地球物理勘探---电法勘探

1、电学法勘探，1 .定义：电学法勘探是以岩(矿)石之间的电学差异为基础，观测和研究与电学差异相关的电场和电磁场的分布特征和变化规律，揭示地下结构，寻找有用矿物的地球地球物理勘探方法。 2特征：可以概括为“三多”、“两广”，三多：可以利用的物性参性多、导电性(或)、电化学活性()、介电性()、导磁性()、利用场源多的感应系电法勘探(交流法)交流电流场、电阻率法*充电法自然电场法激励极化法， 次低频电磁法频率探测法研究非常低频法电磁波法大地电磁法，应用空间广，两广，应用范围广，航空地面海洋供水井、金属和非金属矿石油气探测地质填图水文和工程深部构造(。 从十九世纪初期P. Fox在硫化金属矿床中发现自

2、然电场现象开始，也只有200年左右的历史。 我国的电法勘探始于上世纪30年代，当时由北平研究院物理研究所的区功叙先生开发。 展开的方法有自然电场法和电阻率法。 采用自制电位计和英寸系列Magger电阻率修正。 三四十年代，顾功叙、王子昌、了毅等先生在安徽涂鸦，鞍山、贵州巡碣、水城、赫章、云南东川汤丹、落雪、旧、昭通、会译、易门等地的铁元素矿石、硫化金属矿床、锡矿新中国成立以来，电法在我国首次得到巨大发展，迄今，我国已成为其中一部分已经达到国际先进水平。 目前，在应用地球物理学中已成为方法种类最多、应用面最广、适应性最强的分支学科。 应用领域涉及工程、环境、能源、水文、固体矿产、深部构造等各个方

3、面。 介绍最基本的电阻率法电阻率法是传导系电法勘探方法之一。 在地壳中各种岩矿石具有各种导电性差异的基础上，通过观测和研究与这些个差异相关的天然电场或人工电场的分布规律，达到阐明地下结构和寻找有用矿物的目的。 第一节电阻率法，(一)，岩土介质的电阻率岩土介质的电阻率差是电阻率法的物理前提，电阻率是描述物质的导电性能的电残奥表，从中学物理开始，电流沿一段导体的延伸方向流动时，导体的电阻r与其长度l成正比，与垂直于电流方向的导体横截面积s成反比，即r=。 因此，电阻率与电流垂直通过每单位面积的立方形截面时该导体所表示的电阻在数值上相等。 电阻率的倒数为电导率，直接表示岩石的导电性能。 一、电阻率法

4、的理论基础、主要岩矿石电阻率及其变化范围：沈变火灾沉积岩： 1010火成岩： 1010变质岩：介于两者之间6，(二)、影响电阻率的因素岩、矿石矿物成分(良导金属含量)一般来说，岩、矿石中良导金属含量越高电阻率就越低。 但是，有着比岩石结构更重要的影响。 构造、大气湿度(含水量)大气湿度对岩石电阻率有很大影响，含水岩石的电阻率远低于干燥岩石，因此同一地区雨后观测到的电阻率大大降低. 由于温度温度的变化会引起水溶液中的络离子活性的变化，因此岩石中的水溶液的电阻率也随温度的上升而降低，地热勘探中利用该特征来确定地热异常。 冬季勘探时，地下岩石中的水溶液冻结呈极高的电阻率，值得重视。由于空隙率小，所含

5、水分也少，所以电阻率高。 空隙率大、渗透性强的岩层，如砂层、砾石层等，其电阻率显然取决于含水条件，在含有矿化度高的地下水的情况下，电阻率只有几十到几欧姆，在潜水面以上的含水条件差的情况下，其电阻率可达到几百到几千欧姆。 石灰岩的电阻率一般较高，但其中溶洞、溶隙发育，填充矿化度不同的地下水时，其电阻率大幅度降低。 矿化度水溶液的电阻率与其矿化度有密切关系。 地下水矿化度变化范围广，淡水矿化度约为0.1g/L，咸水矿化度高达10g/L。 很明显，岩石中含有的水溶液的矿化度越高，其电阻率就越低。 因此，在岩性变化较少的条件下，可以对地面和供水井应用电阻率的差异来划分咸淡水层位。 压力、空隙率、电阻率

6、超过压力极限，根据岩石破碎、电阻率、电阻率法，为了探测下部物质，首先在地下半空间建立人工电场，然后研究地质对象存在引起的电场变化，达到探测开采或地下结构的目的. 在电阻率法勘探中，我们通过电极向地下供电，形成人工直流电场，直流电场中的电荷分布不随时间变化，因此也被称为稳定电场。 首先了解稳定电场的基本规律。 补充知识，稳定电流场的基本定律1，微欧姆定律的结论：稳定电流场任一点的电流密度与该点的电场强度成正比，与介质的电阻率成反比。 (适用于均匀、不均匀的介质)。 2、基尔霍夫定律的结论在稳定的电流场中，不包括场源在内的任意点电流在任何地方都是连续的。 3、稳定电流场的势场性结论：在稳定电流场中

