试论天然半导体矿物的热电特性及其在地震预测中应用的可能性

本文基于半导体矿物热电特性的基本理论,通过大量科学研究成果之间客观联系的分析,论证了天然半导体矿物热电特性与地震预测的关系.结果表明,地壳内广泛存在天然半导体矿物,且绝大多数天然半导体矿物具有热电特性.孕震过程产生梯度热场时,会激发周围热电介质产生热电势,热电势的积累对孕震区电场具有一定的干扰效应,这种干扰效应可作为地震预测的信息源之一.另外,从成矿带和地震带之间的空间关系分析,可以认为天然半导体矿物的集中分布与地震活动带相一致.上述结论对深刻理解地震地电异常机理有重要的意义.     

矿物热电效应与火山地震之热电异常

地壳物质组成的不均一性及矿物形成物理化学条件的复杂性决定了地壳内广泛存在半导体矿物。半导体矿物的主要特征之一是晶格内存在一定量由成分(本征元素或杂质元素)异化或结构缺陷形成的潜在载流子。当遇有温差热激发条件时,梯度温度场会驱动矿物晶体内的潜在载流子定向移动,进而产生温差热电势,这种现象称作热电效应。一般来说,火山地震孕育和发生过程中其震源处常常存在由扰动热流而产生的不均匀热场,该热场的梯度效应(温差效应)能够触发半导体矿物产生热电效应,并将热能转化成电能。因此推测,作为火山地震的重要前兆之一,地电异常的出现很可能存在热电效应的贡献,即火山地震地电异常存在热电效应机制。这一认识对于深刻理解火山地震孕育过程中的地电异常具有启示意义。     

含磁铁矿岩石热电实验研究及其地震地质意义

孕震、发震过程中往往存在地电异常现象,但其异常机理尚未得到统一认识。目前大多数地震科学工作者主要持有两种观点,即"压电效应模式"和"扩容-膨胀模式(即D-D模式)",但这两种观点都存在一定局限性。基于前人关于各类成因天然磁铁矿热电效应的研究,从宏观角度对含有磁铁矿的岩石进行了热电效应实验研究。实验选择含磁铁矿黑云母石英片岩(磁铁矿体积含量为10%～12%)作试件,样品大小为80mm×80mm×12mm长方体。实验过程中将样品置于莫来石高温绝热砖砌筑的单向加热炉之上,样品上方约10cm处设置铝板作感应电荷载体,以高精度万用表记录热电势差。单向炉加热制度约为40℃/分钟。实验结果表明:单向加热条件下,含磁铁矿黑云母石英片岩能够产生显著热电势。其中,室温至500℃加热条件下,去除各种环境噪声后在温度降方向距样品约10cm～11.5cm空间内能够产生约0～25mV的电势降。这一结果暗示,孕震、发震过程中产生的地热异常则可能激发地壳内含有磁铁矿的岩石产生热电效应,从而导致背景地电场产生异常现象。     

天然硫化物矿物对地球深部热能的热电转化效应研究

金属硫化物半导体矿物在地壳中分布广泛,其中一些禁带宽度较窄的硫化物矿物,如黄铁矿、黄铜矿和斑铜矿等,在地热梯度下产生的天然热电势可将地球内部热能转化为电能。本文选取黄铁矿、磁黄铁矿、方铅矿、黄铜矿、斑铜矿以及斑铜矿-赤铁矿-辉铜矿集合体等天然硫化物矿物样品,研究了其热电特性。研究结果表明,300～700K下,除磁黄铁矿具有低塞贝克系数和超高电导率而表现出金属导体的电输运行为外,黄铁矿和黄铜矿为n型半导体,斑铜矿和斑铜矿-赤铁矿-辉铜矿集合体为p型半导体,具有150～500μV/K的显著塞贝克系数和5～95 S/cm的电导率,说明样品在地热梯度下具有产生显著热电效应的能力。根据激光闪射法测得的热扩散率以及样品的理论比热、密度计算热导率,斑铜矿及硫化物矿物集合体样品表现出小于1 W/(m·K)的低热导率,说明样品在局部热源影响下可形成较大温差。根据热电基本理论和地热梯度构建天然热电效应模型,对硫化物半导体矿物集合体产生的天然热电势、额外地表电流密度及热电转换效率进行了模拟计算得出经验公式,发现硫化物半导体矿物在300～650 K条件下能产生100 m V左右的天然热电势,产生的最大热电转化率可达4‰,且可以通过偶极电流源模型计算矿物体产生的额外地表电流密度。研究认为硫化物半导体矿物可能作为天然热电转换介质深刻影响地球内部能量的转化与传递过程。     

