第13课 电阻率法.ppt

第三章电法勘探 它是以岩 矿石的电学性质 如导电性 差异为基础 通过观测和研究与这些电性差异有关的 天然或人工 电场或电磁场分布规律来查明地下地质构造及有用矿产的一种物探方法 称为 电法 什么是电法勘探 电法勘探的特点 可用 三多 两广 来慨括 三多 导电性 或 电化学活动性 介电性 导磁性 可利用的物性参数多 利用场源多 人工场源 天然场源 直流电 稳定场 交电流 交变场 传导类电法勘探 直流电法 研究稳定电流场 感应类电法勘探 交流电法 研究交变电流场 方法种类多 低频电磁法 频率测深法 甚低频法 电磁波法 大地电磁法 两广 应用空间广 应用范围广 航空地面海洋井中 金属和非金属矿油气勘探地质填图水文与工程深部构造 地壳 地幔 主要内容 第一节电阻率法一电阻率法的理论基础二电测剖面法三电测深法四高密度电阻率法及应用第二节充电法与自然电场法第三节激发极化法第四节电磁法 第一节电阻率法 什么是电阻率法 电阻率法是传导类电法勘探方法之一 建立在地壳中各种岩矿石具有各种导电性差异的基础上 通过观测和研究与这些差异有关的天然电场或人工电场的分布规律 从而达到查明地下构造或者寻找有用矿产的目的 电阻率 单位是欧姆 米 记作 m 用电导率 表示时 其单位为西门子每米 记作s m 电导率和电阻率互为倒数 成反比性 在电法勘探中 用来表征岩 矿石导电性好坏的参数为电阻率 或电导率 1 从物理学中已知 当电流垂直流过单位长度 单位截面积的体积时 该体积中物质所呈现的电阻值即为该物质的电阻率 计算公式如下 注 一 基本概念 1 电阻率基本公式 2 电阻率单位 SI制中 电阻R 长度 m 截面积 m2 电阻率 m 一 电阻率法的理论基础 3 导电机制 1 溶液 带电离子 2 金属导体 自由电子 如自然铜 金 银和石墨 电阻率低 3 半导体 电阻率高于金属导体 大多数金属硫化物 金属氧化物 4 固体电解质 离子导电 绝大多数造岩矿物 如石英 云母 方解石 长石等 电阻率高 二 矿物的电阻率 金属导体 半导体 固体电解质 各种天然金属均属于金属导体较重要的天然金属有自然金和自然铜 其电阻率值均很低 大多数金属矿物均属于半导体 固体矿物按导电机理分为 绝大多数造岩矿物 如辉石 氏石 石英 云母 方解石 常见半导体矿物的电阻率值 三 岩 矿石的电阻率 矿物电阻率值是在一定范围内变化的 同种矿物可有不同的电阻率值 不同矿物也可有相同的电阻率值 因此 由矿物组成的岩石和矿石的电阻率也必然有较大的变化范围 岩矿石电阻率 也有类似的情况 其电阻率值除与组成矿石的矿物成分 含量有关外 更主要地乃由矿物颗粒的结构构造所决定 几种岩石电阻率的分布范围曲线 110102103104105106 4 主要岩矿石电阻率及其变化范围 沉 变 火 沉积岩 10 102 m 火成岩 102 106 m 变质岩 介于两者之间 四 影响岩 矿石电阻率的因素 1 矿物成分 含量及结构金属矿物含量 电阻率 结构 浸染状 细脉状 2 岩矿石的孔隙度 湿度孔隙度 含水量 电阻率 风化带 破碎带 含水量 电阻率 3 水溶液矿化度矿化度 电阻率 地下水及其他天然水的电阻率均较低 通常小于100 M 并且含盐分越多 电阻率值越低 岩 矿石中所含水分的多少 或湿度大小 对其电阻率值有较大影响 一般含水量大的岩石电阻率较低 而含水量小或干燥岩石的电阻率较高 岩石含水量的大小 主要决定于岩石本身的孔隙度及当地的水文地质条件 在潜水面以下 岩石孔隙通常被地下水所充满 此时 岩石的湿度便等于其孔隙度 几种常见岩石的空隙度 