岩、矿石的震电性
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发布时间：2022-05-17 15:35
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时间：2023-10-27 06:30
地电测量时经常需要往地下供电，早期主要使用直流电。实践中发现，在供直流电的过程中，如果有弹性波通过供电区，那么供电回路中的电流会产生周期性波动。这一现象称为震电效应“I”。后来又发现，在接通的不供电的两个电极所在的区域里，如果有弹性波通过，那么电极回路中就有交变电流流动。这一现象称为震电效应“E”（孙振江，王华俊，1984；波达波夫 O A，1992）。
（一）震电效应“I”
1936年英国地球物理学家布劳和斯特瑟姆（L.Blau和L.Statham）指出，供电回路中的电流变化是由于接地电阻发生变化造成的。他们还提出震电效应“I”在地震勘探反射波法中的应用。图1⁃1⁃21 是汤普森（R.R.Thompson）在实验中得出的爆炸后电极的接地电阻的相对变化ΔR/R与时间的关系曲线。图中的横坐标是自爆炸时刻至观测时刻的时间，纵坐标是 ΔR/R·10-7，由图可以看出，这个相对变化量不小于1个量级。因此汤普森得出如下两点结论：①震电效应“I”不是电极表面变化所引起的，而是接地电阻变化的结果；②接地电阻的变化是由于地震波的传播引起的地温或地下固体微粒间的接触电阻的变化。
图1⁃1⁃21 爆炸后接地电阻与时间的关系
图1⁃1⁃22 震电效应与打击能量（a）及供电电流（b）之间的关系图
伊万诺夫（A.Γ.Иванов）从实验中得出：①在供电电流恒定的情况下，由震电效应形成的电波幅度与打击能量的大小成正比，如图1⁃1⁃22（a）所示。图中的纵坐标是电波振幅，横坐标是32kg重的铁球砸下前的高度，即与能量成正比的量。②在固定打击能量的情况下，电波幅度α与供电电流I成正比，如图1⁃1⁃22（b）所示。实验中还发现：在供电电路阳极一边打击时所测得的震电效应，比在阴极一边打击时测得的震电效应约高8倍，如图1⁃1⁃23所示。实验者称这种现象为阳极的高灵敏度。阳极的高灵敏度不是通电后立即就能达到最高值的，而是通电后过20～30 s才能达到最高值。伊万诺夫认为这一现象与电极表面效应无关。为解释这一点，他在接通电路30～40 s后，把已经达到对震动稳定、高灵敏度的正电极从实验模型中拔出，并在2～3s内，用砂纸把该电极打光，再插进原孔中去。这时，电路接通后立即达到高灵敏度。这说明阳极对震动的高灵敏度是电极附近的土质变化引起的。
图1⁃1⁃23 阳极的高灵敏度实验曲线
（a）在阳极—端打击；（b）在阴极—端条击
实验者认为震电效应的物理过程为：具有离子导电性质的岩石是个复杂的扩散系统，并且有很大的扩散面。在岩石孔隙间的稀释水溶液中悬浮着小而分散的带负电的固体颗粒。通电后，这些颗粒逆电场方向移动，在电极附近它们的密度增大，堵塞了孔隙，使该区岩石的导电性变差，因此接地电阻增加。地震波使电极附近的岩石震动，颗粒间的接触发生周期性的变化，从而电极周围岩石的导电性也发生周期性的变化，导致了震电效应的产生。因为电极附近带电颗粒的集聚需要一段时间，所以阳极对震动的最高灵敏度也有一个建立过程；需要一段时间。后来又发现，震电效应“I”随电极附近土壤的电导率增加而下降。这一特点支持了上述震电效应“I”的形成理论。
（二）震电效应“E”
