第三章激发极化法.ppt

第三章激发极化法激发极化效应:在外流场作用下，介质发生复杂的电化学过程中产生极化附加电场的现象,简称激电效应。,激发极化(IP)法它是以岩、矿石的激电效应差异为物质基础，通过观测和研究地下介质的激电效应的分布规律，达到勘查地下地质分布的一种电法勘探方法，简称激电法。3-1激发极化法理论基础一.激发极化成因（机理）1、电子导体的电极化效应（1）物质条件：电子导体（致密的金属矿、石墨矿等），含离子的水溶液。,（2）形成过程,（a）偶电层平衡态：若电子导体与溶液接触发生超电压现象，在其表面形成偶电层，无外电场条件下，则处于平衡电极电位平，由于平衡偶电层呈均匀封闭形成对外无稳电场分布。（b）充电态；在外电场作用下，导电体内电荷重新分布，负电荷向电流流入端移动形成“阴极”，正电荷向电流流出端移动形成“阳极”，而溶液内在“阴”“阳”极处形成阳离子、阴离子的堆积。,即：平=平+式中：过电位，或“超电压”。充电过程是一个复杂的发生在导电体界面处的电化学过程，由于在界面处电荷传递速度不同，从而表现出附加二次电场U2充电达到饱和的时间则不同。若界面处电荷传递速度，则将不会发生激电效应、或=0。（c）放电态：当供电后的外场突然断掉，则新建立的平衡又被失去。在作用的电场，使堆积在界面两侧的异性电荷通过界面本身及其两侧的介质（导体、溶液）放电，使其恢复到正常偶电层状态。,即：0平。附加二次电场U2衰减至零。此外，在激电效应的过程中，界面上还会发生其它物理化学过程，如电解产物吸附在表面上，形成具有电阻、电容性的薄膜物质。还有类似自然条件下形成的氧化-还原电场。2、离子导体的分散区效应（1）物质条件：离子导体（大多数造岩矿物及其组成的不含电子导体的岩石）颗粒、水溶液。（2）形成过程：,（a）岩石表面颗粒双电层正电荷分散区形成一般硅酸盐类的造岩矿物表面呈负电荷的剩余电价力，从而吸引溶液中靠近离子导体表面领域正离子形成偶电荷内的正电荷分散区。（b）充电态在外电流场作用下，离子导体表面上的双电层的分散区发生变形（在左侧，因为离子导体界面阻值大而正离子不易沿界面滑移，出现正离子的堆积，右侧离子易在外场作用下移动而离开离子导体界面）。从而达到新的平衡，出现极化附加电场U2。,（c）放电状态双电层分散区变形效应，在外电流场作用下断样后，它都将恢复到原平衡态，堆积电荷通过溶液放电而消失。二.稳定电流场中的岩、矿石的激电特征为研究简化，将其分为理想面极化和体极化两类。面极化特征,这类物体的激电效应仅发生在体表面，如：块状致密的金属矿体、石墨矿体和基岩裂隙水体等电子导体。,通过对石墨和黄铜矿标本的测定其阴、阳极过电位，其规律如下:,1对石墨矿标本和黄铜矿充、放电曲线相似，随着j。上升，其充电饱和时间变短，因为实际工作中，j01A/m2，故需两、或五分钟以上也达不到饱和态。2j0较大时（石墨：j040A/cm2，黄铜矿：j05A/cm2），不同j0值归一化的充放电曲线不重合，而且+，表明与j0非线性关系。,石墨：j。，由+，过渡到+-/+2.5；黄铜矿：j。始终+-/+1.35；3j。较小时呈线性性=Kjn式中K：激电状态下的面阻抗面极化系数。其值与充放电时间、电子导体和周围溶液的性质有关。,对水溶液中铜极化试验，引入比例系数：=k/水=-/En可得：=EnEn=jn水体极化特征这类物体是由体内的元极化体组成，激发效应发生在体内。如，侵染状金属矿和矿化、石墨化岩石，第四纪含水砂岩等，实质是多个面极化微元的总体激电效应。U（T）=U1+U2（T）。,利用小四极对黄铁矿化标本试验，结果表明其极化规律：1、体极化的充、放电速度比面极化的快，主要由于极化体积小，阴、阳极间短路效应明显，易于达到新平衡和恢复平衡。2、在供电强度I较大范围内（j。100A/cm2），在一定的误差范围（10%）内：U2I，并与供电方向无关。这些十分接近实际野外工作条件。引入激发激化法的测量参数极化率：（T，t）=U2（T，t）/U（T）100%,并有:极限极化率初始极化率及,3.主要决定于所含电子导体矿物体积分数及其结构，一般越大，导电颗粒越细小，矿化岩石越致密，值越大。