电法勘探自然电位法与自电法

1、4充电法和自然电场法充电法属于人工场法自然电场法属于天然场法电法勘探自然电位法与自电法第1页4.1充电法 充电法是对地面上、坑道内或钻孔中已经揭露良导体直接充电，以处理一些地责问题一个电法勘探方法（1）充电法基本原理将与电源正极连接供电电极A通良导体（矿体、含水体等）露头接触，其接触点称为充电点。与电源负极连接供电电极B布设为无穷远极，以至它在导体附近产生电场能够忽略不计。此时，整个良导体相当于一个大供电电极电法勘探自然电位法与自电法第2页 在理想条件下，即导体电阻率20，或导体电阻率与围岩电阻率比较，满足2 1时，不论将导体内哪一点作为充电点，因为导体内没有电阻（或电阻趋于零），将不会产生电

2、位降（或电位降能够忽略），所以，导体内部及其表面各点电位都相等，整个导体实际上是一个“等位体”。假定围岩电性是均匀，则进入围岩电流将与导体表面垂直剖面图电法勘探自然电位法与自电法第3页 普通形状导体，周围有很多等电位面。在导体表面附近，因为电流刚流出导体，电流密度大，电位降落快，所以等未免十分密集。而且，越靠近导体，等位面形状与导体形状越一致。远离导体，电流密度逐步减小，电位降落逐步减弱，等电位面越来越稀，形状逐步趋于圆形。假如用仪器在地面追索，可取得若干等位线。等位线在导体边缘附近最密集，形状靠近与导体在地面投影轮廓平面图电法勘探自然电位法与自电法第4页 下列图是理想充电良导球体电位平剖图和

3、电位梯度平剖图。在球心正上方主测线上，电位曲线在球心正上方有极大值，两侧电位值轴对称减小，直到无穷远处趋近于零；电位梯度曲线在球心正上方过零值点，两侧电位梯度值呈点对称。旁测线曲线形态与主测线相同，只是远离充电体，曲线幅值减小，范围变宽电法勘探自然电位法与自电法第5页 等位脉体电位U为一对称曲线。脉体水平时，在导体顶部上方取得宽缓极大值；在顶部边缘或略想外移动地方，电位降落最快；而在远离顶部边缘位置，电位下降逐步变缓，最终趋近于零。等位导体电位梯度U/x曲线则为一反对称曲线，在充电导体顶部，电位梯度为零，其正负极值对应与电位降落最快边缘部位电法勘探自然电位法与自电法第6页 脉体直立时，在脉体顶

4、部正上方对应出现电位极大值，电位曲线左右对称；等位脉体电位梯度U/x曲线则为一反对称曲线，在充电导体顶部，电位梯度为零，在脉体左侧出现正极大值，在脉体右侧出现负极小值电法勘探自然电位法与自电法第7页 脉体倾斜时，显然，电位曲线与电位梯度曲线均不对称，电位曲线极大值点与电位梯度曲线零值点均向脉体左侧发生位移。在脉体倾向一侧（右侧），电位曲线变缓，电位梯度曲线极小值幅值变小；在反倾向一侧（左侧），电位曲线变陡，电位梯度曲线极大值幅值变大电法勘探自然电位法与自电法第8页 由此可见，利用在地面观察到等位线形状和分布情况，能够判定充电导体形状和范围；利用剖面电位曲线和电位梯度曲线，还能够判定充电导体顶部

5、和边界位置 实际工作中，普通地质体都不是等位体，所以，离开充电点稍远，即使在充电导体内部，电位也要发生下降。且地质体电阻率2越大，电位下降越快。充电曲线和充电点位置相关 所以，充电法应用要求有一定地质与地球物理条件：地质体与围岩要有一定导电性差异，而且这种导电性要足够大电法勘探自然电位法与自电法第9页 下列图a是充电点位于导体边缘时曲线。电位曲线极大值点出现在充电点附近，且偏向导体右侧，曲线从极大值迟缓下降到导体另一端；而在充电点左侧，电位曲线离开极大值后便快速下降，整条曲线展现出显著不对称形态。电位梯度曲线零点在充电点附近，稍移向导体右侧，零点左侧曲线较陡，正极值大；而零点右侧幅值较小，且都

