地震前电磁异常现象的物理机制（二）
地震前电磁异常现象的物理机制
临沂大学沂水校区-------陈维会
（ 续）
2 地电容
2.1地电容
储存电荷的容器叫电容器，简称电容。一般认为：孤立导体与无穷远处即构成电容。在电学中电容的定义是；两块相互绝缘的导体之间即可形成一个电容;
电容器储存电荷量的多少叫电容量。电容量的定义是：电容器所带电量Q与电容器两极间的电压U的比值：
即C=Q/U-----------------（1）。
式中C是电容器的电容量，Q是电容器储存的电量，单位是库伦（C），U是两导体之间的电势差，单位是伏特（V）。一个电容器，如果带1库的电量时两级间的电势差是1伏，这个电容器的电容就是1法拉（F---法拉）。（1）式只是电容量的定义式，决定电容量大小的是导体之间的形态和导体之间绝缘体的介电常数，表达式是：
C=εS/4πkd。
式中ε是绝缘介质的介电常数，S是两导体的相对面积，K是静电力常量，d是两导体之间的距离。C是电容器的电容量。如果是平行板电容器,电容为
C=εS/d---------------（2）。
由于地壳表层是高导层，地壳下部到中心导体球之间的岩层是高阻层（忽略康拉德界面的低速高导层），中心导体球也是导体，把地球表层的高导层作为上极板，地球表层以下的高阻岩石为电介质，中心导体球作为下极板，即可构成一个天然的地电容器，这里叫它地电容，见图18。上面所述地球的各导电层被科学家实际测量证实，那么也就证明地电容是客观存在的。
图18 天然的地电容
这只是理论上论证地电容的存在。我们常见的电容两极板之间的距离都在几毫米以下，上述的地电容两导体之间有几百千米的距离，能形成电容吗，有事实依据吗？有一种测量云层雷电的振动电容式雷电监测仪器，原理是，探头是一块金属板，金属板产生振动时，云层与金属板之间的距离d就会产生微小的变化，由公式C=εS/d可知，云层与金属板之间的电容量也会产生变化，由此可测出云层的电势。北京亿艾迪科技有限公司销售的EST001雷电预警系统，就是采用的上所述原理制造的，该仪器能探测20Km外云层的雷电情况。由此可证实，无论两导体之间的距离怎样远，都会形成电容器，距离只是影响电容量的大小。所以地电容确实是存在的。
作为地电容电介质的地壳下层玄武岩，是全球普遍分布的，所以没有电流的短路通道。其厚度虽然远远大于我们常见的人造电容器介电质的厚度，但与地球表面积相比只是薄薄的一层。又因电荷的作用力是远程力，地电容上下极板上的电荷还是有相互作用力存在，所以地电容是一个典型的电容器。
2.2 地电容的电容量估算
上面证明地电容确实存在，那么地电容的容量有多大呢？因作为地电容电介质的岩石地层厚度各地均不相同，这里只能大体的估算。岩石的介电系数在8—15之间，取12。以海水作为上极板，海洋平均深度是3.6822km。中心导体球距地面约40km。那么地电容高阻介电层厚度就是36km。
地球表面积5.10067866×1014平方米。
真空介电系数ε0=8.854187817×10-12F/m（近似值）。
地电容的电容量是：
C=εr*ε0*S/d=8.86×10-12 ×12×5.1×1014/3.6×104≈1.45F（法拉）。
由于地壳介质层不是均匀的，以上数值只是估算值。
3 地电容的充电
3.1 中心导体球内部的温差电势
从地球表面到地心，温度是不断升高的。这里我们只分析岩石在高温熔融易于流动状态的软流层，和地壳下面刚性岩石区域之间的情况。火山喷发时岩浆主要来自软流层的中下部，软流层上部固相界面以上岩石由于温度低，这里的岩石塑性差呈现刚性，根本无法流动，但这里的温度足以使岩石成为高导体。因此从这一层到地心可看成一个导体球。
