细微裂隙里的水也因此受到一定的作用力。但水是流体，水受到的作用力与岩石渗透率有关。如果岩石裂隙是闭塞的，裂隙里的水虽然受到巨大作用力，但裂隙水无法流动，水的压力差.ΔP为零，此时不会产生过滤电势。如果裂隙是开放的，这时如果岩石渗透率很小能够保持较大的压力差，但渗水量过少，搬运的电荷量也少，空隙两端形不成较高的电势，由图二也看出此时产生过滤电势非常微小。如果岩石渗透率增大，水的流动加快，此时空隙两端水压差减小，同时固液界面面积也减小过滤电势也减小。 又因地震前地下岩石虽然受力巨大，但岩石形变是缓慢的，每年不过1厘米。岩石开放裂隙里的水有漫长的流动时间，因此这种开放裂隙里水的压差几乎为零。即使临震几天和发震时也不是很大。 中国地震局地球物理研究所毛桐恩，中国地震局分析预报中心席继楼等学者在研究1998年1月10日张北Ms6.2级地震前，距震中240Km的宝坻地电台，地电场数据得知：震前地电场异常幅值达100mV/Km。从这数据看出，检测到的地电场绝不是由过滤电势产生。 如果说检测点的地电场，是由于地震应力引起检测点附近水位变化产生的过滤电势，果真如此吗？
图27 唐山地震前地下水位升降分布图 上图是国家地震局兰州地震研究所冯学才学者，1982年发表在《地震地质》杂志“我国大震前地下水异常特征及物理机制”一文的截图。由图中统计数据看出，唐山Ms8级地震前震区深水井水位最大变化幅度不超过3米。由简略的过滤电势公式△U=0.77ρ水.ΔP 计算，过滤电势不超过5mV。 1976年唐山地震时，青县地电台记录到地电场异常幅值达44 mV/km，这远远超出了由过滤动电机制产生的过滤电场幅度值。 到目前为止还没有发现，距震源几百千米远的地方有几米的水位异常，所以地震前的地电场异常也不是因地震引起检测点本地水位异常产生的。 因动电效应产生的过滤电势，会在微小裂隙两端点产生等量的异性电荷，两端电荷产生的电场主要集中在两电荷之间，向外扩散的电场距离不会太远，如果以地震中心为原点做一个半径远远大于裂隙长度的高斯面，根据高斯定理，这时高斯面内净电荷为零，穿过高斯面的电力线为零，那么在高斯面外也就检测不到过滤电势的电场。 如果说这仅是理论计算，那么实际情况又是怎样呢？在上海同里800kV直流高压输电换流站接地极向地下注入4000A电流期间，此时接地电极周围的电压可达千伏。但距同里50Km的青浦地电台仅检测到31mV/Km的地电场信号。由此实验事实得知，地震前地震中心产生的异常电压必须高达几百伏，才能在几百km外，检测到每千米几毫伏的异常电压值。动电机制绝不可能产生这样高的电势。 ▲从地震引起的形变时间点判别 大多数地电场监测台检测的地电场异常信号是在地震发生之前，如果说地震异常地电场信号是由动电效应产生，在地震发生时地下岩石活动最为猛烈，岩石毛细微裂隙里水的压差变化也最为剧烈，理应此时过滤电势最大，但事实恰恰相反，这时很少检测到地电场有大幅度异常。 1975年2月4日19时36分，在辽宁海城、营口一带发生7.3级强烈地震，震前，营口县虎庄公社邮电支局的土地电仪出现了几年来最大的异常变化，海城玉皇山地震监测站的土地电出现多次突跳。但在地震发生时刻，海城站的姜成田一直注视着“土地电”，发觉不论大地如何颤动，土地电仪表的指针纹丝不动。这只是当事者的口述，没有实据。那么由仪器记录下的数据是可信的。 下图是2005 年7 月25日黑龙江林甸县发生5.1 级地震前，距震中300Km榆树台地电场NW_S 向分钟数据曲线。
图28 黑龙江林甸县发生5.1 级地震前，距震中300Km的榆树台地电场分钟值
图29 2015年5月28日唐山4.8级地震前宝坻地震台地电场分钟值
图30 2008年汶川5.12地震前陇南汉王地震台记录的地电场分钟值曲线
图31 2008年汶川5.12地震前成都地震台记录的地电场曲线 从图中看出震前地电场出现了大幅度异常，但地震发生时并没有大的信号出现。这不是个例，是普遍现象。 理论和事实都证明地震前的地电场异常不是由动电机理产生的。 二、氧化还原电场 极化电场 在化学中把有电子得失或电子转移的反应叫做氧化还原反应。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，使固液两相中分别带异性电荷，并在分界面附近形成双电层。此双电层之间的电位差称为电子导体在该溶液中的电极电位（即电极电势）。 当电子导体的外界条件一定时，电极电势只取决于电子导体本身的性质。