电法勘探演示文稿.doc

电法勘探演示文稿 ?工程物探定义以岩土、矿石间的地球物理性质的差异为基础，通过接收和研究地质体（构造或矿体等）在地表及其周围空间产生的地球物理场的变化特征来推断地质体存在状态（产状、埋深、规模等）的一种地质勘探方法 2、工程物探的分类?地、差震勘探岩层界面的弹性异?电法勘探应用介质的导电性、介电性、电磁性差异；?磁法勘探介质岩石的磁性差异?重力勘探地下介质的密度差异?放射性勘探物质放射性强度差异本节内容介绍 一、电阻率是表征物质在导电性能方面的基本参量 二、自然界岩石之所以能够导电，主要原因 三、层状介质的电阻率1）大部分沉积岩都具有层理结构2）纵向电导与横向电阻 四、岩石标本电阻率的测定法第七章电法勘探基本知识电阻率法是一种重要的工程物探方法。 它是以岩石介质的导电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律，从而达到找矿或者解决某些工程地质问题的目的。 由于地壳中岩石和土层导电性差异的普遍存在，因而使电阻率法在工程地质和环境地质调查中，获得了广泛的应用。 为了充分了解这种方法的基本原理，在这里首先较详细的讨论电阻率法的一些基本知识，然后在简单介绍其它各种电法探测方法。 7.1-1岩土介质的电阻率 一、岩土介质的电阻率电阻率是表征物质在导电性能方面的基本参量，某种物质的电阻率，实际上就是当电流垂直通过由该物质所组成，边长为1M的立方体时，而呈现的电阻。 显然，物质的电阻率值越低，其导电性能就愈好反之，物质的电阻率值越高，物质的导电性能就越差。 在电法勘探中，电阻率的单位采用欧姆米来表示（或记作?m）。 电阻率的倒数1/即为导电率电阻率的倒数1/即为导电率，它直接表征了岩石的导电性能。 我们知道，天然状态下的岩石，具有非常复杂的结构与组分。 为了方便，在电法勘探中，可以一级近似的把岩石模型看成是由双相介质可以一级近似的把岩石模型看成是由双相介质组成的，即由矿物骨架（固态相）和孔隙水（液态相）所构成的。 因此，不仅不同组分的岩石会有不同.101062m m?的电阻率，而且天然状态下的岩石，也是具有非常复杂的结构与组分。 因此，不仅不同组分的岩石会有不同的电阻率，即使是组分相同的岩石，也会由于结构和含水情况的不同，而使其电阻率可以在很大的范围内变化。 表中已经给出了一些常见岩石的电阻率，可见，一般情况下，火成岩的电阻率最高，其变化范围大约在变质岩的电阻率也较高，其变化范围大体与火成岩类似，只是其中的一部分岩石如泥质板岩、石墨片岩等稍低一些，大约在.101031m m?m n?710m n?110沉积岩的电阻率最低，然而，由于沉积岩的特殊生成条件，这一类岩石电阻率的变化范围也相当大，砂页岩电阻率较低，而灰岩的电阻率相当高，可达一般土层结构松散，孔隙度大，且与地下水密切相关，因而它们的电阻率较低，一般为常见岩石的电阻率和变化范围欧姆/米6岩石名称电阻率数值（电阻率数值（?/m）岩石名称电阻率数值（电阻率数值（?/m）硬石膏无烟煤板岩肥煤粘土褐煤硬石膏无烟煤板岩肥煤粘土褐煤常见岩石的电阻率数值表641010211010xx210041010?4010102110210白云岩玄武岩石灰岩辉长岩砾岩片麻岩砂岩花岗岩泥质页岩辉绿岩白云岩玄武岩石灰岩辉长岩砾岩片麻岩砂岩花岗岩泥质页岩辉绿岩3110610531102102311010?31101063210610652101065210106421010652101062210106 二、影响电阻率变化的因素 （1）自然界岩石之所以能够导电，主要有两种原因A）岩石内部的电子导电。 B）岩石内部的颗粒及孔隙中的水溶液的离子导电和晶体离子导电。 一般来说，多数岩石均以液体离子导电为主，特别是那些坚硬的岩石，如没有液态离子导电作用，通常就表现为无穷大的电阻率。 （2）影响岩石电阻率的因素自然状态下，岩石的电阻率除了和组成岩石的矿物质有关系外，还和很多其它的许多方面的因素有关，如岩石的结构、构造、孔隙度、及等含水性能等等。 由于主要造岩矿物如长石、石英、云母等的电阻率均相当高，因此，一般岩石矿物骨架的电阻率很高。 （3）内外动力地质作用可以改变电阻率但由于天然状态下的岩石，在长期的地质历史过程中，受内外动力地质作用，而出现裂隙和裂隙中含水等原因，使得一般岩石的电阻率要低于其所含矿物的电阻率。 一般比较致密的岩石，孔隙度较小，所含水分较少，因而电阻率较高；结构比较疏松的岩石，孔隙度较大，所含水分较多，因而电阻率较低。 (?m)(?m)一些孔隙度大而渗透性较强的岩石如砂层砾石层等，其电阻率明显取决于含水条件，当其饱含矿化度较高的地下水时，电阻率只有几个到几十个欧姆米；当其位于潜水面以上含水条件较差时，其电阻率可以高达几百至几千欧姆米。 