4 温度温度T 溶解度 离子活性 电阻率 结冰时 电阻率 5 压力压力 孔隙度 电阻率 超过压力极限 岩石破碎 电阻率 电子导体矿物 矿石的电阻率随温度增高而变大 离子导电岩石的电阻率随温度的增高而变小 6 构造层的影响层状构造岩石的电阻率 具有非各向同性 即沿层理方向的电阻率小于垂直沿层理方向的电阻率 两种电阻率分别为 1和 2的薄层岩石交替成层 它们的总厚度分别为h1和h2 则可按电阻并联和串联的关系 不难得到沿层理方向和垂直层理方向的电阻率表达式 1 2 为了表征层状岩石的非各向同性程度和平均的导电性 定义其非各向同性系数和平均电阻率分别为 综上所述影响岩 矿石电阻率的因素是多方面的 五 均匀各向同性半空间点电源的电场 设大地是水平的 与不导电的空气接触 介质充满整个地下半空间 且电阻率在介质中处处相等 称这样的介质模型为均匀各向同性半空间 即 在物理学中 恒定电场是用三个相互有联系的物理量V 电位 E 电场强度 和j 电流密度 来描述的 其间的关系为 dv Edr E j 为了建立地下电场 总是用两个电极 例如A B 向地下供电 这两个接地的电极 A B 称为 供电电极 当供电电极的大小比它们与观测点的距离小得多时 可把两个供电电极看成两个 点 故又将它们称为 点电源 P 1 一个点电源的电场 地面 空气 A B M r 设在地面A点向地下供电 电流强度为I 地下半空间的电阻率为 地下距A为r的点M处的电流密度为 电场强度为 电位为 对上式两边积分得 当r V 0 则C 0代入上式得 2 两个异性点电源的电场 M AM BM 在任意点M处的 可按场的叠加原理知 地下电流场在供电电极附近分布极不均匀 其值趋于无限大 而在两极中央地段 场的分布较均匀 变化较平缓 在AB的中点 V 0 中点左边V为正 右边为负 AB的中点上 E出现极小值 六 电阻率公式及视电阻率 1 均匀大地 电阻率公式 M N处的电位为 式中AM BM AN BN分别A B与M N间的距离 上两式相减可得M N两点间的电位差 则 令 则均匀大地电阻率公式 式中的k 称为装置系数 或布极常数 单位为 米 由于地下为均匀各向同性介质 故 与k I的值无关 K值的实际计算 2 非均匀介质中的地下电流场及视电阻率 地电断面 根据地下地质体电阻率的差异而划分界线的断面 1 非均匀介质中的地下电流场 由图可见 高阻体具有向周围排斥电流的作用 低阻体具有向其内部吸引电流的作用 2 视电阻率 当地表不水平或者地下电阻率分布不均匀时 存在两种或者两种以上介质 仍然采用前述均匀介质中的供电方式及测量方式 仍由前述的公式计算 电阻率值 不过 这时计算出的 电阻率值 既不是 1 也不是 2和 3 而是与三者都有关的一个量 称为 视电阻率 用符号 s表示 即 视电阻率 在电场有效作用范围内各种地质体电阻率的综合影响值 3 影响视电阻率的因素电极装置 供电电极 A B 及测量电极 M N 的排列形式和移动方式 电极装置类型及电极距的大小 测点相对于地质体的位置 电场有效作用范围内各种地质体的真电阻率 各地质体的分布状态 即形状 大小 埋深及相对位置 3 视电阻率的定性分析公式 视电阻率与电流密度的关系式 即 式中测量电极M N间任意点的电流密度和介质的真电阻率 j 为均匀各向同性介质中M N间的电流密度 0 上式表明 s与M N间的介质的电阻率 MN和电流密度jMN成正比 1 2 3 4 5 6 7 剖面曲线的变化能清楚地反映出地下导电性不均匀体的位置及电阻率的相对高低 s 视电阻率虽然不是岩石的真电阻率 