对完全不含电子导体矿物的岩石，=12%，最大34%。这是激电找金属矿和水的物理化学基础。,三.交变电流场中的岩、矿石的激电特征。（一）交变电流场中的岩、矿石的激电规律前面我们研究了在稳定电流场条件下的激电二次电位随时间的变化特征称之为“时间域“中的激电效应。现在我们开始研究在交变电流场中激电效应随频率（n10-2n102Hz）的变化特征称之为“频率域”中的激电效应。在体极化装置下，将供电电源改为交变电源，在保持供电电流幅值不变，观测不同频率f所对应的MN间的电位差及其与供电电流的相位移。其频率激电特征如下：,1.电位差幅度,2.相位移0表明激电效应引起的阻抗具有容抗性质。f或0，0；存在min（f）。,3.不同岩、矿石的频率特征在时间域中充、放电较快的岩、矿石，在频率域中fmin较高；在时间域中充、放电较慢的岩、矿石，在频率域中fmin较低。在电法勘探的电流密度条件下成线性关系。因此，定义复电阻率,从而，形成一种新的激电分支频谱激电法（SIP），或称复电阻率法（CR）。,（二）频率特性与时间特性的关系仿照复电阻率的定义，定义时间域的等效电阻率,说明频率域激电测量和时间域激电测量二者本质相同，差别在于测量技术。,在大地导电性和激电效应具有线性性和时不变性的条件下，利用拉普拉斯变换，有,式中：0为f时的(等效)电阻率，m为充电率（极限极化率），c为频率相关系数，是常数。由于（i）为复数，可写作,柯尔-柯尔模型,（三）体极化特性与频率特性的定量描述W.H.Pelton基于大量岩石、矿石和露头的测量，1978年提出复电阻率的频谱理论模型式,利用(T)与(i)的关系式，可导出与频率域柯尔-柯尔模型相对应的时间域的柯尔-柯尔模型表达式阶跃脉冲激发下的放电过程的表达式。,相应的复电阻率的振幅和相位的频谱特征与实测的频谱特征相似。不同的岩、矿石的柯尔-柯尔模型参数具有明显的差异。如：值，对于电子导体而言：导体颗粒之间连通程度差的，值较小，一般小于n10-1s，连通程度好，一般大于n102s。,由此可见，利用实测的复电阻率的（iw），反算出柯尔-柯尔模型参数，由值便可区分激电异常的属性；同时，由c值区分激电异常（0.10.6）和电磁耦合效应（0.951.0）异常。（四）频率域激电效应参数1.复电阻率频谱,2.频散率（百分频率效应，记为PFE）,在极限条件下，有,即：极限频散率与极限极化率相等，对非极限条件下二者不相等，但保持正比关系。从而，形成“变频激电法”。3.相位,从而,结论：观测P与观测是等价的,激发极化电流场的计算和模拟方法以上我们研究的是均匀介质条件下的真激电参数，而实际地电分布是非均匀性的，则仍按上述进行观测与计算的参数，与电阻率法相似，被称之为视激电参数。如：视激化率，视复电阻率，视相位等。对于我们研究的激发电流场，不论是时间域还是频率域（f很低），其电流场的变化均是很缓慢的，通常可略去电磁感应和辐射效应影响视为似稳场，,面极化电流场的计算和模拟方法（1）边值问题,（2）球体极化电场设球体处于(中梯法)均匀外电流场，坐标原点在球心，考虑到电流场的轴对称性，取球坐标系，有,对Ua采用分离变量法求解，利用边界条件确定通解的待定系数后，有总场电位,分析：k=0时，球体无极化效应，则得到球内外的总场场电位式,二次场电位式,式中：,（a）均匀电流场中的面极化球体二次电场等效为一个与外电场方向相反、偶极矩为Ps的电流场分布。(b)Ps与外场电流密度、球半径平方、面极化系数成正比，与2成反比。,（3）面极化场的模拟准则进行室内正演物理模拟研究时，考虑到拉普拉斯方程是线性的，与模型比例尺无关，但边界条件却与比例尺有关。为此，若模型与实际地电体的比例为：1：m。为确保激电场的一致性，边界条件保持不便，则要求面极化系数为k摸=k实/m一般k/1变化范围很小，很难控制，其实验结果仅用于定性分析。,2.体极化电流场的计算和模拟方法（1）边值问题,（2）等效电阻率由于在体极化条件下，其极化体的边界处无电位改变，故考虑到极化效应，引入等效电阻率概念。,所谓“等效电阻率”是从欧姆定律的角度，将激电附加二次电流场等效为极化体电阻率的改变对电流场的影响。既：将具有激电效应的地质体利用纯电阻体代替，将激电效应并入地质体的电阻率看待。