第一章-海洋電法勘探02

1.4海洋直流電阻率法

Directcurrent

resistivity

method

1.4.1引言Theresistivitymethodisusedinthestudyofhorizontalandverticaldiscontinuitiesintheelectricalproperties(resistivity)ofthesubsurface廣義地說，直流電阻率(DC)法也可以叫做可控源法，因其使用可控的人工場源;或者叫CSEM法，但其場源是直流電源，且只研究電分量。不過，我們還是按傳統(tǒng)習慣，叫它直流電阻率法為好。

過去往往認為，在海洋這樣的高導電介質(zhì)中，采用直流方法似乎是很荒謬的，其實不然，因為海底引起的信息的比例一級近似地由σ1/σ0給出，

σ1和σ0分別為海底和海水的電導率，對于未固結的沉積物，比值σ1/σ0為0.1或更小。

海洋直流電法的優(yōu)點:一是拖動作業(yè)，效率高;二是設備簡便;三是環(huán)境穩(wěn)定噪聲小;四是接地電阻小，供電電流大。Francis指導的一次海洋DC實驗，是由一艘掃雷艦上發(fā)電機供電，電流高達2000A。哪怕只有1/10進入海底，也有200A，這在大陸上無論如何也難以做到。

海洋直流電阻率法適合于圈定硫化礦床;探測海底永久凍土層的范圍、厚度;考查海洋地殼的孔隙結構。硫化礦，孔隙度的變化都沒有明顯的地震特征，但具有明顯的電導特性。先介紹視電阻率的概念目前海洋電阻率法最常用的兩種電極裝置為：溫納（Wenner）裝置和施倫貝爾（Schlumberger）裝置（圖9.3b、c）。前者將電極以等間距a對稱排列，這樣視電阻率為：

在施倫貝爾（Schlumberger）裝置中（圖9.3c），供電電極間距為2L，測量電極間距為2l且L>>l，如果各電極關于中心點（圖9.3c，x＝0）對稱且l較小，則有：如果電流通過海底時含一小部分導電性好的海水的話，則電流強度跟海底與海水間的電阻率比值成反比。如果海水之下是松散沉積物的話，兩者電阻率比值將小于0.1；而在花崗巖和其它基巖出露的地區(qū)，比值通常要小于10-4。為了得到一定深度的電流值，電流電極間的距離應設為海水層厚度的幾倍。電阻率測量裝置常常通過野外測量加以改進：對于已知的各向同性的多層介質(zhì)，其視電阻率與真電阻率的變化相一致。另外，電阻率的分布也可以通過求解非均質(zhì)各向異性介質(zhì)上勢能分布的拉普拉斯方程得到電阻率的分布情況（據(jù)Koefoed，1979）。二、直流電阻率測深的基本原理電阻率測深法簡稱電測深，是用來探明水平層狀（或近似水平層狀）巖石于地下分布情況的一組電法勘查方法。常用的裝置為對稱四極，如圖1所示：每個測點的電測深觀測結果，繪制成一條視電阻率ρS隨極距AB／2變化的電測深曲線。通常將電測深曲線繪在雙對數(shù)坐標紙上，其橫坐標表示供電極距AB／2，縱坐標表示相應的視電阻率值。它反映了測點下沿垂直方向地質(zhì)情況的變化，如圖2所示。從圖2中可定性了解地下的基本情況，它表明地下有三個電性層（或地層），第一層的電阻率為120歐姆米，第二層為低阻，電阻為幾十歐姆米，第三層為高阻，電阻率為幾百歐姆米。電測深資料的反演解釋的任務就是要具體地確定每一電性層的電阻率和厚度。1.4.2大陸架調(diào)查早在20世紀30年代,C&M.Schlumberger就開始把這種電阻率測量方法推廣應用到海上，并在阿爾及爾的一個港口確定了一個礦床的深度（Schlumberger，1934）。通過從海岸放置電纜，他們測出了近40米深的水域里松散沉積物的厚度。