石灰岩的电阻率一般都比较高，但其中若发育有溶洞、溶隙且充填有不同程度的矿化水时，其电阻率会大幅度下降。 （4）关于矿化水的影响水溶液的电阻率与其矿化度有密切的关系。 地下水矿化度的变化范围大，淡水的矿化度约为，咸水的矿化度可高达显然，岩石中的矿化度越高，其电阻率就越低。 因此，在岩性变化不大L g/101?L g/10显然，岩石中的矿化度越高，其电阻率就越低因此，在岩性变化不大的条件下，有可能在地面或者井中运用电阻率的差异来划分含有咸、淡水的层位。 （5）温度的变化由于温度的变化将引起水溶液中离子活动性的变化，所以岩石中水溶液的电阻率，也将随温度的升高而降低。 在地热勘探中，正是利用这一特性来圈定地热异常的。 相反在冰冻条件下，地下岩石介质中的水溶液将由于冻结，使岩石呈现极高的电阻率，这对于冰冻时期较长的地区，冬季施工时将产生影响。 三、层状介质的电阻率1）大部分沉积岩都具有层理结构，从其电性上来看，它们是由各种不同的电阻率的地层组成的。 这样地层的电阻率和通过地层介质的电流方向有关，并呈现出各向异性。 对于各向异性的介质而言，当电流垂直层理方向流过时所测得的电阻率称为横向电阻率，我们用符号n来表示。 电流平行层理方向流过时所测得电阻率称为纵向电阻率，用符号t来表示。 一般情况下，岩层的横向电阻率均大于纵向电阻率，并可以用“各向异性系数”来表示岩层的各向异性程度。 因为nt所以“各向异性系数总是大于1的。 表5.13给出了几种常见的沉积岩各向异性的变化范围。 tn=岩石名称岩石名称层状粘土1.021.05泥质板岩11159几种常见岩石的各项异性值层状粘土层装砂岩石灰岩0051.11.611.3泥质板岩泥质页岩无烟煤1.11.591.412.251.52.52）纵向电导与横向电阻为了研究层状介质导特性，在电法勘探中我们还定义了“纵向电导”，和“横向电阻”等参数。 假如在层状介质中取底面积为1m?、厚度为h的六面岩柱。 则当电流垂直岩柱体底面流过时，所测得的电阻称为横向电阻，我们用符号T来表示，单位往往为欧姆（?）。 显然，横向电阻在数值上，等于电性层的厚度与电阻率的乘积，即?=h T当六面柱体由若干个厚度和电性不同的岩层所组成时，则按串联电路原理，其总的横向电阻为?=?=?+?+?=+=nii in nnh hhhT T TT1221121?当电流平行岩柱体底面流过时，所测得的电导值，称为纵向电导，用符号S来表示，单位为1/?。 纵向电导与层参数的关系为hS=S当六面柱体由若干个厚度和电性不同的岩层所组成时，其总电导为?=+=+=niiinnnh hh hS SSS1221121?显然，对于层状介质来说，当电流与岩层之间存在以上关系时，两者的综合影响决定了岩层对电场的畸变作用。 四、岩石标本电阻率的测定法我们介绍一种室内测定岩石电阻率的常用方法，四极法。 使用柱状岩石标本（钻井岩心也可以）两端，安装有与标本紧密接触的金属片状电极A和B，A、B电极的外电路有电流表（G），直流电源（干电池E），开关（K），并用导线等器件联成迴路，另外在柱状岩石标本的中部，绕有与标本紧密接触并由金属丝做成的两个环状电极M和N，M和N的外电路由测量电位差的电位计（V）和导线连通。 当连通开关（K）后，设在A、B逥路中产生电流强度为，这时在环状电极M和N间引起电位差MN，柱状标本的半径为r，电阻率为，并且M、N间的岩石电阻率为RMN，按照欧姆定律I MNrr22?=?=MNMN MNUMNIR IU故图7.1当我们读出MN。 MN以及i的数值后，代入上式后，便可以得到岩石标本的电阻率。 作业与思考题 1、说明岩石的电阻率为什么会在较大的范围内变化？ 3、列出六种典型岩石矿物的电阻率？ 2、什么叫岩层电阻率的各向异性系数？如何用什么公式表达？本节内容介绍7.1-2大地电阻率的测定 一、关于稳定电流场的基本概念 二、稳定电流场的基本规律 一、关于稳定电流场的基本概念 二、稳定电流场的基本规律1）微分欧姆定律2）克希霍夫定律3）稳定电流场的势场性4）稳定电流场的基本方程 三、点电源电场 1、一个点电源的电场 2、两个点电源的电场 四、大地电阻率的测定k aj aa az y x?+=?=)()(V Sndva divdS a?奥斯特罗格拉德斯基公式?矢量场矢量的散度矢量场的梯度zayaxaa divzyx?+?+?=?轴上的单位矢量、表示，其中z y xk jikzujyuixugradu?+?+?=k aj aa az yx?+=z yxa aaz yxj)a curl(?=?或a rot斯托克斯公式的流沿闭合曲线矢量矢量场的旋度斯托克斯公式的环流沿闭合曲线矢量L a?dxdy)yaxa(dzdx)xaza(dydz)zaya(dz ady adx asxyzxyzzly x?