电法勘探-基础知识

1、 什么是电法勘探什么是电法勘探: 以岩、矿石的电学性质（如以岩、矿石的电学性质（如导电性导电性、介电常数介电常数、激发激激发激化特性化特性）差异为基础，通过观测和研究与这些电性差异有关）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，称为造及有用矿产的一种物探方法，称为“电法电法”。 电法勘探的种类很多，可对其进行分类：电法勘探的种类很多，可对其进行分类： 一、按观测的场所分：一、按观测的场所分：航空电法、地面电法、海洋电法、地下或井中电法； 二、按地质目标体分：二、

2、按地质目标体分：金属电法、石油电法、煤田电法、水（文）工（程）电法； 三、按使用和观测电磁场的时间特性分：三、按使用和观测电磁场的时间特性分：直流电法、交流电法、过渡过程场法（瞬变）； 直到目前为止，还没有一个公认的和统一的分类方案，因为各种电法之间，既有不同的方面，又有相同的方面，因此很难作出一个标准化的固定分类方案。根据本专业当前电法的发展现状，可将其简化的分为两大类：两大类： 三多：三多： 可利用的物性参可利用的物性参性多性多导电性（或）电化学活动性（）介电性（）导磁性（）利用场源多人工场源天然场源直流电（稳定场）交流电（交变场）方法种类多感应类电法勘探（交流感应类电法勘探（交流电法）研

3、究交变电流场电法）研究交变电流场电阻率法*充电法自然电场法激发极化法低频电磁法频率测探法甚低频法电磁波法大地电磁法应用空间广两广两广应用范围广航空航空地面地面海洋海洋井中井中金属和非金属矿金属和非金属矿油气勘探油气勘探地质填图地质填图水文与工程水文与工程深部构造（地壳、深部构造（地壳、地幔）地幔）第一节第一节 电法勘探的基本概念电法勘探的基本概念 1 1、电法勘探的地球物理前提、电法勘探的地球物理前提 电性差异电性差异（1）电阻率）电阻率： ，单位：，单位：m 定义式定义式 ： 式中式中: R为电阻，为电阻，l，s分别为长度和截面积分别为长度和截面积其导电率：其导电率： S/m； slR1 （

4、2）介电常数）介电常数： 单位：单位：F/M 定义式定义式 ： 式中式中 、 分别为电位移矢量和电场强度分别为电位移矢量和电场强度 其中其中:0rEDDEMF /1085. 8120 （3）磁导率）磁导率： 单位：单位： H/M 定义式定义式 ： 式中式中 、 分别为磁感应强度和分别为磁感应强度和 磁场强度矢量磁场强度矢量 其中其中 ；0rHBBHMH /10470第二节第二节 电阻率法电阻率法 什么是电阻率法：什么是电阻率法： 电阻率法是传导类电法勘探方法之一。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

5、测和研究与的基础上，通过观测和研究与电阻率差异电阻率差异有关的有关的天然电场或人工电场的分布规律，从而达到查明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。地下构造或者寻找有用矿产的目的。强调强调：1 地球物理前提条件：勘查目标物与围岩存在着电阻率地球物理前提条件：勘查目标物与围岩存在着电阻率（或电导）差异。（或电导）差异。2 属主动源法，即需人工接地方式建立地下稳定电流场。属主动源法，即需人工接地方式建立地下稳定电流场。1 1、电阻率法的理论基础、电阻率法的理论基础岩、矿石的电阻率岩、矿石的电阻率1.1.电阻率基本公式电阻率基本公式slR电阻R（ ）长度（m）截面

6、积（m）电阻率（ m）lsRISl3.导电机制导电机制溶液：溶液：带电离子带电离子金属导体：金属导体：自由离子，自由离子， 如自然铜、金、银和石墨，电阻率低如自然铜、金、银和石墨，电阻率低半导体半导体：“空穴空穴”导电，导电， 大多数金属硫化物，金属氧化物体，电阻率较低大多数金属硫化物，金属氧化物体，电阻率较低固体电解质：固体电解质：离子导电，绝大多数造岩矿物，离子导电，绝大多数造岩矿物，如石英、云母、方解石、长石等，电阻率高如石英、云母、方解石、长石等，电阻率高4.主要岩矿石电阻率及其变化范围主要岩矿石电阻率及其变化范围沉沉变变火火沉积岩：沉积岩：10101010 火成岩：火成岩：1010