德国科学家能斯特从理论上推导出，电极电势与温度、反应物浓度、溶液酸度之间的定量关系式，当温度在25℃时，把有关常数代入，能斯特方程简化成如下形式： ψ=ψθ+ 式中ψ是电子导体的电极电位，ψθ是标准电极电位，ox为氧化态浓度，red为还原态浓度，n为氧化还原时得失电子数。铅的标准电极电位为 - 0.126V 有些导体的电极电位可达数千毫伏。 电子导体在液体中固液界面形成的双电层，其两层间距非常小，正负离子所带电量也相等，对外不显任何电性，因而也就形不成外电场。当有外界作用，双电层的离子数发生变化，相对平衡被破坏 电极电位数值将发生变化。通常把电极电位与相对平衡的电极电位的偏离现象，称为电极极化，偏离的电位叫极化电位。这时电极对外就产生了一个电势，叫极化电势，或极化电场。 电极产生极化的外界因素主要有： （1）电化学极化， 在固液界面两侧由于化学反应速度差异，使两侧离子失去平衡产生的极化。 （2）浓差极化，电极表面与贴近电极液体中的离子浓度不一样产生的极化。 （3）阻力极化，在离子运动过程中由于离子受到的阻力不同，使正负离子失去平衡，而产生的极化。 如果把金属电极置于相同金属盐溶液中并保持溶液浓度不变，这样双电层的正负离子保持平衡，此时电极不会产生极化电位。目前常把铜棒放在盛有饱和硫酸铜溶液的瓷罐中，铜棒通过瓷罐渗透到外界的硫酸铜溶液离子来导电。这样可保存电极固液界面双电层相对稳定，可使电极的极化电位差减小到1毫伏以内，故称这种电极为不极化电极。 埋设在地下的金属导体电极的极化电位，与电极材料纯度，表面形状，表面面积，电极组织结构，仪器内阻，电极接入电路时间，埋设地层的土壤性质，地下水离子性质及含量，地下水饱和度，水的运动速度，温度，含氧量，等众多因素有关。 两种不同性质的导体其极化电位也不同，当处于同一溶液中时，两导体之间便会存在电位差。失去电子的导体产生氧化反应，该导体为负极；得到电子的导体产生还原反应，该导体为正极。用导线连接正负极，导线中便有电流通过。这便是原电池。 自然界也存在氧化还原电场。地下存在电子导体矿体，如石墨、黄铜矿，闪锌矿等。若矿体及其周围的水溶液都是均匀的，则矿体固液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。 如果矿体或水溶液是不均匀的，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。 众多矿物易于和氧产生氧化还原反应。当矿体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，在矿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，矿体上部处于氧化性质溶液中，电极电位较高，矿体相对带正电，而周围溶液带负电；而矿体下部分处于还原性质溶液中，电极电位较低，矿体相对带负电，周围溶液带正电。由此形成的电流在矿体内部自上而下；而在矿体外自下而上。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。在矿体正上方电位最低，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。 虽然地震能引起地下水位变化，在地下有电子导电矿体的区域产生氧化还原电场。但这种电场只是影响范围很小的局部电场。如果地电场检测电极远离这样的矿区，这种氧化还原电场可忽略。 但地电场检测电极周围水环境的变化，极易引起电极极化电位的变化，幅值可达数十毫伏。这种氧化还原电场是地电检测中最常见最严重的干扰因素之一。 在实际地电场检测中由于降雨灌溉等，往往会引起检测数据高达几百毫伏/千米大幅度变化，人们往往认为这是过滤电势引起，其实在这变化中过滤电势的成分很小，主要是电极周围水环境变化，由氧化还原机制产生的电极极化电压差。我们只要想法减小电极极化电势就可减小这种干扰。 三、扩散电场 地壳中存在着许许多多不同的矿物，大多数矿物会微溶于水，形成不同性质和浓度的离子。各区域间存在着离子浓度的差异，从而产生扩散。当正离子的扩散速度（迁移率）大于负离子时，正离子离子浓度大的岩层带正电，正离子浓度小的岩层带负电。从而产生扩散电场。扩散电场一般可达数十毫伏。 