第五講：激電法

激發(fā)極化法復(fù)習(xí)：幾個基本概念方法

利用的物性電阻率法導(dǎo)電性充電法導(dǎo)電性自然電場法導(dǎo)電性和電化學(xué)活動性激發(fā)極化法導(dǎo)電性和電化學(xué)活動性（直流激電和譜激電法）電磁法導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性（頻率域電磁法和時間域電磁法）常用的電法勘查方法及利用的物性一、基本原理1.什么是極化效應(yīng)2.激發(fā)極化效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制3.巖礦石的激發(fā)極化特性二、激發(fā)極化法的工作方法三、規(guī)則異常體上方激電異常曲線四、激電法的應(yīng)用1.極化效應(yīng)在實(shí)際工作中，當(dāng)采用某一電極排列向大地供入或切斷電流的瞬間，在測量電極之間總能觀測到電位差隨時間的變化，在這種類似充、放電的過程中，由于電化學(xué)作用所引起的隨時間緩慢變化的附加電場的現(xiàn)象稱之為激發(fā)極化效應(yīng)，簡稱激電效應(yīng)。（1）電子導(dǎo)體的激發(fā)極化成因在討論電子導(dǎo)體的自然極化時，我們已經(jīng)知道：浸沉于同種化學(xué)性質(zhì)溶液中的單一電子導(dǎo)體表面形成的雙電層為一封閉系統(tǒng)，它不顯示電性，也不形成外電場。這種自然狀態(tài)下的雙電層電位差是導(dǎo)體與溶液接觸時的電極電位，又稱平衡電極電位。2.激發(fā)極化效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制一般造巖礦物為固體電解質(zhì)，屬離子導(dǎo)體。野外和室內(nèi)觀測資料表明，不含電子導(dǎo)體的一般巖石，也能產(chǎn)生明顯的激電效應(yīng)。關(guān)于離子導(dǎo)體的激發(fā)極化機(jī)理，所提出的假說和爭論均較電子導(dǎo)體的多，但大多認(rèn)為巖石的激電效應(yīng)與巖石顆粒和周圍溶液界面上的雙電層結(jié)構(gòu)有關(guān)。（2）離子導(dǎo)體的激發(fā)極化成因雙電層結(jié)構(gòu)是指由于陽離子的交換特性，而在巖石顆粒和周圍溶液接觸面上形成的正負(fù)離子層：在巖石內(nèi)部靠近邊緣處為一層固定在巖石顆粒表面的負(fù)電荷；在溶液中，由于靜電力和離子熱運(yùn)動的影響使得靠近界面部分，正離子被巖石表面的異性電荷緊緊吸引不能自由移動而被稱為“緊密層”；稍遠(yuǎn)離界面處，異性電荷的這種吸引作用減弱，正離子可以在一定的范圍內(nèi)做平行于巖石表面的運(yùn)動，這一區(qū)域被稱為“分散層”；再之外就是正常溶液。主要假說都是基于巖石顆粒—溶液界面上雙電層分散結(jié)構(gòu)和分散區(qū)內(nèi)存在可以沿界面移動的陽離子這一特點(diǎn)提出來的。其有代表性的假說是雙電層形變說?，F(xiàn)簡述如下：在外電流作用下，巖石顆粒表面雙電層分散區(qū)之陽離子發(fā)生位移，形成雙電層形變；面極化和體極化在激電法的理論和實(shí)踐中，為使問題簡化，將巖、礦石的激發(fā)極化分為理想的兩類。第一類是“面極化”，其特點(diǎn)是激發(fā)極化均發(fā)生在極化體與圍巖溶液的界面上，如致密的金屬礦或石墨礦屬于此類。介紹兩個重要概念：第二類是“體極化”，其特點(diǎn)是極化單元(指微小的金屬礦物、石墨或巖石顆粒)呈體分布于整個極化體內(nèi)，如浸染狀金屬礦石和礦化、石墨化巖石以及離子導(dǎo)電巖石均屬這一類。雖然每個小顆粒與圍巖(膠結(jié)物)的接觸面很小，但它們的接觸面積的總和卻是很可觀的。所以，盡管浸染狀礦體與圍巖的電阻率差異很小，仍然可以產(chǎn)生明顯的激發(fā)極化效應(yīng)，這就是激發(fā)極化法能夠成功地尋找浸染狀礦體的基本原因。應(yīng)該指出，面極化和體極化的差別只具有相對意義。嚴(yán)格說來，所有激發(fā)極化都是面極化的，因?yàn)閺奈⒂^來看，體極化中每一個極化單元的激發(fā)極化也都是發(fā)生在顆粒與其周圍溶液的界面上。然而，實(shí)踐中應(yīng)用激電法又都是宏觀地研究礦體、礦帶或地層等大極化體的激電效應(yīng)。因此，在此討論體極化體的激發(fā)極化特性。1、時間特性(1)礦化巖石的激發(fā)極化特性細(xì)粒浸染狀礦石或礦化巖石的激發(fā)極化(體極化)是其中許多細(xì)小顆粒極化效應(yīng)的總和，通常實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用固定的裝置觀測體極化巖、礦石的激電效應(yīng)。3.巖石和礦石的激發(fā)極化特性觀測步驟將待測的體極化巖、礦石標(biāo)本置于盛有水溶液的長方形容器中，使其露出水面。標(biāo)本與容器壁之間的空隙用石蠟或橡皮泥等絕緣材料封嚴(yán)，使標(biāo)本兩側(cè)的水溶液不相連通。在容器兩端各放一塊長方形銅片A和B，作供電電極，借以向容器內(nèi)供入穩(wěn)定電流。在標(biāo)本兩側(cè)水溶液中緊靠標(biāo)本處，安置測量電極M和N，用毫伏計(jì)測量其間的電位差ΔＵｍｎ。電位差隨時間的變化是因?yàn)榧ぐl(fā)極化效應(yīng)產(chǎn)生的電位差(簡稱二次場電位差，在供電時記為ΔＵ２（Ｔ），斷電后記為ΔＵ２（t)）在供電后從零開始逐漸增大(充電過程)，而在斷電后逐漸衰減為零(放電過程)。在無激電效應(yīng)時，電流通過標(biāo)本由于電阻電壓降所形成的電位差為一次場電位差ΔＵ１。在穩(wěn)定電流條件下，ΔＵ１不隨時間而變?？梢?，標(biāo)本被激發(fā)極化后，供電時間T時觀測到的電位差ΔＵ（Ｔ）為ΔＵ１和ΔＵ2（Ｔ）之和，稱之為總場電位差，它隨供電時間T而變化，并有關(guān)系：由于剛供電時(T=0)二次場電位差為零，即ΔＵ２（０）＝０，故由上式得：于是：ΔＵ２(Ｔ)＝ΔＵ(Ｔ)－ΔＵ(０)