7、10 10 变质岩变质岩：介于两者之间介于两者之间6沉积岩沉积岩变质岩变质岩火成岩火成岩其规律其规律：金属矿电阻率比造岩类矿物（：金属矿电阻率比造岩类矿物（106m）偏低，）偏低，而每一种矿物变化范围很大。而每一种矿物变化范围很大。5.5.影响电阻率的主要因素影响电阻率的主要因素矿物成分、含量及结构矿物成分、含量及结构 金属矿物含量金属矿物含量，电阻率，电阻率 结构：侵染状细脉状结构：侵染状细脉状岩矿石的孔隙度、湿度岩矿石的孔隙度、湿度 孔隙度孔隙度，电阻率，电阻率 风化带、破碎带，含水量风化带、破碎带，含水量，电阻率，电阻率水溶液矿化度水溶液矿化度 矿化度矿化度 ，电阻率，电阻率几种常见岩石

8、的孔隙度 分类分类岩石名称岩石名称空隙度空隙度/分类分类岩石名称岩石名称空隙度空隙度/沉沉积积岩岩土壤土壤20.069.4火火成成岩岩玄武岩玄武岩18.7砂砂15.063.2安山岩安山岩6.0粘土粘土 10.162.9辉长岩辉长岩0.41.9砾石砾石20.237.7花岗岩花岗岩0.44.1页岩页岩1.544.8辉绿岩辉绿岩0.55.1砂岩砂岩2.018.4闪长岩闪长岩0.44.0灰岩灰岩0.710正长岩正长岩0.92.9变变质质岩岩结晶石灰岩结晶石灰岩0.98.6注：带有喀斯特溶洞的灰岩空隙度可达注：带有喀斯特溶洞的灰岩空隙度可达n10%片麻岩片麻岩0.47.5大理岩大理岩0.12.1温度温度

9、 温度温度TT，溶解度，溶解度，离子活性，离子活性，电阻率电阻率结冰时，电阻率结冰时，电阻率压力压力 压力压力 ，孔隙度，孔隙度 ，电阻率，电阻率 超过压力极限，岩石破碎，电阻超过压力极限，岩石破碎，电阻率率构造层的问题构造层的问题 这种层状构造岩石的电这种层状构造岩石的电 阻率，则具有非各向同性，阻率，则具有非各向同性， 即岩层理方向的电阻率小于即岩层理方向的电阻率小于 垂直岩层理方向的电阻率垂直岩层理方向的电阻率12nt岩石电阻率与温度的关系 -40 -20 0 20 40 t/C1001011/ 电子导体矿物、矿石的电电子导体矿物、矿石的电阻率随温度增高而变大阻率随温度增高而变大离子导电

10、岩石的电阻率却离子导电岩石的电阻率却随温度的增高而变小随温度的增高而变小层状介质的电阻率层状介质的电阻率1、纵向电阻率和横向电阻率、纵向电阻率和横向电阻率岩土介质的各向异性介质中，当电流垂直层理岩土介质的各向异性介质中，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，方向流过时所测得的电阻率称为横向电阻率，用符号表示用符号表示n；电流平行层理方向流过时所测；电流平行层理方向流过时所测得的电阻率称为纵向电阻率，用符号得的电阻率称为纵向电阻率，用符号t来表示来表示 层状结构岩石模型 （a）实际岩石 (b).等效模型attaz(b)（a）121h2h层状介质的电阻率层状介质的电阻率纵向电导与横

11、向电阻纵向电导与横向电阻横向电阻与纵向电导的定义：横向电阻与纵向电导的定义：假设在层状介质中取底面积假设在层状介质中取底面积为为1平方米，厚度为平方米，厚度为h的六面的六面岩柱体，则当电流垂直岩柱岩柱体，则当电流垂直岩柱体底面流过时，所测得的电体底面流过时，所测得的电阻称为横向电阻，用符号阻称为横向电阻，用符号T表表示，单位为欧姆示，单位为欧姆，横向电阻，横向电阻在数值上等于电性层的厚度在数值上等于电性层的厚度与电阻率的乘积。即与电阻率的乘积。即T=h .当六面岩柱体由若干个厚度和电性不同的岩层当六面岩柱体由若干个厚度和电性不同的岩层所组成，则按串联电路原理，总的横向电阻为：所组成，则按串联电

