摘要
基于半导体矿物热电效应理论,本文在不同的活化温度下对地球深部的天然半导体矿物开展了大量热电性测试,并基于有限元分析方法对含有天然半导体矿物的岩石块体进行模拟计算,同时通过理论估算得出了不同半导体矿物聚集体热电场强度的变化范围。根据以上测试和计算结果讨论了天然半导体矿物的热电效应与大地电场之间的成因联系。几种深部天然半导体矿物(如:石墨、磁铁矿、硅铁合金)在不同活化温度下热电势的测试数据结果表明:活化温度在低于90°C的情况下,石墨和磁铁矿的热电势值与活化温度具有较好的线性关系,而硅铁合金的热电势值随着活化温度的升高具有发散的趋势。石墨的热电性测试结果表明,热电势值与活化温度具有明显的相关关系,具体表现为:(1)在活化温度低于90°C的情况下,石墨热电势值均为正值,随着活化温度的升高具有明显的增大趋势,最大热电势值可达3 m V;(2)成因相同的石墨,其热电势值随活化温度的变化规律一致,并具有相近的热电系数;成因不同的石墨,其热电势值随活化温度具有相同的变化趋势,但热电系数有所不同。如吉林磐石地区接触变质成因的石墨热电系数随着活化温度的升高具有收敛的趋势,山东南墅和平度地区区域变质成因的石墨热电系数保持在0.02 m V/°C左右;(3)石墨的热电效应与其结晶学取向无关,同一石墨颗粒在其不同方向上表现出相同的热电性质。有限元模拟计算结果表明,含有热电性矿物的岩石块体具有热电效应的叠加效应,可以在地下产生较强的电场强度。热电场强度的理论计算表明,石墨、磁铁矿、斑铜矿、闪锌矿、黄铜矿、黄铁矿、方铅矿聚集体在地下产生的电场强度范围为n×10~(-6)-n×10~(-2)m V/km。通过以上测试和计算结果,本文认为地壳深部的半导体矿物和含半导体矿物的岩石块体均能够在梯度热场激发下产生一定变化范围内的电场,这一研究结果能够对地球深部热电转换机制以及地震前兆地电异常成因做出相应合理解释。综上所述,岩石(矿物)的热电效应机制可能是地震地电前兆异常的成因,地震发生时产生的热量会激发地壳中广泛存在的半导体矿物的热电效因产生热电势,并且半导体的热电势具有叠加的效应,因此会对大地电场产生影响。