地球物理学必备应用地球物理学原理不看后悔.ppt

二 岩石和矿石 利用岩石和矿石的电化学活动性一般情况下物质都是电中性的 即正 负电荷保持平衡 但是 某些岩石和矿石在特定的自然条件下 在岩石中产生的各种物理化学过程作用下 岩石可以形成面电荷和体电荷 岩石的这一性质称为岩石极化 岩石极化分为两种类型 1 自然极化 是由不同地质体接触处的电荷自然产生的 表面极化 或由岩石的固相骨架与充满空隙空间的液相接触处的电荷自然产生的 两相介质的体极化 2 激发极化 是在人工电场作用下产生的极化 由岩石自然极化和人工极化产生的面电荷和体电荷形成自然电场或激发极化电场 一 岩石和矿石的自然极化特性 1 电子导体的自然极化 当电子导体和溶液接触时 由于热运动 导体的金属离子或电子可能具有足够大的能量 以致克服晶格间的结合力越出金属进入溶液中 从而破坏了导体与溶液的电中性 使金属带负电 溶液带正电 金属上的负电荷吸引溶液中过剩的阳离子 使之分布于界面附近 形成双电层 产生一定的电位差 此电位差产生 反向电场 阻碍金属离子或电子继续进入溶液 当进入溶液的金属离子达到一定数量后 便达到平衡 此时 双电层的电位差为该金属在该溶液中的平衡电极电位 它与导体和溶液的性质有关 若导体和溶液都是均匀的 则界面上的双电层也是均匀的 这种均匀 封闭的双电层不产生外电场 如果导体或溶液是不均匀的 则界面上的双电层呈不均匀分布 产生极化 并在导体内 外产生电场 引起自然电流 这种极化所引起电流的趋势是减少造成极化的导体或溶液的不均匀性 所以 如果不能继续保持原有的导体或溶液的不均匀性 则因极化引起的自然电流会随时间逐渐减小 以至最终消失 因此 电子导体周围产生稳定电流场的条件必须是 导体或溶液的不均匀性 并有某种外界作用保持这种不均匀性 使之不因极化放电而减弱 如图1 3 4所示 赋存于地下的电子导电矿体 当其被地下潜水面切过时 往往在其周围形成稳定的自然电流场 我们知道 潜水面以上为渗透带 由于靠近地表而富含氧气 使潜水面以上的溶液氧化性较强 相反 潜水面以下含氧较少 那里的水溶液相对来说是还原性的 潜水面上 下水溶液化学性质的差异通过自然界大气降水的循环总能长期保持 这样 电子导体的上 下部分总是分别处于性质不同的溶液之中 在导体和溶液之间形成了不均匀的双电层 产生自然极化 并形成自然极化电流场 简称自然电场 在上述特定自然条件下 导体上部处于氧化性质溶液中 其电极电位较高 导体带正电 其周围溶液带负电 导体下部处于还原性质溶液中 电极电位较低 导体带负电 周围溶液带正电 这种因极化形成的电流 在导体内部自上而下 而在导体外部是自下而上 如图1 3 4中的电流线 从地平面看 自然电流是从四面八方流向导体 因此 沿剖面观测自然电位时 离矿体愈近 电位愈低 在导体正上方电位最低 称为自然电位负心 通常 在硫化金属矿上可观测到几十到几百毫伏的自然电位负异常 顺便指出 在化学性能十分稳定的石墨矿或石墨化程度较高的地层上 自然电位负异常的幅度可达 800 900mV 甚至 1000mV以上 2 离子导体的自然极化 在离子导电的岩石上所观测到的自然电场主要是由于动电效应所产生的流动电位所引起 1 过滤电场 当地下水流过多孔岩石时 在地表就可以观测到过滤电场 溶液能平行于孔壁自由流动 而把正离子带走在水流的上游负离子过多 而在水流下游正离子过多 形成了过滤电场 地壳中自然形成的过滤电场主要包括裂隙电场 上升泉电场 山地电场和河流电场等 例如 地下的喀斯特溶洞 断层 破碎带或其它岩石裂隙带 常成为地下水的通道 当地下水向下渗漏时 上部岩石吸附负离子 下部岩石出现多余的正离子 这就形成裂隙电场 见图1 3 6 a 与以上的情况相反 当地下水通过裂隙带向上涌出形成上升泉时 由于过滤作用 