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地震的电性前兆和电化学前兆


地 震 的电 性 前 兆 和 电 化学 前 兆
〔 联〕 苏

! “”



!

探索 地 震 前 兆 的 电学方 法 可 分 为 有 源 的 和 无源的 两种

。 。

的 效应是 不 真 实 的

,

因 为 小 的 电极 距 提 供 的 穿


无 源 的 方 法不 需 要 附 加人 工 场
,

透 深 度为 几 米



加之 当变 形 为 #0






,

由于固

0 体潮 引起 的 压 力 变化值 为 #



大 气压



结 果装

例如

,

在 压 力梯 度 变 化的 作 用下


孔 隙液

置承 受 了 由于 简单 力学 电阻 效应 产 生 的 体 积不
在 渗滤 区 外 的 压 力影 响下 物质— 的
/ ?/ ?

体产 生 渗 流 电位
态 变 化 的反 应
,

利用 附 加外 电场

,

有源方法

大 ?数 十立 方米 ? 的微 小 载荷


我 们 称其 为

可 以 研 究介 质的 物理 和 物 理 化 学特 征 对 应 力 状 例 如地 球 深 部地 段 电阻 随时 间

?八 , ? , ?? ?. ?8
4

的 变化

,

或 用极 谱 方法 记 录 地 下 水 中 某 些 元 素


变化 我 们 试 图 用 布 鲁格 曼 一 花 井
, ;

4



浓 度的 变 化

? 9 # % ? 方 程作为 依 据

计算 气 压 对 导 电 基质

本 文 阐 述 山 崎 ?# ? % & ?

在 著作 中 所 记述 的
。 ,

, ?丫 ?

和 非导 电球 状 包 裹 体 ?: ? 的 两 相 体
丫 的影 响
+
,

新 型 有 源 力学 电效 应 的 特 性 山 崎 研 制 了 高灵 敏 度 的 电阻 可 变 电感器 用此 在 东 京 附近 的 油 津房 进 行 了 十 多年 频 率为
% ( 赫 的 电 阻 率连 续记 录


系的 电导 率
:

;

这 种 方 程 在 包 裹 体 任意

浓 度时 是可 靠 的

<

从 记 录上 能 可 靠 地 发
,
,

:

=兰 娜 ? ?


?#



中 ?
;

,

?# ?
,


:

现 与 强 烈地 震 同 时 发生 的 固 体潮 电阻 率 突 变
?

此 处脚 标 > 和 固相 体 积 部分
、 ,

?

表 示孔 隙 电 解 质和 固相 中 一

,

及 某 些 情 况 下 地 震 前 的 电阻 率 短 期 变化 ? ) 一


,

Α

,





小时 ?



引 人 注 目的



增强



效应 在 于

+



当: 《 : 和 : 时
,

由 ? # ? 式得
,

阻 率的 相对
0 约#


变 化 么,

?,

超 过 由石 英 形 变 仪在 电
, 设丫

:

?

: , ?#



中 ?环
,

,

?9 ?

阻 可 变 电 感 器 临 近 记 录 的地 盒 相 对 变形 . / ? /
?

与 压 力Β 无 关
,

在 Β 的 范 围 内 求式







作 者 用 岩 石 ?多孔 隙的 火 山 砾 凝 灰 效应
, 。 。

?9 ?

的微 分
)
?

由此 得 出
,
Δ

岩 ? 具 有 很 高 的 力 学 电 性灵 敏 度 来 解 释这 种

一Φ 万不 一

Χ丫

Δ

Ε

,

,

增强

在 这 种 岩 石 中装 有 对 称 的 电法
& 米
,

Χ厂

一 9

:

,

?#

甲 ??

9 一一 二二 一 一 。

Χ中
ΓΗ

+

?)

?

勘探装 置

其 电源 电极距 约 为

接 收 电极
,

同样
Χ中
ΧΒ
+

距约# (米

山 崎 的 早 先实验 研 究确 定
? △/ ? / ?
,

火山 们 称

砾 凝灰 岩 的 ?么 , ? , ? ?
于 )00
0




?我



Χ ?Α ? Α ? ΧΒ




兰? 上 兰 生 生
Α


Δ

Α



ΧΒ

Α

它 为 力 学 电阻 系 数 1 与

在低 压 力区内 约 等


Χ Α‘ 卫卫 、

ΧΒ
ΙΙ?

