地球物理勘探电法基础知识

1、地球物理勘探地球物理勘探张张 立：立：-mail: 2012-2013 第第I学期学期 电电 法法 勘勘 探探 分分 类类【物性基础【物性基础：电性性质电性性质差异差异】 【理论基础【理论基础：电场理论电场理论】传导类传导类：电阻率法、电阻率法、充电法、自然电场、激发极化充电法、自然电场、激发极化 等等感应类：电磁法（剖面、测深）等感应类：电磁法（剖面、测深）等 电场产生电场产生的原因的原因 场源性质场源性质 天然场（被动源）：自然电场法、大地电磁法天然场（被动源）：自然电场法、大地电磁法人工场人工场（主动源）：（主动源）：电阻率法电阻率法、充电法、激发极化、电磁法等

2、、充电法、激发极化、电磁法等 观测和研究人工建立观测和研究人工建立各种电场各种电场的的分布规律分布规律找矿找矿或或解决解决某些某些地质地质问题问题目的目的电场的电场的时间特性时间特性 直流电法直流电法：电阻率法（剖面、测深）、电阻率法（剖面、测深）、充电法、自然电场充电法、自然电场 等等交流电法：电磁法等交流电法：电磁法等 研究对象研究对象：人工人工、直流直流、电阻率电阻率 勘探方法勘探方法-通常所指的通常所指的 电法电法观测和研究人工建立观测和研究人工建立稳定电流场稳定电流场的的分布规律分布规律达到找矿或解决达到找矿或解决某些地质问题某些地质问题目的目的 分类：分类： 电电（阻率）（阻率）剖

3、面剖面 电电（阻率）（阻率）测深测深 物性基础物性基础：导电性差异导电性差异 普遍存在普遍存在 电阻率法广泛应用电阻率法广泛应用 ( (直流直流) )电电( (阻率阻率) )法法 勘勘 探探 基基 础础 知知 识识一一. .岩土介质的电阻率岩土介质的电阻率 1. 1. 电阻率概念电阻率概念 概念概念 : : 电流电流 通过该物质所组成的通过该物质所组成的边长为边长为1m1m的立方体的立方体时呈现的时呈现的电阻电阻 用用表示，表示， 单位单位：欧姆欧姆米（米（m m） ：表征物质表征物质导电性导电性的基本参数，的基本参数，间接间接 导电率：导电率：=1/ =1/ ， 直接直接 表征岩石导电性能。

4、表征岩石导电性能。二者关系：二者关系： 1/ 1/ 2 2 常见岩土介质的常见岩土介质的 电阻率电阻率自然状态下，岩土的自然状态下，岩土的 与与 众多因素有关众多因素有关 -普遍存在差异，普遍存在差异， 具有一定的变化范围具有一定的变化范围如如 常见的几种岩石、土、常见的几种岩石、土、 水的水的石墨、片岩石墨、片岩 3 3 影响电阻率的因素影响电阻率的因素 自然状态下，岩土的自然状态下，岩土的电阻率电阻率和岩石的和岩石的组份、结构、构造、孔隙度、组份、结构、构造、孔隙度、 含水性、温度等含水性、温度等有关。有关。 1) 1) 组组 分分: : 主要造岩矿物主要造岩矿物： 长石、石英、云母长石、

5、石英、云母 矿物骨架矿物骨架（造岩矿物，固相（造岩矿物，固相, ,高）高） + + 水水（液相，（液相，低）低） 2) 2) 结结 构构: : 良导性矿物含量良导性矿物含量+ + 结构结构 浸染状、细脉状、成层状浸染状、细脉状、成层状 层状介质层状介质：与与I I方向有关方向有关 （黑色：良导矿物）（黑色：良导矿物） 3) 3) 构构 造造 地质地质构造运动、风化、溶蚀构造运动、风化、溶蚀-裂隙裂隙如如充水充水，降低，降低，反之反之, ,4) 4) 孔隙度孔隙度及及含水性（湿度）：含水性（湿度）： 孔隙度孔隙度大大+ +含水多含水多，则，则降低降低，反之反之，则，则高高 如：如：砂卵石层砂卵石