6、为负值电法勘探自然电位法与自电法第10页 左下列图是充电点位于导体边缘时曲线。电位曲线极大值点出现在充电点附近，且偏向导体右侧，曲线从极大值迟缓下降到导体另一端；而在充电点左侧，电位曲线离开极大值后便快速下降，整条曲线展现出显著不对称形态。电位梯度曲线零点在充电点附近，稍移向导体右侧，零点左侧曲线较陡，正极值大；而零点右侧幅值较小，且都为负值电法勘探自然电位法与自电法第11页 右下列图是充电点位于导体中心时曲线。此时，电位曲线和电位梯度曲线均对称分布，极难与等位体曲线进行区分。所以，在进行自电法资料解释工作时，必须考虑到充电体本身电阻率2与围岩电阻率1之间差异，以及充电点位置，这么才能对充电导

7、体形状和范围做出较为可靠推断电法勘探自然电位法与自电法第12页（2）充电法装备及工作方法充电法所使用装备和电阻率法相同在地面观察电场分布，惯用以下两种方法：电位观察电位梯度观察 将测量电极N置于距离导体足够远某一固定基点上接地。另一测量电极M沿测线逐点移动，观察各测点相对于固定基点N电位差。把这个差值作为该测点电位值U 把测量电极MN置于同一测线两个相邻测点上，保持其相对位置和间距不变，沿测线逐点移动，观察各相邻测点间电位差UMN，便可推算MN中点处电位梯度（UMN/MN） 为消除供电电流I改变对观察结果影响，整理资料时，通常把电位U换算成U/I，电位梯度UMN/MN换算成UMN/MN*I电法

8、勘探自然电位法与自电法第13页电法勘探自然电位法与自电法第14页 充电法主要结果图件和电阻率法类似，包含：电位剖面图、电位平面剖面图、电位等值线图；电位梯度剖面图、电位梯度平面剖面图等电法勘探自然电位法与自电法第15页电法勘探自然电位法与自电法第16页电法勘探自然电位法与自电法第17页（3）充电法资料解释 解释电位等值线平面图时，可由等电位线形状和密集程度推断导体在地面投影和走向，并初步圈定其边界。另外，还能够从等位线分布不对称性判断导体倾向。等位线较稀一侧为导体倾斜方向，因为在该方向上电位下降较为迟缓，所以等位线变稀。解释电位剖面图时，可利用其极值点、拐点以及对称性，大致推断充电导体在剖面上

9、中心位置、边界和倾斜方向 解释电位梯度剖面图时，可认为曲线零值点位置反应了充电导体顶部位置，极值点位置大致是导体边界。假如电位梯度曲线不对称，则导体向两个极值中幅值较小且平缓一方倾斜。解释电位梯度平面剖面图时，可由零值点连线判断导体走向，由各剖面线极值点位置圈定导体大致位置电法勘探自然电位法与自电法第18页 应该注意是，只有在充电导体近似等电位体时，上述特征才表现显著。不等位体、围岩电性不均匀或地形起伏，都会使充电法电位曲线和电位梯度曲线发生畸变，在解释时应充分考虑 利用充电法曲线还能够进行定量解释。如，依据电位梯度曲线参数p和m，能够计算充电导体埋深。p为梯度曲线极大值点和极小值点之间水平距

10、离；m为经过曲线拐点和极大值点分别作切线，这两条切线交点横坐标与梯度曲线零值点横坐标间距离，称为弦切距计算球状充电导体球心埋深：计算水平线状充电导体埋深：电法勘探自然电位法与自电法第19页充电法应用范围和应用条件充电法能够用来处理以下地责问题：1.确定已揭露（或出露）地质体隐伏部分形状、产状、规模等2.确定已知相邻地质体之间连接关系3.利用单井测定地下水流量和流速4.研究滑坡，以及追踪地下金属管线等充电法应用条件：1.被研究对象（充电体）最少有一处被揭露，方便设置充电点2.充电体相对与围岩，应为良导体3.充电体规模越大，埋藏越浅，充电法效果越好。充电法最大研究深度普通仅为充电体延伸长度二分之一

11、电法勘探自然电位法与自电法第20页充电法探测地质体是否相连：普通在两个露头分别充电，并在经过它们同一测线上依次观察。假如取得两次电位梯度曲线相同或相同，能够认为两地质体是连通；假如两条曲线相差悬殊，则表明它们是不连通左中图a是依据钻孔资料编制而成，它与充电法观察结果（左上图）有很大矛盾。左上图中1号电位梯度曲线是在钻孔ZK11中A点充电得到，2号电位梯度曲线是在钻孔ZK58中B点充电得到，两曲线形态基本一致，推断地质体和地质体是连通。而不是像钻孔地质图那样推断为不连通电法勘探自然电位法与自电法第21页在钻孔11中C点应用充电法得到电位梯度曲线3，在钻孔41中D点应用充电法得到电位梯度曲线4，曲