在泉水出露处呈现过剩的正电荷 而在地下水深处留下过多的负电荷 于是形成上升泉电场 见图1 3 6 b 此外 由于河水和地下水之间的相互补给形成的地下水流产生的过滤电场为河流电场 见图1 3 7 山地电场常常是雨水渗入多孔的山顶岩层向山脚流动形成的 山地电场总是山顶电位为负 山脚电位为正 电场的分布与地形成镜象关系 见图1 3 8 2 扩散 吸附电场 当两种浓度不同的溶液相接触时 会产生扩散现象 溶质由浓度大的溶液移向浓度小的溶液里 以达到浓度平衡 正 负离子将随着溶质移动 但因岩石颗粒的吸附作用 正 负离子的扩散速度不同 使两种不同离子浓度的岩石分界面上分别含有过量的正离子或负离子 形成电位差 这种电场称为扩散 吸附电场 扩散 吸附电场强度较小例如在地面观测到的河水与地下水接触处由于离子浓度差别形成的扩散 吸附电场 一般约10 20mV 扩散 吸附电场更多的是用在电测井工作中 以上各种原因产生的自然电场不是孤立存在的 应用自然电场找矿时 主要研究电子导体周围的电化学电场 而把河流电场 裂隙电场视为找矿的干扰 应用自然电场解决水文地质问题时 将矿体周围的电场视为干扰 二 岩石和矿石的人工极化成因 1 电子导体的人工极化成因 在讨论电了导体的自然极化时 我们已经知道 浸沉于同种化学性质溶液中的单一电子导体表面形成的双电层为一封闭系统 它不显示电性 也不形成外电场 见图1 3 9 a 这种自然状态下的双电层电位差是导体与溶液接触时的电极电位 又称平衡电极电位 当有电流通过上述系统时 导体内部的电荷将重新分布 自由电子逆着电场方向移向电流流入端 使这里相当于等效电解电池的 阴极 而在电流流出端呈现出相对增多的正电荷 相当于等效电解电池的 阳极 与此同时 溶液中的带电离子也在电场作用下发生相应的运动 分别在 阴极 和 阳极 处形成正离子和负离子的堆积 图1 3 9 b 使通电前的正常双电层发生了变化 阴极 处 导体带负电 围岩带正电 而 阳极 处 导体带正电 围岩带负电 在电流作用下 导体的 阴极 和 阳极 处双电层电位差相对于平衡电极电位的变化值称为超电压 超电压的形成过程即是电极极化过程 不难理解 随供电时间的延长 导体界面两侧堆积异性的电荷逐渐增多 超电压值随之增大 最后达到饱和状态 断去供电电流之后 界面两侧堆积的异性电荷通过界面本身 导体内部和周围溶液放电 使整个系统逐渐恢复到供电之前的均匀双电层状态 超电压也随时间的延续逐渐减小 最后消失 图1 3 9 c 介绍两个重要概念 面极化和体极化在激电法的理论和实践中 为使问题简化 将岩 矿石的激发极化分为理想的两类 第一类是 面极化 其特点是激发极化均发生在极化体与围岩溶液的界面上 如致密的金属矿或石墨矿属于此类 第二类是 体极化 其特点是极化单元 指微小的金属矿物 石墨或岩石颗粒 呈体分布于整个极化体内 如浸染状金属矿石和矿化 石墨化岩石以及离子导电岩石均属这一类 虽然每个小颗粒与围岩 胶结物 的接触面很小 但它们的接触面积的总和却是很可观的 所以 尽管浸染状矿体与围岩的电阻率差异很小 仍然可以产生明显的激发极化效应 这就是激发极化法能够成功地寻找浸染状矿体的基本原因 应该指出 面极化和体极化的差别只具有相对意义 严格说来 所有激发极化都是面极化的 因为从微观来看 体极化中每一个极化单元的激发极化也都是发生在颗粒与其周围溶液的界面上 然而 实践中应用激电法又都是宏观地研究矿体 矿带或地层等大极化体的激电效应 故在此讨论体极化体的激发极化特性 2 离子导体的激发极化成因 一般造岩矿物为固体电解质 属离子导体 野外和室内观测资料表明 不含电子导体的一般岩石 也能产生明显的激电效应 关于离子导体的激发极化机理 所提出的假说和争论均较电子导体的多 但大多认为岩石的激电效应与岩石颗粒和周围溶液界面上的双电层结构有关 