电法勘探4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,4.1充电法,充电法是对地面上、坑道内或钻孔中已经揭露的良导体直接 充电，以解决某些地质问题的一种电法勘探方法,（1）充电法的基本原理,将与电源正极连接的供电电极A通良导体（矿体、含水体等）露头接触，其接触点称为充电点。与电源负极连接的供电电极B布设为无穷远极，以至它在导体附近产生的电场可以忽略不计。此时，整个良导体相当于一个大的供电电极,在理想条件下，即导体的电阻率20，或导体电阻率与围 岩电阻率比较，满足2 1时，无论将导体内哪一点作为充 电点，由于导体内没有电阻（或电阻趋于零），将不会产生电位降（或电位降可以忽略），因此，

2、导体内部及其表面各点的电位都相等，整个导体实际上是一个“等位体”。假定围岩的电性是均匀的，则进入围岩的电流将与导体表面垂直,剖面图,一般形状的导体，周围有很多等电位面。在导体表面附近， 由于电流刚流出导体，电流密度大，电位降落快，因此等未免十分密集。并且，越靠近导体，等位面的形状与导体形状越一致。远离导体，电流密度逐渐减小，电位降落逐渐减弱，等电位面越来越稀，形状逐渐趋于圆形。如果用仪器在地面追索，可获得若干等位线。等位线在导体边缘附近最密集，形状接近与导体在地面的投影轮廓,平面图,下图是理想充电良导球体的电位平剖图和电位梯度平剖图。 在球心正上方的主测线上，电位曲线在球心正上方有极大值，两侧

3、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似，只是远离充电体，曲线幅值减小，范围变宽,等位脉体的电位U为一对称曲线。脉体水平时，在导体顶部 上方获得宽缓的极大值；在顶部边缘或略想外移动的地方，电位降落最快；而在远离顶部边缘的位置，电位下降逐渐变缓，最后趋近于零。等位导体的电位梯度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的边缘部位,脉体直立时，在脉体顶部正上方对应出现电位的极大值，电 位曲线左右对称；等位脉体的电位梯度U/x曲线则为一反对称曲线，在充电导体顶部，电位梯度为

4、零，在脉体左侧出现正的极大值，在脉体右侧出现负的极小值,脉体倾斜时，显然，电位曲线与电位梯度曲线均不对称，电 位曲线的极大值点与电位梯度曲线的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,由此可见，利用在地面观测到的等位线的形状和分布情况， 可以判定充电导体的形状和范围；利用剖面电位曲线和电位梯度曲线，还可以判定充电导体的顶部和边界位置,实际工作中，一般的地质体都不是等位体，因此，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

5、电点的位置有关,所以，充电法的应用要求有一定的地质与地球物理条件：地 质体与围岩要有一定的导电性差异，并且这种导电性要足够大,下图a是充电点位于导体边缘时的曲线。电位曲线的极大值点出现在充电点附近，且偏向导体右侧，曲线从极大值缓慢下降到导体的另一端；而在充电点左侧，电位曲线离开极大值后便迅速下降，整条曲线呈现出明显的不对称形态。电位梯度曲线的零点在充电点附近，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,左下图是充电点位于导体边缘时的曲线。电位曲线的极大值 点出现在充电点附近，且偏向导体右侧，曲线从极大值缓慢下降到导体的另一端；而在充电点左侧，电位曲线离开极大值后

6、便迅速下降，整条曲线呈现出明显的不对称形态。电位梯度曲线的零点在充电点附近，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,右下图是充电点位于导体中心时的曲线。此时，电位曲线和 电位梯度曲线均对称分布，很难与等位体的曲线进行区分。因此，在进行自电法资料解释工作时，必须考虑到充电体本身的电阻率2与围岩电阻率1之间的差异，以及充电点的位置，这样才能对充电导体的形状和范围做出较为可靠的推断,（2）充电法的装备及工作方法,充电法所使用的装备和电阻率法相同,在地面观测电场分布，常用以下两种方法：,电位观测,电位梯度观测,将测量电极N置于距离导体足够远的某一固定基点上接地。 另

