普通物探_第3-2節(jié)_電法勘探之激發(fā)極化法

1、（華東）3.2 激發(fā)極化法 電阻率法測(cè)量時(shí)，穩(wěn)定場(chǎng)的建立需要一個(gè)過程： 通電后，可觀測(cè)到測(cè)量電極間的電位差隨時(shí)間而變化（一般是變大），并經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間（通常是幾分鐘）后趨于某一穩(wěn)定的飽和值； 斷電后，測(cè)量電極間的電位差在最初的瞬間很快下降，而后隨時(shí)間相對(duì)緩慢地衰減，并在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間(也是幾分鐘)后接近于零。 這種現(xiàn)象表明，巖（礦）石在外電流（一次場(chǎng)）激發(fā)作用下產(chǎn)生了二次（極化）電場(chǎng)。充電和放電曲線（華東）激發(fā)極化法 這種在充電和放電過程中產(chǎn)生的隨時(shí)間緩慢變化的附加電場(chǎng)現(xiàn)象稱為激發(fā)極化效應(yīng)，簡(jiǎn)稱激電效應(yīng)，它是巖（礦）石及其所含水溶液在電流作用下所發(fā)生的復(fù)雜電化學(xué)過程的結(jié)果。 激發(fā)極化法（簡(jiǎn)稱激

2、電法）就是以不同巖（礦）石激電效應(yīng)的差異為基礎(chǔ)，通過觀測(cè)和研究大地激電效應(yīng)，用于探查地下地質(zhì)情況的電法分支方法。 進(jìn)行激電法測(cè)量，可以用直流電激發(fā)激電場(chǎng)，在時(shí)間域進(jìn)行觀測(cè)，稱為直流（時(shí)間域）激電法，也可以用超低頻交流電激發(fā)激電場(chǎng)，在頻率域觀測(cè)，稱為交流（頻率域）激電法。（華東）激發(fā)極化法 激電法是重要的金屬礦電法勘探方法之一，最初主要用于勘探浸染狀的銅、鈾等金屬礦床。 激電法的應(yīng)用范圍很廣，在金屬與非金屬固體礦產(chǎn)的勘查、尋找地下水資源、油氣礦藏和地?zé)崽锏确矫娑极@得了成功的應(yīng)用。不同巖石礦物結(jié)構(gòu)（華東）激發(fā)極化法 AAA 主要內(nèi)容 3.2.1 激發(fā)極化法的理論基礎(chǔ) 3.2.2 激電測(cè)深曲線的特點(diǎn)

3、 3.2.3 激電測(cè)深法的方法技術(shù) 3.2.4 激電測(cè)深法在油氣勘探中的應(yīng)用 （華東）3.2.1 激發(fā)極化法的理論基礎(chǔ) A 主要內(nèi)容 1. 巖（礦）石的激發(fā)極化機(jī)理 2. 測(cè)量巖（礦）石激電特性的裝置 3. 穩(wěn)定電流場(chǎng)中巖（礦）石的激電特性（華東）1. 巖（礦）石的激發(fā)極化機(jī)理 實(shí)驗(yàn)研究表明，電子導(dǎo)體（包括大多數(shù)金屬礦和石墨及其礦化巖石）的激發(fā)極化機(jī)理與電化學(xué)中供電電極的電解極化相同，是電子導(dǎo)體與其周圍溶液的界面上發(fā)生過電位（Overvoltage）的結(jié)果。 一般造巖礦物為固體電解質(zhì)，屬離子導(dǎo)體，在野外和室內(nèi)也能觀測(cè)到較明顯的激電效應(yīng)。關(guān)于離子導(dǎo)體的激發(fā)極化，一般都認(rèn)為與巖石顆粒和周圍溶液界面