,

? 相 固? 均为
。,
,

这 种 结 果 的解 释 有 些 可 疑
2
3
4

实际 上

,


,

分 别 考 虑 到 岩 石 骨 架 的 压 缩 系数 日
压 缩 系数 日 和 孔 隙 空 间 的 压 缩 系数 日
,

,! 51 6

7

在 加 匀 发现 的 电 性前 兆 姆

,

从 物 理 学 上 容 易 解 释 为 震 源 区 电 阻 率 变化

的 结果

,

因 为 在 加 尔姆 的 电法 勘探 装 置 的 穿透
,



,





此处

Κ

?

6

,

?

,

,

,



深 度是 几 公 里

那 么 由此 可 以 看 出

,

山崎得 出

?? ?



??




;

?

,
,
,

?

?日





日” Λ
?& ?

对 后 一 种情 况 建 立 适 当的 理 论 模 型 是 极 困 难

,

但 分 析 很 多 实 验数 据 表 明
,

+

对 于压 力相对
Ε

中 Μ日
Μ
?

0 增 高△ Β ? Β 二 # 时

八 , ? , 的 极 大 值不 超过 # ,


式 中Μ 一 孔 隙 度
Α
#
,

+

即 水饱 和沉 积岩 中的 1 不 超 过 #0





,

因为
,

,



,

?


Α

;

?? Α

?

随 Β 增高而 增大
?( ?
,



所 以 山 崎 得 到的 效应
, ,

当包



裹 体的 浓 度 任意时

无 论 马 克斯 威 尔 一 布鲁 格 还 是与 水

把 式 ? & ? 和 ? ( ? 代入 式 ? ) ? 便 有
Χ丫 ΧΒ

曼一 花 井 的 传 统不 均 匀介 质 的 理 论 看
,

立丫
9

,

中 ?# 一 中 ?
; ;

姚日
?% ?

,

饱 和 岩 石 的 电导 率 与大 气压 关 萦 的 实验 相 比 来 其 数 值 和 符 号 都是 异 常 的
, 。

山 崎 ?# ? ( & ?


在他 的 著作 中提 到这 一 点 类 似的 体 系 中 相对 增大

,

他 试 图 用 部 分 浸润 然而
,

? 或 者 确 定式 ?% 与 体 系 电导 率 丫的比 值
#
:

+

介 质的 现 象 解 释异 常 的 力 学 电效应
,



Χ5
ΧΒ

于日
!

,




?Ν ?
+

电导 率 与 压 力的 关 系 实 际 上可
,

通 过 气相 压 缩 而 出 现
?#


结果 导 致 电相 体 积 分 量 此 处 中 是指固 相 和 气
,
,

现 在 可 以 计算 出 1
1


Ο






,



?

,

?

?

?Χ 5 ? : ? ? ?Χ Β ? Β ?

相 的 总 体积 分 量
?? ?

但是 根 据式 ? 9 ? 关 系 进 程一Λ


由此 得
,

立日
9

,

Β中

+



?# 一 中

;



? 的这 种 小 量 增 加 不 可 能 从 根

本上 改 变 丫 而且



?中 ?

成为 单 调 的

从 花 井 ?# ? % 9 ?
,
一 。

的 参考 数 据 中 取 极 大 值
?

丫 的 细小 变 化 总是

与中 的 细 小 变 化 一 致
,

0 日 二 # “毫 巴 和 压 力 Β # Π #0 ) 为

#



,

我们得1
,





因而

,

从 全 部 和 部 分 浸 润 的 不 均 匀 介质 的

理 论 范 围 内解 释 这 种 效应 是不 可 能 的

因 为这

可见 系数 Χ 5

,

由于 这 样 计 算 的 结 果


得 出的 气压
?) ?


个 理论 并不 包 含渗 滤现 象

,

或 我们 在 以 前著 作


Χ ?

Β 的符 号 同 水饱 和 岩 石 电导 率 与 压 力

中所 说 的

,



基 质转 变
,



,

山 崎和 力武 常 次 都 强

关 系表 的 数据不 相符
,

问 题 在 于式
,

虑 了 压 力下 固 相的 压 缩 ? 中 ? Β ? Χ Χ
那 么 电 导 率 也 增大


仅考 这增 加
,

所 发现 的现 象 的 性 质至 今还 无 法解 释 据我 们 看 仅 可 提 出两 个 合理 的 方 案 来 解
+

了子 隙 度 既 然 体 系是 两相 的 ?即 水 饱 和 的 ? /

释 异 常 大 的 力学 电灵 敏 度

4

? 部 分 浸润 岩 石

中的 渗滤 现 象
;

Φ

( ?