磁铁矿热电效应:地震地电异常的新模式

采用BHTE-06新型热电测量仪,选择地壳内广泛分布的磁铁矿进行热电性测量,结果表明:磁铁矿的热电导型均为N型,其热电系数σ(单位温差下热电势增量)近似恒值,为-0.05mV/℃,标准偏差1.15,这说明磁铁矿为电子型半导体并具有稳定的热电转换效能。通过不同成因磁铁矿对比测量,以及固定和不固定结晶学方向的对比测量还可知,磁铁矿的热电性不受其成因和结晶学方向的制约,说明磁铁矿聚集体能够将热电效应叠加放大。因此认为,地壳中的磁铁矿聚集体可能是地震过程中将热能转换为电能的热-电转换器,热电效应可能是导致地震地电场异常的原因之一,即地震地电异常存在热电机制。依据测试所得的热电系数σ值,按照热电和地电基本理论进行的电场模拟计算表明:由磁铁矿热电效应引起的热电场强度能够达到-n×10-6V/m～-n×10-4V/m,该电场强度足以引起地表电场的显著异常,因而是地震地电异常的重要模式之一。     

矿物热电性标型及其在大洋地质找矿中的应用

依据矿物热电性与地质找矿的关系和原理,通过对矿物热电效应机理及影响热电性因素的讨论与分析,结合大洋矿物热电性标型的初步研究,发现金属或半导体矿物处在温差条件下可产生热电效应,热电性标型可指示矿物形成的环境及物理化学条件,为地质与找矿提供指示信息以实现其应用。根据矿物热电性标型可判断古地温和成矿温度、预测隐伏矿体、研究成矿分带性、评价矿床剥蚀水平等,可望在大洋地质与找矿领域发挥重要的作用。     

矿物热电势测量仪简介

某些金属矿物和半导体矿物具有热电性,利用矿物的热电性指导找矿,是目前正在兴起的一种新的找矿方法,尤其对盲矿、隐伏矿的探寻更为适合。推广这一新的找矿方法,关键是需有快速测量矿物热电势(矿物热电效应产生的电动势)的仪器。辽宁省地质实验中心1986年研制出我国第一台矿物热电势图谱仪(专利号:86208116),虽可精确获得矿物热电势图谱,但仪器昂贵、不轻便,不便于野外矿产勘查工作使用。为了向野外地质勘查人员提供一种灵便,机动性强的物矿热电势测量仪器,     

东昆仑、玉树、汶川地震的发生规律和形成机理:兼论大陆地震成因与预测

青藏高原东北部东昆仑、汶川、玉树等强震的同震地表破裂不对称发育,伴随余震有规律地分别向东、南东和北北东方向迁移,很可能是源于恒河盆地流经亚东、当雄、安多、库赛湖、治多、玉树、甘孜、汶川的弧形下地壳“热河”的流速和流向变化形成的,下地壳热流物质正在向云南及邻区汇聚形成下地壳“热海”,导致长时间跨季度构造热干旱,其影响超过大气环流的作用。地表破裂不一定受断层控制,震源也不在断层面上,下地壳流动导致中地壳发震并进一步影响上地壳形成同震脆性破裂系统。大陆板内盆山过渡带地震密集,大陆板内地震是在下地壳层流的热动力作用下导致活动地壳分层变形的产物。在大陆盆山耦合、圈层耦合的非线性开放系统中,从大洋底部的软流圈层流进入大陆底部使得地幔软流圈加厚,底辟上升为大陆下地壳流动,为地震活动提供了巨量热能;热软化的下地壳缓慢的韧性流动孕育了大陆板内地震;中地壳韧 脆性剪切带易于积累能量,发生热能与应变能的转化,产生地震,形成震源层;上地壳脆性断层活动和地表破裂是地震释放深部能量的载体和方式之一。地壳稳定性评价的依据应当是地壳的活动性而不是断层的活动性。大陆活动构造区地震活跃期与平静期交替实际上是下地壳地震能量的聚散过程,体现在下地壳热主导的韧性流动构造与上地壳应力主导的脆性破裂构造之间的相互作用。下地壳热软化物质流动过程中流速、流向等突然改变触发地震,并产生共振波。大陆下地壳流层在厚度、温度、粘度、流速、流向上的变化产生一定程度的温度异常、流体异常及与其相关的大气层、电场、磁场、重力场、地球化学场、应力场、应变场、生物场等异常。合理布置天空网、地面网、地下网,综合立体监测有效的地震前兆,系统地开展长期、中期和短临地震预测,能够不断地提高地震预测水平。     