见图1 3 10 a 主要假说都是基于岩石颗粒 溶液界面上双电层分散结构和分散区内存在可以沿界面移动的阳离子这一特点提出来的 其有代表性的假说是双电层形变说 现简述如下 在外电流作用下 岩石颗粒表面双电层分散区之阳离子发生位移 形成双电层形变 图1 3 10 b 当外电流断开后 堆积的离子放电 恢复平衡状态 图1 3 10 c 从而可以观测到激发极化电场 双电层形变形成激发极化的速度和放电的快慢 决定于离子沿颗粒表面移动的速度和路径的长短 因而较大的岩石颗粒将有较大的时间常数 即充电和放电时间长 这是用激电法寻找地下含水层的物性基础 三 岩石和矿石的激发极化特性 1 时间特性 1 矿化岩石的激发极化特性 细粒浸染状矿石或矿化岩石的激发极化 体极化 是其中许多细小颗粒极化效应的总和 为了考察体极化岩 矿石的激电效应 通常采用图1 3 11 a所示的封闭装置 将待测的体极化岩 矿石标本置于盛有水溶液的长方形容器中 使其露出水面 标本与容器壁之间的空隙用石蜡或橡皮泥等绝缘材料封严 使标本两侧的水溶液不相连通 在容器两端各放一块长方形铜片A和B 作供电电极 借以向容器内供入稳定电流 在标本两侧水溶液中紧靠标本处 安置测量电极M和N 用毫伏计测量其间的电位差 图1 3 11 b是用上述装置对黄铁矿化岩石标本测得的电位差随时间变化曲线 电位差随时间的变化是因为激发极化效应产生的电位差 简称二次场电位差 在供电时记为 断电后记为 t 在供电后从零开始逐渐增大 充电过程 而在断电后逐渐衰减为零 放电过程 在无激电效应时 电流通过标本由于电阻电压降所形成的电位差为一次场电位差 在稳定电流条件下 不随时间而变 可见 标本被激发极化后 供电时间 T时观测到的电位差 为 和 2 之和 称之为总场电位差 它随供电时间 T 而变化 并有关系 由于刚供电时 T 0 二次场电位差为零 即 故由上式得 于是 体极化比面极化的充 放电速度快得多 这是体极化与面极化的一个重要不同之处 对星散浸染状矿石或矿化 石墨化标本的实验观测结果表明 若在相当大范围内改变供电电流I 直到测量电极处的电流密度高达 n 时 二次场电位差总是与供电电流成正比 且其比值与供电方向无关 因此 在地面电法通常所能达到的电流密度范围内 星散浸染状岩 矿石的激电效应没有明显的非线性和正 负极极化的差异 这是体极化和面极化的又一重要区别 2 描述稳定电流场激发极化效应的参数 上已述及 在二次场与电流成线性关系的条件下 引入表征体极化岩 矿石的激电性质参数 极化率 其值按下式计算 极化率为用百分数表示的无量纲参数 由于二次场和总场均与供电电流成正比 故极化率是与电流无关的常数 但极化率与供电时间T和放电时间t 有关 必须予以特别说明 为简单起见 我们将长时间供电 T 即充电达饱和 和断电瞬间 t 0 测得的饱和极化率 定义为极化率 记为 体极化岩 矿石的极化率除了与观测时的充放电时间有关外 还和岩 矿石的成分 含量 结构及含水性等多种因素有关 我国物探工作者对大量矿化岩 矿石标本作了系统观测 研究了多种因素对岩 矿石极化率的影响规律 研究结果表明 在上述诸多因素中 影响岩 矿石极化率的主要因素是电子导电矿物的含量和岩 矿石的结构 构造 3 非矿化岩石的激发极化效应 不含电子导电矿物的非矿化岩石 属纯离子导体 在电流激发下的激发极化都发生在细小岩石颗粒与周围溶液的界面上 也是体极化 但其激电性质又与矿化岩石不同 岩石的极化率通常很低 一般不超过1 2 少数能达到4 5 表1 3 5列举了一些岩石和矿石极化率的实测数据的统计结果 它表明了一般情况下 岩 矿石极化率的数量概念 非矿化岩石的充电和放电速度比矿化岩石更快 其中 矿物颗粒小 例如由粘土矿物组成 的岩石 充放电速度尤其快 而颗粒较粗 如砂或砂粒组成 的岩石之充 