體極化比面極化的充、放電速度快得多，這是體極化與面極化的一個重要不同之處。對星散浸染狀礦石或礦化、石墨化標(biāo)本的實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果表明：若在相當(dāng)大范圍內(nèi)改變供電電流I，直到測量電極處的電流密度高達(dá)n×１０２μＡ／ｃｍ２時，二次場電位差總是與供電電流成正比，且其比值與供電方向無關(guān)。因此，在地面電法通常所能達(dá)到的電流密度范圍內(nèi)，星散浸染狀巖、礦石的激電效應(yīng)沒有明顯的非線性和正、負(fù)極極化的差異。這是體極化和面極化的又一重要區(qū)別。(2)描述穩(wěn)定電流場激發(fā)極化效應(yīng)的參數(shù)上已述及，在二次場與電流成線性關(guān)系的條件下，引入表征體極化巖、礦石的激電性質(zhì)參數(shù)－極化率(η)，其值按下式計(jì)算：極化率為用百分?jǐn)?shù)表示的無量綱參數(shù)由于二次場和總場均與供電電流成正比，故極化率是與電流無關(guān)的常數(shù)。但極化率與供電時間T和放電時間t有關(guān)，必須予以特別說明。為簡單起見，我們將長時間供電(T→∞，即充電達(dá)飽和)和斷電瞬間(t→0)測得的飽和極化率η（∞，０）定義為極化率，記為η。體極化巖、礦石的極化率除了與觀測時的充放電時間有關(guān)外，還和巖、礦石的成分、含量、結(jié)構(gòu)及含水性等多種因素有關(guān)。我國物探工作者對大量礦化巖、礦石標(biāo)本作了系統(tǒng)觀測，研究了多種因素對巖、礦石極化率的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明，在上述諸多因素中，影響巖、礦石極化率的主要因素是電子導(dǎo)電礦物的含量和巖、礦石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造。(3)非礦化巖石的激發(fā)極化效應(yīng)不含電子導(dǎo)電礦物的非礦化巖石，屬純離子導(dǎo)體，在電流激發(fā)下的激發(fā)極化都發(fā)生在細(xì)小巖石顆粒與周圍溶液的界面上，也是體極化。但其激電性質(zhì)又與礦化巖石不同：①巖石的極化率通常很低，一般不超過1～2%，少數(shù)能達(dá)到4～5%。下面列舉了一些巖石和礦石極化率的實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，它表明了一般情況下，巖、礦石極化率的數(shù)量概念。②非礦化巖石的充電和放電速度比礦化巖石更快。其中，礦物顆粒小(例如由粘土礦物組成)的巖石，充放電速度尤其快；而顆粒較粗(如砂或砂粒組成)的巖石之充、放電速度則較慢。