小 变 形 在 化 学 上 转 变为 电
4 和8
,

实 际上
固相 压 缩



,

压 缩 时 有 两 个 因 素使 中 改 变


+

位差



?静 态 堆 积 的 ?

颗粒 间 平 均 距 离 减
一 致” 变
,

#? &%年

百,

6 4 且 ! (

22!

挥 。。 提 出 的
1 Κ Η Μ , 4 Θ Η Κ! Μ

若假 设 在 压 缩 时 体 系 中仅 发 生

渗 滤 ?渗 透 ? 基 本 理 论 已 由 &
?#? % ? )
! 月 。几 ) !
,



,

即 压 缩 后 颗 粒 与其 堆 积是 相 似 的
,

那么由

等 作 了叙 述

于 颗 粒 压 缩 引起 电 导 率 增 高将 会 完 全因颗粒 的

?Ρ 笔者 ? ? ? # % ? 提 出 了破 裂 过 程的 渗 滤 模
,

相 互 靠 近 引起 的 电 导 率减 低所 补 偿 效 应可 等于 零


而且 总 和






渗滤
。 ,

实 际上
,

,

按 照 马 克斯 威尔 一 布


,

当 单 位 体 积 内的桥 键 数 目 Β 超 过 某 一 临 界 这 些 通 道 上 的 电流
。 、





就 是 通 道 ?桥 键 ? 的 雪 崩 式 联 质点流


鲁 格 曼 一花 井 的 理 论

体 系 的 电导 率与颗粒 的

值Β 时
限流


热流

分 散 度无 关 ?若 忽 略 表 面 电导 率 效应 ?
?孔 隙
,

结果

就 会 畅通 急剧增高

当Β Σ Β 时


,

形 成 穿 透 通 道或 无
,

未 必 会 明显 地 改变 表面 电导 率和 非球 状包 裹 体

当然
,

,

超 过渗 滤 的 极 限
,

体 系的 电导 率

裂 隙 ? 的 计算




而 且 增 高 值 取 决 于 周 围 介 质 的 电导

不 过颗 粒 的

非 一致



变 形和 由于 变 形 引
,


率和 桥 键 的 电 导 率 差 值
键 浓 度 增 大很 小 时
,

并 且 在 压 力引起 的桥


起 的 孔 隙 闭 合及 液 体由孔 隙 压 出

可 导 致 实验


可 达 几 个 数 量级

用这 一

得 出 的水饱 和 岩 石 电阻 率随 压 力的 增高

&0

虽然

原 理可 以 研 制 出 测 定应 力 值 和 方 向 的 灵 敏 渗 滤



探 测器
结果




在 这 方 面 的 初 步 实验 得 出 令人 信 服的



,

在 有 电解 质饱 和 的 高孔 隙介 质 变形 时 产生


的 电 化 学现 象

已 知 电化 学转 换器 的 结 构

,



若 岩 石 的 部分 裂 隙和 孔 隙填有 良 电的 电 导

中压 力或 引起 电路 中测 定 电流 强 度 的 电极附近
?通 常是 阴 极 ?
,


解质

,

且 岩石 中水 分 的含 量与 渗滤 极限 一 致 率 明 显 变化


,

溶液中

,

有 参与 电化 学反 应 的

Λ 那 么 体 系 的最 小 压 缩 ?或拉 张 ? 会 由 于 形 成
?破 坏 ? 无 限 流 引 起 电 导 ?. , ? , ? ? ?△/

系数

物质 浓 度变 化 或 有 引 起 经 多孔 隔 层 的 电渗迁 移 速 度 变 化 一 般 情 况下 压 力在 电 化学 作用 下 转 变成 电动 势
0 #
一 ,

— 其 为渗滤 机 械 阻 尼 系数一一 可 达 到 几 个 数量



?/?

在 这 种 情况 下 可 称

而 且 这 种转 换 器 ? 电渗 器 ? 达



大 气压

,

即 它们 完全可 能 反 应 出 固体 潮 引
。 ,

起的 细小 应 力
, 笔 者 提 出不 良传导 介 质 ?: ? 中导 电包 裹

此 处应 当 强调 指 出 为 电 阻 可 变 电 感器
,

虽 然 山 崎 的 装 置 被称

体 电导 率

? 丫9

? 体 系与 导 电包 裹 体体 积 分 量 中
+


实际 上 它 可以 记 录 通 过 电
,

关 系的 综 合公 式
: ?中 ? ?

: Ρ ?#




中?

) Τ

: 〔





?中



中 ?