12、路原理，总的横向电阻为：当电流平行岩柱体底面流过时，所测得的电导值，称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，用符号为纵向电导，用符号S表示，单位为表示，单位为1 / ，纵向电导，纵向电导与层参数的关系为与层参数的关系为岩石的电阻率测定岩石的电阻率测定岩石的电阻率测定岩石的电阻率测定露头法：露头法：对天然或人工露头的岩石用小尺对天然或人工露头的岩石用小尺度的对称四极装置或三极装置直接测定。度的对称四极装置或三极装置直接测定。标本法：标本法：小对称四极测量、欧姆定律小对称四极测量、欧姆定律分析法：分析法：对测量区已有电法资料进行分析对测量区已有电法资料进行分析稳定电流场的基本规

13、律稳定电流场的基本规律欧姆定律欧姆定律稳定电流场的边界条件稳定电流场的边界条件衔接条件衔接条件自然边界条件自然边界条件电流通过介质分界面，界面两边电位连续电流通过介质分界面，界面两边电位连续界面两边电流密度法向分量和电场强度切向分量连续界面两边电流密度法向分量和电场强度切向分量连续接近点电流源的点上，趋于正常电位接近点电流源的点上，趋于正常电位距离场源无限远处，电位趋于零距离场源无限远处，电位趋于零地面上除电源点外，电流密度法向分量为零地面上除电源点外，电流密度法向分量为零 在物理学中，恒定电场是用三个相互有联系的物在物理学中，恒定电场是用三个相互有联系的物理量理量V V （电位）、（电位）、

14、E E（电场强度）和（电场强度）和j j( (电流密度电流密度) )来描来描述的，其间的关系为：述的，其间的关系为： 设大地是水平的，与不导电的空气接触，介质设大地是水平的，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，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。即：称这样的介质模型为均匀各向同性。即：jEEdrdv,空气地面地面0均匀各向同性半空间点电源的电场均匀各向同性半空间点电源的电场2、电阻率法常用电流源的正常电场、电阻率法常用电流源的正常电场 为了建立地下电场，总是用两个电极（例如为了建立地下电场，总是用两个电极（例如A A、

15、B B）向地下供电。这两个接地的电极（）向地下供电。这两个接地的电极（A A、B B）称为）称为“供电电极供电电极”。 当供电电极的大小比它们与观测点的距离小得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多时，可把两个供电电极看成两个“点点”，故又将，故又将它们称它们称“点电源点电源” 1.1.一个点电源的电场一个点电源的电场 设在地面设在地面A A点向地下供电，电流点向地下供电，电流强度为强度为I I，地下半空间的电子率为，地下半空间的电子率为。地下距。地下距A A为的点为的点M M处的电流密度处的电流密度为：为： 电场强度为：电场强度为： 电位为：电位为：22 r

16、IjM22 rIjEMdrrIdV22rIV2CrIV2对上式两边积分得：当r ，V=0，则C=0代入上式得2.2.两个异性点电源的电场两个异性点电源的电场在任意的在任意的M M处的，可按场的叠加原理知处的，可按场的叠加原理知：)11(2BMAMIVVVBMAMM)11(222BMMBBMAMMAAMIjjjBMAMM)11(222BMMBBMAMMAAMIEMrIV222 rIjMrrrIjEM221）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；2）在两极中央地段，场的分布较均匀，变化较平缓。3）在AB的中点，V =0，中点左边V为正，右边为负；4）AB的中点上，E出现极小值。3

17、3、地下电流沿深度的分布规律、地下电流沿深度的分布规律（勘探深度）（勘探深度）BMAMhjjjBMAMjhLIj)(2222322)(cos2hLLIjjAhh2011Lj0hjjh的方向平行于地表的方向平行于地表上式表明，上式表明，AB中垂线上任意一点中垂线上任意一点M M处处j的大小，除的大小，除与与I有关外，还与有关外，还与M点的深度点的深度（h）及电极距大小及电极距大小有关有关当当h，当当h0，hAB20)(2252222LhLhILjh而在 即当 (或者 )时，h深度的电流密度最大，该供电极距称为“最佳电极距”。例如：要使100m深处的电流密度最大，AB应大于或等于140m hL2最