+?+?=+势量场矢量场中的a等于某一个函数u（x、y、z）的梯度则该矢量场叫势量场，a叫势矢量，u叫势函数，矢量场成为势量场的充分、必要条件是rot a=0汉密尔顿算子gradu a=zKyjxi?+?+?=?拉普拉斯算子22222222z yxu uu divgradu?+?+?=?=?=?=?=7.1-2关于大地的电阻率在电法勘探中，为了探测地下地质对象的存在与分布，首先要在地下半空间建立人工电流场，然后研究由于地质对象的存在所导致的地下电场的变化，研究这些地下电场的变化特征，就能达到找矿和工程勘察的目的。 要想实现这一目的，探测对象与围岩间的电阻率差异就成了电阻率法的基本基础。 施加人工电流场并采用一系列的探测技术，是电阻率法的基本保障。 两者的有机结合和正确应用，是电阻率法能够获得地质效果的关键。 为了充分了解这个方法的基本原理，我们从讨论电阻率法的一些基本知识开始。 一、关于稳定电流场的基本概念用直流电源通过电极向地下供电，便形成了人工电场，由于直流电场中电荷的分布不随时间而改变，所以也称稳定电流场。 稳定电流场的基本定律可以用拉普拉斯方程来描述。 研究场和场源的关系，是各种地球物理勘探问题的基本出发点，一般情况下，我们总是根据地下电性介质的分布来研究场的分布，并把场的分布转化成相应的视参数值来表示场的分布转化成相应的视参数值来表示，我们把这个过程叫正演。 根据正演的理论，对野外实测曲线进行分析，从而获得所研究的地质对象的分布情况有关的信息，这一过程我们称为反演，一般来说，正演的结果是唯一的，而反演的结果则是多解的。 下面我们来讨论稳定电流场的基本方程及其边界条件，从而求出在均匀各向同性半空间中，点电源的电场分布形态和规律。 二、稳定电流场的基本规律导电介质中的稳定电流场应满足以下三个实验定律，这些定律即可以采用积分形式、也可以采用微分形式来描述。 以下主要采用微分形式来描述。 1）微分欧姆定律稳定电流场满足欧姆定律，其微分形式可以表达为=E/上式表明，稳定电流场中任意一点的电流密度与该点的场强成正比，与介质的电阻率成反比。 上式适用于均匀介质的条件下，也适用于非均匀介质的情况。 因为在介质不均匀的条件下，总能够选取到这样一个足够小的体积元，以至对于这个体积元来说，电阻率仍可被视为是均匀的。 克2）克希霍夫定律在稳定的电流场中，任取一个不含源的闭合曲面，流入其中的电流密度通量一定等于从中流出的电流密电流密度通量，或者说在稳定电流场中，流过任何一个闭合曲面的电流密度通量均等于零流过任何一个闭合曲面的电流密度通量均等于零，即式中n为电流密度在闭合曲面上的法线分量。 这个公式就是稳定电流场的连续性方程式稳定电流场的连续性方程式。 上式还可以写成微分形式，因为在矢量连续的域中满足以下关系0=?ds jsn?=?VndV divjds sj?=)()(V Sndva divdS a?zayaxaa divzyx?+?+?=?zyx?0=divj轴上的单位矢量、表示，其中zyxk ji kzujyuixugradu?+?+?=式中V为闭合封闭面S所包围的体积，由上两式可以得到由于散度表示场量在其各个方向上的空间变化率，所以稳定电流场的电流密度的散度等于零稳定电流场的电流密度的散度等于零，就表明电流在各个方向上处处连续的。 3）稳定电流场的势场性在稳定电流场中，电荷的分布不随时间而改变，因此，它和静电场一样也是势场（标量场）。 场中任意一点的电位只与该点到场源的距离有关。 在稳定电流场中，电荷的分布不随时间而改变，因此，它和静电场一样也是势场（标量场）。 场中任意一点的电位只与该点到场源的距离有关。 就场中某一点而言，单位距离上的电位（）的变化（即电位梯度）就等于该点的电场强度，单位的降落方向表示了场强的正方向。 即0=divj?=)()(V Sndva divdS a?=?VndV divjds sj就等于该点的电场强度，单位的降落方向表示了场强的正方向。 即在直角坐标系中，上式可以写成4）稳定电流场的基本方程从上述的稳定电场所满足的基本试验定律出发，将上面的三个式子简化后，便可以得到稳定电流场所满足的微分方程gradU E?=zUEyUExUEz yx?=?=?=,kzujyuixugradu?+?+?=0)1(=grdU diV在均匀介质中，由于密度为常数，所以上式可以写成0)(=grdU diV或者02=?U上式就是拉普拉斯方程式。 它概述了稳定电流场所满足的基本试验定律，反映了稳定电流场的内在的规律性。 解该方程，实际上就是寻找一个和该方程所描述的物理过程诸因素有关的场函数。 