0 源 电极 流 动 的 电 流 ? # 0 毫 安 ? 高稳 定 时 接 收 ?. 中 ? 即 实际 上 测 量的 龟极上 电 位 差 变 化 (

乙 ?# 一 中 ?




)

〕 ( ?中 Υ

Λ

不 是 力 学 电阻 系数 ?八 , ? ? ? 八 / ? / ? 0 ’?


,




是 力学 电 系数 1
?# 0 ?



〔 ?八 冲 . ( ? ?
,

中 ?Χ中


,

们?

? △/ ? / ?

因此

,

所 观 测 到 的 效 应 可 能 完 全不 是 像 山 崎

此 处中 一 极 限 的 体 积 浓 度 超过 这 一 浓 度就 有
,

渗滤发生
# &
Φ

,

Θ 一 临 界指 数 ,

在 三 维 模 型 中等 于
#
,

Ε

所 推 测 的 由 电 阻 变 化 引起 的 而 是 由于 应 力 状 态 变化 使 浸 润 的 多 孔 介 质 中 电化 学 特 性 电

在 二 维 模型 中等于
9 电导 率 丫
+

一#



: ‘一


与包
,

动 势 变化 引 起 的

,



还有

,

除 压 力转 变 成 电位 差
,

裹体

成 比 例 的值 ( 一 ( 函 数
,

这 个装 置 中 还 出现 通 过 体 系的 ?电化 学 ?
,

? 这 个 公 式 给 出 4 按 式 丫 ? 丫, ? ?# 一 中 ?” 即 在 中 ? 中 的 范 围 内 电导率随导 电包 裹 体


电 流积 分

因 而 无 限 小 的 变 化 经 积 累后


会产

生 可 觉 察 到 的 电位 差

因此

,

山 崎 的装 置 可 能

体积 分 量增 大而 平 稳 增高
中Σ 中 时


?这 可 认为 与 部 分 浸
Φ
Μ

是 大 范 围的应 力 电 渗 测 定器
可 以看 出 略 计算
, ,

,

它是 利用 若 干 米


润 的 压 缩 体 系 中 气 体 体积 减 小 一 致 ?
,

(

,


Λ

长 的 特 定 大小 的 岩 体 作为 探 测 器

电 导 率 的 剧 烈 跃变 达 丫
?


?中

对 异 常 的 力 学 电效应 幅 度的 粗

,

中 ? 值






将:
?

: Ι?




中 ? ”二 # 0





Φ 姆欧? 厘 米
,

与 渗 滤假 说 和 电渗 假 说并不 矛 盾
,

丫‘ 二 二 : +

0 #
,

姆 欧 厘 米 代 入 式 ?#0 ?




为 了 彻 底解 决 效 应 的 性 质 问 题

必须 建 立


出超 过 渗 滤 极 限 百分 之乙 的导 电包 裹 体体 积 分 量的 增长 值

,

其 实验 模 型

其 中包 括 进 行 效 应 的 频 率 研 究
,

当 压 缩 时 ?中
,








0

# 0 ? 它

问 题在 于 电 化 学 转 换 器 具 有很 强 的 频 率 相 关
? 高频 急 剧 衰 减 ?

可 引 起 电 导 率 增 大 9 个 数 量级

顺便说一

虽 然 电解 渗 滤通 道 的欧 姆


山 崎 本 人 认为
,

油津 房凝 灰 岩对 压 力 的 高
,

电 阻 几 乎 与频 率 无 关

此外

,

我 们 开 始 的这 一
,

灵敏 度

大 约 与含 有 孔 隙 电解 质的 通 道 闭 合有

研 究对 不 很 深 的 电 性预 报 装 置
、 、

今后 可 以 进 一

、 、






这 近 似于 渗 滤 模 型

这 种 模 型 有可 能按 其 若 采 用这 种 解 释
, , ,

本 质 差异 作 出 定 量计 算





步 选 择 最 佳 条 件 ?岩 石 类 型 孔 隙 度 场 频 率 电 极 大 小 及 其 非 对 称 度 水饱 和 度 多 孔 电 解 质 的成 分 ?


么 油 津房 的 结 果可 能 是 唯 一 的

因 为 渗滤 状 态

与 精 确 测 定 的 含 水 量 相符
的岩 体


而 且 在 天 然 条件 下

译自

+

小 , ,)

+,14

)

! 、 一

川 #? Ν#
,

,

地 )

,

未 必 会 有 我 们 常 发现 的 满 是 所 提 条 件 的 足 够 大

&& 一 & ?

袁 正 明译

对 高 力 学 电灵 敏 度的 第二 种最 自然 的 解 释

# 一 &




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