《自然电场法》PPT课件

第五节自然电场法一、概述概念：地质体在一定环境中，不需要人工供电，就能自行产生电场，称自然电场，用此方法解决问题的方法称自然电场法。应用，寻找河流、湖泊、水库底部渗漏点或补给点、岩溶地区的落水洞等、地下渗透漏斗的影响半径等。由应用可知，在一定的水文地质条件中，须有水的流动或渗透作用。,二自然电场产生的原因1、过滤电场地下水在流过多孔介质时，颗粒全吸收水中的离子。（一般颗粒带正电，吸负离子）。此时水中有多余地正离子，在水流方向正离子多，形成高电位，而背水流方向电低，即（补给区为负，排泄地区为正），这种场称由于水被岩土颗粒过滤而产生，故而称过滤电场。在山区，由坡顶到坡底，电场由低到高，因而又称为“山地电场”。,2扩散电场当两种岩层中溶液的浓度有差别时，就会在溶液之间形成离子迁移，从而产生扩散电位差，即形成扩散电场。电位差的大小与离子迁移能力和速度有关，扩散电场的数值很少，通常扩散电场与过滤电场同时产生，因此，扩散电场很难观测到。,3氧化还原的自然电场金属导体由于在一定条件下，如水位以上氧化而水位以下不与空气接触而还原；氧化后失电子而带正电荷，其围岩带得到电子而带负电荷，在水下还原环流正好相反，形成上下符号相反的电位跳跃，于是形成电位差而产生电流。除金属矿外，石墨化岩层，黄铁矿化岩层也产生强大的自然电位。,二、自然电场的外业工作方法,二、自然电场的外业工作方法由于自然电场电位较小，故要远离人为干扰的工矿区测量，仪器很简单：电位计（可用电法仪）不极化电极和导线等，一般电位异常在nmvn10mv，所以仪器灵敏度要大。布线要垂直于地质体的走向，有梯度法和电位法两种观测方式。电位法：N极固定（基点，即正常场位），M点移动（流动电极），记录点为M点所在的位置。,梯度法：同时移动MN，记录点为MN的中点。成果：绘制平面图，剖面图等（等值线图）。三自然电场的应用1测定浅层地下水流向用过滤电场的原理，以O为中心测M1N1M4N4绘制成右图,长轴为地下水流向。2测定下降漏斗影响半径,以井R为中心向四个方向测量，把变化大的点联起来即为漏斗半径，用“8”法求出流向。3.确定漏水点，水力联系及地下水流动情况。4.寻找金属矿体,第六节充电法充电法多用于金属矿区的详查勘探阶段，也可以用于测地下水流速、流向岩溶区地下暗河，研究滑坡等，主要用来查明低电阻体。原理简单，用天然或人工露头、地下水出露点，直接接上供电极A（一般为正极）而将另一极置无穷远处接地，用MN测量充电点周围电场的变化。,第七节激发极化法电子导体和离子导电的岩石在人工电场中被化的现象称为激发极化现象。激发极化就是经过研究激发极化电场的分布以达到找矿或解决其它地质问题的一种方法。一、国内外发展现状和仪器多功能激电仪，DDJ系列、JJ系列等，70年代厂家较多，现在较少。,二、激发极化1、激发极化现象对地质体（岩、矿）供入一直流脉冲V，在供电电流不变的情况下可观测到如下现象，地面两点电位差在一定时间内出现稳定质（饱和值）。在断电后，在最初一瞬间会快速衰减，到一定数值后衰减变慢，用经几分钟后变减为零。一次场和二次场叠加，V(t)=V1(t)+V2(t),激发极化效应：地质体充放电特征类似于蓄电池的贮藏电能特征，这种复杂的物理化学作用形成现象称激发极化效应。2激发极化法的各种测量参数极化率（）=V2/V1100%由于V=V1+V2而V1V2，故s=V2/V100%称视极化率，是岩石重要电性参数之一，,取决于矿（岩）石中电子导体矿物的百分含量及结构，构造特征，此外还与温度、孔隙水矿化度等有关（常见如下表）,水，铁矿等都有高数字的极化率（与围岩比）。