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仇勇海的博客

关于地震预测预报

 
 
 

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关于我

1970年中南矿冶学院地球物理勘探专业毕业后留校任教,从事电法勘探的教学和科研工作。1984年获得国家自然科学基金的资助,该项目“电流场与金属矿晕”1989年获中国有色金属工业总公司科技进步三等奖。1997年晋升为教授。“铜电解液净化工业生产试验”1999年获国家有色金属工业局科技进步三等奖。2000年获得政府特殊津贴。著作:地电化学基础及应用,译著:自然电场法文集,均为中南工业大学出版社出版。

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地震是可以预测的(11-流动电位)  

2008-06-09 18:47:22|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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基础理论-流动电位

当固相与液相发生相对运动时,会引起一些有趣的电现象,例如电渗、电泳、流动电位、沉降电位,它们统称为电动现象,电渗、流动电位在物探中获得了广泛应用。

1.电动现象

电渗和电泳现象是俄国科学家列依斯于19世纪初发现的。列依斯将两根玻璃管插到很潮湿的粘土里,玻璃管中装入洗净的细砂,然后注入水并插上A、B电极。接通电源一段时间后,发现插入B级的玻璃管中水面上升,而粘土微粒朝正极的A极方向移动,A极下部的水层变得混浊。后来的实验证明,不仅粘土、多孔瓷片、毛细管中也可能观察到类似的现象。在外电场作用下,液体介质通过固定不动的多孔固体或毛细管来作定向运动的现象叫电渗。由于水溶液中的水化正、负离子在电场作用下进行电迁移,通常阳离子的水化能力比阴离子大得多,所以水化H+离子在B级发生还原反应之前必须脱去水分子,因而B极的玻璃管中液面上升。在外电场作用下,溶胶中的带电固体微粒在液体介质中向带异性电荷的电极定向运动的现象叫电泳。电泳现象说明悬浮在液体中的胶体粒子同样带电。粘土矿物胶粒一般带负电荷。电渗和电泳都是在电场作用下,相接触的固体与液体间发生相对运动的电现象,只不过电泳中观察到的是固体胶粒的运动,在电渗中则是固体不动而液体运动。电动现象产生的实质在于固体粒子与水溶液的固液相界面形成了双电层结构,固相表面吸附的离子与扩散层中的离子所带电荷符号相反,因而在电场作用下表现出了电渗或电泳现象。

2.界面双电层的形成

在自然界中,胶体矿物很普遍。蛋白石、褐铁矿、孔雀石、硅孔雀石、石英、软锰矿、萤石、方解石、菱镁矿、大多数硫化矿物、粘土矿物、腐植质等等都是胶体。Si、Al、Fe、Ti、Mn等元素所形成的硅酸盐及其他化合物,在水中的溶解度者都很小,都比较容易形成胶体矿物。胶体的主要性质之一是胶体带电,带电的直接原因是胶体具有吸附特性。胶体是由许多正、负离子组成的,它本身含有可离解的基团。SiO2在通常情况下具有负胶体性质。SiO2水解可形成H2SiO3,它可以电离成H+,HsiO3-等

SiO2+H2O= H2SiO3→SiO32-+2H+

                        →HSiO3-+H+

                        →HSiO2++OH-

如果SiO2吸附了H2SiO3-,则它表面带负电,H+分布在紧密层与扩散层中;如果SiO2吸附了H2SiO2+,则它表面带正电,OH-分布在紧密层与扩散层中。胶体粒子吸附离子的选择性尚不很清楚,只知道往往吸附与它有共同元素或性质相似的离子。

胶体粒子由成千上万个阴、阳离子组成。固相表面的离子与其内部离子所受到的作用力不同。表面上的离子有剩余价力存在,具有过剩的能量,即表面能。因而固液相接触时,它就要吸附液相中的离子到其表面以降低其表面能。岩石主要由许多种硅酸盐矿物、硅铝酸盐矿物和石英等组成。造岩矿物固液相界面所形成的吸附双电层的成因是多种多样的,但是矿物的离解、水解、置换、选择性吸附是双电层形成的主要原因。胶体带电的原因归结如下:

(1)胶体质粒的表面离解出一种离子而留下另一种离子所带的电荷,如硅胶表面的H2SiO3离解出H+,余下HSiO3-或SiO32-带负电;

(2)许多无机胶体的质点是晶质的,表面键性未饱和,因而有过剩的正电荷或负电荷,如CaCO3;

(3)异价类质同象置换的结果产生了过剩的负电荷,如粘土矿物;