如果这个导体球中各处的温度相等时，由导体的静电理论，在静电平衡后地幔导体球内部电场处处为零，地幔中的净电荷全部分布在导体球的外表面 (这里没有传统意义上的表面,外表面指的是由于地幔上层阻抗很大电荷不能再继续上移近乎绝缘的一薄层)。但地幔中有轴向的温度梯度，软流层的温度在1300℃以上，软流层上部固相界面以上岩石温度不足400℃，软流层中部与软流层上部的固相界面地幔上部有近1000度的温度差，有温差必定会产生温差电势。
我们知道干燥岩石不能像金属那样靠自由电子导电，因岩石中没有自由电子。但高温会使岩石中过氧化物的过氧键断裂，形成像半导体那样的载流子（空穴）。借助空穴，岩石晶格中电子的热运动范围可扩张许多。
电子动能与温度有如下关系：
式中m为电子质量，V为电子平均热运动速度，T为温度。由上式看出，高温软流层的电子热运动速度，要比固相线上部刚性岩石中电子运动速度大很多，使两处的电子扩散形成差异，由高温区迁移扩散到低温区的电子多，使高温区的正电荷多于低温区，于是就形成一个由高温区指向低温区的电场。该电场会阻止电子从高温区向低温区的扩散，当两者达到动态平衡时，就形成一定的温差电势，又称汤姆逊电势。使固相线以上刚性岩石带负电，软流层带正电。虽然半导体的温差电势系数比一般金属高几千倍，可这里的温差电势还是非常的小，仅有几百毫伏量级。这微小的温差电势也会使软流层带有少量正电荷。
3.2 地电容的充电
软流层是火山喷发的岩浆源头（虽然火山岩浆是由火山岩浆池喷出，但岩浆池的岩浆也是来自软流层），软流层中的正电荷会随岩浆一起被传送到地球表面。因中心导体球外界面是刚性的岩石无法流动，所以这里的负电荷不能移到地面，只能积聚在此。
根据静电理论，中心导体球静电平衡后，导体内部是不会有净电荷的。软流层内部由于正电荷流失而带负电，产生一个由地壳指向软流层负电荷的电场。在这电场的作用下，地幔中的载流子会有定向漂移运动，使地幔内部的负电荷转移到中心导体球体的外表面。此时，中心导体球内部上述的动态平衡被打乱，电子的热扩散加强，直至再次达到动态平衡。因温度的差异使软流层始终保有少量的正电荷，这种温差电势只与温差有关，与中心导体球外界面的电荷多少无关。
在漫长的时间里此起彼伏的火山喷发，岩浆裹挟正电荷不断地输送到地面。中心导体球外界面不断积累着负电荷，使中心导体球外界面带负电。
因电磁力和万有引力一样都是远程力，在中心导体球外界面负电荷的静电力作用下，随岩浆升至地面的正电荷会下沉到地面导电层的下表面（这里的表面也不是传统意义的表面，而是地表层的正电荷下移到因岩石电阻增加而不能再下移的一层）。此时地电容的上极板带正电，下极板带负电，地电容被充电，地电容产生一定的电势差。随着岩浆不断地喷发，地表导电层下部的正电荷，和中心导体球外界面负电荷越积越多，地电容的电势差越来越高。由岩浆的喷发及温差电势的作用下，就像静电起电机一样，把地电容充电到较高的电势。作为地电容介质的地壳岩石，电阻不会无限大，总会有漏电，漏电会随地电容电势差的增加而增加，当漏电损失的电荷和岩浆输送到地面的电荷相等时，地电容电势差保持在一个动态平衡稳定状态，维持一定的电势差。见图19。
图19 火山喷发地电容被充电
3.3地电容的电势差
因地心不可入，无法直接测量地电容的电势差，现在没人研究这问题，没任何资料可借鉴，所以只能大体估算。
地球表面与近地空间及宇宙间有着频繁的物质交换，当然也有电荷的交换。地面的电荷，会因植物尖叶等地面尖端物体的尖端放电，把电荷释放到空间；或大风把附着在气溶胶上的电荷吹拂到空间；或降雨闪电等把电荷输送到地面；或宇宙带电粒子沉降到地面等，都会使地面电荷发生变化。
地球表层导电层是与地幔导电球体同心的导电球壳层，由静电感应得知地球表层导电层下表面的电荷，与地幔导电球体外表面的负电荷电荷数量相等，都是由岩浆带到地面的电荷量。