电子导电的矿体同岩层中的水溶液互相接触时，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，从而产生扩散电场。同氧化还原电场一样，只要检测电极远离矿区，这种由于地下矿藏产生的扩散电场即可忽略。 在地质勘察的地电场检测中，需检测的是某点的真实电位值，这对检测电极本身的极化电位要求很高，最好是零，这样才能检测出某点的实际电位值。所以在地质勘探中必须使用不极化电极。 在监测地震前地电场异常信息的检测中，我们检测的是两电极间电场的变化值。这时两电极本身的极化电位并不重要，因为两电极的极化电位差是不变的恒量，我们要的是地震前地电场变化量。由于目的不同，对电极的要求也就绝然不同。 由于降雨、干旱、灌溉、地下水抽取、大风，温度变化等都会改变电极周围的水环境或离子扩散条件，当使用不极化电极进行地电场检测时，因不极化电极不断地渗漏出导电离子，两电极处于不同扩散条件时，会使两电极处的离子生很大差异，扩散迅速的电极处电离子少，扩散条件差的电极处电离子多，因而两级间产生电势差，见下图。由于地震前地电场监测是长期的不间断的，不极化电极需长期埋在地下，不极化电极中的离子溶液会随时间的延长渐渐渗漏完毕，因而会使检测值不断缓慢变化。这些引起不极化电极两极间电势差变化的因素与地震无关，是严重的干扰。 所以对于以检测地震异常信息为目的的地电场监测千万不要用不极化电极。
图32 不极化电极的极化现象 由于铅板电极几乎不存在像不极化电极的扩散电势差，这就避免了许多干扰因素。如果在其他方面再精心设计，铅板电极的极化电势可大为减小。由于铅板电极长期稳定性远远优于不极化电极，所以在地震地电场监测中应选用铅板电极。 四、压电电场 自然界中有些物质，如石英，电气石和含锌矿等，在某方向受到外界作用力后会在界面产生电荷，生成压电电场。1880年皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟首先发现了电气石的这种压电效应。于是就有学者用压电效应解释地震前的电磁异常现象。 硅元素约占地壳总重量的25.7%，仅次于氧。在自然界中，硅通常以含氧化合物形式存在，其中最简单的是硅和氧的化合物二氧化硅（SiO2）即石英。 天然石英晶体的形状极其繁多。最普通的是由六方柱面(六角）和大小不同的菱面（維面)所构成，见下图
图33 石英压电特性 通过晶体两棱锥顶点的轴叫z轴，又叫光轴或中性轴，它是晶体的对称轴见图a。光线通过光轴时无折射现象，沿光轴施加外力也不会产生压电效应。通过棱柱体两平面的轴叫y轴，也叫机械轴。晶体在外电场作用下会沿y轴方向产生机械变形。通过棱柱体两边棱的轴线叫x轴，也叫电轴。外力沿x轴或y轴施加到晶体上时，会在垂直x轴的两截面上产生极化电荷。产生压电效应的原因是石英晶体的特殊结构形式。 石英的每个晶胞中有三个硅原子和6个氧原子。沿z轴看去可以等效地认为正六边形排列。Si离子与O离子在xy平面上交替分布在六个角的顶点上，这时正负离子形成的电偶极矩大小相等，相互夹角为120度，电偶极矩的矢量和为零（图34），对外不显电性。在外力作用下，若点阵沿y轴方向被拉伸，晶体发生机械形变，晶体不再是正六边形，x轴电偶极矩减小（图35）。电偶极矩的矢量和不再为零，产生极化，在垂直于x轴的两面产生极化电荷。若被压缩，x轴电偶极矩增大，在垂直于x轴的两面也会产生极化电荷（图36），但电荷极性与拉伸时相反。
图34 电偶极矩为零 图35 图36 如果沿x轴施加外力时，也会在垂直于x轴的两面产生电荷，但沿Z轴施加外力时不会产生压电效应。 也可这样理解，当二氧化硅晶体不受外力作用时：在垂直于y轴的两个y平面，因有带电量相等的两个正负离子，无论怎样变形，两个正负离子距平面的距离始终相等，因此两个y平面上的正负电荷之和为零，对外不显电性。垂直于x轴的两个平面，在xd平面有两个负离子和一个正离子，负离子距zd平面较远，正离子较近，正负离子在平面上的电场矢量和为零，所以此时对外也不显电性。 如果沿y轴施加压缩力，或沿x轴施加拉伸力，都会使晶体沿x轴产生拉伸变形。此时正离子靠近平面。而负离子远离平面，正负离子在平面上的电场矢量和不再为零，产生极化现象，平面上出现正电荷。同样道理在xc平面会出现负电荷。如果外力的方向与上述相反，平面上就会产生相反极性的电荷。 在外力作用下石英晶体能产生很高的电压，但石英晶体的电阻非常高，因而电流也就特别的小。由于地壳上层岩石含水量较高，岩石电阻率较低，远远低于石英晶体的电阻率，这时石英晶体产生的极化电势被周围岩石短路，根本不会产生较高的地电电场。 虽然石英是自然界分布最广的矿物，但大块的石英晶体极为罕见，大多以细小的沙粒存在岩石中。在实验室对岩石进行实验时，使用的岩石样本体积较小，岩石晶体轴向可能存有差异，能检测出压电效应是可能的。在大块岩石中，压电晶体的轴向分布差异几乎为零，见下图（）即是在相同生长环境中的晶簇，其轴向分布也不会一致，在外力作用下压电晶体产生的电压相互抵消，对外根本显示不出电压现象。