7、，电荷的分布不随时间变化，场的任一点的电位仅与从该点到场源的距离有关。 4 .稳定电流场的基本方程拉普拉斯方程是满足稳定电流场的差分方程，我们用电阻率法讨论的各种理论曲线都可以通过求解该偏微分方程得到。 法国数学家皮埃尔西蒙拉普拉斯最早提出的名字。 解拉普拉斯方程是电磁性、天文学和流体动力学等领域常见的重要数学题，因为这个方程式以势函数的形式描述了电场、重力场和流场等物理对象(一般统称为“保守场”或“有势场”)的性质。 点电源的场合为了研究方便，首先使条件合理化：大地是水平的，而且与不通电的空气接触，地下媒体满足下半部分的空间，电阻率在媒体中到处相等，即其电导性与空间方向无关，是“均匀的各向同

8、性半空间”。 为了形成地下电场，地面总是使用两个供电电极向地下供给电流，然后在距供电电极一定距离的位置观测场的分布。 当然，由于电极的大小一般比电极间的距离小，所以可以把电极看作一个点，称为点电源。 观测范围仅限于一个电极的附近，另一个电极放置在“无限远”的话，构成一个点电源的电场。观测范围必须将两个电极的影响考虑到云同步的情况下，成为两点电源的电场。 1、关于一点电源的电场，由于从点电源a到rAM的m点的电流密度为：通过微欧姆定律得到的m点的电场强度为：任意一个点的电位仅与从该点到场源的距离有关，所以在：积分：r、U=0，积分常数c、电位u与r成反比，r变大电场e的衰减比电位快，电场的矢量方

9、向与矢径r相同，如左图所示，其正、负由电流线方向是与x轴正方向相同还是反方向决定。 2、2点电源的电场，在当前地表被2个各向异性现象点电源供电的情况下，根据电场的重日式榻榻米原理，可以写出观测点m处的电位式和电场强度式：结论：越接近电极，电位变化在a极(正极)附近越大，在电位迅速上升的b极(负极)附近AB (正负极)中点电位为零。 在AB中部(1/21/3 )扇区，电势梯度小，电场强度也比较均匀，在AB中点电位为零，电场强度一定。 (中间梯度法的原理)、(3)、电阻率式以及视电阻率1、电阻率式、均匀的大地电阻率，原则上可以使用任意形势的电极排列进行，在地表的任意两点供电，然后在任意两点测量其间

10、的电位差，根据双点电源的电场分析， 由于两者之间的电位差对于任何四极装置都能够计算出其装置系数，所以如果测定任意两点间的电位差以及电流的大小，就能够根据上式求出两点间的电阻率的值，可以认为测定点位于MN点的中点。 考虑到实际需要，始终将供电电极和测量电极放在一条直线上。 2、电阻率、电阻率的测量公式是在地表水平、地下介质均匀各向同性的假设下推导出来的，在实际工作中地下介质呈各向异性现象不均匀分布，地表也经常不均匀，需要研究这种情况下的稳定电场。 地断面：根据基底材料电阻率的不同划分边界的断面。 这些个边界可能与地质体、地质层位边界一致，也可能不一致。 由上图可知，以上求出的电阻率与p1、p2、

11、p3都有关系，2次的电阻率值都不同。 在地质剖面电气不均匀且复杂的情况下，如果使用电阻率的测量式，则将本来不均匀的地质剖面置换为某个等价的均匀截面。 因此，我们实际修正的电阻率不是某岩层的真正电阻率，而是电场分布范围内各种岩石电阻率综合影响的结果。 我们将其称为视电阻率，用s表示：在电阻率法的实际工作中，一般是测量视电阻率，只有在电极排列在某一单一岩性地层中时，才能测量该地层的真电阻率。 影响视电阻率的因素：电极装置类型及电极距离的大小(电极装置供电电极(a，b )及测定电极(m，n )的排列形式和移动方式)相对于测定点的地质体的位置电场有效作用范围内的各种地质体的真电阻率各地质体的分布状态(