测量方法与对称四极化相同，只是供电时间一般为30秒（有的仪器10秒）。时间特征参数荷电率（M）即在特定时间区域内（0.451.1秒）对放电曲线下部面积的积分与V的比值。衰減速度DV2（t1）/V2(t2)即不同时刻放电,电位比值。常用的有t10.25秒t22秒t11秒t25秒t15秒t220秒衰减时（s）(常用半衰时，即50%的衰减时间)即把断电时的V2计为100%,当衰减到规定的（75%、50%、45%时）的时间。激发比、衰减度（式激电仪）令为0.255.25秒放电曲线积分平均值,激发比：衰减度：衰减比：表第二块面积积分数值三、激发极化效应的机制问题1.超电压电子导体激电效应产生的原因目前，国内外对电子导体（包括大多数的金属矿及石墨化岩石）的激发极化机制问题的意见较一,致，一般认为是由于电子导体与其周围溶液的界面上发生过电流的结果。在电子导体与溶液面上自然地形成一双电层。当有电流通过时，在电场作用下，导体内部电荷重新分布，自由电子反方向流入端，形成阴极，另一端形成阳极，（即所谓电极）达到新的平衡，当外电断开后，电子导体会放电而形成新的平衡，这个过程称为二次场。,2.薄膜极化离子导体激发极化效应的一种假说有人做了这样试验，在石英沙中几乎观测不到激发极化效应，而在沙粒中含有粘土时可以观测到，而增加粘土时，激电效应会降低。基于上述原因，提出了“膜极化”假说。首先是双电层理论，由于电荷的吸引，形成如所示的结构在窄孔中形成正离子堆积，继而形成电离子浓度梯度，反过来又阻碍离子运动，当断电后浓度的扩散电位形成二次场，直到恢复原来状态。我们观测的就是二次场V2。,图17.6薄膜极化原理,图17.7双电层结构示意图,3其它假说：施伦伯特的岩石电容说；柯马洛夫和雷斯提出的固陡界面处的电化学过程产生二次生场，以及电渗说，扩散层说。总之，激电法是利用电子导体的激化寻找金属床，而用离子导电激化论寻找地下水，而被多数人接受的是双电层变形说和薄膜激化。前者认为在正常情况下颗粒表面与水溶液之间由于选择性吸附而形成静电力，使离子难以运动，使双电层失去平衡而变形，在断电后，堆积的离子放电，即离子导体,转化成电子导体，使原平衡难以恢复，故形成次生场。薄膜激化说认为粒间直径与双电层的厚度接近时，阻碍了电子流的通过，起到薄膜作用，从而在孔隙两端形成电位差。以上各种假说，无论是哪种假说，都存在如下问题：测量深度问题测量深度是解决深部地质体的关键（找水），1965年在南斯拉夫探测岩溶地区时，以测到170,190米的异常，按奥基尔维和库兹明娜的意见，在解决水文地质问题时能测到150200米，还有的认为最大测深度不超过350米。探测深度的大小，主要取决于二次场电压衰减程度的观测值，在适宜条件下，探测深度可以加大，在火成岩与石灰岩互层地区探测过500米，效果良好。,解释系数问题（仪器问题）不同的仪器有不同的测成参数，经验证明，在粗颗粒的松散河床水积物冲积扇的顶部，用衰减时法比较稳定，也更接近实际。因此，在松散粗粒地层这用衰减时法比较客观。供电时间问题供电时间直接影响到所要选择电源，一般要求供电时间不少于30秒。故电源笨重，是影响该方法发展主要原因之一。如发电机，电瓶，干电池等，要,缩短供电时间就减轻电源，据吉林省地质队和地质水文部技术方法队的室内模拟试验指出，充电时间和充电电流的大小对衰减时影响不大。