6、层：饱含饱含矿化度高矿化度高的的水水时，时，为为 几十几十 m m 在在潜水面以上潜水面以上时，时， 为为几百几百几千几千m m 致密石灰岩致密石灰岩的的很很高高，有溶洞且，有溶洞且充填矿化度高的水充填矿化度高的水时，时，较较低低5) 5) 水溶液的矿化度水溶液的矿化度 纯水纯水 - - 一般一般 潜水潜水 - - 海水海水 如：划分如：划分咸淡水咸淡水的层位的层位6) 6) 温温 度度 冰冰 常温常温 水水 热水热水 如，如，地热异常地热异常的圈定；的圈定； 温泉，温泉， 冻土层冻土层界面划分界面划分 4 4 层状介质的电阻率层状介质的电阻率 与与方向方向是否有关是否有关: : 各向各向异性

7、异性介质介质、各向各向同性同性介质介质 1) 1) 纵向纵向 与横向与横向 ( (计算公式见下页计算公式见下页) ) 层理方向层理方向 ( (串联串联) ) 流过时所测电阻率称为流过时所测电阻率称为 横向横向 层理方向层理方向 ( (并联并联) ) 流过时所测电阻率称为流过时所测电阻率称为 纵向纵向 各向异性各向异性系数：系数：1 2) 2) 横向横向电阻电阻 纵向纵向电导电导S S 如在如在层状层状介质中取介质中取底面积为底面积为 1 1平米平米、厚度为、厚度为h h的的六面岩柱体六面岩柱体。横向电阻横向电阻( (串联串联) )：当：当 I I 岩柱体岩柱体底面底面 流过时流过时 所测得的所

8、测得的电阻电阻。 a. a. 均质均质 b. b. 层状层状纵向电导纵向电导S (S (并联并联) )：当当 I I 岩柱体岩柱体底面底面流过时，流过时， 所测得的所测得的电导电导。 a. a. 均质均质 b. b. 层状层状对于电性不同层状介质来说，对于电性不同层状介质来说，T T和和S S 两者的两者的综合综合影响决定岩层对电影响决定岩层对电场的场的畸变作用畸变作用。 S=S=h h (v=1/ (v=1/) )（h h电性层的厚度）电性层的厚度）= /= /= /S= /S二二. . 电阻率法的基本理论电阻率法的基本理论 电法勘探中电法勘探中 : : 内在依据：物性基础内在依据：物性基础

9、 外在条件：外在条件：人工电流场人工电流场 + + 探测技术探测技术 推测推测 地下介质分布地下介质分布 观测观测 介质介质的的变化变化 建立建立 人工人工( (直流直流) )电场电场 理论基础理论基础( (正演正演) )：已知：已知电性介质电性介质分布，分布，研究研究电场电场分布。分布。 研究研究场场与与场源场源的关系的关系( (正演正演)-)-电法勘探电法勘探出发点出发点勘探目的勘探目的( (反演反演) )：通过：通过观测观测电性参数电性参数特征，特征，推断推断电性介质电性介质的分布的分布 稳定稳定电流场电流场 ( ( U(tU(t) )特性特性 ) ) 1. 1. 稳定电流场的基本规律（

10、基本方程稳定电流场的基本规律（基本方程+ +边界条件）边界条件） 1 1） 微观微观欧姆定律欧姆定律（适用于（适用于均质均质和和非均质非均质）：）：j j与与E E关系方程关系方程 2 2）克希霍夫定律（）克希霍夫定律（电流是处处是连续电流是处处是连续的）的）: : 连续性方程连续性方程 3 3）稳定电流场的势场性）稳定电流场的势场性（U U与与r r有关）：有关）：电位性质电位性质 4 4）稳定电流场的）稳定电流场的基本方程基本方程（拉普拉斯拉普拉斯方程式）（综上）方程式）（综上） 5 5）边界条件）边界条件： 求解出求解出 U U，及，及 E E、j j 分布规律分布规律2. 点电源电场点

11、电源电场 (均匀介质均匀介质) 地下介质为：地下介质为：各向各向同性、均匀半无限同性、均匀半无限空间空间1） 一个点电源的电场一个点电源的电场 （半空间）（半空间）点电源：点电源：供电电极供电电极A、B本身的本身的大小大小 0 U E0 U|E0| U|E 0U -高阻：集中高阻：集中-排斥排斥高阻高阻-低阻：发散低阻：发散-吸引吸引 高阻排斥、低阻吸引高阻排斥、低阻吸引I I ? ?5. 5. 镜像法镜像法 （电像法，（电像法，非非均匀介质均匀介质）非均匀非均匀时，求解时，求解电场基本方程电场基本方程困难困难根据根据稳定电流场解稳定电流场解的的唯一性唯一性，边界边界条件一定条件一定时，任何方