直到20世紀60年代當電阻率測量方法開始作為一種工具用以調(diào)查北冰洋大陸架上的永凍層和海岸附近的礦產(chǎn)勘探時，才開始有更深入的海洋作業(yè)。利用電阻率隨沉積物凝固的變化特性（圖9.2）在該地區(qū)測出了波弗特海域里永凍層的深度，其實Schlumberger裝置通過浮冰或開闊水面上的小船早已測出了永凍層的深度。圖9.4為間隔2km的電流電極和最大距離達30米的測量電極得到的視電阻率曲線圖。假設有一個三層模型，且其最底層（永凍層）的電阻率無窮大，則得到永凍層頂部的深度大約為46m，而實際鉆探顯示的深度為54m。T.J.G.Francis(1977)將溫納裝置拖曳于海面以下（圖9.5），剝?nèi)蓲呃纂娎|外側的絕緣皮使其銅導線出露作為電源。將由Ag/AgCl非極化電極組成的電熱探測器安裝在一四芯的電纜線上，電壓表指示兩測量電極之間的電壓值。盡管比起底部的電極來，其靈敏度降低了一些，但是這種水表面的淺拖系統(tǒng)卻有許多優(yōu)點，如測量工作速度快（10節(jié)約5m/s），且各電極的位置容易保持；電纜也不需要特別結實，且丟失的可能性很小。由于海底和水之間存在高電阻率差，所以當向水中通以1000A的大電流時，為減小電極的腐蝕和兩測量電極間直流電的偏流，電流每隔幾秒便會反轉(zhuǎn)一次。這樣要求電源的功率應接近于1000kw。在不列顛西南部70m水深的地方進行了電阻率法測量，據(jù)當?shù)氐年懙氐刭|(zhì)資料發(fā)現(xiàn)硫礦向海方向延伸（圖9.6）。同時在記錄等深線和海水溫度的同時，由海水樣品的鹽度得到了電阻率。每隔一分鐘或更短時間所得到的掃描電壓差（△VSW=|V1－V2|）即為視電阻率。為了比較底部電阻率沿測線的變化，可由下式計算得到電阻率異常ρanom(9-9)其中ρd是平坦海底的視電阻率，大于海水的視電阻率，ρd的大小可由海水的電阻率和電極排列中心點的水深決定。如果ρanom的值接近于0,就表明海底的電阻率較高，反之，ρanom是大的正值時，就表明海底的電阻率差小，這可能與松散沉積物和礦區(qū)有關。在測線的許多段上，電阻率異常僅僅反映海水深度的變化，ρa的值隨海水深度的降低而增加。如圖9.6中的M和N這兩個區(qū)域，相對較大的電阻率異常覆蓋了整個海底。在這些區(qū)域，從地震剖面上便可以看到出露的基巖。強振幅短波長磁異常表明在海底及其附近有強磁性體。一般來說，富含磁黃鐵礦（硫化物的一種）的礦區(qū)具有低電阻率和高磁化率的特征，但這種假設必須通過直接采樣來檢驗。O.B.Llile等人于1994年使用一列3個間隔10m的底部電極組成的排列得到了被松散沉積物覆蓋的基巖表面圖。在排列前端，通以5Hz的交流電使其穿過電極傳到海底，便可得到另兩個電極間的電壓。正極附近的陽離子和負極附近的陰離子會使電極極化，而低頻交流電可以抑制這種極化。通過幾次重復測量并求和便可以消除大地電流的影響。因為視電阻率受頻率的影響較大，因而電流頻率只能取幾個赫茲。1.4.3深海測量在東太平洋海隆和大西洋中脊有金屬硫化物出露，這些區(qū)域的海床電阻率已通過潛艇測量。如圖9.7a所示區(qū)域緊靠東太平洋的脊軸線，它是由法國產(chǎn)儀器Cyana調(diào)查得到的。采用溫納裝置，將電流電極和測量電極分別間隔10m裝在50m的電纜上并把它鋪設在水深2454-2665m的海底進行了4次試驗（Francis,1985）。對于由海水（ρw

）和基巖（ρr

）組成的兩相同的半空間之間交匯處的電極而言，測量電極之間的電壓ΔV為：其中，a是電極間的間距，ρw的大小受溫度、鹽度和周圍壓力的影響，ρr為ΔV/I。例如，下半空間由于沉積物厚度、孔隙度或礦體圍壓不同呈現(xiàn)出各向異性，這樣用溫納裝置得到的電阻率隨電極間距離的改變而改變。由溫納裝置得到的視電阻率為：

(9-11)在ρw已知的情況下可由上式得到海底電阻率的大小。如圖9.7b為電極排列平面圖，當加大電極間隔時需在溫納裝置中再附加一額外的測量電極。布置該裝置一般需要大約30分鐘的時間，另外還需要一些時間來測量正向和反向及零電流時的電流和電勢差。

然后讓水下儀器上升100m，使電極垂直懸掛進行補充觀測。海水的視電阻率為:這是由于（9.9）式中的兩電阻率是相等的緣故。(9-12)如圖9.7a潛水區(qū)里有一海山，且其上有大量的硫化物礦體，他們沿2600m等深線呈東西向出露至少500m長。在兩潛水區(qū)均有硫化物礦體，且其側面分布的是枕狀玄武巖。通過垂直分布的排列測得硫化物礦體上底層水的視電阻率為0.287歐姆·米。而貧瘠的枕狀玄武巖上底層水的視電阻率為0.282歐姆·米。

排列平放在硫化物礦體上時，測得底層水的視電阻率為0.214歐姆·米，海床的電阻率為0.17歐姆·米。顯然，這比底層水的電阻率略小一些。相比而言，枕狀熔巖的電阻率介于9.14-13.0歐姆·米之間。在枕狀熔巖和硫化物礦體同時出露的地方，電阻率具有中間值2.13歐姆·米。使得枕狀熔巖的電阻率出現(xiàn)較大的誤差。盡管由于隨著海床電阻率的增大，總電流中流經(jīng)海底部分的比例減小。但無論怎樣，出露的玄武巖和硫化物間的電阻率是顯然不同的。而這一點也正好論證了使用溫納裝置尋找深海金屬礦物這一方法是可行的。雖然目測法和現(xiàn)場采樣也能有效地給出硫化物的出露區(qū)域，但電阻率技術有估算其總厚度的優(yōu)點。Cyana儀觀測也揭示了深海硫化物能產(chǎn)生巨大的自電勢異常。能量供應中斷時，在垂直懸掛裝置的電壓表中顯示有0.5mv的電勢差，這種差異代表了一個電化學背景。一旦將裝置平置地穿過硫化物礦體，電勢差便會增加到10.4mv，這表明有9.9mv的自電勢異常。枕狀玄武巖出露部分的電勢差梯度與海水中的電勢差梯度相同。因此，自電勢可以用來繪制硫化物的出露范圍，并且可能比單用電阻率法來得更容易。

最近，采用美國潛艇阿爾文號測量了位于北緯26度的大西洋中脊處的熱液活動區(qū)的電阻率。將兩個排列平鋪在在海底，一個長約50m，另一個長約150