为此呈在漳河中用10秒供电也测出较好的效果。布极方向问题在探测地下水时，布极方向与测试参数的稳定性有直接关系，一般顺岩层走向，沿地下水流向较为合适，但有时地形条件不允许，这就给探测和资料解释带来困难。,激电异常与地下水的富水性关系问题激电找水的目的是解决某一深度是否有水，富水性大小，这一问题比较复杂，可以通过参数异常值拟合计算求得。Q=bMsMs=MsMs0b回归系数，Ms实测值（时间域），Ms0背景值，Ms浅含水层系数。上式为涌水量与异常的关系,四激发极化法在水文地质调查中应用1装置形式：用剖面法和测深法，测深法一般用温纳装置。2绘制图件：s、J、St（Ms）、Z（综合系数）曲线对比解释，也可以是单支曲线，也可是断面图或平面图、铜、水都是高极化率。3应用实例,例1甘肃省玉门市东北约90Km有一条成矿带，主带长度350米，以黑色海相沉积为主的火山沉积岩、浅灰白色为主的基性岩组成，地表岩性分界明显，通过航磁图发现该地有磁性异常。为此，在垂直接触带布置测线，进行激电探测，其结果见图17.8、图17.9。,五频率电磁法是交流电法的一种，是一种研究交变电磁场在地下介质中的分布规律为基础的一种构造探测方法，在理论和实践上都有较大发展。与直流电法相比，优点：生产效率高，分辨率强，具有勘探高阻屏蔽层以下地层的能力，在干燥沙漠区，冻土区，坚硬岩石露头区等不能直接接地区能开展工作，该法以改交频率来代替跑极，可大大减轻野外工作程度，但在定量解释方面还不够完善。,实例：铁路采空区,一般测量采用偶极装置供电和测量，有赤道式和轴向式两种。（武安东梁庄，EH-4探测）。在国内用的不多，外国进口仪器用的比较好，如：EH4方法：在AB的中垂中线约为AB/2的位置放发射机（300m左右），由一电瓶供电转化成磁波，向地下发射，在接收部为一磁度棒接收，并与发射装置导线形成电磁信号回路，用MN测量，通过供电发射不同频率的电磁波，在地下不同深度传播，来达到探测深度的目的，,仪器测出数后自动转化成地质体不同层位的电阻，储存起来，当测定一条剖面AB后可自动绘制出地电断面图。该方法在找水方面效果较好，同时在不发射时测出天然场N、M之间的差异。在罗布泊找水等，保定方法所用的较多。（该方法不多讲，可参考傅良魁的电磁法勘探教程）,在内蒙古乌力吉进行野外勘探,内蒙古额济纳旗EH-4野外勘探,EH4电导率成像系统,四川成都彭州宝山村白水河EH-4勘测剖面,六矿井隧道电法矿井电法与地面电法原理相同，但地面是半空间（空气s）而井下或隧道中不完全如此，电流也可以顶板，侧帮等流动。70年代，前苏联顿巴斯等在煤矿开展了一个电法试验，并研制防爆仪器，国内煤科院，中国矿业大学专门进行了研究。我国大部分煤矿地下水都有比较大。因此查明导水构造或导高是很有必要的，超前探测也是很有必要的。,在井下探测时影响因素较多，铁轨、金属支架、井下电机、地下巷道积水、煤层都有影响，再则空间有限，也不能完全利用地表达的解释方法。巷道一般2.8m宽3m高，而工作面高度小、宽度大，一般认为AB/25m时可视为半空间曲线，AB/21520应为全空间曲线，根据模拟试验曲线，提出了巷道及影响系数KD的经验公式：在对数坐标中：y=lny=ln(KD)x=ln(AB/2),鉴于巷道尺寸大小及局部不规则，KD公式中的常数项应视巷道的情况而有所修正。七高密度电法高密度法实际上是地面电法的组合，将多个电极全部插入测区每次一个剖面（线矿剖面）任意组合，用同轴电缆将各电极连接起来因此测出个结果是一个