放电速度则较慢 岩石激电效应的这种时间特性 对评价激电异常和应用激电法找水均有实际意义 2 频率特性 1 在超低频交变电流场中岩 矿石的激电现象 前面所讨论的激电效应是在稳定电流激发下 根据电场随时间的变化 充 放电过程 来研究激发极化效应 即时间域激电法 实践表明 激电效应也可在交变电场激发下 根据电场随频率的变化 频率特性 观测到激电效应 即频率域激电法 为了认识交变电流激发下的激电效应 我们考察下述实验 在图1 3 11 a所示的装置中 将直流电源改为超低频信号发生器 向水中供以超低频交变电流I 在供电时 用交流毫伏计测量M N间的交流电位差 当保持交变电流的幅值I 不变 而逐渐改变频率 f 时 人们发现电位差 将随之而变 这种在超低频段上 f n 电场随频率变化的现象 与介电极化和电磁耦合效应无关 而是岩 矿石激发极化的结果 实验证明 在地面电法野外工作通常所能达到的电流密度条件下 以上实验中的 与I成线性关系 在此情况下 可将 对I 和装置进行归一化 按下式计算交流电阻率 由于激发极化作用 通常是频率的复变函数 即 为复量 一般 U相对于I有相位移 复电阻率 随频率的变化乃是交流电位差 U 随频率变化的结果 这正是激电效应的 频率特性 图1 3 12是在一块黄铁矿标本上实测的激电效应频率特性曲线 这一结果与稳定电场激发下激电效应的时间特性有很明显的对应关系 在时间域里 激电作用随充电时间延长从零逐渐增大 并当充电时间相当长时趋于饱和值 在频率域中 随着供电电流频率从高到低 对应的单向供电时间 T 从零增大 激电效应增强 总电场 电阻率幅值 随之变大 当频率趋于零时 单向供电持续时间 T 激电效应最大 因而总场趋于饱和值 图1 3 12中还给出了实测的激电效应相频特性曲线 相位 随频率的变化曲线 由图可见 在各个频率上 相位皆为负值 当频率很低或很高时 相位皆趋于零 于中间某个频率上 相位取得负极值 将图中的相频和幅频特性曲线对比可看到 相位值与幅频特性曲线的斜率约成正比 振幅值随频率增大而下降的愈陡 相位值负得愈大 幅频曲线的拐点约与相频曲线的极值点对应 相频特性曲线的特点 也可对照稳定电流激发下的时间特性进行解释 如在频率很高 f 时 因二次场趋于零 总场等于一次场 故无相移 而频率很低 f 时 相当于长时间单向供电 T 激发极化达饱和的情况 这时二次场虽最大 但其与电流同步 即二次场无相位差 故总场相位也为零 此外 不难证明 若已知直流激电效应的时间特性 便可换算出交流激电效应的频率特性 反之 也一样 这说明直流激电 时间域 的观测与交流激电 频率域 的观测 本质上是一致的 在数学意义上是等效的 其间的差别主要在于观测的方法技术 2 描写交流激发极化效应的参数 既然交变电流场中的激电效应以总场 或交流电阻率 的频率特性为标志 并且与稳定电流场中激电效应的时间特性有对应关系 故可仿照直流激电特性参数 极化率的表示式 1 3 14 定义下列参数以描述交流激电特性 式中 和 分别表示在两个频率 低频f 和高频f 时测得的总场电位差幅值 参数 P f f 为电场幅值在该两频率间的相对变化 称为频散率 频散率也以百分数表示 故西方国家称其为 百分频率效应 在交流激电观测中 除了频散率外 还可观测总场相对于供电电流的相位 前已述及 激电效应引起的相位移与幅频特性曲线的斜率或电场幅值随频率的变化率近似有正比关系 另一方面 频散率 P f 和fG 也与幅频特性曲线在频率f 和fG之间的平均斜率约成正比 由于实际观测所用的两个频率 fD和fG 一般相差不大 十倍左右 可近似认为P fD fG 与在频率 上测得的激电相位成正比 可见在某个频率f上测得的交流激电场相对于供电电流的相位移 与该频率附近测得的频散率P实测等效 因此 如同P实测一样 有关极限极化率 