12、线3、4形态相近，但与曲线1、2有很大区分，推断C、D两点所在地质体，不是A、B两点所在地质体。依据上述推测，绘制了电法推断地质图（左下列图）为深入验证电法解释结果，在钻孔ZK58和钻孔ZK11间，加密了ZK59。在钻孔ZK59中E点充电电位梯度曲线和1、2类似，而钻孔ZK59中F点充电电位梯度曲线和3、4类似，说明A、B、C三点同属地质体，而 D、E、F三点同属地质体，从而证实了各地质体连通关系电法勘探自然电位法与自电法第22页4.2自然电场法 在自然条件下，无须向地下供电，在地面任意两点总能观察到一定大小电位差。这表明地下存在天然电流场，称为“自然电场” 常见自然电场有两类： 1.呈区域性

13、分布不稳定电场，称为“大地电磁场”，其分 布特点与地壳结构相关 2.分别范围较小，仅限于某个局部地域电场，它存在往 往与一些金属地质体或地下水运动相关 本节只讨论第二种自然电场电法勘探自然电位法与自电法第23页（1）自然电场成因当前，对产生自然电场原因，比较一致认识有三种：1.电子导体与围岩溶液间电化学作用 电化学理论指出，电子导体与离子导电水溶液（盐溶液）接触时，在它们接触面上将产生“双电层”：假如电子导体成份单一，且全部沉醉在化学性质均匀盐溶液中，则导体表面将形成均匀、封闭双电层。因为双电层中正、负电荷相互平衡，故导体周围不会出现电场。不过，假如电子导体成份发生改变，或盐溶液性质不均匀，则

14、双电层分布不再呈均匀状态，产生“极化”，在导体内和盐溶液中就会产生电流，从而形成电场电法勘探自然电位法与自电法第24页 当良导体埋藏于潜水面附近时，在潜水面以上围岩中，由于靠近地表，加上地表水向下淋滤渗透，近地表围岩富含氧气，使近地表围岩溶液含有氧化性质。所以，导体中电子被围岩溶液夺取展现正极性，而溶液因含有较多电子呈负极性。伴随深度增加，岩石孔隙中所含氧气量逐步减小，到潜水面以下后，围岩溶液因缺氧而含有较多还原性质。这时，导体展现负极性而溶液带正电。于是，由地表至地层深处，在导体与围岩溶液界面上，形成了不均匀双电层，导体处于“极化”状态电法勘探自然电位法与自电法第25页 溶液电性含有保持“中

15、性”趋势。导体上半部富氧盐溶液中含有负电荷需要移去，或用一定数量正离子去平衡。导体下半部则相反，缺氧盐溶液需要移去正电荷或增加一定数量负离子。这么，盐溶液中下部正离子向上运动，而上部负离子向下运动，在围岩盐溶液中形成由下向上电流。在导体内部，电子由下部移向上部，形成由上向下电流。于是，在导体及其周围盐溶液中形成了“自然电场”。导体顶部上方电位最低，形成负电位中心，通常据此可发觉良导体电法勘探自然电位法与自电法第26页2.岩石中地下水运移电动效应 岩石颗粒与周围溶液间存在双电层，双电层靠近岩石颗粒一侧带负电，双电层靠近溶液一侧带正电，整个系统呈电性平衡。当地下水在多孔隙岩石汇总流动时，将带走溶液

16、中部分正离子，并使之聚集在水流方向上。在水流反方向上，则滞留负离子。于是，水流动破坏了电性平衡，产生极化，并沿水流方向形成电位差。电动效应引发自然电场，称为“过滤电场”。这种电场普通出现在起伏不平地形上，水流终点处显示正电位，水流起点处显示负电位。所以，能够发觉山顶电位比山脚低现象电法勘探自然电位法与自电法第27页3.岩石中不一样浓度溶液离子扩散作用 自然界中岩石所含水溶液浓度不尽相同，当不一样浓度两种水溶液接触时，会产生离子扩散现象。浓度高溶液中离子向浓度低溶液扩散。在扩散过程中，因为正负离子迁移率不一样，浓度低溶液取得与迁移率较大离子极性相同电位，而浓度高电位则取得极性相反电位，因而，在溶

17、液中形成电位差。这种由扩散所引发自然电场，称为“扩散电场” 地下水中通常含有氯化钠（NaCl），且氯离子（Cl-）迁移率比钠离子（Na+）大，所以浓度较低水溶液呈正电位，幸臣扩散电场。扩散电场普通都很弱。自然界中，纯粹由扩散作用形成自然电场是不存在。在多孔隙岩石中，通常是扩散作用和渗透过滤作用同时发生，所形成自然电场是它们共同作用结果电法勘探自然电位法与自电法第28页球体自然电场 设围岩电阻率为1，球体电阻率为2，半径为r0，球心埋深为h0，极化方向（极化轴）与地面夹角为，则球体自然电位表示式为式中U0是球体表面电位跃变极大值，即极化轴与球体表面两个交点电位差电法勘探自然电位法与自电法第29页