7、一测量电极M沿测线逐点移动，观测各测点相对于固定基点N的电位差。把这个差值作为该测点的电位值U,把测量电极MN置于同一测线的两个相邻测点上，保持其相对位置和间距不变，沿测线逐点移动，观测各相邻测点间的电位差UMN，便可推算MN中点处的电位梯度（UMN/MN）,为消除供电电流I的变化对观测结果的影响，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,充电法的主要成果图件和电阻率法类似，包括：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,（3）充电法资料解释,解释电位等值线平面图时，可由等电位线的形状和密集程度 推断导体在地面的投影

8、和走向，并初步圈定其边界。另外，还可以从等位线分布的不对称性判断导体倾向。等位线较稀的一侧为导体倾斜方向，因为在该方向上电位下降较为缓慢，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的中心位置、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映了充电 导体的顶部位置，极值点位置大致是导体的边界。如果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的一方倾斜。解释电位梯度平面剖面图时，可由零值点的连线判断导体走向，由各剖面线极值点的位置圈定导体的大致位置,应当注意的是，只有在充电导体近似等电位体时，上述特征 才表现明显。不等位体、围岩

9、电性不均匀或地形起伏，都会使充电法的电位曲线和电位梯度曲线发生畸变，在解释时应充分考虑,利用充电法曲线还可以进行定量解释。如，根据电位梯度曲 线的参数p和m，可以计算充电导体的埋深。p为梯度曲线极大值 点和极小值点之间的水平距离；m为通过曲线拐点和极大值点分 别作切线，这两条切线交点的横坐标与梯度曲线零值点横坐标间的距离，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：,充电法的应用范围和应用条件,充电法可以用来解决如下地质问题：,1.确定已揭露（或出露）地质体隐伏部分的形状、产状、规模等,2.确定已知相邻地质体之间的连接关系,3.利用单井测定地下水流量和流速,4.研究滑坡，

10、以及追踪地下金属管线等,充电法的应用条件：,1.被研究对象（充电体）至少有一处被揭露，以便设置充电点,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。充电法的最大研究深度一般仅为充电体延伸长度的一半,充电法探测地质体是否相连：一般在两个露头分别充电，并在通过它们的同一测线上依次观测。如果获得的两次电位梯度曲线相同或相似，可以认为两地质体是连通的；如果两条曲线相差悬殊，则表明它们是不连通的,左中图a是根据钻孔资料编制而成， 它与充电法的观测结果（左上图） 有很大的矛盾。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

11、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的。而不是像钻孔地质图那样推断为不连通,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，曲线3、4形 态相近，但与曲线1、2有很大的区别，推断C、D两点所在地质体，不是A、B两点所在的地质体。根据上述推测，绘制了电法推断的地质图（左下图）,为进一步验证电法解释成果，在钻孔ZK58和钻孔ZK11间，加密了ZK59。在钻孔ZK59中E点的充电电位梯度曲线和1、2类似，而钻孔ZK59中F点的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，从而证明了各地质体的连

12、通关系,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测 到一定大小的电位差。这表明地下存在天然的电流场，称为“自然电场”,常见的自然电场有两类： 1.呈区域性分布的不稳定电场，称为“大地电磁场”，其分 布特点与地壳构造有关 2.分别范围较小，仅限于某个局部地区的电场，它的存在往 往与某些金属地质体或地下水运动有关,本节只讨论第二种自然电场,（1）自然电场的成因,目前，对产生自然电场的原因，比较一致的认识有三种：,1.电子导体与围岩溶液间的电化学作用,电化学理论指出，电子导体与离子导电的水溶液（盐溶液） 接触时，在它们的接触面上将产生“双电层”：如果电子导体成分单一，且全

13、部沉浸在化学性质均匀的盐溶液中，则导体表面将形成均匀、封闭的双电层。由于双电层中正、负电荷相互平衡，故导体周围不会出现电场。但是，如果电子导体的成分发生变化，或盐溶液性质不均匀，则双电层的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,当良导体埋藏于潜水面附近时，在潜水面以上的围岩中，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，使近地表围岩溶液具有氧化性质。因此，导体中的电子被围岩溶液夺取呈现正极性，而溶液因含有较多电子呈负极性。随着深度的增加，岩石孔隙中所含氧气量逐渐减小，到潜水面以下后，围岩溶液因缺氧而具有较多的还原性质。这时，导体呈现负极性