但却是地下电性不均匀体和地形起伏的一种综合反映 二电测剖面法 方法特点 研究地电断面横向变化的一类方法 采用固定的电极距 沿剖面移动电极装置 观测一定深度范围内视电阻率沿剖面的变化 解决主要地质问题 探测产状陡立的高 低阻体 如划分不同岩性接触带 追索断层及构造破碎带 装置特点 各电极间距离保持不变 使整个或部分装置沿着测线移动 逐个测量视电阻率的值 所得到的 s曲线是反映测线下某一深度范围内不同电性物质沿水平方向的分布情况 分类 电阻率法 联合剖面法 中间梯度法 对称剖面法 偶极剖面法 联合剖面法装置形式 一 联合剖面法1 装置特点及 s公式装置形式 它是由两个三极装置即AM 和 MNB联合而成 在两个三极装置中有个公共的无穷远极C 电极排列以测点O呈左右对称AO BO MO NO 将无穷远极在测线的中垂线上布置 OC 5AO 在测量时 C极固定不动 AMNB间保持距离不变 四个极沿测线同时移动 逐点进行测量 测点为M N的中点O 每个点测量两次 得到两个 s值由于C极为无穷远极 它在M N处产生的电位很小 故可忽略不计 因此 联合剖面法的电场可视为一个 点电源 的电场 AMN MNB 联合剖面法测量方法 2联合剖面法的测量方法 当A极供电时 测量MN两点间电位差 UMNA及供电回路中电流I 根据视电阻率公式计算出 SA B极供电时 同样可以算出 SB 因此 一个测点可以得到两个视电阻率值 联合剖面法电极装置系数 良导直立薄脉联合剖面曲线 3 几种规则形状地质体联合剖面 S曲线分析 1 良导直立薄脉 s曲线分析及其特征a 当电极装置位于点1位置时 jMN j0 MN 1 sA 1 b 随着电极逐渐向矿脉接近并处于处于点2位置时 与点1相比jMN j0 MN极仍在 1介质中 所以 MN 1 因此 sA 1 c 电极装置继续向矿脉靠近处于点3的位置 矿脉吸引电流线的作用较点2更加强烈 SA仍大于 1且比点2还大 这时 SA取得极大值 良导直立薄脉联合剖面曲线 d 电极装置于点4位置时 A极发出的电流线均被矿脉吸引 因此经过MN极的电流线将急剧的减少 所以 sA亦随之减小 此时获得 sA极小值 e 继续向右移动电极装置至点5位置时 MN间的电流密度jMN j0 此时的jMN较点4时大 因此 sA又开始升高 f 当电极装置移到远离矿体界面处的点6位置时 sA 1 同理分析 sB曲线 良导直立薄脉联合剖面曲线 s曲线特点分析 sA与 sB曲线相交于矿脉上方 在交点两侧 sA及 sB曲线呈两翼张开状态 交点左侧 sA sB 交点右侧 sA sB 我们称这种交点为低阻正交点 交点的电阻率 s值低于或接近于围岩电阻率 1 在用联合剖面法找矿中就是利用低阻正交点的位置来确定良导脉及构造破碎带在地面上的投影位置 高阻直立岩脉 s曲线 利用交点性质及电阻率的高低和 sA与 sB两条曲线之间开阔的程度可区别高阻岩脉与低阻岩脉 2 高阻直立岩脉 s曲线特征高阻直立脉曲线特点 1 sA及 sB两条曲线交点处的视电阻率值远远高于其围岩电阻率值 交点左侧 sA sB 我们称这种交点为高阻反交点 交点的位置与高阻脉在地面上的投影位置相对应 2 交点两侧 sA及 sB曲线呈两翼闭拢状态 低阻倾斜薄板上联剖曲线h 5cm L 80cm 30 3 倾斜良导脉 s曲线特征矿脉倾斜时 s曲线特点 1 sA和 sB两条曲线不对称 反倾向一侧的电极供电时 s曲线异常反映明显 2 低阻正交点位置相对于矿体顶部向矿体倾斜的方向移动 矿体倾角越小 埋深越浅以及AO极距越大 曲线的不对称性及交点位移也越大 为了判断矿体的倾斜方向 