由此可见，与分别为频率域和时间域中的等效电阻率，分别为和T函数。并有：,真电阻率,极限等效电阻率,由极限极化率式，可推出,相应的边值问题可为,利用:,得到:,归纳出一次场和总场的边界条件,从而，体极化总场定解问题与一次场（无极化效应）的定解问题形式相同，仅是将一次场的电位表达式中将i替换成，即可为相应的体极化总场等效电阻率法。,体极化球体电流场的计算设：围岩：电阻率为1，1=0；球体：半径为r0，电阻率为，极化率为;均匀外场：E0=1j0；球坐标原点取在球心。利用等效电阻率法求解极化场的总电场(a)在均匀水平外电流场中一次场电位（无极化）,（b）在均匀水平外电流场中总场电位（有极化）,（c）在均匀水平外电流场中极化二次场电位由,利用,又有,其中,分析：激电二次场在球体外的分布等效位于球心的电流偶极电场，其强度决定于PV。PV与j0成正比；PV与r30成正比；PV与2成正比；PV与2的关系：20，和2时，PV0；,PVPmax,即：等效电阻率的饱和效应,体极化电场的模拟方法等效电阻率法不仅可用于体极化场的解析计算，还可以用于体极化场的数值模拟和物理模拟。数值模拟方法利用等效电阻率法，首先将地下极化体的真电阻率j替换成给定频率下按柯尔-柯尔模型计算的复电阻率,利用电阻率法中无激电效应的所谓一次场电位数值模拟方法，模拟计算体极化时频率域的总场电位值，进而计算视复电阻率s(i)，从而实现复电阻率法或频谱激电法的正演计算。,（b）物理模拟方法仍利用等效电阻率原理，通过导电纸或电阻网络方式，实现体极化场的物理模拟按地下地质体的真电阻率（i）构筑物理模型，测量出一次场电位；利用极限等效电阻率构筑同样形体几何大小的“等效”模型，测量出“等效”激电总场电位；,（C）体极化场模拟准则与电阻率法相同：尺寸成线性比例，电参数相同。,3-2激发极化法的仪器设备与工作方法一、仪器设备激发极化法的主要电性参数为：s和Ps，因此，时间域激发极化仪，要求仪器既要测U（T）值，又要测断电t后的U2（T，t）值。并且T，t可调，特别是t可读取一个系列或连续U2（T）值。频率域激发极化仪供电与接收可同步工作两个以上频率，能自稳电流，分别观测U（fD）和U（fG）值,时间域激发极化仪工作原理,二、工作方法与电阻率法相同，不同点是属于比值参数测量，不受地形影响；电阻率法中的各种装置类型也适用。,3-3激发极化法常用装置的激电异常激发极化法常用装置类型与电阻率法相同，时间域激发极化法主要用于有：中梯，联剖，四极测深和偶极法；频率域激发极化法主要有偶极法。一、中间梯度装置的激电异常1.球形极化体在围岩不极化的的条件下，体极化球体的中梯激电异常实际上是以上讨论的均匀场条件下的激电异常。时间域内，可利用均匀场总场减去一次场，求得二次场后，代入s公式，有,式中,式中其他符号与以前所述相同。激电异常特征：,（1）主剖面激电异常特征,异常幅度正比于轴对称分布正异常为主，两侧对称分布负极小值异常；球体中心埋深与异常关系,饱和效应,即：良导体与高阻体s异常小，而中等相对阻值则对应smax值。（2）平面激电异常特征沿外电场方向为长轴走向的椭圆形等值线分布，中间为对称分布的正异常，两侧对称分布的负异常。,椭球体极化体它代表了具有一定走向和延伸的极化体，按其走向与AB、MN的布向可分为：纵向中梯和横向中梯两种，前者AB和MN方向与其走向垂直，后者为布极方向与其走向平行。,（1）直立椭球体s异常设：2时，尾支出现s0。,2.板状极化体（1）21时，AB平行板走向，曲线呈K型；AB垂直板走向曲线呈G型。,3.s断面等值线图将剖面上各点测深结果绘成等值线断面图，纵坐标取AB/4为坐标变量，点位横坐标与纵坐标采取相同比例尺，其等值线基本上反映了极化地下局部极化体的分布。,4.极化体埋深的近似估算（1）转折点法,（2）拐切交点法,式中：K1，K2为经验系数。,五.复电阻率法中的Cole-Cole参数递推计算方法,基于Cole-Cole公式,n(),m(),3-4激发极化法的应用一.激发极化法特点纯异常测量，不受地形和局部导电不均影响；2.对侵染状金属矿有明显得勘查效果；3.可解决某些矿