12、法所求解唯一。时，任何方法所求解唯一。适合适合 : 全全 空空 间间 、半、半 空空 间间光学：光学：有源介质中点有源介质中点 M1 直达直达 + (反射反射 镜像镜像)电场电场：有源有源介质中点介质中点M1 （1） 直达直达 + 反射反射(积累电荷积累电荷) 镜像镜像 无源无源介质中介质中 点点M2: （2） 入射入射+(-反射反射)(积累电荷积累电荷) 镜像镜像 K12 反射系数反射系数1-K12 透射系数透射系数K12=? I=？=？界面上界面上r1=r2=r3UM1=UM2（3）作业：作业：1.什么是电阻率法什么是电阻率法2.什么是电阻率、横向电阻率、纵向电阻率、横向电阻、什么是电阻率

13、、横向电阻率、纵向电阻率、横向电阻、纵向电导。纵向电导。3.岩土介质的电阻率受哪些因素影响岩土介质的电阻率受哪些因素影响4.一个点电源电场的特点一个点电源电场的特点5.均匀大地电阻率计算公式推导均匀大地电阻率计算公式推导低阻低阻 吸引吸引j j高阻高阻 排斥排斥j j6.6.视电阻率视电阻率 及其及其 定性定性分析公式分析公式 均匀介质中均匀介质中真电阻率真电阻率 ：均匀介质：均匀介质 所测为所测为 影响因素影响因素（前面）（前面） 非均匀介质中，综合影响非均匀介质中，综合影响视电阻率视电阻率 ： 受：受：不均匀体不均匀体及及围岩围岩的的电阻率电阻率； 分布形态分布形态； 装置形式和大小装置形

14、式和大小； 装置装置相对于不均匀体的相对于不均匀体的位置位置 定性定性 分析公式分析公式 = = 的的微分公式微分公式: : 点点点点库伦库伦欧姆欧姆守恒守恒次一级次一级7 7、积累电荷的概念、积累电荷的概念及电阻率法的及电阻率法的物理实质物理实质 积累电荷积累电荷：在：在导电介质中，存在着电荷的导电介质中，存在着电荷的体分布体分布 电性界面上电荷的电性界面上电荷的积累过程积累过程可通过：可通过：库伦定律、欧姆定律库伦定律、欧姆定律及及 电荷守恒定律电荷守恒定律 进行描述。进行描述。 电性界面上电性界面上电荷的积累电荷的积累的的具体过程具体过程：稳定电场稳定电场 A A在在电源接通的瞬间电源接

15、通的瞬间(t=0(t=0) )，由，由电极表面电极表面的积累电荷在界面两侧无限接近的积累电荷在界面两侧无限接近的两点所产生的电的两点所产生的电场强度法分量场强度法分量应该应该相等相等 ： B B根据根据欧姆定律欧姆定律，在相同电场作用下，在电阻率分界面的两侧，将引起，在相同电场作用下，在电阻率分界面的两侧，将引起不同的电流密度不同的电流密度，如当，如当 ， c c在在界面上某点界面上某点作一作一闭合曲面闭合曲面，将出现，将出现流入、流出闭合曲面的电流密度流入、流出闭合曲面的电流密度不相等不相等， ，所以在界面上形成了，所以在界面上形成了电荷的积累电荷的积累： D D积累电荷积累电荷又在分界面两

16、侧引起又在分界面两侧引起次一级次一级的的电场电场 次一级的电次一级的电场又引起场又引起次一级次一级的的电流密度电流密度 。于是，界面两侧。于是，界面两侧总电流密度总电流密度为：为： 界面上仍会有新的正电荷的积累。界面上仍会有新的正电荷的积累。 E. E. 当当 时，界面上便时，界面上便不再有新的电荷积累不再有新的电荷积累，这时的，这时的电场电场才成为才成为稳定电场稳定电场： 。（稳定电流场的边界条件）。（稳定电流场的边界条件） 当电流由当电流由低阻低阻介质介质流流向向高阻高阻介质时，介质时， 界面上界面上积累正电荷积累正电荷； 当电流由当电流由高阻高阻介质流入介质流入低阻低阻介质时，介质时，

17、界面上界面上积累负电荷积累负电荷。 右图表示电性界面上，右图表示电性界面上， 积累电荷的形成过程。积累电荷的形成过程。8. 8. 电流密度电流密度 j j 随深度随深度 h h 的分布的分布 j j 随随 h h 的的分布规律分布规律 关系关系 电法电法 勘探深度勘探深度 电法电法勘探深度勘探深度与：与： 所选所选极距极距的的大小大小-人为因素人为因素 所要探则地质所要探则地质对象的电性、产状对象的电性、产状 和和 规模大小规模大小、 以及探测地段以及探测地段地电断面地电断面的的结构结构等，等， 都有密切的关系。都有密切的关系。 均匀半无限空间均匀半无限空间中电流密度中电流密度随深度随深度的变