通常采取大小两种极距的联合剖面测量 根据 s曲线的不对称性和交点位移情况判断矿体的倾斜方向 在实际工作中 常采用不同极距的联合剖面曲线交点的位移来判断脉状体的倾向 直立岩层接触面 s曲线 浮土下直立岩层接触面 s曲线 3 两种直立岩层接触面 s曲线特征在两种直立岩层接触面处 无浮土 sA及 sB曲线均出现了较大的跳跃 sA曲线变化情况较 sB曲线更为明显 所以可用 sA曲线极大值点确定岩层接触面位置 有浮土覆盖时 由于良导性浮土的影响使岩层接触面处 s曲线变化较平缓 两种岩层接触界面的位置与 sA曲线极大值下降三分之一的地方相对应 即与2 3 sA极值点的横坐标位置相对应 地形对 s曲线的影响 4 山脊山谷地形对 s曲线的影响曲线特点 对应山脊地形 sA及 sB出现低阻正交点 而在山谷地形上 sA及 sB形成高阻反交点 1 寻找金属矿中的应用某区内出露岩层有大理岩及闪长岩两种 在两种岩石的接触部位见有矽卡岩及黄铁矿化 并有微量的黄铜矿 区内均为浮土掩盖 露头很少 大理岩和闪长岩电阻率均比较高 为在本区利用联合剖面法寻找接触交代型铜矿创造了物理前提 4联合剖面法的应用 我国某铜矿床上联合剖面曲线 图为实测的联合剖面曲线 由图可见 sA与 sB曲线出现明显的低阻正交点和曲线的不对称 根据曲线不对称可知 矿体是倾斜的 推断矿体向南西倾斜 后经钻探证实 该异常为赋存于接触带附近接触交代型铜矿所引起 某地破碎带上联合剖面曲线1 砂卵石 2 流纹岩 3 断层 2 寻找和追索破碎带测线的方向沿横贯河谷布置 采用的电极装置为AO 20 MN 5m 从观测结果可见在6号点处出现了低阻正交点 推断可能为破碎带引起的 因为只有在裂隙中才含有水而呈低阻带 经坑探证明确有破碎裂隙 厚约1米 2 寻找和追索破碎带为了追索破碎带的走向 使用同样的电极距在河谷下游距前一剖面30米处又布置了一条剖面 结果在10号点附近又出现了一低阻正交点 两交点连线的方向即为破碎带的走向 该区河谷宽为200m 河谷内地形平坦 大部分为砂卵石覆盖 在河谷两侧出露的岩石为白垩纪流纹岩 联合剖面法的任务就是在流纹岩中寻找破碎带 某地破碎带上联合剖面曲线1 砂卵石 2 流纹岩 3 断层 二 中间梯度法 1 装置特点及 s公式 采用四级AMNB装置 A B供电 M N两电极测量 供电电极距AB很大 MN 1 50 1 30 AB工作时 A B固定不动 M N在AB中部 1 2 1 3 AB范围内同时移动 逐点进行测量 测点为MN的中点 K不是恒定的 而是逐点变化的 由图可见 中间梯度法主要用来寻找陡倾的高阻薄脉 如石英脉 伟晶岩脉等 原因 在均匀场中 高阻体的屏蔽作用比较明显 排斥电流使其汇聚于地表附近 使jMN急剧增加 致使 s曲线上升 形成突出的高峰 而低阻薄脉易于让电流垂直通过 只使jMN发生很小的变化 故 s异常不明显 特点分析 1 利用均匀场 2 工作效率高 一线供电 多线测量 对称四极剖面法装置形式 1对称四极剖面法电极装置形式 1 对称四极装置特点 A M N B四个电极在测线上排列成一直线 各电极均以测点O为中心呈左右对称布置 即AO BO MO NO 保持个电极间的距离不变 整个装置沿测线一起移动进行测量 因此 所测的 s值的变化反映了沿剖面方向一定深度范围内岩石电阻率的变化情况 用下式计算视电阻率 s 三 对称剖面法 复合对称四极剖面法装置形式 2 复合对称四极装置特点 在对称四极剖面法中采用两种大小不同的供电电极距测量构成的复合对称四极装置 在每个测点上分别用大极距AB及小极距A B 供电 与其对应的则可测得 sA B 