岩矿石频率特性的测试方法.doc

岩矿石频率特性的测试方法实验室测量和研究岩石、矿石的激发极化性质，是开展激发极化法野外工作的前提和基础。频率域中测量岩石矿石的幅频特性和相频特性，一般采用图1.19的装置。待测的标本事先加工成规则的形状，尺寸以6610cm3左右为宜。先在水中浸泡若干小时，使其中孔隙的含水程度接近于天然条件。然后置于盛水的有机玻璃槽中，使水面与标本顶面平齐。标本两端与槽壁接触处用石蜡或橡皮泥封堵绝缘，强迫电流沿垂直标本两平行侧面的方向通过。除了有意研究激发极化的非线性外，一般应使电流密度保持在激电的线性范围内，即不大于10-2A/m2。测量电极M、N必须用不极化电极。常用的是Cu-CuSO4琼酯胶体不极化电极。供电电极A、B可以采用裸铜线或铜板，也可用不极化电极。用裸铜线或铜板时要远离标本，防止电极极化对测量的影响。频率特性分析仪是实验装置的主件。对它的要求主要是频率范围宽，可发送多种波形，至少有两个测量通道，而且这两个通道必须是隔离的，不共地的。一个通道测量电流在电阻R上产生的电位差，另一个接收通道测量MN间电位差的振幅和相对供电电流的相位（或者实分量、虚分量）。发送通道GE经电流采样电阻R向A、B供电，通道CH1测量标本两端MN间的电位差的实、虚分量和，通道CH2测量采样电阻上的相应电位差并换算成供电电流的实、虚分量和。采样电阻R可以调节，以便与待测标本阻抗相匹配。数据采得后按下列公式计算： (1.4.11)此处为单位虚数；Z的实部为 (1.4.12)虚部为： (1.4.13)振幅： (1.4.14)相位： (1.4.15)复电阻率： (1.4.16)若采集的数据是电位差的振幅，电位差的相位和电流的振幅，电流的相位，则计算公式为 (1.4.17) (1.4.18)上述测试装置在研究型实验室里不难做到，但野外一般都没有专用的频率特性测试仪。在野外条件下，就可以用野外实际使用的仪器来测定，例如，使用SQ-3C双频激电仪，便可测量0.077Hz到8Hz范围内的谱特性。这对于野外实际工作来说，是可以满足了。1.5 岩（矿）石激电的频率域特性及其影响因素1.5.1 互阻抗与传递函数的概念电阻率法中，采用第一节图1.1那样的装置测量大地的视电阻率并按下式进行计算 (1.5.1)其中I是供给大地的电流，是测量电极MN间观测到的电位差，K是与各电极相对位置有关的系数，称为装置系数。如前所述，当电流I不变时，在时间域激发极化法中，是充电时间t的函数，而在频率域中，则是频率f的函数。频率域中又有振幅、相位之分，并且二者都是频率的函数，在复数域中可以写出 (1.5.2)因此频率域中视电阻率也是频率的函数并且是复变函数： (1.5.3)式中是视复电阻率，是它的振幅，则是它的相位。如果采用类似于图1.1的装置测量不同岩石、矿石的频率特性，按(1.5.1)计算得到的便是某种岩石、矿石的和。(1.5.1)中的常数K与介质的激发极化性质没有关系，在研究激发极化性质时可以不考虑它。只有比值才是衡量介质激发极化性质的量，记为Z (1.5.4)称为“互阻抗”。显然，Z是电压与电流之比，具有阻抗的量纲。在频率域中，和I都是频率的函数，Z自然也是频率的函数，同样可以表示为振幅、相位的形式。 (1.5.5)如果把观测装置看作一个系统，则阻抗Z就是该系统的响应（电位差）与激励（电流I）之比，这在系统理论中称为传递函数（或传输函数）。1.5.2 几种常见岩、矿石的频率特性图1.20是用图1.19所示的装置测量和整理得到的黄铁矿、铅锌矿、黄铜矿、碳质页岩等四种岩（矿）石的幅频特性和相频特性。图1.21是普通自来水和用沙、水泥做的人工标本的频率特性，用以模拟无矿的离子导体。比较图1.20、1.21不难看出，在频率域，黄铁矿、黄铜矿、方铅矿等电子导体，能够产生明显的激发极化效应，可以采用频率域激电勘查识别它们。自来水及水泥和砂做的人工标本，激电效应很弱，印证了前面关于激发极化起因的解释。我们还看出，电子导体的幅频特性和相频特性像图1.18那样，总的符合1.4节分析的规律，随着频率增高，的振幅下降。在相当高的频率，趋于一个基本与频率无关的稳定值，这个稳定值基本上不含激发极化效应（频率太高还来不及产生激发极化）。相频曲线全为负值，是相位滞后，反映了激发极化过程的迟缓性。在中等频率，相位出现极值的频率，正好是幅频曲线最陡出现转折的频率。