如果地球表面没有损失电荷，那么地球表层导电层的上表面也不会有电荷，实际测量地球表层带有负电荷，所以这种假设不成立；如果地球表面损失的是负电荷，地球表层导电层的上表面应当感应出正电荷，这也与实际不符；只有地球表面损失的是正电荷，才能使地球表层导电层的上表面感应出负电荷，那么损失了多少正电荷呢？一种可能是没损失，如上面分析，这种可能不成立。一种是有损失，但损失的正电荷比岩浆从地下带出的正电荷多，另一种可能是有损失，但损失的正电荷比岩浆从地下带出的正电荷少。我们不知岩浆带出的正电荷量，只知道无论地球表面损失的正电荷是多还是少，都会使地球表面带负电荷，地球表面负电荷量就是地球表层损失的正电荷量，那么到底损失的正电荷量比岩浆带出的正电荷量是多还是少呢？我们不妨这样来估测一下。
软流层温度为1300℃，软流层上部刚性且导电率较高的区域温度为400℃.若按2.5℃/100m的温度梯度计算，由400℃升高到1300℃，
温差是：
△t=1300-400=900℃。
距离是：
h=100×（1300—400）÷2.5=36Km
取地壳下面到软流层中部一个截面s为1平方米，长L为36km的柱体，由于温差作用使负电荷扩散到柱体的一端，从而使L/2的另一端带正电荷。设柱体的冷端电势为零，电荷体密度为ρ。L/2柱体带正电荷量Q是；
Q= ρdL=SLρ/2。
由理论计算得知，半导体的温差电动势率约为129μV/K。所以这柱体的温差电势U=129μV/K ×（273+△t）=0.15V。在电子热扩散与电场作用平衡时，柱体内正电荷产生的净电势值就等于温差电势值：
U=KQ/r=K S（L/2）ρ/L=0.15v，
K为静电力常量，k=9.0×109 N·m2/C2。
由此得；
ρ=2×0.15/9.0×109=3.3-11库伦/立方米。
由实测得知：晴稳天气下大陆近地面大气电场强度值E=120V/m，电场方向向下，表明地面带负电荷。根据高斯定理，沿地面做高斯面得∮E.ds=E 4πR2=4πkq，因此q=ER2/K，计算的q=5.4×105库伦。即地球表面带有5.4×105库伦的负电荷。
假设地球表面带的负电荷，在数量上就是地球表面损失的正电荷量，由此得知只要1.6 x1016立方米岩浆就能带出这些电荷。
黄石国家公园最大一次火山喷发，就喷出岩浆2.45x1013立方米，所携带出的电荷接近地电容所储存的电量。全球每年约有50多次火山喷发，喷发出的正电荷远远大于地电容储存的电荷量。
所以地电容极板上的电荷要比5.4×105库伦大的多，且地球表层导电层的下表面积小于上表面积，因而地电容极板间电场，即地球表层导电层以下的地壳中的电场要比近地大气电场大的多。按近地大气电场大的数值E0=120V/m，岩石相对电介系数εr=12，大体估算。
E=E0/εr=10V/m
其地电容的电势差:
U=Ed=10×3.6×104=3.6×105伏。
所以地电容的电势差至少在十万伏以上。
岩浆从软流层中（火山岩浆池的岩浆来源也是软流层）喷出，是客观事实。只要证明火山喷出的岩浆带正电荷，以上论述就会得以证明。那么有什么证据证明岩浆带正电荷？最好的方法是取火山刚喷出的岩浆进行检测，但到此没人做过此项检测。
岩浆喷出后有些会在地面慢慢冷却，其携带的正电荷，在岩浆的电导率还没变小前已释放完，所以大部分岩浆岩不带电荷。有些岩浆会喷到高空快速冷却，在落回地面前已由高导状态变为高阻状态，如果岩浆带电，喷出地面的岩浆来不及把所带的正电荷全部释放完，由于冷却岩浆会由高导状态转变成高阻状态，岩浆中的部分正电荷会被禁锢在火山岩中。在高阻状态下岩浆岩会保留原来的电荷而带电。大家知道海绵状岩浆岩带有正电荷，常用作火山岩生物滤料使用。这就证明岩浆在涌出之前是带正电的。如果岩浆在喷发过程中由于摩擦而带电，那么部分火山岩必定带有负电，事实是火山岩都带正电，这就否定了由于摩擦而带电的假设。可说明岩浆喷出前是带正电的。这事实验证了上述论断的正确性。