1938年夏天，在研究震电效应“I”的过程中，伊万诺夫等人用图1⁃1⁃24所示的装置，观测到了震电效应“E”，即在AB回路不供电的情况下，观测到了震电效应。实验过程中，在20m到100m之间，不断改变爆炸点f和A电极之间的距离，而AB之间的距离始终保持25m，可测出一组震电效应曲线。图1⁃1⁃25就是在这种情况下记录下来的几条曲线。由图可以看出：AB两个电极间的电信号E比检波器C中的弹性波信号早到0.01～0.015 s。假设地震波在地表的传播速度为1000m·s-1，则当地震波距电极10～20m远时，电极AB就收到了电讯号。实验结果表明电信号比弹性波信号早到的时间随爆炸能量的增加而增加。
图1⁃1⁃24 震电效应“E”的观测装置图
A，B—接收电极；C—地震检波器；f—爆炸点
与震电效应“I”相比，震电效应“E”的另一个特点是有明显的方向性。为得到有关震电效应“E”方向性的资料，需要适当选定两个爆炸点的位置，做两次实验。第一次爆炸点在A电极的左边，实验结果示于图1⁃1⁃25（a）；第二次爆炸点选在B电极的右边，实验结果示于图1⁃1⁃25（b）。对比两次实验结果，可以看出二者的相位正好差180°。这就充分表明震电效应“E”的方向性。到目前为止，产生震电效应“E”的原因还不十分清楚，不过多数地电工作者同意伊万诺夫的解释。他认为爆炸能使孔隙两端产生压力差，此压力差迫使孔隙溶液流动，形成过滤电势。
图1⁃1⁃25 震电效应“E”的方向性实验结果图
（a）爆炸点在A极左边；（b）爆炸点在B极右边
（三）震电电磁辐射效应
研究发现，某些多金属矿体在音频范围内的弹性波作用下，能产生无线电波段范围内的脉冲电磁辐射现象（徐为民等，1985；刘煜洲，姜枚，1996）。这种震电效应的基本特征是：
①只产生于多金属矿体，而在围岩中不存在。②信号的场强值要大于其他震电效应。当接收点距矿体100m左右时，要比压电场强大102～103倍，距离为1m时大103～104倍。③信号的频率成分在无线电波段范围内，大大超过激发弹性波的频谱段。信号的振幅与激发弹性波的振幅呈非线性关系，对不同的矿体趋向于某种不同的饱和值。④脉冲信号的特征基本有两种形式，大幅度的陡的前沿与平缓的前沿和张弛的脉冲伴随有逐渐衰减的振荡。⑤伴随有超声振荡与发光现象。⑥重复爆炸时，其信号的前沿、形状及持续时间的重复性差。
有关此种震电效应的机理与应用，尚有待进一步研究与发展。不过，可以预料，这种震电效应除可用于资源勘查外，还可作为一种地震的前兆现象加以利用。
（四）激发动电效应
动电效应是流体饱和孔隙介质所具有的物理特性之一，也是近年来震电研究的热点所在。研究表明：在流体充填的孔隙介质中，由于固液接触面间的电化学作用，在固体表面形成双电层，导致在流体中产生游离的带电离子，当地震波在介质中传播时，由于带电离子的运动而产生电磁场。尽管对流体饱和孔隙介质中震电效应产生的微观物理化学机制与过程还有待深入研究，但固⁃液界面双电层的存在，是产生动电效应的主要原因这点已达成共识。而双电层的形成又与介质的孔隙度、渗透率、流体性质等储集参数密切相关，因此，动电效应产生的电磁波场对地下油气藏分布具有直接探测性。从目前已发表的研究成果和实验结果来看，动电效应应用于油气勘探开发，特别是在寻找“剩余油”方面有良好的发展前景。
前苏联学者O·A·波达波夫在其所著《震电勘探原理》一书中，对震电法用于油气勘探的可行性进行了比较系统的理论、实验及野外试验研究。但由于机电转换机制比较复杂，震电信号又很微弱，因此用震电法找油气，目前尚处于试验研究阶段。