的规律 也定性地适用于激电相位的测量结果 综上所述 各种交流激电参数和直流激电参数均可相互联系起来 即相位和频散率及极限极化率和实测极化率参数间 都近似地存在正比关系 研究其中某种参数的性质便可代表其余参数的有关特征 以上讨论的全是纯粹反映激电效应的参数 在激电法实际工作中 有时还采用某些综合反映岩 矿石激电性和导电性的参数 其它参数介绍在时间域中有金属因素 激电率在频率域中 相对应的参数为 显然 金属因素参数 J 有利于用来突出低阻极化体的异常 而激电率参数G便于突出高阻极化体的异常 3 谱激电法的柯尔 柯尔 Cole Cole 模型参数 自激发极化法用于寻找矿产资源以来 在一个较长的时间内 人们常用那些表征激电响应强弱的参数 主要是极化率 时间域 和频散率 但石墨化的岩石或无工业价值的矿化都会产生与矿体十分相似的激电异常 造成干扰 为了识别矿与非矿异常 评价激电异常源 人们进行多方面的理论和实验研究 其中最为突出是Pelton等人 1978 研制的谱激电法 他是用柯尔 柯尔模型参数描述激电谱特性的激发极化法 他们的研究证实了大多数岩 矿石的激电谱可以用4个柯尔 柯尔参数很好来定量地描述 并指出了可以根据岩 矿石的这4个参数 主要是时间常数和极化率 来评价激电异常 A 柯尔 柯尔 Cole Cole 模型对矿化岩石来说 可以把它的一个基本结构单元简化成下图1 3 14 a 所示的结构 其中包括被金属硫化物阻塞的溶液孔隙通道和未被阻塞的溶液孔隙通道 此基本结构单元可以用图1 3 14 b 所示的等效电路来模拟 电阻R1模拟未被阻塞的溶液孔隙通道中的溶液的电阻 电阻R2模拟被阻塞的溶液孔隙通道中的溶液的电阻与金属颗粒的电阻的和 复阻抗 j X C和R3的并联组合模拟金属 离子溶液界面阻抗 1 3 28 这一表达式称为柯尔 柯尔阻抗表达式式中 Z 0 零频率时的阻抗 m 极化率 相当于 时间常数 c 频率相关系数 上述4个参数称为柯尔 柯尔参数 2 复电阻率的柯尔 柯尔表达式及其频谱特性 式中 0是零频率时的电阻率 其余参数与上述相同 用此式可计算出用柯尔 柯尔表达式表示的复电阻率的实 虚分量和振幅 相位的频谱 四个参数小结 0和m表征导电性和激电效应强弱的参数 C表征激电谱的陡缓的参数 表征激电谱沿频率轴或时间轴的位置的参数 大量实测资料表明 C 0 1 0 6 导电矿物颗粒不均匀者C小 反之 C较大 常用值为0 25 有较大的变化范围 n 10 2 n 102s a 导电矿物颗粒大 相互连通较好的稠密 浸染状 块状和细脉状 值大 导电矿物连通越好 值越大 可达100s b 无矿化的纯离子导电岩石和导电矿物成细粒 互不相连的岩矿石 1s 三 表征岩石和矿石介电极化的参数 利用岩矿石的介电性 在利用交变电场进行电法勘查的情况下 岩石 矿石的电性除显示出与电阻率有关的传导电流外 还显示出与岩 矿石介电常数 有关的 位移电流 因此 在导电介质中总电流密度j为 J 为传导电流密度 JD为位移电流密度 1 3 39 当m 1时 介质中传导电流起主要作用 此时可忽略位移电流作用 反之 当m10 和介电体 m 0 1 的范围示于图1 3 24 考虑到野外实际情况 图中取 为5 50 由图1 3 24可见 对于频率f n 1000Hz及介质电阻率 105 范围内皆可忽略位移电流作用 在自然条件下 岩石电阻率一般很少超过该值 故在低频电磁法中不考虑位移电流影响 只是在频率超过106 的高频电磁法 如探地雷达 无线电波透视法及其它电波法 中才考虑位移电流作用 在谐变场情况下分析麦克斯韦第一方程时 如果以复介电常数 对于导电介质 代替 对于介电体 则在导电介质和介电体中场满足同一形式的方程 复介电常数的虚部 对实部的比值等于电磁系数 并给出由介质导电性引起的能量损