3.4 地电容的漏电
实验室模拟地下温度，压力逸氧度等环境下测得的地下岩石电阻率，仅为104—106Ω·m之间。如果按此值计算，全球地电容两端之间的总电阻不到1欧姆，这样小的电阻，地电容的电压瞬间即可消失！
依据导电机理，可分为靠电子移动传导电流的电子型导体，如金属导体。靠离子移动传导电流的离子型导体，如含有带电离子的液体气体等。还有靠化合键位的电子空穴移动传导电流的半导体。作为地下岩石，以上三种电流传导方式都有。
地壳中虽然有黄铜矿，闪锌矿，石墨等电子导体，但含量有限只是局部存在，不会形成贯穿地壳的导电通路。岩石中有可自由移动的电子但微乎其微。中下地壳中虽然存在由过氧化物的过氧键断裂，岩石结晶缺陷等因素形成的P型导电空穴，但因空穴数量过少，彼此之间相距甚远，也无法形成导电通路。
在数千米地下，由于温度的升高，岩石所受压力增大，岩石裂隙减少，空隙闭合，互不联通，岩石内部仅存有极少量的流体（液态水）。包裹全球的厚厚干热岩是无法利用岩体内离子移动传递电流。
从世界第一深井--科拉半岛深井取得的岩心分析，在9Km以下岩石中的水是以结晶水形式存在，这就不存在离子移动的可能性。这说明中下层地壳岩石电阻率极高。
在岩石电阻率的测量中，无论使用什么仪器，其原理是一样的。先用精密仪器测出流过岩石的电流和施加的电压，由电阻的定义式R=U/I求出电阻，或由公式ρ=E/j计算出电阻率ρ。如下图：
图20 图21
在图（20）中，两测量电极间施加一定电压U，在两电极间无任何电介质（真空）时，在两电极间的外加电场强度为E0，当两电极间放入岩石介质后，岩石介质中分子的正负电荷，在外加电场E0作用下会产生偏移，这种现象叫电介质极化。电介质极化后会在垂直外电场的介质面上产生束缚电荷（极化电荷），如图（21）。极化电荷产生的电场Er方向与外加电场E0方向相反，介质内部的电场强度E是外电场和极化电荷电场的代数和：
E = E0－Er。----------------------（1）
如果用0 表示极板上的电荷面密度，由高斯定理:
同理如果用r表示极化电荷面密度得：
在一定外电场中，极化电荷的多少与电介质的性质有关。设P为与电介质有关的电介质极化强度，则有：
当极化强度的矢量方向与电介质界面垂直时
得：
由实验得知：电介质的极化强度P与介质中的电
P=0eE， 式中e是电介质的电极化率。
所以：E =0/0－r/0=E0－eE E=E0/(1+e)， 0E=0E0/(1+e),
常数。
由于组成岩石的矿物成分复杂，存在不同化学性质及结构的矿物，处在电场中的岩石，有电子位移式极化、离子位移式极化及偶极子取向式极化。不同的矿物，不同的极化类型，极化的程度也各不相同。这多种极化类型的矿物混杂在一起，极化情况极为复杂。为简便分析，我们把它看成是简单的两层，这又会形成夹层极化现象。见图（22）所示。
图22 图23
图中22电极1和电极2中间岩石，是不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘体，电极1和两种介质的分界面电荷形成电容C1，电极2和两种介质的分界面电荷形成电容C2，介质1和介质2的传导电阻为R1和R2。右边为等效的电路图。
在外部电场作用下，各层电压从开始按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导率分布。在电压分配的过程中，夹层上会积聚一些电荷，使得整个介质的等值电容增大，这种极化称为夹层介质界面极化（夹层极化）。
分析可得初始时刻和稳态时，电压的分布情况：