18、佳供电电极距最佳供电电极距 注意：注意： 勘探体积：一般认为，电流分布在深度勘探体积：一般认为，电流分布在深度h=AB/2到地表到地表的有效范围内。的有效范围内。 因为地下地质体的存在，地表观测的电场会发生畸变，因为地下地质体的存在，地表观测的电场会发生畸变，从而发现地下地质体。从而发现地下地质体。 埋深大于埋深大于h=AB/2的地质体不会使的地表电场发生可以的地质体不会使的地表电场发生可以观测到的变化，因此无法发现这些地质体。观测到的变化，因此无法发现这些地质体。4 4、电阻率公式及视电阻率、电阻率公式及视电阻率1.1.（均匀大地）电阻率公式（均匀大地）电阻率公式)1111(2BNANBMA

19、MIUUUNMMNIUBNBMANAMMN11112)11(2BNANIUN)11(2BMAMIUM式中式中AM、BM、AN、BN分别是分别是A、B与与M、N间的距离。间的距离。上两式相减可得上两式相减可得MN两点间的电位差：两点间的电位差：则则BNBMANAMk11112令IUkMN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。 上面所讨论的情况是在地形水平、地下仅有单一的均匀各向同性介质。然而实际中，地下岩石的导电性往往是不均匀的、且地形亦不是水平的，因此有必要进一步讨论非均匀条件下地中电流场分布的情况。2.2.非均匀介质中的地下电流场及

20、视电阻率非均匀介质中的地下电流场及视电阻率（2 2）视电阻率）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量方式，仍由前述的公式计算“电阻率值电阻率值”，不过这时计算出，不过这时计算出的的“电阻率值电阻率值”，既不是，既不是1，也不是，也不是2和和3，而是三者都有关，而是三者都有关的一个量，称为的一个量，称为“视电阻率视电阻率”，用符号，用符号s表示，即表示，即IUkMNs视电阻率：在电场有效作用

21、范围内各种地质体电阻率的综合影响值。虽然不是岩石的真电阻率，但却是地下电性不均匀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。体和地形起伏的一种综合反映。 123（3 3）影响视电阻率的因素）影响视电阻率的因素电极装置电极装置供电电极（供电电极（A A、B B）及测量电极（）及测量电极（M M、N N）的排列形式）的排列形式和移动方式和移动方式电极装置类型及电极距的大小电极装置类型及电极距的大小测点相对于地质体的位置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（及形状、大小、埋深及相对位置）各地质

22、体的分布状态（及形状、大小、埋深及相对位置）IUkMNsMNsUKI视电阻率在数值上视电阻率在数值上与与MN间沿地表的电流密度和电阻率的分布间沿地表的电流密度和电阻率的分布有关，而地表电流密度的分布，既受地表电阻率分布也受地下有关，而地表电流密度的分布，既受地表电阻率分布也受地下电性不均匀体的影响。电性不均匀体的影响。当当MN很小时很小时，可将，可将MN范围内的电场强度视为不变范围内的电场强度视为不变01KMNIj 如果在均匀半无限介质的条件下，如果在均匀半无限介质的条件下， ，且此时所测得的且此时所测得的 ，故有：，故有：即：即：000sKMNjI0s1MNl视电阻率在不均匀体和地形起伏的分

23、布示意图 0AMN0cosMNsMNjj 于是，我们可得地形起伏且存在不均匀体时视电阻率的于是，我们可得地形起伏且存在不均匀体时视电阻率的微分形式：微分形式：在分析一些理论计算、模型实验及野在分析一些理论计算、模型实验及野外地面观测结果时，经常要用到它。外地面观测结果时，经常要用到它。 当地面当地面水平时水平时0MNsMNjjMNMNSjj0 当地下只有一种岩石时，两式是相同的，故按视电阻率的当地下只有一种岩石时，两式是相同的，故按视电阻率的计算式算得的计算式算得的s值等于岩石真电阻率值等于岩石真电阻率值。值。 s剖面曲线乃剖面曲线乃为一条数值等于为一条数值等于p的直线。的直线。MNsUKI视