地震台站地电场异常特性: 以中国航空工业总公司625研究所为例

通过分析中国航空工业总公司625研究所地电场监测站30多年监测的原始资料, 提取了其中8组数据, 包括4组地电场中的长期异常信号和4组对应震级M_s6.0以上的地震震前短临异常信号.发现这些异常信号有以下特征: 地电场中的长期监测图中包括了许多不同大小、距离远近地震的孕震信息, 其中近区大震会主控一条或多条曲线的走势, 远大、近小的地震会造成曲线时上时下的振荡; 从4组地电场短临信号监测图中发现震前地电场异常总体表现为下降(上升)—折返—回跳—发震的模式, 说明地电场异常变化形态具有相似性和重复性, 证明地电场观测确实能监测到震前异常.发现适合该监测站预测发震时间的新方法: 根据折返天数与回跳天数大致相等, 即回跳日期加上折返天数为发震日期, 证明地电场短临预测方法具有一定的实用性.      

黄铁矿热电系数与活化温度的关系

黄铁矿热电系数的研究成果较多,但其测试的活化温度(温差条件)通常不统一,不同活化温度对热电系数的影响也不甚清楚.本文首先介绍了黄铁矿热电系数的原理,区分了导电类型、热电结构类型与热电场类型三个易混淆的概念;讨论了黄铁矿热电系数的测试方法,并对其热电系数与活化温度的关系进行了实验研究,结果显示黄铁矿热电动势绝对值总体随活化温度的升高而增大,但热电系数绝对值大致随活化温度的升高而降低;活化温度对P型黄铁矿热电系数特征的影响要比对N型黄铁矿热电系数特征的影响明显.通过对比分析,认为用BHTE-06型热电系数测量仪测试黄铁矿热电系数时,活化温度选取40℃更为合适.     

Thermoelectric characteristics of semiconductor minerals in earth’s deep crust and their seismogenic significance

Geo-electric anomalies are generated during the process of stress accumulation and release associated with earthquakes. However, the mechanism of these anomalies remains equivocal. Based on the analysis of thermoelectric characteristics of semiconductor minerals of the earth’s deep crust such as graphite, ferrosilicon alloy, magnetite etc., we perform finite element analysis to evaluate the principles governing the thermoelectric power generated by minerals and rocks. The results show that graphite, ferrosilicon alloy and magnetite all exhibit Seebeck effect and can be superimposed. And the thermo-electric field can be enhanced with the activation temperature increases, the content of thermoelectric minerals increases, the size of aggregates increases, and the spacing of thermoelectric minerals grains decreases. Seismogenic processes would generate a similar thermal gradient. The natural semiconductor minerals in this thermal field show a thermoelectric effect, forming a thermoelectric field that interferes with the background electric field. This study indicates that thermoelectric effect may have an important influence on the formation of geoelectric field.     

地电化学提取法机理研究

通过系统地研究几种矿物及土壤中的铜离子在电场作用下的溶出机理及迁移规律，得出地电化学提取法中的一般规律。在激发电场作用下，土壤中矿物的成矿元素可被加速溶出，并发生难溶形态→溶解度稍大的形态→可溶形态转化。同时离子的扩散系数最大比未加电场时增大约500倍．离子的迁移速度也增大了约50倍，流量也有明显提高。地电提取法提取的元素异常主要来源于电极周围附近的土壤(及所含的矿物)中。该异常是深部矿物所形成的离子晕的结果．并且与土壤中矿物元素的化学形态有关。     