石墨（碳质岩石）的幅频和相频曲线，总的规律与电子导体相近。这一方面说明石墨的激发极化特征与电子导体相似，所以把石墨归入电子导体一类（石墨晶体中含有比较自由的电子）；另一方面，提醒人们在实际勘查工作中注意石墨和碳质岩石的干扰。事物常常有两重性。石墨和碳质岩石有时也可成为有利因素，假如它们本身就是勘查目标或者与目标体有某种固有联系的话。在图1.2中，浸染的黄铁矿和铅锌矿，其相位的负极大值在0.1Hz左右，而致密块状的黄铜矿的极值频率低于0.1Hz，石墨则更低。虽然，这只是少数标本的测量结果，但却反映了野外一般的情况。野外测量将会有较大误差，但相位极值相差大于1个级次还是能很有把握加以利用的。从图1.20还可以看出，几种岩、矿石的幅频特性和相频特性都有某种差异，也是有可能实际利用的。也就是说，在频率域，电子导体一类的金属矿石，虽然具有方才所述的激发极化的共性，从而能够与无矿的围岩离子导体相区别；但是不同金属成份、不同含量、不同结构构造的矿石，彼此之间又各有特点。这一方面成为用频率域激发极化法勘查和分辨它们的物理基础，另一方面又提示人们注意不同对象的个性。成份、含量、结构构造以及产出环境的差异往往导致不同的结果。注意到这些差别能够使频率域激发极化获得更好的应用。1.5.3 Cole-Cole模型不同矿石的成份、含量、结构构造以及产出条件各种各样，包罗万象。它们的激发极化效应，在细节上千差万别，各不相同，难以一一穷举。为此人们把它们简化成一定的电学模型，把有关的性质归纳为模型的几个电学参数，以便研究。在频率域激电的历史上，曾经有过阻容模型、德拜模型、瓦尔堡模型等。经过比较，目前较多采用与实际情形也较符合的是Cole-Cole模型，示意于图1.22，图中a是岩矿石激发极化单元的Cole-Cole模型，b是它的等效电路。Cole-Cole模型原本是Cole兄弟模拟电解质的介电性质时提出来的，发表在1941年的J Chem Phys （化学物理）杂志上1.3。W. H. Pelton 于上世纪七十年代把这一模型“借”用到勘查地球物理学中来，因为它与激发极化现象比较符合。该模型在频率域的数学表达式是 (1.5.6)式中 频率为0时的Cole-Cole阻抗；m 充电率，相当于本书定义的幅频率（时间域中的极化率）； 描写激发极化过程迟缓性的时间常数；c 频率相关系数，其取值范围0c1，一般0.1c0.6，典型值为c=1/4。(1.5.6)中各参数的关系为 (1.5.7) (1.5.8)或 (1.5.9)其中 R0代表纯离子通道的电阻；R1代表离子溶液和电子导体共同通道的电阻；代表电子导体和离子溶液界面上发生激发极化效应引起的附加阻抗。当角频率时，反之，当时，。在(1.5.6)中 (1.5.10)代入(1.5.6)有 (1.5.11)根据复数的运算法则，对(1.5.11)加以整理，分解出的实部和虚部，我们得到 (1.5.12)实部为 (1.5.13)虚部 (1.5.14)或者表示为振幅、相位：振幅 (1.5.15)相位 (1.5.16)在频率域，岩石、矿石激发极化性质的差别，集中反映在Cole-Cole模型的三个参数m、c和由它们计算得来的实、虚分量或振幅、相位上。按图1.19测量标本，绘成幅频曲线和相频曲线，用Cole-Cole模型对实测数据进行拟合，求出最佳拟合的参数，便能窥探不同成份、含量、结构构造、产出条件的矿石、岩石在激发极化性质上的差别和影响。1.5.4 影响岩（矿）石频率特性的因素张赛珍1.4根据我国25个地区180多块不同矿种的天然标本测定结果，研究了各种因素对岩（矿）石的频率特性，主要是相频特性的影响。归纳起来有：1. 矿石中导电矿物成份对激发极化性质，特别是对时间常数有显著的影响。时间常数反映了激发极化过程的张弛特性，这种张弛特性突出表现在相位上。图1.23和1.24是根据实测数据作出的不同成份矿石的值分布范围及相频曲线。对于标本测定而言，矿物成份对和的影响在图上一览无遣。然而到了野外现场，矿体与围岩共同形成一个系统，此时所测到的值为视值。影响最大的将是矿体的紧密程度和规模对系统所做的贡献，矿物成份的影响反而显得不重要了。无怪乎美国Pelton. W. H等认为，矿物成分对值没有根本的影响。值得注意，石墨的值最大，相位负峰的极值最大，频率最低。