4、上的雙電層有關(guān)。（華東）（1）電子導(dǎo)體的激發(fā)極化機(jī)理 在一定的外電流作用下，電極和溶液界面上的雙電層電位差相對(duì)于平衡電極電位的變化，在電化學(xué)中稱為過電位或超電壓。過電位的產(chǎn)生與電流流過電極-溶液界面相伴隨的一系列電化學(xué)反應(yīng)（簡(jiǎn)稱電極過程）的遲緩性有關(guān)。 在電子導(dǎo)體與溶液的界面上自然形成雙電層電位差（電極電位），稱為平衡電極電位，如圖（a）所示。電子導(dǎo)體的激發(fā)極化過程 （華東）電子導(dǎo)體的激發(fā)極化機(jī)理 當(dāng)有電流流過上述電子導(dǎo)體-溶液系統(tǒng)時(shí)，在電場(chǎng)的作用下，電子導(dǎo)體內(nèi)部的電荷將重新分布，自由電子在電流流入端相對(duì)聚集，形成“陰極”，電流流出端則形成“陽極”；外電層也發(fā)生相應(yīng)的變化，在電子導(dǎo)體的“陰極”

5、和“陽極”分別形成陽離子和陰離子的堆積，如圖（b）所示。在供電瞬間，過電位迅速建立并急劇增大，隨供電時(shí)間的延續(xù)，其增長(zhǎng)變緩并趨于飽和。電子導(dǎo)體的激發(fā)極化過程 （華東）電子導(dǎo)體的激發(fā)極化機(jī)理 外電流斷開后，維持過電位的能源已不存在，堆積在界面兩側(cè)的異性電荷將通過界面本身、電子導(dǎo)體內(nèi)部及周圍的溶液放電，如圖（c）所示，使界面上的電荷分布逐漸恢復(fù)到正常的雙電層；與此同時(shí)，過電位亦隨時(shí)間逐漸減少，直至最后消失。這就是過電位的放電過程。電子導(dǎo)體的激發(fā)極化過程 （華東）（2）離子導(dǎo)體的激發(fā)極化機(jī)理 由于陽離子的交換特性，在巖石顆粒和周圍溶液得分界面上形成雙電層：靠近界面的部分，陽離子被固相表面的異性電荷吸

6、引，不能自由活動(dòng)，形成緊密層；稍微遠(yuǎn)離界面，吸引力減弱，陽離子可以在一定范圍內(nèi)平行巖石顆粒表面移動(dòng)，形成分散層。巖石顆粒-溶液界面上的雙電層結(jié)構(gòu)（華東）離子導(dǎo)體的激發(fā)極化機(jī)理 在外電場(chǎng)作用下，溶液離子在巖石孔隙通道中移動(dòng)，在毛細(xì)管的電流流出端形成離子的堆積，而在電流的流入端則出現(xiàn)離子的不足，濃度差異使離子往濃度小的方向擴(kuò)散，產(chǎn)生擴(kuò)散起因的二次電場(chǎng)。二次電場(chǎng)阻礙離子濃度的進(jìn)一步增長(zhǎng)，使?jié)舛炔町惡投坞妶?chǎng)隨時(shí)間的增大而趨于飽和。巖石顆粒-溶液界面上的雙電層結(jié)構(gòu)（華東）離子導(dǎo)體的激發(fā)極化機(jī)理 外電場(chǎng)斷開后，離子通過擴(kuò)散而逐漸恢復(fù)原來的狀態(tài)，二次電場(chǎng)隨時(shí)間衰減，最后消失。 離子導(dǎo)體巖石的激電特性決定于

7、離子擴(kuò)散的路徑，即孔隙的構(gòu)造，如顆粒和孔隙的大小等。巖石顆粒-溶液界面上的雙電層結(jié)構(gòu)（華東）2. 測(cè)量巖（礦）石激電特性的裝置 將待測(cè)標(biāo)本置于絕緣的、不透水的長(zhǎng)方形小盒內(nèi)，標(biāo)本與盒底、盒邊之間用熔融的石蠟或橡皮泥密封，使標(biāo)本兩側(cè)溶液互不流通； 兩側(cè)溶液的液面高度相同，略低于標(biāo)本頂面； 在小盒的兩端各放一塊銅板作供電電極A和B，在盒內(nèi)溶液中產(chǎn)生均勻電場(chǎng)； 在標(biāo)本兩側(cè)各放置一個(gè)不極化電極作為測(cè)量電極M和N。測(cè)量巖（礦）石標(biāo)本激電特性的裝置簡(jiǎn)圖（華東）3. 穩(wěn)定電流場(chǎng)中巖（礦）石的激電特性 主要內(nèi)容： （1）激電場(chǎng)的時(shí)間特性 （2）激電效應(yīng)與供電電流密度的關(guān)系 （3）描述激電特性強(qiáng)度的參數(shù) （4）不