凡满足前面方程的场函数U称为该方程的解。 显然，对于某一研究的一一一具体问题来说，它的解应该是唯的。 使场函数获得唯解所限定的条件称为定解条件，由于电场分布与时间无关，所以具有边界条件它表明，在稳定电流场中，电位处处有限且连续；在界面两侧，电流密度法线分量连续电流密度法线分量连续。 在电阻率法中，我们将要讨论的各种理论曲线，就是针对各种地电模型，在不同的坐标系中求解上述偏微分方程得到的。 n nj jU U2121= 三、点电源电场为了方便讨论，把地下半空间简化为均匀、各向同性的介质。 在电法勘探中，为了建立地下电场，常使用两个供电电极，将电流供入地下，然后，在离供电电极一定的距离的地方来观测场的分布。 显然，由于测量电极本身的大小相对于供电电极之间的距离来说一般都很小，因此我们便可以把电极视为一个点，称为点电源。 若当观测范围仅限于一个电极附近，而将另一个电极置于“无穷远”初时，就构成了一个点电源电场。 当观测范围必须同时考虑两个电极的影响时，便构成了两个电点源的电场。 1、一个点电源的电场一一A其如图所示，设在电阻率为的无限半空间地表，有个点电源A，其电流强度为+。 显然，在距离点源A为r AM的点M的电流密度为EjrIjAM=;22M点处的电场强度AM AMrIUrIE2;22?=?=式中E为M点的电场场强。 为点电源供电电流强度，为电阻率。 我们还可以写成drdUj?=按电流密度公式可有积分后得到M点的电位22rdr IdU?=积分后得到M点的电位式中为常数，当点电源一定时，I为常数。 因此，对于均匀各向同性半无限空间的地表，点电源的电位分布与距离r成反比，其等位面是以电源为中心的同心圆。 rIU2?=7- 32、两个点电源的电场当地表有两个异性电源供电时，根据电场的叠加原理，不难写出观测点M处的电位表达式式中AM、BM分布是A、B电极到M点的距离。 是均匀介质的电阻率。 同理可知，两个异性点电源在M点处的电场强度)11(2BM AMIUABM?=根据上两式计算出来两个点电源的电位及电场分布图，如图由图可见两个点电源的电位及电场分布有以下几个特点)11 (2)11(22222BM AMABMrrIBM AMIE+=+=1）越靠近电极，电位变化越大。 在A极附近，电位迅速增高；在B附近，电位迅速降低。 在AB的中部，电位变化较慢，在AB中点电位为零。 2）由于场强等于电位的负梯度，所以在电极附近电位梯度大的地方，场强的绝对值也大；在AB中部（1/21/3）地段，电位梯度很小，场强也均匀。 3）在AB中点电位为零，电场强度为一常数。 图5.2.2也给出了两个异性电源电场分布的剖面图。 四、大地电阻率的测定测量均匀大地的电阻率，原则上可以采用任意形式的电极排列来进行即在地表任意两点（A、B）供电，然后在任意两点（M、N）来测量其间的电位差，根据上面所学的公式，便可以写出M、N两点的电位)11(2BM AMIUM?=)11(2BN ANIUN?=显然，AB在MN间所产生的电位差由上式，可以得到均匀大地电阻率的计算公式为式中2BN AN)1111(2BN BMAN AMIUMN+?=IUKMN=BN BMAN AMK11112+?=图7.8上式即为，在地表均匀的条件下使用任意对接装置（或者电极排列）测量电阻率的基本公式。 其中K为电极的装置系数，（或者叫电极排列系数），它是一个之与电极排列的空间位置有关的物理量。 考虑到实际需要，在电法勘探中，一般总是把供电电极和测量电极安放在一条直线上，图5.2.3所示的电极排列方式称为对称四极排列。 作业与思考题 1、岩石电阻率和视电阻率是如何定义的？岩石电阻率为什么会在较大的？范围内变化 2、写出视电阻率的微分公式？说明式中各个物理量的含义？本节内容介绍7.1-3电阻率法的物理实质 一、视电阻率及其定性分析方法 二、积累电荷的概念及电阻率法的实质 三、电流密度随深度的分布7.1-4电阻率法的仪器、设备简介一）对电测仪器的一般要求1。 灵敏度高2。 抗干扰性能强3。 较高的稳定性二）电子自动补偿仪的工作原理三）电阻率法的主要装备7.1-3电阻率法的物理实质 一、视电阻率及其定性分析方法上面讨论了测量均匀大地电阻率的方法，并且推导了出了水平地表、介质均匀和各向同性条件下的电阻率的计算公式。 但是，在野外实际条件下，经常遇到的地质断面在电性上是不均匀的和比较复杂的。 如仍然使用上述方法进行视电阻率的测定，实际上就相当于将本来不均匀的地电断面用某一等效均匀的断面来代替，会导致上式计算得电阻率不是某一岩层的真电阻率，而是在电场分布范围内，各种岩石电阻率综合影响的结果本来不均匀的地电断面用某一等效均匀的断面来代替，会导致上式计算得电阻率不是某一岩层的真电阻率，而是在电场分布范围内，各种岩石电阻率综合影响的结果，我们称为视电阻率，并用s来表示，U这是电阻率法中最基本的计算公式。 