这一方面可以成为分辨石墨的特征，又往往掩盖或混淆了金属矿石的效应。遇到此类异常必须结合地质条件，全面分析、避免片面性。2. 导电矿物含量对于金属矿石，实验表明，如果只有含量不同，其它特征都类似，那么导电矿物含量低的星散浸染状矿石的值，与含量较高的致密块状矿石相比明显偏小。图1.25是不同硫化矿物含量相频特性的对比，从图上看，含量高的相位绝对值大，负峰明显，峰值出现在较低频率。有人认为，浸染状矿石的激电效应比致密块状矿石的更强，与上列的结果有矛盾。因实验条件可能不同，孰是孰非，尚难定论。实验还表明 ，当导电矿物体积含量大到一定程度，含量进一步增大的影响就不明显了。所以含量的影响是有条件的，相对的。如果除了含量不同，其它特征比如结构构造也不相同，就很难看出导电矿物含量单独的影响。石墨这个电子导体与其它金属导体不同。含碳很少(10%)的与含碳甚高（约60%）的标本，其时间常数、充电率、相位极值和极值频率相差无几。含碳少的岩石（这在野外十分常见）却能产生很强烈的激电异常，使得地球物理工作者经常遇到这种干扰。3. 矿（岩）石的结构构造结构构造是两个含义不同的术语，这里把它们连在一起，主要是指矿（岩）石中导电矿物的颗粒大小，连通性，镶嵌关系和紧密程度等。而对造岩矿物的上列内容涉及较少。下面讨论这些因素对频率特性的影响。1) 导电矿物颗粒大小有一些人（比如Pelton）认为颗粒大小是影响时间常数的主要因素。这一结论的依据主要是人工标本测定的结果，条件比较简单，过于理想化。比较合乎实际的看法是，如果矿物成份、含量、连通性、紧密程度等情况相当，则颗粒大小对的影响较为明显。曾经观测到颗粒小的充电率和相位极值反而大的情况，所以前人说浸染状矿石激电效应更大也有一定的道理。这一方面说明粒度对幅频率和相位极值也有影响，而不仅是影响值。另一方面，野外采集的数据主要是视幅频率和相位，从发现异常的角度也许颗粒小的更有利。天然矿石的矿物种类、含量高低、颗粒大小、连通和紧密程度千差万别，只有其它条件相同至少相近时，才能看出粒度的影响。若其它条件（如种类、含量、）相去甚远，则粒度的影响往往湮没于其它因素的影响之下。2) 连通性导电矿物连通与否对时间常数也有显著的影响。值大的相位负峰向低频移动。有些矿石具有条带状构造，导电矿物沿条带方向连通而垂直条带方向则否。即使是同一块标本，沿连通方向和垂直连通方向，值也有明显的差别。它们的相频曲线示于图1.26，可见连通性对值的影响主要表现在相位负峰值向低频方向移动。连通性的影响提醒我们注意三点：a) 导电矿物连通与否对矿石的频率特性有明显影响，其它条件相近时连通好的值大，相位极值出现在低频。反过来，值的大小和相位负峰出现的频率也能提供导电矿物连通程度的信息。b) 沿连通方向和垂直连通方向频率特性不同，说明在频率域同样存在各向异性。因此，在通过标本来研究岩（矿）石的频率特性时，要注意不同的方向都测，得到的资料才会真实、全面。c) 在野外，布置工作和解释资料时，要注意各向异性的影响。获得异常之后，不妨改变激发电流的方向再测，也许会对解释异常原因分辨异常提供新的信息。3) 致密程度或镶嵌紧密程度说明致密程度对频率特性影响的最典型的例证是人工标本和天然标本的巨大差别。人工标本无论怎样压紧都无法与亿万年来各种地质作用形成的天然标本相比。比如黄铁矿含量粒度都相近的一块人工标本和一块天然标本的相应数据的差别，m相差一倍，相差三倍，相差一千倍，相差几乎一万倍。天然标本任何一个参数都与人工标本相差很远。联系到前面提到的成份、含量、粒度、连通性等因素中哪一个因素也没有引起这么巨大的差别，不能不把它归结为致密程度的影响。相反的例证同样可以找到。例如，黄铁矿的含量与粒度相差不大的一组标本，只因风化，变得结构松散，致使值相差两个级次以上，相位负峰向高频偏移，与其它标本的在频率上相差三个级次以上。正反两方面的资料都说明岩（矿）石致密程度对频率特性的影响是不可忽视的。方才讨论致密程度的影响，是以人工标本和天然标本的差别为例。如果是天然矿石与天然矿石比，致密程度以及由它引起的值变化便不致这么大。据实测，值的差别只有几倍，至多到一个多数量级。值得指出，连通性和致密程度的影响，有时更甚于含量和粒径的变化。金属矿床往往是硫化矿床。在我国的气候条件下，硫化矿床氧化带较为发育。氧化不但使矿石结构变得松散，同时使硫化物变成氧化物，比如黄铁矿