假设C1＜C2，而R1＜R2，而且C1/C2≠R2/R1。 t=0时：U1＞U2；t=∞时：U1＜U2。则从初始时刻到稳态，U1下降而U2 增高，这意味着电容C1要通过电阻R1放掉一部分电荷，而C2电容要通过电阻R2补充一部分电荷，分界面上将积聚一批多余的空间电荷，这就是夹层极化引起的吸收电荷，电荷积聚过程形成的电流称为吸收电流。这种极化现象存在于复合介质、不均匀介质中，极化过程很缓慢，电荷积聚和移动，极化伴随着能量损耗。这种能量消耗叫极化吸收消耗。
另外岩石中不可避免的会有一些含水孤立裂隙如图（24）所示。
图24
水中的离子在电场的作用下会在孤立裂隙中移动，改变岩石内部的电场分布，从而改变岩石表面的极化电荷数量，使电路中产生电流，这就是离子迁移极化电流。由于裂隙是孤立切封闭的，裂隙水中的离子无法移出岩石体外，当裂隙里的离子移动到裂隙尽头时无法不再移动，电路中的迁移极化电流就降为零。
在离子迁移极化过程中是消耗能量的，迁移极化消耗能量越大，测得的介质电阻率越小。由于离子在水中移动速度缓慢，电路中迁移极化电流需很长时间才消失。迁移极化电阻率是和传导电流的电阻率是并联的，当测量时间较短时，得到的迁移电阻率就越小。
综上所述，可用下图25等效直流电阻测量电路。
图25 等效直流电阻测量电路
电路中的R1、R2为介质1、介质2的介质极化平衡消耗电阻。R3为离子迁移消耗电阻，R4为直流传导消耗电阻。C1、C2为介质极化平衡电容，C0为无损耗等效电容。I0为稳态电流，I1为极化平衡电流或吸收电流，I2为离子迁移电流，I3为等效电容充电电流，I4为直流传导电流。
各电流随时间的变化曲线如图26所示：
图26
在电路接通的瞬间，C0充电电流I3极大，其大小决定于外电路的电阻，但会迅速下降到零，是存在时间短暂的充电电流；吸收电流I1则随着加压时间增长而逐渐减小，减小的速度与岩石介质的电阻率有关，当岩石电阻率相当大时，需要数十分钟或数天甚至数年才衰减到零；离子迁移电流I2与岩石裂隙长度岩石裂隙填充物等有关，短的裂隙几秒即可减小到零，实际地层中可能几年以上，由于岩石裂隙众多，长短不一，宏观上I2也是逐渐减小，经很长很长时间离子迁移电流才减小到零；直流传导电流是长期存在的。无论是吸收消耗，迁移消耗、还是传导消耗，消耗功率越大，测得的电阻率越小，他们都是并联关系。前两项与时间有关，当测量时间不够长时，前两项所呈现的电阻率远远大于传导消耗的电阻率。
由于在直流电阻率检测中，检测时间不可能很长，所以测量的岩石电阻率中包含了迁移电流损耗电阻、吸收电流损耗电阻及传导电流损耗电阻三种的混合值。当检测用时不够长时，前两种产生的电阻率远小于传导电流产生的电阻率。
地层在地电容电势的作用下，经千万年漫长时间过程，迁移电流和吸收电流均为零，只有传导电流，而岩石骨架是极好的绝缘体，所以地下岩层的传导电流几乎为零，所以地电容能够长期保持一定的电压。
在采用直流测量法中，如果是高电阻率的岩石，由于电源电压不可能很高，（过高的电压极易烧坏仪器）因而通过岩石的电流非常微小，无法检出，即是采用精密放大电路，放大器噪声，零点漂移等使误差很大。
由于直流法测量电阻率有许多缺点，所以现在大都采用交流法。
在交流电路中，阻抗往往用复数形式Z=R+jX来表示。其中，实数部分R就是电阻，虚数部分是由容抗XC、感抗XL组成。容抗XC=1/2πfC，感抗XL=2πfL。容抗与感抗在向量上是相反的两个量，因电容上的电流超前电压一定角度，所以容抗是负值。电路的阻抗为：
Z=R+（2πfL-1/2πfC）----------------------------（5）
理想的电感或电容，只是储存电荷的容器，进行电场和磁场的转换中不消耗任何能量。当电路谐振时J（XL－XC）=0，因电抗和容抗在相位上正好相反，相互抵消，电抗部分为零，这时电路的阻抗就只有传导阻抗R。这时测出电路的电流值即可求得电阻率。