巖石激電效應(yīng)的這種時間特性，對評價激電異常和應(yīng)用激電法找水均有實(shí)際意義。(1)在超低頻交變電流場中巖、礦石的激電現(xiàn)象前面所討論的激電效應(yīng)是在穩(wěn)定電流激發(fā)下，根據(jù)電場隨時間的變化(充、放電過程)來研究激發(fā)極化效應(yīng)(即時間域激電法)。實(shí)踐表明，激電效應(yīng)也可在交變電場激發(fā)下，根據(jù)電場隨頻率的變化(頻率特性)觀測到激電效應(yīng)(即頻率域激電法)。2、頻率特性為了認(rèn)識交變電流激發(fā)下的激電效應(yīng)，我們考察下述實(shí)驗(yàn)：在圖1.3-11，a所示的裝置中，將直流電源改為超低頻信號發(fā)生器，向水中供以超低頻交變電流I；在供電時，用交流毫伏計(jì)測量M、N間的交流電位差ΔＵ。當(dāng)保持交變電流的幅值Iｆ不變，而逐漸改變頻率f時，人們發(fā)現(xiàn)電位差ΔＵ將隨之而變。這種在超低頻段上(f=n×１０-２～

ｎ×１０２Ｈｚ)電場隨頻率變化的現(xiàn)象，與介電極化和電磁耦合效應(yīng)無關(guān)，而是巖、礦石激發(fā)極化的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明，在地面電法野外工作通常所能達(dá)到的電流密度條件下，以上實(shí)驗(yàn)中的ΔＵ與I成線性關(guān)系。在此情況下，可將ΔＵ對I和裝置進(jìn)行歸一化，按下式計(jì)算交流電阻率由于激發(fā)極化作用，ρ通常是頻率的復(fù)變函數(shù)，即ρ為復(fù)量，一般ΔU相對于I有相位移φ。復(fù)電阻率ρ隨頻率的變化乃是交流電位差ΔU隨頻率變化的結(jié)果，這正是激電效應(yīng)的“頻率特性”。(2)描寫交流激發(fā)極化效應(yīng)的參數(shù)既然交變電流場中的激電效應(yīng)以總場(或交流電阻率)的頻率特性為標(biāo)志，并且與穩(wěn)定電流場中激電效應(yīng)的時間特性有對應(yīng)關(guān)系，故可仿照直流激電特性參數(shù)——極化率的表示式，定義下列參數(shù)以描述交流激電特性式中ΔＵｆＤ和ΔＵｆＧ分別表示在兩個頻率(低頻fＤ和高頻fＧ)時測得的總場電位差幅值。參數(shù)P(fＤ，fＧ）為電場幅值在該兩頻率間的相對變化，稱為頻散率。頻散率也以百分?jǐn)?shù)表示，故西方國家稱其為“百分頻率效應(yīng)”。各種交流激電參數(shù)和直流激電參數(shù)均可相互聯(lián)系起來，即相位和頻散率及極限極化率和實(shí)測極化率參數(shù)間，都近似地存在正比關(guān)系。研究其中某種參數(shù)的性質(zhì)便可代表其余參數(shù)的有關(guān)特征。以上討論的全是純粹反映激電效應(yīng)的參數(shù)。在激電法實(shí)際工作中，有時還采用某些綜合反映巖、礦石激電性和導(dǎo)電性的參數(shù)。半衰時放電二次場由斷電時的最大值衰減到一半時所用的時間，通常用St/2表示。二次場衰減快，半衰時小；二次場衰減慢，半衰時大。衰減度其中為供電30s斷電0.25s時的二次場電位差，為斷電0.25s至5.25s內(nèi)二次電位差的平均值D值作為二次場放電快慢的參數(shù)，D值小說明放電快，D值大說明放電慢激發(fā)比通常在含水層上極化率和衰減度均較高，因此激發(fā)比有放大異常的作用；同時，它所表示的為一段時間內(nèi)的平均極化率，因此，也具有反映二次場衰減快慢的作用二、激發(fā)極化法的工作方法采用不極化電極