8、同巖（礦）石的極化率 （5）等效電阻率（華東）（1）激電場(chǎng)的時(shí)間特性 圖中所示為黃鐵礦化巖石標(biāo)本上測(cè)得的電位差隨供電時(shí)間和斷電時(shí)間的變化曲線，該曲線表示了激電場(chǎng)的時(shí)間特性。 接通電源的瞬間（t = 0），測(cè)到的是一次場(chǎng)電位差，此后，電位差隨時(shí)間的增大開始迅速增大，然后增長(zhǎng)變緩，最后趨于某一飽和值。供電時(shí)的總場(chǎng)電位差是一次場(chǎng)電位差和二次場(chǎng)電位差之和，即：122( )( ) (0)( )U tUUtUUt 黃鐵礦化巖石標(biāo)本上的激電場(chǎng)測(cè)量結(jié)果 a: 實(shí)測(cè)的U(t)充電曲線 b: 換算的U2(t)充電曲線 c: 實(shí)測(cè)的U2(t)放電曲線（華東）激電場(chǎng)的時(shí)間特性 總場(chǎng)電位差的變化曲線稱為充電曲線，它反映

9、了激電效應(yīng)在供電后的充電過程。 供電時(shí)的二次場(chǎng)電位差U2(t)可由總場(chǎng)電位差減去一次場(chǎng)電位差求得，如圖中曲線b所示。 斷電后測(cè)到的僅為二次場(chǎng)的變化，斷電瞬間的二次場(chǎng)電位差等于供電過程末尾的二次場(chǎng)電位差，其后隨斷電時(shí)間 t 的增大而衰減，直到最后消失，該曲線稱為放電曲線。 黃鐵礦化巖石標(biāo)本上的激電場(chǎng)測(cè)量結(jié)果 a: 實(shí)測(cè)的U(t)充電曲線 b: 換算的U2(t)充電曲線 c: 實(shí)測(cè)的U2(t)放電曲線（華東）激電場(chǎng)的時(shí)間特性 激電場(chǎng)的時(shí)間特性主要決定于極化類型和巖（礦）石的結(jié)構(gòu)。主要由電子導(dǎo)體產(chǎn)生的激電場(chǎng)一般充、放電較慢，其中致密金屬礦最慢，浸染金屬礦及礦化次之；離子導(dǎo)體的激電場(chǎng)般充、放電速度最快

10、，其中，顆粒細(xì)小的又比顆粒粗的快；此外，實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際測(cè)量結(jié)果還表明，含鹽水的巖層要比含淡水的巖層充、放電速度快。 激電效應(yīng)的時(shí)間特性對(duì)評(píng)價(jià)激電異常和利用激電法找水均有實(shí)際意義。黃鐵礦化巖石標(biāo)本上的激電場(chǎng)測(cè)量結(jié)果 a: 實(shí)測(cè)的U(t)充電曲線 b: 換算的U2(t)充電曲線 c: 實(shí)測(cè)的U2(t)充電曲線（華東）（2）激電效應(yīng)與供電電流密度的關(guān)系 理論研究和標(biāo)本測(cè)定均表明，在實(shí)際測(cè)量的電流密度下（如 ），一般巖石的激電效應(yīng)與供電電流密度間都存在線性關(guān)系，即二次場(chǎng)電位差與電流密度成正比。 對(duì)于線性介質(zhì)，供長(zhǎng)直流脈沖電流時(shí)的時(shí)間響應(yīng) U(T) 與瞬變響應(yīng) U2(t) 之間有如下關(guān)系： 即長(zhǎng)時(shí)間供電