18、1.垂直极化（90）时：电位曲线为一全负值对称曲线，负极小值位于球心正上方，即x0时电位为规律：（1）U与U0成正比，即球体表面最大电位跃变值越大，电位异常值就越大（2）U与(r0 / h0)2成正比，即异常幅值决定于球半径与其埋深比值（3）U与2 /1关系： 2 /1越小，异常越大。所以，用自然电场法找低阻地质体最有利电法勘探自然电位法与自电法第30页2.水平极化（0）时：电位曲线为坐标原点对称曲线，负极小值位于球体左侧，正极大值位于球体右侧，而球心正上方曲线出现零值点电法勘探自然电位法与自电法第31页3.斜极化（比如30）时：电位曲线以负值为主，在极化倾斜方向伴随有正值不对称异常。异常幅值

19、随U0、 r0 / h0和2 /1改变规律基本上与垂直极化时相同实际工作中，因为水文地质条件影响，极化轴普通近于垂直，故在地质体上通常观察到负电位。只有在地形切割较强地域，或倾斜向下延伸脉体上，才能观察到显著正电位异常电法勘探自然电位法与自电法第32页（2）自然电场法装备及工作方法 自然电场法使用仪器设备和电阻率法基本相同。所不一样是因为自然电场法是天然场法（或被动源法），不需要电源和供电电极。而且测量电极不是铜棒，而是“不极化电极”，采取它目标是减小两测量电极间极差不极化电极以下列图所表示。用底部不涂釉瓷罐装入硫酸铜饱和溶液，将纯铜棒浸入溶液中，铜棒上端连接导线。当瓷罐置于土壤中时，瓷罐中铜

20、离子可透过瓷罐底部细孔进入土壤，使铜棒和土壤之间形成电通路。铜棒浸在同种离子饱和溶液中，并不与土壤直接接触，所以在土壤和铜电极之间不产生极化作用。采取这种电极，能有效防止铜电极与土壤中水溶液接触而发生极化；同时，两测量电极之间极化电位差非常小，使得实际观察值只与自然电场电位差相关系电法勘探自然电位法与自电法第33页 自然电场法观察方式与充电法相同。不过，电位观察法使用更为普遍。仅在工业游散电流干扰严重时，才考虑采取电位梯度法进行观察 如图，测量电极N位于测区边缘，设为电位基点（即正常场）。另一测量电极M沿测线逐点观察各测点相对于基点N电位差。依据观察数据可绘制自然电位剖面图、自然电位平面剖面图

21、和自然电位等值线平面图等电法勘探自然电位法与自电法第34页电法勘探自然电位法与自电法第35页（3）自然电场法资料解释 自然电场法电位曲线定性解释和中间梯度剖面线解释类似。对倾斜极化地质体，其自然电位曲线呈不对称分布，在极化轴倾斜方向上变陡，而且可能出现很小正值。这是因为导体下端或极化轴倾斜方向下端溶液中出现正电荷缘故电法勘探自然电位法与自电法第36页 倾斜脉体自然电位异常，在平面等值线图上呈不对称分布狭长条带状。在导体倾斜一侧，等值线较密集，甚至有正值出现。解释时，除了以异常狭长形状来推断导体产状外，还可依据等值线密集带，大致圈定导体范围，并凭借异常长轴方向判断导体走向。在等值线分布不对称情况

22、下，由较密一侧推断导体倾向。解释时还应注意地形和围岩电性不均匀干扰影响电法勘探自然电位法与自电法第37页基于理论研究和实践经验，可得出以下预计导体埋深经验公式1.估算直立柱体顶面埋深h 如图，柱体延伸长度为2l；q为剖面线上两个半极值点之间宽度；经过曲线两个拐点和极小值点分别作三条切线，经过拐点切线与横轴两个交点A、D，以及它们与经过极小值点切线两个交点B、C，可求出m1和m2，于是可计算m(m1+m2)/2直立柱体顶面埋深：对于球状或等轴状导体，可采取2l0时q和m来估算h，此时h代表球体或等轴状导体中心埋深电法勘探自然电位法与自电法第38页2.估算脉体顶部埋深h（脉体延伸长度为2l ）当导

