电法勘探基础知识

关于电法勘探基础知识

什么是电法勘探:

以岩、矿石的电学性质（如导电性、介电常数、激发激化特性）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造及有用矿产的一种物探方法，称为“电法”。第2页,共81页，2024年2月25日，星期天第3页,共81页，2024年2月25日，星期天电磁法的分类

电法勘探的种类很多，可对其进行分类：

一、按观测的场所分：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：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：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：第4页,共81页，2024年2月25日，星期天电法勘探的特点：可用“三多”、“两广”

三多：

①可利用的物性参性多导电性（ρ或σ）电化学活动性（η）介电性（ε）导磁性（μ）②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）第5页,共81页，2024年2月25日，星期天传导类电法勘探（直流电法）研究稳定电流场③方法种类多感应类电法勘探（交流电法）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第6页,共81页，2024年2月25日，星期天应用空间广两广应用范围广航空地面海洋井中金属和非金属矿油气勘探地质填图水文与工程深部构造（地壳、地幔）第7页,共81页，2024年2月25日，星期天第一节电法勘探的基本概念

1、电法勘探的地球物理前提

——电性差异（1）电阻率：ρ

，单位：Ωm

定义式：

式中:R为电阻，l，s分别为长度和截面积其导电率：S/m；

第8页,共81页，2024年2月25日，星期天（2）介电常数：单位：F/M

定义式：式中、分别为电位移矢量和电场强度其中:第9页,共81页，2024年2月25日，星期天（3）磁导率：单位：H/M

定义式：

式中、分别为磁感应强度和磁场强度矢量

其中；第10页,共81页，2024年2月25日，星期天第二节电阻率法

什么是电阻率法：电阻率法是传导类电法勘探方法之一。建立在地壳中各种岩矿石具有各种导电性差异的基础上，通过观测和研究与电阻率差异有关的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。第11页,共81页，2024年2月25日，星期天[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（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。第12页,共81页，2024年2月25日，星期天1、电阻率法的理论基础岩、矿石的电阻率1.电阻率基本公式电阻R（Ω）长度（m）截面积（m²）电阻率ρ（Ω·m）S2.电阻率单位SI制中第13页,共81页，2024年2月25日，星期天3.导电机制⑴溶液：带电离子⑵金属导体：自由离子，如自然铜、金、银和石墨，电阻率低⑶半导体：“空穴”导电，大多数金属硫化物，金属氧化物体，电阻率较低⑷固体电解质：离子导电，绝大多数造岩矿物，如石英、云母、方解石、长石等，电阻率高第14页,共81页，2024年2月25日，星期天4.主要岩矿石电阻率及其变化范围ρ沉＜ρ变＜ρ火沉积岩：10～10²Ω·ｍ火成岩：10²～10Ω·ｍ变质岩：介于两者之间6沉积岩变质岩火成岩第15页,共81页，2024年2月25日，星期天第16页,共81页，2024年2月25日，星期天其规律：金属矿电阻率比造岩类矿物（≥106Ωm）偏低，而每一种矿物变化范围很大。第17页,共81页，2024年2月25日，星期天5.影响电阻率的主要因素⑴矿物成分、含量及结构金属矿物含量↑，电阻率↓结构：侵染状＞细脉状⑵岩矿石的孔隙度、湿度孔隙度↑，电阻率↓风化带、破碎带，含水量↑，电阻率↓⑶水溶液矿化度矿化度↑，电阻率↓第18页,共81页，2024年2月25日，星期天几种常见岩石的孔隙度

分类岩石名称空隙度/％分类岩石名称空隙度/％沉积岩土壤20.0~69.4火成岩玄武岩18.7~砂15.0~63.2安山岩6.0~粘土10.1~62.9辉长岩0.4~1.9砾石20.2~37.7花岗岩0.4~4.1页岩1.5~44.8辉绿岩0.5~5.1砂岩2.0~18.4闪长岩0.4~4.0灰岩0.7~10正长岩0.9~2.9变质岩结晶石灰岩0.9~8.6注：带有喀斯特溶洞的灰岩空隙度可达n×10%片麻岩0.4~7.5大理岩0.1~2.1第19页,共81页，2024年2月25日，星期天⑷温度温度T↑，溶解度↑，离子活性↑，电阻率↓结冰时，电阻率↑⑸压力压力↑，孔隙度↓，电阻率↑超过压力极限，岩石破碎，电阻率↓⑹构造层的问题这种层状构造岩石的电阻率，则具有非各向同性，即岩层理方向的电阻率小于垂直岩层理方向的电阻率第20页,共81页，2024年2月25日，星期天岩石电阻率与温度的关系