11、達(dá)到飽和時(shí)的總場(chǎng)電位差，減去供電某一時(shí)刻 T 的總場(chǎng)電位差，等于斷電后 t=T 時(shí)的二次場(chǎng)電位差。20mA/m10j2( )( )( )UtUU T （華東）激電效應(yīng)與供電電流密度的關(guān)系 激發(fā)電流密度較大時(shí)（對(duì)黃鐵礦 ），不同電流密度的歸一化電位充、放電曲線互不重疊，并且陰極和陽極過電位曲線也彼此分開，表現(xiàn)出明顯的非線性和陰極或陽極優(yōu)勢(shì)。20mA/m500j（華東）（3）描述激電特性強(qiáng)度的參數(shù) 在激電效應(yīng)與供電電流密度質(zhì)間呈線性關(guān)系的條件下，引入極化率參數(shù)以表征巖（礦）石激電特性的強(qiáng)弱： 式中U2(t) 為斷電后某一時(shí)刻 t（延遲時(shí)間）測(cè)量的二次場(chǎng)電位差；U(T)為斷電前測(cè)量的總場(chǎng)電位差； 極

12、化率 為無量綱參數(shù)，通常用百分?jǐn)?shù)表示。)()(),(2TUtUtT( , )T t（華東）描述激電特性強(qiáng)度的參數(shù) 許多儀器測(cè)量的是斷電后某一段時(shí)間內(nèi)的二次場(chǎng)電位差的積分值，用參數(shù)： 表征巖（礦）石的激電特性強(qiáng)度，稱為充電率，單位為毫秒（ms）。 充電率也可以用積分區(qū)間歸一化，記為： 稱為歸一化充電率，無量綱，通常表示為百分?jǐn)?shù)，它實(shí)際上是積分區(qū)間內(nèi)極化率的平均值。)()(212TUdttUmtt)()()(122021TUttdttUmtt（華東）（4）不同巖（礦）石的極化率 根據(jù)標(biāo)本研究和野外參數(shù)測(cè)量結(jié)果做出的巖（礦）石極化率綜合圖表。 供電時(shí)間為2分，延遲時(shí)間為0.5秒。（梯形下底角位置對(duì)應(yīng)

13、于極化率的最小值和最大值， 上頂角位置是不同作者得到的極化率平均值范圍） 1. 無電子導(dǎo)電礦物浸染的巖石；2. 含硫化物浸染的巖石；3. 石墨化巖石；4. 浸染狀硫化礦石；5. 致密硫化礦石（華東）不同巖（礦）石的極化率 根據(jù)該綜合圖表可知： 明顯不含電子導(dǎo)電礦物的巖石極化率一般不超過1-2%； 含有浸染狀電子導(dǎo)電礦物的巖石極化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于離子導(dǎo)電巖石極化率的極限值，可以達(dá)到5-10%； 金屬硫化礦石的極化率明顯高于一般巖石及礦化巖石的極化率，其中致密礦石的極化率最高； 石墨化巖石的極化率變化范圍很大，可以從一般離子導(dǎo)電巖石的低值變化到浸染硫化礦石的高值。（華東）不同巖（礦）石的極化率 離子導(dǎo)電

14、巖石一般不引起激電異常，其極化率為背景值； 實(shí)際觀測(cè)到的激電異常往往都和電子導(dǎo)電礦物的明顯存在有關(guān)； 即使是與圍巖沒有明顯導(dǎo)電性差異的浸染狀硫化金屬礦也能取得明顯的激電異常； 礦化巖石和石墨化巖石可能產(chǎn)生明顯的激電異常，稱為激電法應(yīng)用中的干擾。（華東）（5）等效電阻率 由于激電效應(yīng)的存在，供穩(wěn)定電流時(shí)，巖（礦）石上測(cè)量得到的電位差隨供電時(shí)間延長(zhǎng)而增加，從電子導(dǎo)體和離子導(dǎo)體激發(fā)極化現(xiàn)象的起因可以理解為二次電場(chǎng)阻礙電流通過的結(jié)果。 從電阻率的角度，表明巖（礦）石的激電效應(yīng)等效于介質(zhì)電阻率的增加。 為與無激電效應(yīng)時(shí)的真電阻率相區(qū)別，將有激電效應(yīng)的情況下，極化體相對(duì)于極化總場(chǎng)的電阻率稱為等效電阻率。（