23、体向下延伸很大时（类似无限延伸）：当导体向下延伸很小时（类似有限延伸）：电法勘探自然电位法与自电法第39页利用下式还可粗略计算脉体厚度：式中2定义如左图所表示。当d0.1时，认为导体含有一定厚度；当d0.1时，则为薄脉电法勘探自然电位法与自电法第40页实例：自然电场法确定地下水流向 过滤电场方向与地下水流向相关。在地下水埋藏不深、流速较大以及地形比较平坦条件下，应用自然电场法能够确定地下水流向 野外观察方式常采取电位梯度环形测量法，即在一个测点上用两个不极化电极沿直径二倍于地下水埋深圆周，观察不一样方位自然电位差，然后将观察结果绘制成“极性图”。正常情况下，在地下水流向上所测得电位差最大；而在

24、其垂直方向上，电位差观察值应该为零。不过，在自然条件下，因为地下水运动 不均匀性以及其它干扰，实测极性图多 呈椭圆形，其长轴方向为地下水运动轴 向，而水流方向由沿长轴所测电位差极 性来确定，即水流方向由负电位指向正电 位电法勘探自然电位法与自电法第41页水流方向由负电位指向正电位电法勘探自然电位法与自电法第42页下列图为河南荥（xing）阳地域利用自然电场法了解区域性地下水流向实测结果图。图中同时给出了依据水文地质资料所绘制地下水等水位线。能够看出，自电和水文资料反应流向是已知。图西北部，即黄河附近，自电极性图反应地下水流向为南东北西向，表明地下水和黄河地表水存在补给关系。实际上，依据水文资料

25、，该区地下水水位，是高于黄河水位，这就证实自电资料指示地下水补给黄河水是符合实际电法勘探自然电位法与自电法第43页实例：自然电场法在地热探测中应用杨发杰（辽宁有色物探研究院），“电法综合参数在辽宁思拉堡地域地热探测中应用”， 矿产与地质，第18卷第4期 思拉堡地热区水文地质特征：辽宁思拉堡地热区大地构造位置处于新华夏结构体系第二隆起带上。出露岩性以印支期第三次侵入二长花岗岩为主，区内思拉堡龙门汤断裂是思拉堡地热区主要控热断裂，是控制熊岳盆地生成金州岩石圈断裂次级平行断裂。测区内含有已知热水井、温水井及冷水井，热水井井深在200m500m，水温在70104，单井涌水量在20m3/h 30m3/h

26、；温水井井深43m，水温为45，单井涌水量为15m3/h；冷水井井深为50m，水温为11，单井涌水量为20m3/h。这些已知水文地质条件为此次探测提供了良好参考依据电法勘探自然电位法与自电法第44页 自然电位曲线剖面如图1所表示。剖面中50m和200m处是6号与3号两眼已知热水井位。自然电位曲线在已知热水井旁对应出现两个负值异常，且两个负值异常幅值差异较大。探测6号井时，已多日没有抽水；而探测3号井时，此井刚停顿抽水。经过对90m130m和410m440m两处自然电位负值异常与水文地质条件综合分析判断，推测该异常是由热矿水所引发电法勘探自然电位法与自电法第45页实例：充电法、自然电场法在水坝渗

27、漏探测中应用邓茂武（广西水电勘测设计研究院）“常规电法探测在小峰水库除险加固工程中应用”， 广西水利水电，第3期 小峰水库是防城江支流电六江上一座准大型水库，水库主坝为土坝，坝基位于印支期黑云母花岗岩地层。水库在1981年蓄水运行以来，受高水位影响，坝基一带厚残坡积层、全风化强风化岩体节理密集带等微弱面均接收库水补给，发生渗流，长久渗流潜蚀造成发生渗漏，引发主坝下游坝面出现大面积渗水。年对主坝及其基础进行高压旋喷和帷幕灌浆，但效果不太理想。为了查明渗漏原因与确切位置，彻底处理渗漏问题，采取自然电场法和充电法等方法进行探测，圈定渗漏异常位置。再经钻探查证，查明了漏水原因和渗流通道，为工程处理设计提供依据 自然电场法：地下水在介质中渗流，就产生“过滤电场”，也称“渗透电场”。主要是因为电动效应所产生电位差引发。形成渗漏部位进口处及背水流方向展现负值异常，出口处呈正值异常。过滤电场电位大小主要受地下水水头压力差、岩石中矿物颗粒或裂隙碎粒表面积率，以及渗漏通道埋深等原因影响电法勘探自然电位法与自电法第46页 充电法：通常，对于相对集中地下水流，其相对于周围花岗岩或花岗岩强风化带岩石，电阻率是很低，能够看作是线状理想导体。当在理想导体上任一点充电，在充电体内不会产生电位降，充电电场分布与充电