-40-2002040t/ºC100101电子导体矿物、矿石的电阻率随温度增高而变大离子导电岩石的电阻率却随温度的增高而变小第21页,共81页，2024年2月25日，星期天层状介质的电阻率1、纵向电阻率和横向电阻率岩土介质的各向异性介质中，当电流垂直层理方向流过时所测得的电阻率称为横向电阻率，用符号表示ρn；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ρt来表示第22页,共81页，2024年2月25日，星期天

层状结构岩石模型（a）实际岩石(b).等效模型(b)（a）层状介质的电阻率第23页,共81页，2024年2月25日，星期天纵向电导与横向电阻横向电阻与纵向电导的定义：假设在层状介质中取底面积为1平方米，厚度为h的六面岩柱体，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，用符号T表示，单位为欧姆Ω，横向电阻在数值上等于电性层的厚度与电阻率的乘积。即T=h.ρ第24页,共81页，2024年2月25日，星期天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：第25页,共81页，2024年2月25日，星期天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表示，单位为1/Ω

，纵向电导与层参数的关系为第26页,共81页，2024年2月25日，星期天第27页,共81页，2024年2月25日，星期天第28页,共81页，2024年2月25日，星期天第29页,共81页，2024年2月25日，星期天岩石的电阻率测定第30页,共81页，2024年2月25日，星期天岩石的电阻率测定露头法：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。标本法：小对称四极测量、欧姆定律分析法：对测量区已有电法资料进行分析第31页,共81页，2024年2月25日，星期天稳定电流场的基本规律欧姆定律第32页,共81页，2024年2月25日，星期天第33页,共81页，2024年2月25日，星期天稳定电流场的边界条件衔接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第34页,共81页，2024年2月25日，星期天

在物理学中，恒定电场是用三个相互有联系的物理量V（电位）、E（电场强度）和j(电流密度)来描述的，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：地面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第35页,共81页，2024年2月25日，星期天

为了建立地下电场，总是用两个电极（例如A、B）向地下供电。这两个接地的电极（A、B）称为“供电电极”。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“点”，故又将它们称“点电源”

第36页,共81页，2024年2月25日，星期天1.一个点电源的电场设在地面A点向地下供电，电流强度为I，地下半空间的电子率为ρ。地下距A为的点M处的电流密度为：

电场强度为：

电位为：第37页,共81页，2024年2月25日，星期天对上式两边积分得：当r→∞，V=0，则C=0代入上式得第38页,共81页，2024年2月25日，星期天2.两个异性点电源的电场第39页,共81页，2024年2月25日，星期天在任意的M处的，可按场的叠加原理知：第40页,共81页，2024年2月25日，星期天1）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。第41页,共81页，2024年2月25日，星期天3、地下电流沿深度的分布规律（勘探深度）jh的方向平行于地表上式表明，AB中垂线上任意一点M处j的大小，除与I有关外，还与M点的深度（h）及电极距大小有关当h→∞，当h→0，第42页,共81页，2024年2月25日，星期天

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

最佳供电电极距第43页,共81页，2024年2月25日，星期天注意：勘探体积：一般认为，电流分布在深度h=AB/2到地表的有效范围内。因为地下地质体的存在，地表观测的电场会发生畸变，从而发现地下地质体。埋深大于h=AB/2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。第44页,共81页，2024年2月25日，星期天4、电阻率公式及视电阻率

1.（均匀大地）电阻率公式第45页,共81页，2024年2月25日，星期天M、N处的电位为：式中AM、BM、AN、BN分别是A、B与M、N间的距离。上两式相减可得MN两点间的电位差：则第46页,共81页，2024年2月25日，星期天则→均匀大地电阻率公式式中的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ρ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。第47页,共81页，2024年2月25日，星期天2.非均匀介质中的地下电流场及视电阻率