由此可见，在电阻率法的实际工作中，一般测得的都是视电阻率，只有当电极排列位于某种单一岩性的地层中时，才会测得该地层的真电阻率。 当MNAB时，其间的电场可以认为是均匀的，因此IUKMNs=MN j MN EUMN MNMN?=?=式中，MN为测量电极间的距离，j MN为MN处的电流密度；为所在介质的真电阻率。 将上两式代入，则显然，当地下介质均匀时，可以把j MN、用j0和0来表示，于是经过有IMN jKMNs?=IMN jK?=000MN1经过有将此式代入s的式中，可得到这就是电阻率和电流密度的关系式，被称为视电阻率的微分公式。 它表明某点的视电阻率和测量电极位置所在的真电阻率成正比，其比例系数就是，这是测量电极间的实际电流密度与假设地下为均匀介质时，正常IMNKj=1MNMNMN sjjjIMNK?=?=00jjMN场的电流密度之比。 显然j MN包含了在电场分布范围内各种电性地质体的综合影响。 当地下半空间有低阻不均匀体存在时，由于正常电流线被低阻所吸引，使地面MN处的电流密度减少，j MNj0，故sMN；相反当地下半空间有高阻体存在时，由于正常电流线被高阻体所排斥，使地面MN处的电流密度增加，所以，jMNj0，故sMN。 这样，我们在地表观测电阻率的变化，便可以揭示地下电性不均匀地质体的存在和分布。 这就是电阻率法所以能够解决有关地质问题的基本物理依据。 由此可见，视电阻率的异常分布，除了与地质对象的电性和产状有关外，还和电极装置有关系。 二、积累电荷的概念及电阻率法的实质在非均匀导电介质中，存在着电荷的体分布，这种电荷称为积累电荷。 由于在电法勘探中，主要考虑分区均匀的电性分布情况，所以积累电荷主要存在于电阻率不同的介质分界面上。 下面我们讨论在电性分界面上电荷积累的过程。 这一过程不难由库仑定律、欧姆定律及电荷守恒定律三者间的循环联系加以说明，即电荷引起电场变化；电场引起电流变化；当在场中某点取一个闭合面，若流入、流出该曲面的电流密度通量不等于零时，便出现了电荷的积累。 图5.3.1表示了这一循环过程。 下面具体的分析一下在电性界面上电荷的积累过程。 A。 在电源接通的一瞬间（t=0），由于电极表面的积累电荷在界面两侧无限靠近的两点所产生的电场强度法线分量应该相等n nE E21=B。 根据欧姆定律，在相同电场作用下，在电阻率分界面的两侧，将引起不同的电流密度。 由于1j2n。 C。 在界面上某点作一闭合曲面，由于j1nj2n.，即流入、流出闭合曲面的电流密度不相等，所以在界面上便形成了电荷的积累，即D。 积累电荷又在分界面两侧引起次一级的电场E1n和E2n，次一级电场又引起次一级的电流密度j1n和j2n于是界面两侧总场?=0dS sjqn级电场又引起次级的电流密度j1n和j2n，于是，界面两侧总场电流密度为当n n nnn nj j j jjj22) (211)(1+=?=总总；) (2)(1总总仍然大于n njj时，界面上仍会有电荷的积累，而随着电荷的增多，必然使逐渐接近，当界面上便不再有新的电荷积累，这时的电场才成为稳定电场。 而此时才有) (2)(1总总n njj=) (2)(1总总与n njjn nEE21总总) (2)(1总总n njj=显然，当电流由低阻介质流向高阻介质时，界面上积累正电荷；当电流由高阻介质流向低阻介质时，界面上积累负电荷；图5.3.2，电性界面上积累电荷的过程。 通过以上的分析可以知道，在稳定电流场中当有电性不同的地质界面存在时，在界面上便会形成一定符号的积累电荷，积累电荷的多少除了和该点的电流密度有关系外，还和界面两侧的电阻率差异有关。 显然，在地面下电性界面上积累的电荷在地面下电性界面上积累的电荷，将形成了电阻率法勘察的异常场，研究场的分布便可以了解地质体的产状和分布状态。 这就是电阻率法用于解决有关地质问题的基本物理前提。 三、电流密度随深度的分布研究电流密度随深度的分布，对电法勘探具有重要的意义，因为电阻率法实际上是根据地表电流密度的变化，来判断地下电性不均匀体的存在和分布。 那么，对于一定埋深的地质对象究竟需要多大的电极距才能探测到它的存在呢？这就涉及到电流密度随深度分布的规律，或者说涉及到了勘探深度的概念。 电法探测中勘探深度是一个比较复杂的概念，它不单一取决于所选极距的大小，它和所要探测的地质对象的电性、产状和规模大小、以及探测地段的地电断面的结构都有密切关系，实际上，上述因素共同制约了勘探深度的大小。 为了对勘探深度的概念有一个初步的了解，有必要先来讨论一下在均匀半空间中电流密度随深度变化的情况。 2200022AO AOBA ABrIrIjjj=+=1222cos2?