(4)胶核因要降低其表面能而选择吸附与其本身有共同元素或性质相近的离子,例如As2S3吸附S2-、HS-而带负电。

吸附阳离子的称为正胶体,吸附阴离子的称为负胶体。

3.流动电位与沉降电位

 造岩矿物固液相界面形成了吸附双电层,在电场作用下产生了电泳和电渗的电动现象。那么,在外力作用下使固液相发生相对运动,能形成电场吗?产生了电流吗?前者的结论是肯定的,后者的情况比较复杂。在1861年奎克发现,若用压力将液体挤过毛细管或粉末压成的多孔塞,则在毛细管或塞的两端产生了电位差,此即电渗的反过程,称为流动电位。1880年又发现电泳的反过程,粉末(胶粒)在液相中下坠,可以在液体中产生电势降,此即沉降电位,或称多恩效应。

我们在直径为10cm,长为100cm的圆柱筒内装有矿样,如细砂、粘土、石灰石矿粉等进行了流动电位的实验室研究。实验前先从下部进水口进水,这样有利于除掉矿粉空隙中的空气。使矿样完全湿润。排除空气后可以从上部进水,也可能把圆柱筒水平横放。测量两甘汞电极之间的电位差。用湘江中细砂所测实验结果表明砂子具有负胶体性质,扩散层中的正水化离子随水流向下迁移,由于下端部的甘汞电极是零电位,因而观测到负异常。该实验结果说明,在10分钟至半个小时,电场已趋于稳定,即积累电荷不会无限地增多。当停止供水后,在几分钟之内就衰减为零。因此,观测到的稳定的流动电位,是压力P与电场作用力E动态平衡的结果。

如果用压力将液体挤过毛细管或多孔介质,液流使胶粒扩散层中的反电离子位移,即胶粒的双电层发生形变。与此同时,在液流的流入端与流出端分别积累了负、正积累电荷,它们所建立的电场与液流方向相反,当电场产生的作用力E和水压力P达到动态平衡时,此时在毛细管两端的电位差即称为流动电位。

对于毛细管中的水化离子来说,例如H3O+或者H9O4+在达到动态平衡时,液流压力p使H3O+向下运动,而电场E则使H+离子向上运动,所以,H3O+中的水分子可以调换,但整个体系中的带点质点都有一定的体分布。我们不能只注意到电场作用力的存在,也应该注意到压力p的作用。如果逆流而上的船只,当其向上游开的速度与水向下游流动的速度相当时,该船只相对于岸来说,不正处于静止状态吗?

4.电动现象在地质中的应用

于1984年我们在江苏苏州某测区进行金属部分离子电提取野外方法试验时。发现了如下现象:

铜电极接电源正极,布设在山前平原的小麦地田埂上,碳电极与电源负极相接,22根碳电极分别位于山坡、苗圃、桑树地中。开始供电时,供电电流接近5A,供电2h后,电流已下降到1.5A左右。经检查,位于山坡上的碳电极附近土壤是湿润的,而与电源正极连接的铜电极附近十多厘米的泥土已经烤干,有的电极与泥土之间发出了啪啪的火花放电声。当把A组铜电极置于水沟中之后。连续供电12小时,供电电流稳定。次日清晨断电后收取碳电极时,其周围不仅有气泡,而且有很多水溢出。

H3O+或者H9O4+可以用H2O·H+或者4H2O·H+表示。在水溶液电解质中我们已介绍了离子水化,水化氢离子在阴极放电的结果产生了水:

2H9O4++2e=H2+8H2O

Mg2+、Ca2+、Al3+分别带有13、10、21个水分子。它们在电极上放电或形成化合物[如Ca(OH2)]时,必须脱水,因而与电源负极连接的电极附近有水溢出。

地表的粘土、绝大多数造岩矿物都是负胶体。因而,充填在岩石、粘土的孔隙、裂隙、毛细管中的水溶液离子起了传导电流的主要作用,在电场作用下发生电迁移。

在电源的正极,如果有足够的水分子,则可以发生下式的氧化反应:

2H2O-4e=O2+4H+       

在电源正极水份不多,则主要发生OH-的氧化反应:

4OH--4e=O2+4H+           

H+离子的水化能力不仅比OH-离子的水化能力强,而且迁移速度大,4H2O·H+离开电源的正极,所以正极附近水份愈来愈少,电极发热、水份蒸发,引起了电极的接地电阻增大。接地电阻变化引起供电电流改变,其实质是电渗效应。

    当把与电源正极连接的铜电极放置在水中以后,由于有大量的4H2O·H+参加电迁移,所以,形成了稳定的传导电流。

所以,随着找深部盲矿任务日益艰巨,今后势必增大供电电流。因此,在大功率直流电法中,必须把电源正极埋设在潮湿的地方。最理想的是把电极直接置于水中。

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