图37 自然界的晶体 所以，地震前的电磁异常与岩石的压电效应无关。 五、雷雨云感应电场 （1）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。 六、震电电场 震电电场是由于地层的机械振动产生的电场 震电效应 当机械波在大地中传播时，大地两点之间会产生一定的电势，这种现象叫震电效应。目前对震电效应的机理还不清楚，大多数人因为是过滤电势引起，可有人用干燥的沙子做实验，也检测到震电效应，这证明震电效应不能用过滤电势机理解释，本人认为，在地层中存在着一定数量的电荷，这些电荷随机械波一起运动，使地层某区域电荷增多，某区域电荷相对减少，两点之间形成差异，从而产生电场。 无论震电效应的机制是什么，但在地震前没有地震波在大地中传播，从而也就不会产生震电效应，那么震前的地电场异常也就与震电电场无关 七、半岛效应电场 再就是半岛陷阱引起的脉冲电压。见下图38。 在土壤中有许多空腔，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。 图38半岛效应电场形成机制 我们看一下屋檐滴水，雨水沿着瓦片表面流淌到瓦片最低处，由于瓦片是亲水性的，在水的表面张力作用下，水不会立即流下，而是在此积聚，水积聚到一定量时水受到的重力大于表面张力时就会滴下。所以水是一滴一滴下落的。 土壤中的水是动态的，当土壤含水较多时，会有由高处向低处的渗漏，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。地下水的运动不是均匀的，像屋檐滴水一样有脉动现象。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。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。由于高频信号在地层中衰减很快，不能远距离传播，所以这种高频信号是电极周围产生的，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 （三）、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，在人为电场中工农业生产和生活是最大的干扰来源。如直流高压输变电的换流站、地下地上轨道交通，工厂生产生活用电，各种通信的电磁信号等电的应用。还有对地下水的抽取，回灌，农田灌溉，工业废水排放渗漏，垃圾填埋等活动。这些人为电场强度大，无任何规律，频率范围宽广。 （四）、结论 1、地震前电磁异常的物理机制与以上介绍的各种已知物理机理均无关。 经过多方面理论论证，数值计算，与实际检测到的震前异常电磁信号比较，可得出确定的结论：震前各种电磁异常现象的机理，与动电效应（过滤电势）、压电效应、压磁效应、地层岩石过氧键断裂、震电效应、岩石破裂时的电磁辐射、氧化还原电场，离子扩散电场，放射性物质电离，内重力波等学说均无关系。用以上所述的物理机制根本无法合理解释震前的电磁异常现象，也不可能一种异常现象对应于一种物理机制。对处理异常电磁信号的方法也完全错误，有用信息全部给过滤掉了，剩余的所谓异常信息基本上都是干扰。试想，能用这样的信息预测地震吗？因而我们必须探寻震前异常电磁信号的真实物理机制。 2、地电磁的规律变化与潮汐无关 无地震的时间段，地电磁出现的规律变化是日地空间静电场，空间运动电荷，地球自转，及地球表层电导率的差异引起。潮汐产生的过滤电势及其微小，可忽略不计，地电磁的变化规律与潮汐变化规律完全不同，所以地电磁的规律变化与潮汐无关。 4、无地震时段的地电磁异常主要来自日地空间静电场的突变、太阳风暴、云电、大风、电极的极化，人为因素等。是严重的干扰。 |
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