12、以及形状、大小， 埋入深度及相对位置之间的电场可以认为是均匀的，因此将上式引入视电阻率的公式：如果显然现地下介质是均匀的，则可以表示电阻率法的实质，可以整理得到： 进而视电阻率的式子：将上式引入视电阻率和电流密度的关系的某一点的视电阻率表示测量电极存在的介质的真电阻率成比例，该比例系数是测量电极间的实际电流密度和假设地下为均匀介质时的正常电场电流密度的比。 很明显，jMN包括电场分布范围内各种电地质体的综合影响。 现在地下一半的空间存在低电阻不一体的情况下，正常电流线被吸引到低电阻体，地表MN的实际电流密度减少，因此jMN jo、sMN。 由图可知，高电阻体在周围有排斥电流的作用。 低电阻体有

13、向其内部吸引电流的作用。 这样，我们通过地面表现视电阻率的变化，可以明确地下电学上不均匀的地质体的存在和分布。因为这是电阻率法，所以可以解决地质问题的基本物理依据。 很明显，视电阻率的异常分布除了与地质对象的电及产状相关之外，还与电极装置相关。 注(供电电极间距与探测深度的关系): 一般而言，若增大供电电极间距则能够增大探测深度，但在电源电力不变的情况下，随着极间距变大，电流密度值也变小，因此若增大极间距则云同步(供电电极间距与测量极间距)、 (1)对电气量测仪器的一般要求是，在电阻率法的野外工作中，实际测量MN电极间的电位差u以及供电电路的电流I，使用公式修正各点的电阻率。 因此，电阻率法仪

14、器必须在性能上满足野外条件下能够准确测量微弱电位差和电流的要求： (1)灵敏度高，灵敏度高，电位差捕捉准确，即使是小电位差也能够准确测量，所以高灵敏度仪器能够减小供电电流，选择细导线，使装置整体轻量化。 二、电阻率法仪器和装备；(2)在耐干扰作用能力强的电学法勘探野外，经常遇到大地电流、工业杂散电流等电场干扰作用，电气测量仪器必须具有对上述随机干扰作用电场的强抑制能力，保证了仪器对有效信号的灵敏度和稳定性。 (3)高稳定性电法勘探野外环境较差，条件变化大。 电气量测仪器能适应各种气候条件，在相当宽的温度和大气湿度变化范围内保持性能的稳定。 (二)、电阻率法的主要装备、供电电源、供电电极(铁元素

15、棒或铜棒)、测量电极、电学量测仪器(测量供电电流I和测量电极m，n之间的电位差UMN )、引线等，断面法是电阻率法的一个大类。 特征：采用一定的供电电极距离，使电极装置沿观测截面移动，在每个点观测视电阻率的值。 由于供电电极距离不变，因此检测深度能够保持在相同范围内。 因此，电断面法知道沿截面方向在地下某一深度范围内不同的电物质分布情况。 分类：联合断面法、对称断面法、中间梯度法等。 不同的装置形式，解决地质问题的能力不同。 三、电气断面法、(一)、联合断面法1、装置形式及视电阻率式、设备：两个三极装置、AMN和MNB联合检测、一极无限远放置。 AMNB在同一测量线上，AM=BN，共同的无穷远

16、c，测量线的中心垂线上，通常到测量线的距离大于AO的5倍(即，对于观测扇区，其影响可以忽略)。 工作方法： AMNB沿定标曲线一起移动，使电极间的距离保持一定，在各检测点测量2个视电阻率值，分别记为和，因此，可以用1个定标曲线得到2个视电阻率曲线。 校正公式是：即使在移动中装置系数也不变，联合断面法非常适合查找陡的层状或脉状地质体(如果供电电极间距离大于这些个的地质体宽度，则可将其视为脉状良导体)。 分析方法：用上一章所学的视电阻率微分公式，对该问题进行定性分析。良导脉状体上的联合截面Ps曲线、2、联合断面法Ps曲线分析，(1)电极a、m、n位于良导薄脉的左侧，与其分离时，因薄板对电流分布的影响小。 因此，定性分析式为(2)在a、m、n逐渐接近良导薄脉冲时，薄脉冲将来自a极的电流向右“吸引”，使m、n之间的电流密度增大，即曲线上升(曲线上的点2 )。 (3)随着a、m、n继续向右移动，对良导薄脉冲的电流的“吸引”逐渐增强，曲线继续上升，达到极大值(曲线上的点3 )。 (4)当a、m、n接近到超过脉顶时，薄脉冲向下“吸引”电流，m、n间的电流密度反而减少，即开始急速下降。当a和m、n分别在薄板两侧移动时，大部分的电流被吸引到薄脉，在薄脉的遮蔽作用下，m、n之间的电流密度进一步变小，因此曲线出现缓慢的低值带(曲线上的点4附近的短部分)。 (5)a、m、n均超过脉顶后，低阻脉