在交变电场作用下，作为电容电介质的岩石电介质开始受电场作用产生极化，需经过一段时间后，电介质才能达到应有的极化强度，这叫松弛极化。如果交变电场变化太快，电介质还没达到应有极化强度时，电场就转向。使极化强度跟不上外电场的变化出现滞后，从而引起介质的发热损耗，这叫松弛极化损耗。
若作用在介质上的是交变电场，如果外加电场的角速度为ω则有：
所以相角δ也与频率有关。当频率为零时，δ也为零，电介质不会出现松弛极化，这时ε1=E0、ε2=0。这便是静电场的情形，这时介质损耗为零。
由于地下岩石成分复杂，不同性质的岩石颗粒产生松弛极化的频率起点不一样，随着频率的增加，介质损耗越来越大。
令 tan(δ)= ε2（ω）/ε1（ω），可证明tan(δ)与介质损耗有关，所以把tan(δ)叫做损耗因子。频率越高tan(δ)越大介质损耗也越大。
在交流岩石电阻率的检测中，不但有迁移电流损耗、吸收电流损耗还有松弛极化损耗和谐振消耗，这些消耗越大，等效电阻率越小。所有这些等效电阻都是并联关系，这些等效电阻率远远小于岩石的传导电阻率。所以这交流参量是不适宜用于长期静稳的地下环境。
地下岩石介质在千百年的漫长时间里。其迁移损耗电流、吸收损耗电流早已降至为零。又因地电容电势是千古不变的静稳电压，也就没有松弛极化损耗和谐振消耗，有的只是传导损耗电阻R。无论是直流还是交流检测方法得到的是迁移电流损耗、吸收电流损耗还有松弛极化损耗的等效电阻率，这些电阻率特别小。组成岩石骨架物质的电阻率是无穷大的，是良好的绝缘体。这就使地电容的漏电流非常微小，使地电容长期保持稳定的电势。
下图27是地电容漏电的等效电路。A、B是地表层和上地幔的导电层，Ud是地电容的电势，AB之间是岩石介电质，I0是漏电流。由于地下岩石是靠离子移动传导电流，这类似于电解池中的电解液。当有漏电流通过时，岩石中微量的自由电子移动到电极处必定会在AB两导电界面处发生氧化还原反应。因电化学反应速度远小于电子的迁移速度，导致A极板处正电荷积累，B极板处负电荷积累，
图27 地电容漏电等效电路
产生化学极化。化学极化电势与地电容电势相同，这极大的阻碍了漏电流的增加。
图28 图29
极化效应等效为一个电容，即极化电容，等效电路如上图，Uc为极化电容， R1为岩石电阻。在岩石电导率的测量中，回路总电阻R为阻抗R1与容抗Xc=1/2πfc的并联值，即R=R1/(R1+2πfc )。所以即是采用直流测量，由于测量时间的限制，测得的岩石电阻率远小于实际值。
如果施加到AB极板间的电压是交流电，靠近极板界面岩石中的带电离子只在原地来回摆动，即可形成很大的漏电流。可地电容两极板间是千百万年不变的直流电压。界面岩石中微量可移动的电荷一直沿一个方向移动，若没有液态水的存在，带电离子是不能在固态岩石中移动的，界面岩石中的带电离子得不到补充，这类似于半导体二极管的PN结。总有一天会把极板附近的可移动电荷消耗殆尽，形成一层高阻层，届时漏电流将减小到接近零。此高阻层的阻抗便是法拉第阻抗。图28中R1，R2是法拉第阻抗的等效电阻。
无论是向下渗漏的水。还是向上喷涌的岩浆其电阻率都很低，均会使地电容短路，泄漏掉地电容的电压。由于法拉第阻抗的产生，使漏水或岩浆喷涌的管道周围形成电阻率极高的套管，阻止了漏电流的发生。再者每年几十次的火山喷发，各大洋洋中脊连续不断的岩浆涌出，源源不断地补充着地电容因漏电损失的电荷，使地电容保持着基本恒定的电压。
3.5 地电容的漏电补偿
虽然地电容的漏电很小，如果得不到充电补偿，天长日久地电容电压就会消失殆尽。是什么机理维持地电容保持恒定的电压呢？显然几次火山喷发是不能维持的，必定还有别的电荷供给渠道。