18、化规律的变化规律-j(hj(h) )地表地表 ABAB联线的联线的中垂线中垂线OMOM方向上方向上， j j 随随 h h 的变化规律：的变化规律：1 1）地表）地表 h=0 h=0 ABAB连线的连线的 中点中点O O处处 ，j j：2 2）中垂线上）中垂线上深度为深度为h h的的M M点处点处： 整理：整理： 3 3） 关系关系如右图所示如右图所示 h=2r=ABh=2r=AB时，时，j jh h=8.9%j=8.9%jO O ，主要分布，主要分布在在地表附近的地表附近的范围内，范围内，h h ，j j ； r r， j j在深处的在深处的 相对相对分布分布百分比百分比 最佳极距最佳极距

19、L L=r=AB/2=r=AB/2=0.707H=0.707H ；地表上；地表上 j jO O= = 最大最大h=2r=2AO=AB一个点电源一个点电源9. 电流密度电流密度 j 与与 电源功率电源功率V 关系关系 一个点源一个点源 为例，极距为例，极距处，地表上处，地表上0最大：最大： 供入地下的电流供入地下的电流 I依次为：依次为：电源内阻，导线电阻，电源内阻，导线电阻，AB电极的接地电阻电极的接地电阻过度增大过度增大 电极距电极距，会使，会使0 减小减小，读数不准。，读数不准。 要想要想 增大增大勘探深度勘探深度H，需要：，需要： 增大增大V 增加增加 j 的的 绝对值绝对值， 适当适当

20、增大增大 电极距电极距 L 增加增加 j 在深处分布的在深处分布的 百分比百分比0三三. .电阻率法的仪器、设备简介电阻率法的仪器、设备简介1.1.电阻率法野外观测中的几个问题电阻率法野外观测中的几个问题 1 1） 接地电阻接地电阻 一个电极的接地电阻可以理解为一个电极的接地电阻可以理解为电流由电极流入地下受到的阻力电流由电极流入地下受到的阻力。 它是指从它是指从电极表面电极表面到到大地无穷远处大地无穷远处之间的之间的大地电阻大地电阻。野外测量中，希望接地电阻野外测量中，希望接地电阻尽可能小尽可能小，可在一定的供电，可在一定的供电V V下供入较大的下供入较大的I I 2 2）电极极化、极化补偿

21、、不极化电极）电极极化、极化补偿、不极化电极电极极化现象：电极极化现象：在野外测量中，在野外测量中，MNMN测量电极测量电极电极电极表面表面与毗邻的与毗邻的水溶液水溶液中形中形 成成双电层双电层，每一个金属棒打入土中就具有一定的，每一个金属棒打入土中就具有一定的电极电位电极电位。 因此，因此，测量测量MNMN电极间电极间常存在一定数量的常存在一定数量的电极电位差电极电位差，或称为，或称为极化电位差极化电位差 -干扰电流干扰电流 极化补偿：极化补偿：直流电法仪器中设有直流电法仪器中设有“极化补偿器极化补偿器”，在，在ABAB没有供电之前没有供电之前，使，使用用 “ “极化补偿器极化补偿器” ”

22、产生与产生与电极电位电极电位大小相等、方向相反大小相等、方向相反的电位差，将的电位差，将 电极电位补偿掉电极电位补偿掉。 2 2、对电测仪器的一般要求、对电测仪器的一般要求 电阻率法的野外工作，是通过电阻率法的野外工作，是通过测量测量MNMN电极间电极间的电位差的电位差UMN UMN 及及电流电流I I，然后利用，然后利用(5.3.1)(5.3.1)式：式： , , 计算各点计算各点 视电阻率。视电阻率。 因此，电阻率法的仪器在性能上必须满足野外条件下能因此，电阻率法的仪器在性能上必须满足野外条件下能准确测量微准确测量微弱弱电位差电位差和和电流电流的要求。对仪器的具体要求如下：的要求。对仪器的具体要求如下： 1 1）灵敏度高）灵敏度高 2 2）抗干扰能力强）抗干扰能力强 3 3）较高的稳定性）较高的稳定性 为了达到以上要求，为了达到以上要求，该类仪器一般须有该类仪器一般须有较高的输入阻抗较高的输入阻抗