15、華東）等效電阻率 因?yàn)椋?所以，直流等效電阻率與電阻率之間的關(guān)系為： 式中 為斷電前瞬間的等效電阻率， 為介質(zhì)的電阻率， 為延時(shí)為零時(shí)測(cè)量得到的極化率。)0 ,(1)(1TUTU1*（華東）3.2.2 激電測(cè)深曲線的特點(diǎn) 激電測(cè)深法最常用的是對(duì)稱四極裝置，根據(jù)水平層狀大地上的視電阻率公式，利用等效電阻率法，可以得到水平層狀極化大地上對(duì)稱四極激電測(cè)深的視激電參數(shù)的解析表達(dá)式。這樣便可以計(jì)算層狀介質(zhì)上的激電測(cè)深曲線，構(gòu)組量板。 因?yàn)樵黾恿思る妳?shù)，計(jì)算理論曲線和制作理論量板的難度都較大，量板解釋也不方便。目前一般采用最優(yōu)化法進(jìn)行解釋。具體的正反演理論（略）（華東）激電測(cè)深曲線的特點(diǎn) 激電測(cè)深曲線的

16、橫軸（AB/2）采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，縱軸（ 或 ）可以采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，也可以采用算術(shù)坐標(biāo)。激電測(cè)深曲線的形狀取決于相鄰層激電強(qiáng)度參數(shù)值（ 、 等）的相對(duì)大小，并據(jù)此劃分曲線類型。 1/a1/aPPP（華東）二層模型激電測(cè)深曲線 與電測(cè)深曲線相似，二層曲線有D型（ ）和G型（ ）兩類。圖中所示為 時(shí)的一組二層激電測(cè)深曲線，曲線的參數(shù)是 。 從這組曲線可以看到二層激電測(cè)深的一般特點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)注意的是， 值不同會(huì)改變激電測(cè)深曲線上升或下降的早晚或快 慢，這可以從下面列舉的三層激電測(cè)深曲線的二層部分看出。二層激電測(cè)深曲線 2112122)1/()1 (12（華東）三層模型激電測(cè)深曲線 圖中所示為三層水平極化層上的

17、激電測(cè)深曲線，其中一、三層的電阻率和極化率均相同，而且極化率值不大。 從中可以看出，它們都是 K 型曲線，中間層與頂層和底層的電阻率差異不僅影響了 曲線開始上升的早晚和快慢，而且還影響了 異常極值的大小。 水平板狀體上的激電測(cè)深曲線 ss（華東）3.2.3 激電測(cè)深的野外測(cè)量 激電法的野外測(cè)量方法與電阻率法類似，一般采用四極裝置，向地下供入的電流可以是穩(wěn)定的，也可以是交變的，據(jù)此把激電法分為直流激電法（時(shí)間域激電法）和交流激電法（頻率域激電法）兩類。 根據(jù)野外測(cè)量工作方法的不同，激電法可以分為激電剖面法和激電測(cè)深法。激電法野外測(cè)量示意圖 （華東）激電測(cè)深的野外測(cè)量 激電測(cè)深的工作方法與電阻率測(cè)

18、深法相同，保持記錄點(diǎn)不變，改變裝置的大小以實(shí)現(xiàn)測(cè)深目的。 最常用的是對(duì)稱四極裝置，裝置的A、M、N、B均對(duì)稱于記錄點(diǎn)O布置，通常 。 還有一種各相鄰電極間距離相等的對(duì)稱裝置，即AM=MN=NB=a，稱為維納（Wenner）裝置。11()35MNAB維納裝置維納裝置 AM=MN=NBBNAM對(duì)稱四極裝置對(duì)稱四極裝置 AM=NBBNAM（華東）激電測(cè)深的野外測(cè)量 近代的直流激電法儀器多采用雙向脈沖電流，方波信號(hào)的占空比（供電時(shí)間與斷電時(shí)間之比）一般為1，脈沖持續(xù)時(shí)間可選。 接收機(jī)通過M、N電極測(cè)量的物理量可以是供電一段時(shí)間后的總場(chǎng)電位差或自供電開始到供電一段時(shí)間內(nèi)總場(chǎng)電位差的平均值；斷電后測(cè)量的物