14、而溶液带正电。于是，由地表至地层深处，在导体与围岩溶液的界面上，形成了不均匀的双电层，导体处于“极化”状态,溶液的电性具有保持“中性”的趋势。导体上半部富氧盐溶 液中具有的负电荷需要移去，或用一定数量的正离子去平衡。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的负离子。这样，盐溶液中下部的正离子向上运动，而上部的负离子向下运动，在围岩盐溶液中形成由下向上的电流。在导体内部，电子由下部移向上部，形成由上向下的电流。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，通常据此可发现良导体,2.岩石中地下水运移的电动效应,岩石颗粒与周围溶液间存在双电层，

15、双电层靠近岩石颗粒的 一侧带负电，双电层靠近溶液的一侧带正电，整个系统呈电性平衡。当地下水在多孔隙岩石汇总流动时，将带走溶液中的部分正离子，并使之聚集在水流方向上。在水流的反方向上，则滞留负离子。于是，水的流动破坏了电性平衡，产生极化，并沿水流方向形成电位差。电动效应引起的自然电场，称为“过滤电场”。这种电场一般出现在起伏不平的地形上，水流的终点处显示正电位，水流的起点处显示负电位。因此，可以发现山顶电位比山脚低的现象,3.岩石中不同浓度溶液离子的扩散作用,自然界中岩石所含水溶液的浓度不尽相同，当不同浓度的两 种水溶液接触时，会产生离子扩散现象。浓度高的溶液中的离子向浓度低的溶液扩散。在扩散过

16、程中，由于正负离子迁移率不同，浓度低的溶液获得与迁移率较大的离子极性相同的电位，而浓度高的电位则获得极性相反的电位，因而，在溶液中形成电位差。这种由扩散所引起的自然电场，称为“扩散电场”,地下水中通常含有氯化钠（NaCl），且氯离子（Cl-）的迁移率比钠离子（Na+）大，因此浓度较低的水溶液呈正电位，幸臣扩散电场。扩散电场一般都很弱。自然界中，纯粹由扩散作用形成的自然电场是不存在的。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，所形成的自然电场是它们共同作用的结果,球体的自然电场,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，则球体的自然

17、电位表达式为,式中U0是球体表面电位跃变的极大值，即极化轴与球体表面两个交点的电位差,1.垂直极化（90）时：电位曲线为一全负值的对称曲线，负的极小值位于球心正上方，即x0时的电位为,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的比值,（3）U与2 /1的关系： 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,2.水平极化（0）时：电位曲线为坐标原点对称曲线，负 的极小值位于球体左侧，正的极大值位于球体右侧，而球心正上方曲线出现零值点,3.斜极化（比如30）时：电位曲线以负值为主

18、，在极化倾斜方向伴随有正值的不对称异常。异常幅值随U0、 r0 / h0和2 /1的变化规律基本上与垂直极化时相同,实际工作中，由于水文地质条件的影响，极化轴一般近于垂直，故在地质体上通常观测到负电位。只有在地形切割较强的地区，或倾斜向下延伸的脉体上，才能观测到明显的正电位异常,（2）自然电场法的装备及工作方法,自然电场法使用的仪器设备和电阻率法 基本相同。所不同的是由于自然电场法是天 然场法（或被动源法），不需要电源和供电 电极。并且测量电极不是铜棒，而是“不极化电极”，采用它的目的是减小两测量电极间的极差,不极化电极如下图所示。用底部不涂釉的瓷罐装入硫酸铜的饱和溶液，将纯铜棒浸入溶液中，铜

19、棒上端连接导线。当瓷罐置于土壤中时，瓷罐中的铜离子可透过瓷罐底部的细孔进入土壤，使铜棒和土壤之间形成电的通路。铜棒浸在同种离子的饱和溶液中，并不与土壤直接接触，因此在土壤和铜电极 之间不产生极化作用。采用这种电极，能有 效的避免铜电极与土壤中的水溶液接触而发 生极化；同时，两测量电极之间的极化电位 差非常小，使得实际观测值只与自然电场的 电位差有关系,自然电场法的的观测方式与充电法相同。但是，电位观测法 使用更为普遍。仅在工业游散电流干扰严重时，才考虑采用电位梯度法进行观测,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沿测线逐点观测各测点相对于基点N的电位差。根据观测