=?=+=AOAMBMAMABMr Ijjjj为了讨论方便，首先研究在图中AB两点连线的中垂线上电流密度随深度变化。 显然，在地表AB连线的中点O处，由A、B两个电极所形成的电流密度为同样，在AB的中垂线上深度为h的M点处的电流密度ABj032332212222cos)()(22?=?=+AO AMAOAOAOAOrIrrrIhrh r根据上面两个式子可以列出下式323222330) (11)(cos?+=+=AOAOAOABABMrh hrrjj根据上式所绘制的的关系曲线如图5.3.4所示。 由图可见，电流密度主要分布在靠近地表附近的范围内，随着深度的加大，电流密度急剧减小，当h=AB时，其具有的电流密度仅是地表电流密度8.9%。 原则上说，要想加大勘探深度，只有相应加大供电电极距，从而使分配到一定范围的电流密度的百分比相对增大。 显然，电源功率不变的情况下，随着极距的加大，电流密度值也随之减小。 所以，当考虑加大极距的同时，也必须考虑加大电源功率。 从上述可见勘探深度是个比较复杂的概念它除了与极距有关外rh与ABMABMjj从上述可见，勘探深度是一个比较复杂的概念，它除了与极距有关外，还和地电断面的性质和结构有关。 可以概括地说能够在地表产生可靠异常的最大深度即为所用电极装置及相应极距的勘探深度能够在地表产生可靠异常的最大深度即为所用电极装置及相应极距的勘探深度。 7.1-3电阻率法的仪器、设备简介一）对电测仪器的一般要求在电阻率法的野外工作中，实际上是通过测量MN电极间的电位差MN及供电回路电流I，然后利用IUKMNs=来计算各个测点的视电阻率。 因此，电阻率法的仪器在性能上必须满足在野外条件下能够正确测量微弱电位差和电流的要求。 对仪器的具体要求1。 灵敏度高仪器的灵敏度越高，测量出来的MN值就越精确，或者说能够测准的MN就越小。 因为在s一定的条件下，MN和供电电流成正比，所以仪器的灵敏度高就可以减少供电电流，从而有利于减轻电源重量较少供电电极的数目以及选用较细的导线，使整个装备趋于轻便化。 2。 抗干扰性能强电法勘探的野外工作，经常遇到诸如大地电流、工业游散电流等电场的干扰，因此，电法测量仪器必须具有对上述随机干扰电场的较强抑制能力，从而保证仪器对有效信号的灵敏度和稳定性。 3。 较高的稳定性电法勘探的野外工作的环境非常恶劣，条件变化较大。 电测仪器应该能够适应各种气候条件，并在相当大的温度、湿度变化范围内保持性能稳定。 为了达到以上要求，该仪器必须具有较高的输入阻抗。 二）电子自动补偿仪的工作原理目前直流电法常用仪器普遍采用具有电流负反馈的电子自动补偿仪。 图5.4.1就是电子自动补偿仪的原理防框图。 我们仅对电子自动补偿仪的一般原理作一些简单的介绍。 当线路接通后，待测电位差MN在输入回路形成电流i1，输入电流在放大器的输入电阻R入两端形成电位差入。 经过放大器放大后，其输出端电位差出便在输出端的回路中形成电流j2，输出电流流经反馈电阻RK后，在其两端便产生电位差K=j2RK。 由于上述过程几乎是同时完成的，且出与入相位相反，故对放大器而言，输入电位差应包含MN与K。 此外由于放大器的输入电阻很高，由接地电阻R MN引起的观测误差可以忽略，j1在RK上产生的电压降很小，可不予考虑。 因此有K MNU U U?=入显然，仅有时，才有若，便会有入输入放大器，从而导致反馈电流j2的增加，K随之增大。 如此往返循环，便会使K迅速趋近MN。 当两者达到动态平衡时，电流j2不再增加，此时K MNU U=0=入UK MNUUMNK KMNUR iUU?=2ii因而即反馈电流j2与待测电位差MN成正比。 所以当RK固定时，由电流j2的大小，便可以指示MN的大小。 为此，只要将串联在输出回路中的微安表的刻度改成相应的电位差刻度，就可以直接读出待测电位差的大小。 此外，为了测量供电回路的电流，一般在供电回路串联R0=0.1?的标准电阻，当用电子自动补偿仪测出R0两端的电位差0后便可以得到供电电流的大小。 KMNR=2i因而 三、电阻率法的主要装备除了测量仪器外，电阻率法的野外工作尚需以下设备供电电源、供电电极，测量电极、导线及线架等。 电法勘探的分类一般是指电法勘探较其他物探方法具有利用物件参数多，场源、装置形式多，观测内容或测量要素参，以及应用范围广等特点。 所以，为实现不同探查目标，适应多种矿产地质条件，致使电法勘探在多年的生产实践而发展出许多分支或变种方法。 正由于电法勘探分支方法很多(包括次一级的分支方法在内，目前已有数十种。 因此，为了实际应用和科学研究以及学习的方便，常将在某些方面从某种角度上具有一定相似性的分支方法划归为一类。 这样一来，从不同角度上可将电法分成为许多不同的类别。 