19、理量通常是某一延時(shí)后一段時(shí)間內(nèi)二次電位差的積分值，并可直讀極化率或充電率。 譜激電測(cè)量?jī)x器可以測(cè)得二次場(chǎng)的瞬變特性曲線，了解二次場(chǎng)的衰變過程。（華東）激電測(cè)深的野外測(cè)量直流激電法的供電電流和測(cè)量電極間電位差的波形圖（華東）激電測(cè)深的野外測(cè)量 在地下為均勻介質(zhì)的情況下，野外測(cè)量得到的或通過計(jì)算得到的反映激電效應(yīng)或?qū)щ娦?yīng)的參數(shù)等于介質(zhì)的真參數(shù)。 當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)不均勻時(shí)，測(cè)量得到的參數(shù)是裝置附近各種巖（礦）石激電效應(yīng)的綜合反映，稱之為視參數(shù)，對(duì)時(shí)間域測(cè)量來說，有視極化率、視充電率和視電阻率（或等效電阻率），其值與各巖（礦）石真參數(shù)值、各巖（礦）石相對(duì)于裝置的分布等因素有關(guān)。（華東）3.2.3 激電測(cè)深

20、法在油氣勘探中的應(yīng)用 主要內(nèi)容 1. 油氣藏上激電異常的形成機(jī)理 2. 激電法的應(yīng)用實(shí)例 3. 激電法的應(yīng)用范圍（華東）1. 油氣藏上激電異常的形成機(jī)理 根據(jù)一般地球化學(xué)和地球物理理論，由于重力壓實(shí)、擴(kuò)散、毛細(xì)現(xiàn)象和油氣本身的驅(qū)動(dòng)力等作用，油氣藏中的烴類物質(zhì)總要不同程度地不斷向外逸散或滲漏。油氣藏上方形成激電異常的地球化學(xué)模型（華東）激電法找油氣藏原理示意圖 烴類逸散或滲漏路徑一般是垂直向上的，也有可能沿?cái)鄬踊驖B透性地層進(jìn)行，最后儲(chǔ)集在淺部多孔隙巖石中，這些巖層中的喜氧細(xì)菌會(huì)消耗掉這些烴類物質(zhì)，同時(shí)也耗盡了氧氣，把巖層孔隙水的氧化性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原性質(zhì)，如果有足夠的硫酸根離子和有機(jī)物，硫酸鹽還原細(xì)

21、菌就會(huì)繁殖，使硫酸鹽還原成硫化物，使?jié)B漏出來的烴氧化成碳酸氫鹽。 這一反應(yīng)過程綜合為：OHHSHCOSOCH23244（華東）激電法找油氣藏原理示意圖 是高度活性的，與巖石中的氧化鐵發(fā)生反應(yīng)，最后形成黃鐵礦（ ）。碳酸氫離子（ ）可以和一些陽離子結(jié)合形成碳酸鹽膠結(jié)物（如與鈣離子結(jié)合成 ）。 該過程所形成的黃鐵礦將分布在多孔巖石的孔隙空間，形成次生黃鐵礦暈，它們是引起較強(qiáng)激電異常的原因。HS2FeS3HCO3CaCO（華東）2、激電法應(yīng)用實(shí)例 該區(qū)屬盆地北緣克拉瑪依油田范圍。開展激電法找油工作的目的是想進(jìn)一步搞清激電法找油的機(jī)理，驗(yàn)證該方法用于油氣勘探的可能性。 該區(qū)所獲B8316線剖面最為典型，在油層上方出現(xiàn)明顯的充電率（Ms）高值異常，異常峰值高出背景值兩倍以上。白堿灘地區(qū)激電法B8316測(cè)線綜合剖面（華東）激電法應(yīng)用實(shí)例 從該區(qū)激電法充電率平面圖可以看出，充電率最高值達(dá)25%，為背景值（12%）的兩倍以上。 圖中附出了各層系油層范圍，此范圍與以 Ms=15%為下限的充電率異常范圍基本吻合，在油層迭加厚度較大的部位充電率值也相對(duì)較高。準(zhǔn)葛爾盆地白堿