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674987110000058

<正>The thermo-electric coefficients of twenty-six magnetite samples,formed either by magmatism or metamorphism,were tested by the thermo-electric instrument BHET—06.Results showed that the coefficient is of a constant value of about -0.05 mV/℃.It is emphasized that because every magnetite grain was tested randomly,the coefficient is independent of the crystallographic direction.This fact means the thermal voltage generated from a single magnetite crystal can be accumulated,and as a result a new thermo-electric field can arise when a gradient thermal field exists and is active within the earth's crust.Because magnetite is widespread in the earth's crust(generally appearing more in the middle-lower crust),there is more-than-random probability that the additional thermo-electric field can be generated when certain thermal conditions are fulfilled.We,therefore,used the thermo-electric effect of magnetite to study the mechanism responsible for the presence of abnormal geo-electric fields during earthquake formation and occurrence, because gradient thermal fields always exist before earthquakes.The possible presence of additional thermo-electric fields was calculated under theoretical seismological conditions,using the following calcu-lation formula:E= - 0.159(σ×△T×φ×ρ_2×[(h~2-2x~2)cosα+ 3hxsinα]/ρ_1(h~2 +x~2)~(5/2)).In the above formula,σis thermo-electric coefficient of magnetite,△T is the temperature difference acting on it,φis a sectional area on a block of magnetite vertically perpendicular to the direction of the thermal current.ρ_1 andρ_2 are the respective resistivities of magnetite and the crust,and h,α,and x,respectively,h is the depth of embedded magnetite block,αmeans the angle created by the horizontal line and ligature of the two poles of magnetite block,and x is the distance from observation point to projective center point of the magnetite block on earth surface.According to simulations calculated with this formula,additional thermo-electric field intensity may reach as high as n to n×10~2 mV/km.This field is strong enough to cause obvious anomalies in the background geo-electric field,and can be easy probed by earthquake monitoring equipment. Therefore,we hypothesize that geo-electric abnormalities which occur during earthquakes may be caused by the thermo-electric effect of magnetite.     

地震机理的地球系统科学研究及预测实践

本文提出了一个新的地震机理模型:高温高压高导低速流变体震源腔(简称震源腔)与闭锁断层组合模型。高温高压下的软流圈物质在复杂相变空间中,受到温度场中的异重流作用和受迫振动作用而形成深源震源腔。随着软流圈物质上涌, 幔汁在温度差和压力差驱使下,涌入地壳中的物理空间,形成浅源地震震源腔。由于温度升高使得腔体内岩石部分熔融或全部熔融,释放出大量气液流体,拓展腔体空间范围,同时提升腔体内压。当腔体内部有效压力(即内压与上覆地壳压力之差)达到腔体边缘或者上方与脆性活动断层交会部位的岩石破坏强度时,震源腔便进入临界状态。当软流圈物质上涌继续向腔体内供能,或者由于星体连线在震源区造成触发作用,便引起震源腔的隐蔽爆炸,即隐爆,释放腔体内部积累的能量,同时释放区域构造应力场作用于闭锁断层积累的应变能。 腔体隐爆释放能量与腔体规模正相关。闭锁断层释放应变能与闭锁断层规模、闭锁区大小以及区域构造应力场强度相关。震源腔与脆性活动断层交会部位,是潜在震源位置。多年观测资料表明,震源腔从进入临界状态到隐爆,一般经历1~13天,平均7天。长期观测表明,潜在震中区在震前经常出现干旱、气温升高、海温升高、大量水汽释放等异常现象。通过超低频地震仪监测、重力波作用于水汽形成的地震云的观测、次声波的监测、卫星重力异常反映的高程面垂向震荡监测、以及地基卫星导航系统地面升降监测等,都显示出震源腔进入临界状态后的胀缩震荡引起震中及其外围地面的垂向振动。文中还给出了震源腔体隐爆遗迹的直接证据。     

Voltage stability in a long-distance power transmission system impacted by the geoelectric field due to a geomagnetic disturbance

The voltage stability problem in long-distance transmission systems can be exacerbated by geomagnetic disturbance (GMD) even in middle and low latitude areas where the effects of GMDs are considered to be mild compared to auroral areas. With the high voltage and the long-distance transmission lines, power system in China has to face the voltage instability risk. To clarify and measure the risk from GMD represented by geoelectric field, method for analysis of relationship between voltage stability of the long-distance transmission system and the size and direction of geoelectric field is provided. On the basis of calculation for geomagnetically induced currents (GICs) of power system and the additional reactive power losses of transformer due to GIC, the model of long-distance transmission line affected by geoelectric field is established. To measure the impact on the voltage stability of power system and the sensitivity of voltage to geoelectric field, the voltage stability index and the set of voltage limit violation nodes are proposed and calculated considering different geoelectric field and different initial operation conditions of power system. By taking the Northwest 750 kV power system in China as an example, voltage stability with geoelectric field magnitude from 1 V/km to 10 V/km, direction (0°) from north to south (180°) is analyzed and the voltage stability index is calculated, and the set of voltage limit violation nodes are summarized as well. The results show that the method is feasible and the index can reflect actually the relationship between the long-distance transmission system voltage stability and the geoelectric field, and the set of the voltage limit violation nodes can indicate which nodes are most susceptible to GMD.     

矿物热重差分析的应用

根据矿物差热曲线特征温度，拟定使用热重差分析岩矿中全碳、结晶水、硫化物硫和二氧化碳等项目的灼烧温度范围，并进行热重差分析。所得的结果与其他方法结果一致。