24、电阻率的计算视电阻率的计算公式公式0MNsMNjj视电阻率的分析视电阻率的分析公式公式A(+I)B(-I)XS1123(a)(b)重新分析：重新分析：3.3.视电阻率的定性分析公式视电阻率的定性分析公式视电阻率与电流密度的关系式，即视电阻率与电流密度的关系式，即 式中式中jMN，MN测量电极测量电极M、N间任一点的电流密度和介间任一点的电流密度和介质的真电阻率。质的真电阻率。 j0为均匀各向同性介质体中为均匀各向同性介质体中M、N间的电流密度。间的电流密度。 上式表明，上式表明，s与与M、N间的介质的电阻率间的介质的电阻率MN电流密度电流密度jMN成正比成正比MNMNsjj0视电阻率异常的定性

25、分析方法视电阻率异常的定性分析方法从场的叠加观点看，地下电流场可视为均从场的叠加观点看，地下电流场可视为均匀介质中的正常电流场与地下电性不均匀匀介质中的正常电流场与地下电性不均匀体的异常电流场的叠加：体的异常电流场的叠加：2、电阻率法的仪器和装备、电阻率法的仪器和装备对电阻率法仪器的要求：对电阻率法仪器的要求：1、灵敏度高、灵敏度高2、稳定性好、稳定性好3、抗干扰能力强、抗干扰能力强4、输入阻抗高、输入阻抗高2 2、电阻率法的仪器和装备、电阻率法的仪器和装备 由视电阻率的计算公式 可知，其仪器功能就是测量出供电电流I及测量电极M、N间的电位差UMN即可。 除仪器外，其它装备还有： 供电电极铁棒

26、或铜棒 测量电极铜棒、导线及供电电源。IUkMNs半球形供电电极半球形供电电极电极的接地电阻分析电极的接地电阻分析 电阻率法的仪器种类很多，有图电阻率法的仪器种类很多，有图DZD-4DZD-4多功能多功能直流电法仪，它具有如下功能：直流电法仪，它具有如下功能：（1 1）高密度电阻率法测量）高密度电阻率法测量（2 2）视电阻率法和激发极化法同时测量；）视电阻率法和激发极化法同时测量；（3 3）实时大屏幕液晶汉字显示实测曲线；）实时大屏幕液晶汉字显示实测曲线；（4 4）信号增强技术，不仅适用于野外勘查，）信号增强技术，不仅适用于野外勘查，也适用于城市勘查。也适用于城市勘查。 电阻率法的常用电极装置

27、类型电阻率法的常用电极装置类型 在电法勘查中，为了解决不同的地质问题，常采用不同在电法勘查中，为了解决不同的地质问题，常采用不同的装置。的装置。 目前，我国采用的电阻率装置类型有目前，我国采用的电阻率装置类型有电剖面法、中间梯电剖面法、中间梯度法度法和和电测深法电测深法。 电阻率剖面法简称电剖面法。它包括许多分支装置：电阻率剖面法简称电剖面法。它包括许多分支装置：二二极装置、三极装置、联合剖面装置对称四极装置和偶极极装置、三极装置、联合剖面装置对称四极装置和偶极装置等。装置等。电阻率法的常用电极装置类型电阻率法的常用电极装置类型二极装置（二极装置（AM)供电电极供电电极B和测量电极和测量电极N

28、置于无穷远，即远离置于无穷远，即远离测量区域的地方（垂直于测量区域的地方（垂直于AM连线的方向，大连线的方向，大于于5倍倍AM),B极在极在M处产生的电位和处产生的电位和A极在极在N处处产生的电位均可忽略，产生的电位均可忽略，U UMNMN=U UM,M,二极装置的二极装置的记录点通常取在记录点通常取在AMAM中点。中点。优点：跑极方便，测量电位信号大优点：跑极方便，测量电位信号大缺点：布置两个无穷远极缺点：布置两个无穷远极三极装置（三极装置（AMN)将将B极置于无穷远，极置于无穷远，MN之间的距离比较小，之间的距离比较小，三三极装置的记录点通常取在极装置的记录点通常取在AMAM中点。中点。联合剖面装置（联合剖面装置（AMN MNB)有两个对称的三极装置组成，即有两个对称的三极装置组成，即rAM=rNB。其中电。其中电源负极接到置于无穷远的源负极接到置于无穷远的C极，正极分别接到极，正极分别接到A极极或或B极。极。 s的表达式与三极