“地电断面”—根据地下地质体电阻率的差异而划分界限的垂向断面。（地面断面与地质断面关系？）

（1）非均匀介质中的地下电流场由图可见：

高阻体具有向周围排斥电流的作用。

低阻体具有向其内部吸引电流的作用。第48页,共81页，2024年2月25日，星期天（2）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“电阻率值”，不过这时计算出的“电阻率值”，既不是ρ1，也不是ρ2和ρ3，而是三者都有关的一个量，称为“视电阻率”，用符号ρs表示，即※视电阻率：在电场有效作用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体和地形起伏的一种综合反映。第49页,共81页，2024年2月25日，星期天（3）影响视电阻率的因素

电极装置—供电电极（A、B）及测量电极（M、N）的排列形式和移动方式

①电极装置类型及电极距的大小

②测点相对于地质体的位置

③电场有效作用范围内各种地质体的真电阻率

④各地质体的分布状态（及形状、大小、埋深及相对位置）第50页,共81页，2024年2月25日，星期天视电阻率在数值上与MN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电性不均匀体的影响。当MN很小时，可将MN范围内的电场强度视为不变第51页,共81页，2024年2月25日，星期天

如果在均匀半无限介质的条件下，，且此时所测得的，故有：即：视电阻率在不均匀体和地形起伏的分布示意图第52页,共81页，2024年2月25日，星期天

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：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。

当地面水平时第53页,共81页，2024年2月25日，星期天ρ剖面曲线的变化能清楚的反映出地下导电性不均匀体的位置及电阻率的相对高低第54页,共81页，2024年2月25日，星期天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ρs值等于岩石真电阻率ρ值。ρs剖面曲线乃为一条数值等于p的直线。视电阻率的计算公式视电阻率的分析公式第55页,共81页，2024年2月25日，星期天A(+I)B(-I)X(a)(b)重新分析：第56页,共81页，2024年2月25日，星期天3.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

式中jMN，ρMN测量电极M、N间任一点的电流密度和介质的真电阻率。

j0—为均匀各向同性介质体中M、N间的电流密度。上式表明，ρs与M、N间的介质的电阻率ρMN电流密度jMN成正比第57页,共81页，2024年2月25日，星期天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：第58页,共81页，2024年2月25日，星期天2、电阻率法的仪器和装备对电阻率法仪器的要求：1、灵敏度高2、稳定性好3、抗干扰能力强4、输入阻抗高第59页,共81页，2024年2月25日，星期天2、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——铁棒或铜棒测量电极——铜棒、导线及供电电源。第60页,共81页，2024年2月25日，星期天半球形供电电极电极的接地电阻分析第61页,共81页，2024年2月25日，星期天

电阻率法的仪器种类很多，有图DZD-4多功能直流电法仪，它具有如下功能：（1）高密度电阻率法测量（2）视电阻率法和激发极化法同时测量；（3）实时大屏幕液晶汉字显示实测曲线；（4）信号增强技术，不仅适用于野外勘查，也适用于城市勘查。第62页,共81页，2024年2月25日，星期天第63页,共81页，2024年2月25日，星期天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，常采用不同的装置。目前，我国采用的电阻率装置类型有电剖面法、中间梯度法和电测深法。电阻率剖面法简称电剖面法。它包括许多分支装置：二极装置、三极装置、联合剖面装置对称四极装置和偶极装置等。第64页,共81页，2024年2月25日，星期天电阻率法的常用电极装置类型第65页,共81页，2024年2月25日，星期天二极装置（AM)供电电极B和测量电极N置于无穷远，即远离测量区域的地方（垂直于AM连线的方向，大于5倍AM),B极在M处产生的电位和A极在N处产生的电位均可忽略，ΔUMN=ΔUM,二极装置的记录点通常取在AM中点。优点：跑极方便，测量电位信号大缺点：布置两个无穷远极第66页,共81页，2024年2月25日，星期天三极装置（AMN)将B极置于无穷远，MN之间的距离比较小，三极装置的记录点通常取在AM中点。第67页,共81页，2024年2月25日，星期天联合剖面装置（AMN∞

MNB)有两个对称的三极装置组成，即rAM=rNB。其中电源负极接到置于无穷远的C极，正极分别接到A极或B极。ρs的表达式与三极装置相同。记录点为MN的中点。有两个视电阻率，反映的地下信息比其他装置多。第68页,共81页，2024年2月25日，星期天对称四极装置（AMNB)rAM=rNB，记录点在MN的中点AM=MN