20、数据可绘制自然电位剖面图、自然电位平面剖面图和自然电位等值线平面图等,（3）自然电场法资料的解释,自然电场法电位曲线的定性解释和中间梯度剖面线的解释类 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，并且可能出现很小的正值。这是由于导体下端或极化轴倾斜方向下端的溶液中出现正电荷的缘故,倾斜脉体的自然电位异常，在平面等值线图上呈不对称分布 的狭长条带状。在导体倾斜的一侧，等值线较密集，甚至有正值出现。解释时，除了以异常的狭长形状来推断导体的产状外，还可根据等值线的密集带，大致圈定导体范围，并凭借异常的长轴方向判断导体的走向。在等值线分布不对称的情况下，由较密的一侧推断导

21、体的倾向。解释时还应注意地形和围岩电性不均匀的干扰影响,基于理论研究和实践经验，可得出如下估计导体埋深的经验公式,1.估算直立柱体的顶面埋深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的宽度；通过曲线的两个拐点和极小值点分别作三条切线，通过拐点的切线与横轴的两个交点A、D，以及它们与通过极小值点切线的两个交点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，可采用2l0时的q和m来估算h，此时h代表球体或等轴状导体的中心埋深,2.估算脉体的顶部埋深h（脉体延伸长度为2l ）,当导体向下延伸很大时（类似无限延伸）：,当导体向下延伸很

22、小时（类似有限延伸）：,利用下式还可粗略计算脉体的厚度：,式中2的定义如左图所示。 当d0.1时，认为导体具有一定的厚度； 当d0.1时，则为薄脉,实例：自然电场法确定地下水的流向,过滤电场的方向与地下水的流向有关。在地下水埋藏不深、 流速较大以及地形比较平坦的条件下，应用自然电场法可以确定地下水的流向,野外观测方式常采用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的圆周，观测不同方位的自然电位差，然后将观测结果绘制成“极性图”。正常情况下，在地下水流向上所测得的电位差最大；而在其垂直的方向上，电位差观测值应该为零。但是，在自然条件下，由于地下水运动 的不均匀性以

23、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的轴 向，而水流方向由沿长轴所测电位差的极 性来确定，即水流方向由负电位指向正电 位,水流方向由负电位指向正电位,下图为河南荥（xing）阳地区利用自然电场法了解区域性地下水 流向的实测结果图。图中同时给出了根据水文地质资料所绘制的地下水等水位线。可以看出，自电和水文资料反映的流向是已知的。图的西北部，即黄河附近，自电极性图反映的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，根据水文资料，该区地下水水位，是高于黄河水位的，这就证实自电资料指示的地下水补给黄河水是符合实际的,实例：自然电场法在地热探测中的应用,杨发杰

24、（辽宁有色物探研究院），“电法综合参数在辽宁思拉堡地区地热探测中的应用”， 矿产与地质，2004，第18卷第4期,思拉堡地热区的水文地质特征：辽宁思拉堡地热区的大地构 造位置处于新华夏构造体系的第二隆起带上。出露岩性以印支期第三次侵入的二长花岗岩为主，区内思拉堡龙门汤断裂是思拉堡地热区的主要控热断裂，是控制熊岳盆地生成的金州岩石圈断裂的次级平行断裂。测区内具有已知热水井、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；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

25、水文地质条件为本次探测提供了良好的参考依据,自然电位曲线剖面如图1所示。剖面中的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别较大。探测6号井时，已多日没有抽水；而探测3号井时，此井刚停止抽水。通过对90m130m和410m440m两处自然电位的负值异常与水文地质条件的综合分析判断，推测该异常是由热矿水所引起,实例：充电法、自然电场法在水坝渗漏探测中的应用,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的应用”， 广西水利水电，2004，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

26、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，受高水位的影响，坝基一带的厚残坡积层、全风化强风化岩体的节理密集带等薄弱面均接受库水补给，发生渗流，长期渗流潜蚀导致发生渗漏，引起主坝下游坝面出现大面积渗水。2002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，彻底解决渗漏问题，采用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”。主要是由于电动效应所产生的电位差引起。形成渗漏部位进口处及背水流方向呈现负值异常，出口处呈正值异常。过滤电场电位的大小主要受地下水的水头压力差、岩石中矿物颗粒或裂隙碎粒的表面积率，以及渗漏通道埋深等因素影响,充电法：通常，对于相对集中的地下水流，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，可以看作是线状理想导体。当在理想导体上任一点充电，在充电