维持地电容电压不变的能量来源就是地球内部的热能，地幔的热能不仅能使正负电荷分离产生温差电势，还使正电荷逆地电容的电场而升至地壳层。
全球各大洋中都存在大洋中脊。大洋中脊是由因地球深部地幔炽热岩浆对流活动产生的地幔柱，地幔柱撕裂地壳不断地向上喷涌岩浆形成的海岭。海岭长度达8万公里，高度约3公里。涌出的岩浆形成新的地壳，并以每年1—5厘米的速度横向推挤两边原地壳。但靠涌出岩浆携带的电荷来补偿地电容电荷损失，是杯水车薪。
地电容的主要电荷补偿来源是不计其数的海底烟囱。1979年，美国科学家比肖夫博士首次在太平洋2500米的海底发现海底黑烟囱。2014年日本海上保安厅用无人机探测发现，日本近海海底有100多座海底黑烟囱群。海底黑烟囱是温度高达400℃的海底喷泉。
海底烟囱的成因是，海水通过地壳裂隙下渗到地幔熔岩层，渗入的冷海水受地幔高温加热后，以热泉形式从海底喷出。若海底热泉喷口温度在400℃以上时，喷出的热水像黑烟一样，故名黑烟囱。因地下达到400℃的地层是地幔上层，热水上涌过程中温度必定会逐渐降低，热喷泉口水温达400℃，说明下渗的海水深达地幔的软流层。
海水也是导电体，也必定产生温差电势。喷泉的水柱靠近地幔软流层端带正电荷，靠近地壳下层端带负电荷。同火山喷发的岩浆一样，上涌的热水把正电荷带到地球表层，使地电容充电。世界各地不计其数的热泉不停地喷涌，使地电容保持恒定的电压。
海水是电阻率较小的导体，贯穿地电容上下极板的水柱，会不会形成短路，把地电容的电压放掉呢？我们知道导体大致有三种导电机制：一是靠电子移动传导电荷的电子类导体，这类导体主要是金属，石墨，水银，闪锌矿等物质。二是靠离子移动传导荷的离子型导体，如水溶液，电离气体等。还有靠共价键的价位空穴传导电荷的半导体。把黑烟囱的水柱换成电子类导体，因金属导体中有大量自由电子，而且电子的移动速度极快，肯定会把地电容短路。水是靠溶解到水中的电解离子移动导电的，水中的带电离子移动速度很慢，且数量有限。当水流的速度大于离子移动速度时，地电容上的电荷就无法靠离子移动把电荷传送到另一极板，因而地电容不会短路。
当然还有一些不为人知的机制来给地电容充电，维持地电容电势长期不变。
4 地震本征电场
由北京大学王丽华，孙正江学者试验得知，花岗岩，玄武岩，沉积岩等岩石发生破裂时其介电系数会大幅减小，Δεr/εr可达35%之多[12]。地震大都发生在地幔以上作为地电容介质的地壳和上地幔中，地震前岩石首先发生分子层面的微破裂，大量的微破裂就会引起宏观展现，大区域的介质系数也会大幅减小。根据电容公式C=εS/D, C=Q/U, 得U=QD/εS,设Q不变时，可知其电容的端电压与ε成反比。此时地电容电势将升高原来的30%以上。
我们知道平板电容两极板若带等量异种电荷，无论电荷多少,或者电容的电势高低，极板外侧电场均为零。但当电容的电介质系数变化时就是另一情景。
在外加电场的作用下，作为绝缘介电物质的地壳岩石分子会产生极化，垂直电场的两个界面会产生不能移动的极化电荷。岩石的介电常数减小后，产生的极化电荷也减少。因此处原有的正电荷没有变化，所以正电荷数量远大于极化的负电荷，释放出大量正电荷。
这里距中心导体球表面的负电荷约40km，中心导体球表面负电荷对这些释放出来的正电荷的静电引力，小于此处正电荷的相互斥力，于是正电荷扩散到地表。使地表正电荷数量增多，地面电势升高。这种现象我们叫地电容的震电效应，见图30。
图30 地震前正电荷上浮到地球表面
由于地震区域地表的正电荷数量比其他地方多，必定与周边区域形成一个向四周辐射的地电场。因只有地层岩石破裂才会产生这种电场所以这电场仅与地震唯一关联，且与地震参量保持一定的线性关系，为区别其他电场，把这电场叫做地震本征电场。如果岩石破裂使地震区域的整体岩石介电系数减小1%，那么地面电势至少会上升几万伏以上。（待续）