但是分类不是固定不变的，的，目前尚无统一的分类方案。 这里仅作简单介绍，一般有以下几种分类方法。 (一)按场源性质分类将电法中所有各分支方法划分为两大类 (1)人工场法(或主动源法)； (2)天然场法(或被动源法)。 这两类各有特点。 人工场法的一般特点是，场源的形式和功率可以人为地控制或改变，因此比较灵活，适用于多种不同地质目标和矿产勘探；天然场法则与上不同，但由于不需要人工场源，则一殷比较经济，而且效率高，更便于开展普查工作。 (二)按地质目标分类这里将各种分支电法分为四类； (1)金属与非金属矿电法； (2)石油与天然气电法； (3)水文与工程电法； (4)煤田电法。 这种分类，便于实际工作者按照地质目标和矿产条件适当选择分支方法，以便互有成效地在方法、技术、仪器设备和资料解释中注重地质特点。 (三)按观测空间或工作场所分类在这种分类方案中，将所有分支电法划分为三类 (1)航空电法 （2）地面电法； (3)地下(包括水面下及坑道、钻孔中)电法。 这种分类在考虑工作阶段(普查或勘探)和技术方法以及仪器设备等问题时，便于充分注意不同场所的特点。 在这些方面虽然各县特色，但也有许多共同之处。 (四)按电磁场的时间特性分类它将所有分支电法划分为三类 (1)直流电法或时间域电法(观测或利用稳态电流)； (2)交流电法或频率域法(观测或利用似稳态电磁场和电磁场)； (3)过渡近程法或脉冲瞬变场法(观测或利用电磁场的瞬态过程)。 (五)按产生异常电磁场的原因分类可将各种分支电法划分为两大类 (1)传导类电法； (2)感应类电法。 (1)传导类电法观测和利用人工，在地下由于传导作用产生的异常电流场(天然的或人工的，稳态的或似稳态的)，在各传导类电法中，目前我国最广泛应用是六种其中的四种分支方法(电阻率法、自然电场法、充电法、激发极化法电阻率法、自然电场法、充电法、激发极化法)是最常见的。 （2）感应类电法观测和利用地下电场中由于感应作用产生的涡旋电流场或其异常电磁场(天然的或人工的，瞬变的或谐变的)。 在感应类电法中，正在推广应用的分支方法也有四种脉冲瞬变场法，低频电感法，甚低频法，无线电波法。 一、电阻率法 (一)电剖面法电剖面法是电阻率法中的一大类，它包括许多种分支装置。 这些装置的特点是各电极间保持一定距离，同时沿着测线移动并逐点观测并算出视电阻率的值。 由于电极间距离保持不变，其各次探测深度大致一定，因此电剖面法沿测线所得的剖面曲线，是测线下面一定深度范围内地电断面的综合反映。 图(a)所示为其个的一种装置对称四极剖面。 (二)电测深法与电剖面法相似，电测深法的电极排列方式也可有许多种，我国用得最多的是对称四极测深。 如图(b)所示，AB四极呈对称排列，工作过程中，固定测量电极，逐惭增大供电电极的距离，以加大勘探深度，故称电测深法。 (三)中间梯度法如图(c)所示，中间梯度装置的供电电极A、B固定于某两点，并将AB取得很大。 在半无限介质的条件下，AB中部三分之一范围内电场较为均匀，一般就在这个范围内观测。 出于这种装置的AB极距也是一定的，故本书在后面分方法讨论时，有时也将其并入电剖法。 本节内容介绍本节内容介绍7.2-1电阻率法介绍 一、关于视电阻率的概念 二、各种电阻率法的介绍电阻率法介绍 一、关于视电阻率的概念 二、各种电阻率法的介绍一）电剖面法二）对称剖面法三）中间梯度法四）偶极剖面法五）微分剖面法一）电剖面法二）对称剖面法三）中间梯度法四）偶极剖面法五）微分剖面法 三、高密度电阻率法 1、高密度的电阻率勘测系统 2、三位电极系 3、视参数及其计算7.2-1电阻率法介绍)1111(2;BN ANBM AMKIUKMN+?= 一、关于视电阻率的概念视电阻率的公式是在介质视为均匀、各项同性的情况下使用的公式，但在自然界中，电阻率通常是不均匀的介质。 如果在不均匀的情况下进行观测，则由上式计算的值，便不是介质电阻率的真值，而称为视电阻率，并用字母S来表示。 实际上。 视电阻率，是在电流场作用范围内各种岩石的综合反映视电阻率既不等于这种岩石的电阻率也不等于那种岩石的电阻率。 S值大小在本质上即决定于供电电极AB和测量电极MN之间的距离，又与它和介质中某些不均匀体的相对位置有关系，同时还和地质体的体积大小、埋藏深度及形状有关。 因此研究s值随着电极距离的改变，或者相对位置的改变而出现的变化规律，我们就能够判断地下地质构造的性质。 实际上地质条件在很多时候是不均匀的，所以工作中所测量的通常不是而是s值。 从公式可知，s值与通入地下的电流强度无关，因为的改变将引起电位差MN的改变。 IUKMNs= 二、各种电阻率法的介绍在电阻率法中，可以分为电剖面法和电测深两大类。 