及 sAB 这样在一条测线上就可以有反映不同深度情况的两条 s曲线 A B A MNB 高阻基岩隆起的 s曲线 可见 视电阻率 S曲线起伏情况 比较好的反映了基岩表面的起伏 2 对称四极剖面法 s曲线的分析 1 良导覆盖层下高阻基岩隆起 s曲线的分析1号点远离基岩界面 jMN j0 MN 1 测点位于2号点位置时 因基岩发生隆起其表面靠近地表 电场则因高阻基岩向地表排斥电流线而引起电流畸变 致使jmn j0 则视电阻率 S 1 测点位于3号点处的情况与1号点相同 复合对称四极 s曲线 a 1 2古河道 基岩为低阻 复合对称四极剖面法是采用两种不同的供电电极距 不同的探测深度而得到的两条 s曲线 区分高阻隆起或古河道的异常 2 复合对称四极 s曲线的分析在基岩为高阻的隆起上 sA B 曲线低于 sAB 在古河道 基岩为低阻 上 sA B 曲线位于 sAB的上方 对称四极剖面的等 s平面图 3 对称四极剖面法的应用 1 确定浮土层下的基岩起伏实例1 寻找沉积在基岩低洼处铝土矿 基岩洼地处沉积的铝土矿电阻率最低 并在视电阻率平面等值线图上明显的表示出了低阻闭合圈的位置 根据低阻闭合圈的范围即可确定古生代基岩顶面洼地的位置 岩溶区对称四极剖面法 剖面图1 粘土 2 灰岩 实例2 确定基岩起伏界面 右图是某地岩溶区对称四极剖面法 S剖面图 它清楚的反映出灰岩基底起伏情况 灰岩中的岩溶漏斗因被低阻沉积物充填 所以 S剖面曲线反映出的低阻部位恰与岩溶漏斗对应 对称四极剖面法的 剖面平面图1 页岩 2 大理岩 2 对称四极剖面法在地质填图中的应用实例 图为某地寻找页岩及大理岩接触界限的 S剖面图 当测点由页岩区进入大理岩地区时 S曲线发生跃变 而在页岩及大理岩地区 S曲线比较平稳 所以可以根据 S曲线跃变的特点划出两种岩层的接触界面来 对称剖面法与中间梯度法都属于两个异性点电源的场 测量电极都位于剖面的中部 属均匀场 s异常曲线的特点与中间梯度法类似 但 s曲线比中间梯度的曲线复杂 生产效率低些 因此 一般能有中间梯度法解决的问题 就不用对称四级剖面法 根据场的叠加原理 对称剖面法的 SAB为联合剖面法两个视电阻率 SA和 SB 的值的平均值 即 由图可见 显然低阻薄脉上的对称剖面法 异常不如联合剖面法的异常反应明显 因此 一般不用对称四极剖面法寻找低阻的薄脉状地质体 上右图为两种不同电阻率的岩层接触带上对称四极剖面法 s曲线 曲线1 为A B过小 s主要反映覆盖层的电阻率 曲线2 为A B过大 即使测点距离接触面很远时 接触面另一侧岩石已对曲线产生影响 使得曲线中间的倾斜部分很长 难以准确判断接触带位置 曲线3 为A B极距合适 s曲线变化明显 可根据曲线的拐点位置来确定接触带的位置 利用复合对称四极剖面法有助于解决基底的起伏问题 若基底为高阻向斜 SA B 曲线在 SAB曲线的下方 若基底为低阻向斜 SA B 曲线在 SAB曲线的上方 这是因为小极距时 SA B 曲线反映较浅处岩层的电性情况 2 对称四极剖面法的实际应用 用 对称剖面法 研究覆盖层下的基岩起伏 向斜或背斜 和对水文 工程地质提供有关疏松层中电性不均匀体的分布以及疏松层下的地质构造 划分接触带 寻找厚岩层 矿体 等 应用实例例一 用对称四极剖面法寻找地下古河道某古河道两侧以及下部岩石由砂粘土组成 电阻率较低 而古河床中充填的沙卵石则为高阻 例2 用复合对称四极剖面法确定基岩的相对起伏某地为查明基岩起伏以便为工程地质提供有用资料 为此做了对称四极剖面法见下图 正确地确定工作任务是保证工作顺利进行和取得显著效果的重要环节