原則上講，電阻率法的各種電極裝置都可用于激電法，不過，這些裝置在激電法中的特點(diǎn)和效能各不相同，故應(yīng)根據(jù)激電法的地質(zhì)任務(wù)、工區(qū)地電條件和儀器、設(shè)備情況，合理選用裝置類型?，F(xiàn)對激電法中幾種常用裝置的特點(diǎn)和效能作些對比性的討論，以供選擇裝置時參考。

激發(fā)極化法裝置的選?。ㄒ唬┲虚g梯度裝置

中梯裝置的一個主要優(yōu)點(diǎn)是，敷設(shè)一次供電導(dǎo)線和供電電極A、B，便能在相當(dāng)大的面積上測量，特別是還能用幾臺接收機(jī)同時在該面積上觀測，因而具有較高的生產(chǎn)效率。此外，它在A、B間的中間地段測量，接近水平均勻極化條件，故對各種形狀、產(chǎn)狀和相對導(dǎo)電性的極化體均可得到相當(dāng)大的異常，而且異常形態(tài)較簡單，易于解釋。

中梯裝置的特點(diǎn)是供電電極距較大(n·102—n·103m)，這導(dǎo)致它的兩大缺點(diǎn)：①要求較大的供電電流強(qiáng)度，這使得它的裝備比較笨重。②電磁耦合干擾較強(qiáng)，但在時間域觀測中選用幾百毫秒或更長的延時可有效地降低這種干擾。故在時間域激電法中，中梯裝置應(yīng)用最廣。

（二）聯(lián)合剖面裝置

聯(lián)剖裝置能得到2條ηs曲線，將2條曲線配合起來作推斷解釋，能較準(zhǔn)確確定極化體位置（根據(jù)“反交點(diǎn)”）和判斷極化體傾向。但聯(lián)剖ηs曲線較復(fù)雜，對相鄰極化體的分辨能力較差，且對近地表小極化體的干擾反映較靈敏，地形對異常的畸變也較明顯和復(fù)雜。

此外，從工作方法和技術(shù)看，電極距對聯(lián)剖異常的影響較大，恰當(dāng)?shù)剡x用電極距對聯(lián)剖裝置很重要，有時甚至需要幾種電極距作測量，這會使生產(chǎn)效率降低；聯(lián)剖需要敷設(shè)一條“無窮遠(yuǎn)線”，這不僅使裝置笨重，生產(chǎn)效率低，而且電磁耦合干擾問題較大。故聯(lián)剖不用作普查找礦的基本裝置，僅在詳查中為解決特定問題（如確定極化體位置和產(chǎn)狀等），才在少數(shù)剖面上布置激電聯(lián)剖測量，而且多在時間域激電法中采用。（三）對稱四極測深裝置

激電法中經(jīng)常遇到水平寬度和走向長度都有限的局部極化體，激電測深通常只能提供極化體埋深的資料。利用激電測深確定局部極化體的下延深度和電參數(shù)，目前尚無有效方法。當(dāng)?shù)仉姅嗝孑^復(fù)雜（如斷面中存在兩個或多個相鄰近的極化體），其他裝置對異常的分辨能力很差時，布置剖面性的激電測深，并繪制ηs等值線斷面圖，能較好地反映斷面中極化體的分布和產(chǎn)狀。

在實(shí)際生產(chǎn)中，一般只在已發(fā)現(xiàn)異常的中心布置個別激電測深點(diǎn)（常作十字測深，即A、B分別沿異常走向和垂直異常走向布極，作兩次測深觀測），主要任務(wù)是確定極化體埋深和判斷極化體與圍巖的相對導(dǎo)電性。此外，在激電找水工作中，經(jīng)常使用測深裝置。激電測深裝置的電磁耦合干擾也比較嚴(yán)重，故很少用于頻率域測量。

（四）偶極裝置

偶極裝置的激電異常幅度較大，對覆蓋層的穿透能力較強(qiáng)。在采用多個偶極間隔系數(shù)工作時，兼有剖面法和測深法雙重性質(zhì)，對極化體形狀和產(chǎn)狀的分辨能力較強(qiáng)。此外，在各種電極裝置中，這種裝置的電磁耦合干擾最小。

偶極裝置的缺點(diǎn)是：異常形狀較復(fù)雜，常需用多個偶極間隔系數(shù)作測量，繪出擬斷面圖，異常才好解釋。在用同樣大的電極距工作時，它要求的供電電流較大。此外，在野外工作中，需要逐點(diǎn)移動供電電極A、B。這些都使偶極裝置的生產(chǎn)效率較低和成本較高。在我國，偶極裝置主要用于電磁耦合問題比較突出的頻率域激電法。三、規(guī)則異常體上方激電異常曲線良