而在这两种方法中，又根据各种不同的电极装置（供电电极和测量电极的相互位置）的变化，产生了许多变种的工作方法，先将几种常用的电阻率法简单介绍一下。 （一）电剖面法电剖面法是以研究地电断面横向电性变化的一类方法。 一般采用固定的电极距并使电极装置沿剖面移动，这样便可以观测到在一定深度范围内视电阻率沿剖面的变化。 根据装置形式的不同，剖面法又分为联合剖面法、对称剖面法和中间梯，置地、也。 度法等等不同的装形式解决质问题的能力精度不相同在大多数情况下，各种装置类型都是将供电极（A、B）和测量电极（M、N）布置在一条测线上（直线），并且以M、N的中点作记录点，由于各种装置形式、方法不同，布极常数表达式K和s的表达式分别介绍如下1）联合剖面法它是电剖面法中最重要的方法。 由于实际上它是由两个三极装置联合而成，提供了比其他电剖面法更为丰富的地质信息。 这种方法还具备分辨能力强、异常突出、明显等优点，在工程及水文地质调查中获得了广泛的应用。 由于设有无穷远极，使得现场工作装置较笨重，地形的影响比较严重的缺点。 联合剖面的装置形式见8.2-10图。 联合剖面法的装置形式如8.2-10所示，在每一个测点上分别用两种三极装置AMN和MNB进行测量，所得的电阻率分别为表示，从而在一条剖面上便可以得到两条视电阻率曲线。 作图时一般将用实线来表示；用虚线表示。 图中公共电极C被置于远离测线并大于5倍AO（A至MN中点的距离）的距离之上，称为“无穷远”极，即相对于测量地段而言，其影响可以忽略不计。 A、当直立接触面没有覆盖层联合剖面s曲线是这样形成的设MN012，使用视电阻率的微分公式（从高阻流向低阻）BSAS及ASBSj MNMNMNMNsjjjIMNK?=?=0进行讨论。 1。 三极排列AMN位于电介分界面的左侧，并远离分界面时，分界面的影响可以忽略不计，此时相当于无限均匀半空间的情况，因此就有也就是说，在远离界面时，曲线出现1的渐近线。 2。 三极排列AMN向右移动并逐渐接近直立界面，时，由于12电流被低阻介质所吸引，故而使，因而1AS10,=所以有MN MNjjAS0j jAMN1ASASASAS，变为由21MN（右）（左）AMNj jAMN=ASASAS降至，两者满足21?=?=AMNASAMNASj j并且当MN位于界面附近时，（尚未通过界面）时，可能出现极大值。 极大值 3、当MN跨越界面时，根据电流密度法线分量连续的边界条件，在界面两侧无限靠近的两点。 由于12，故的曲线过界时产生跃变，由21212+=AS21211220;102;+=ASASASASASj j此时故4。 当A与MN分别位于界面两侧时，由于界面的屏蔽作用一定，故曲线出现了一段长度等于极距等于AO的水平直线段。 5。 当A极过界，并当三极排列AMN向右远离界面时，由于1高阻介质对电流的排斥作用逐渐减少，使得逐渐趋近于2，因而，即当三极排列向右远离界面时，曲线出现2ASAMNjAj02ASS的渐近线。 关于三极排列MNB在两种岩石层的直立接触面所形成的曲线，（曲线中的虚线部分）可以参考以上的分析方法加以讨论。 当垂直界面上有浮土0时，见图，浮土的存在使得曲线变得平缓，并且使得整条曲线值下降。 其中电极排列靠近高阻的一侧曲线，在界面的附近变化仍然比较明显，具有阶梯状特征。 根据经验，该曲线极大值的1/3位置处对应隐伏界面的位置。 B B、低阻球体上联合剖面的曲线等轴状地质体（如充水溶洞等）可以用球体模型来模拟。 图所示，根据解析计算公式算出良导球体上方联合剖面的理论曲线。 计算时，埋藏深度以良BSSSASSBS导体2=0，球心半径a为衡量长度的地位，球心埋藏深度h0=1.6a，由图可见，在良导体上联合剖面也出现正交点，仅是由于电极距AO的不同异常特征才有较大的变化。 当AO=1.6a时，组成一个横“8”字形，良导体球顶部出现在正交点处。 交点两侧曲线均出现极小点曲线呈现两翼张开的特点。 极距加大，当L=3a时曲线除在交点两侧分别出现主值外，还在两侧出现一个次一级的极小值。 当AO继续加大，至AO=10a的时候，两条曲线逐渐靠拢，以至于它们的极小点完全重合。 低阻带的中心对应于球心在地表面的投影。 这种情况与相应的四极对称剖面曲线完全相当。 BSAS及BSAS及BSAS、 二、对称剖面法对称四极排列是电剖面法中又一种工作方法，电极的布置是供电电极AB和测量电极MN均对称于测点布设，并保持一个固定距离，四极同时沿着剖面测点移动，观测和值，然后按下式计算电阻率式中为对称四极排列的装置系数。 如果在对称于测点在布置一对供电电极AB，且ABAB，于是在一个测点便可以得到两种不同深度的对称四极剖面曲线。 后者也称复合四极法IUKMNABS=MNAN AMK?=图8-2.8对称四极剖面电极装置图