電法勘探基礎(chǔ)綜述

?電法勘探的理論基礎(chǔ)第五章電法勘探電法勘探是以巖礦石的電磁學(xué)性質(zhì)和電化學(xué)特性的差異為基礎(chǔ)的勘探方法。借助專門(mén)儀器，觀測(cè)和研究這些差異引起的電(磁)場(chǎng)在空間或時(shí)間上的分布特點(diǎn)或變化規(guī)律，并據(jù)此解決地質(zhì)問(wèn)題。導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、介電性自然場(chǎng)、激發(fā)場(chǎng)主動(dòng)源～人工場(chǎng)源法被動(dòng)源～天然場(chǎng)源法航空、海洋、地面、地下直流電法～時(shí)間域交流電法～頻率域過(guò)渡電場(chǎng)法～瞬態(tài)場(chǎng)聯(lián)合剖面、對(duì)稱四極、中間梯度、偶極、等以場(chǎng)源的性質(zhì)分以工作的場(chǎng)所分以電磁場(chǎng)的時(shí)間特性分以電極的排列分其它?電法勘探的分類一、巖礦石的電阻率1、電阻率的概念電阻率ρ的定義是描述巖礦石導(dǎo)電性的物理參數(shù)ρ的表達(dá)式§1電阻率法的基礎(chǔ)知識(shí)金

屬良導(dǎo)性礦物中等導(dǎo)性礦物劣導(dǎo)性礦物10-810-710-6--10-310-3--11—103103—106＞106金鐵石墨方鉛礦黑鎢礦褐鐵礦石英銀錫斑銅礦輝銅礦赤鐵礦赤鐵礦長(zhǎng)石銅鉛銅藍(lán)黃鐵礦軟錫礦蛇紋石云母鎳銻磁黃鐵礦黃銅礦菱鐵礦角閃石鋁汞磁鐵礦鉻鐵礦方解石金屬元素及常見(jiàn)礦物的電阻率(Ω.m)名稱ρ(Ω.m)名稱ρ(Ω.m)黃土層0--200純水2.5×10?粘土1--200雨水＞103含水砂卵石層50--500河水10--100隔水粘土層5--30海水0.1--100火成巖102--10?潛水＜100變質(zhì)巖10--10?砂巖100--103沉積巖1--10灰?guī)r100--10?常見(jiàn)浮土巖石和地表水的電阻率（Ω.m）二、影響電阻率的因素1、介質(zhì)的礦物成分?造巖礦物石英、云母、長(zhǎng)石等如：沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖ρ

≈10?Ω.m?良導(dǎo)礦物金屬礦體（礦脈）ρ

＜102

Ω.m介質(zhì)的?礦物成分?結(jié)構(gòu)?含水性

?溫度?人為因素2、介質(zhì)的結(jié)構(gòu)?浸染狀?網(wǎng)脈狀有較高電阻率有較低電阻率?層狀具有各向異性h1ρ1h2ρ2h3ρ3橫向電阻率→ρt縱向電阻率為每層ρi的串聯(lián)為每層ρi的并聯(lián)I↑I→T～橫向電阻S～縱向

電導(dǎo)?一般巖石孔隙越發(fā)育、含水量越大、水的礦化度越

高，巖石的電阻率越低。?在第四系沉積層中，淺水面以下的高阻異常多反映

粗顆粒砂礫石的存在；這往往是含水層；而低阻異

常則往往是黏土隔水層的反映。?在堅(jiān)硬致密的巖漿巖、化學(xué)沉積巖和某些變質(zhì)巖地

區(qū)，高阻異常多反映巖溶空洞的存在；而低阻異常

則往往是充填有礦化水的裂隙、破碎帶。3、介質(zhì)的含水性巖石孔隙中的水溶液，隨著溫度的升高，使其黏滯性減小、溶解度增大、礦化度升高，使離子遷移率增高、巖石導(dǎo)電性增強(qiáng)、電阻率下降。4、溫度的影響是指野外工作中：諸如電極的埋設(shè)和連接、導(dǎo)線的絕緣程度、測(cè)量數(shù)據(jù)的精度等等都是人為的影響電阻率的因素。5、人為因素§2大地電阻率的測(cè)定?穩(wěn)定電流場(chǎng)的基本定律?均勻半無(wú)限介質(zhì)點(diǎn)電源電場(chǎng)?大地電阻率的測(cè)量1、微觀形式的歐姆定律公式描述了電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系2、基爾霍夫定律

divJ=0即通過(guò)任何封閉面電流密度的通量等于零；或電場(chǎng)中任意點(diǎn)電流密度的散度為零。一、穩(wěn)定電流場(chǎng)的基本定律歐姆定律穩(wěn)定電流場(chǎng)中任一點(diǎn)的電位只與該點(diǎn)至場(chǎng)源的距離r有關(guān)，單位距離上電位的變化等于該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，電壓降的方向就是場(chǎng)強(qiáng)的正方向。直角坐標(biāo)系極坐標(biāo)形式ru3、勢(shì)場(chǎng)性A場(chǎng)源4、穩(wěn)定電流場(chǎng)的拉普拉斯方程5、穩(wěn)定電流場(chǎng)的邊界條件?在接近場(chǎng)源處(r→0)?在無(wú)限遠(yuǎn)處(r→∞)?在兩種介質(zhì)分界面處①電位連續(xù)、有限；U1=U2②電流密度的法向分量連續(xù)：??1n=??2n

切向分量不連續(xù)：??1t≠??2t

③電場(chǎng)強(qiáng)度的切線分量連續(xù)：E1t

=E?t

法線分量不連續(xù)：

E?n≠E?n它們是證明界面處存在積累電荷現(xiàn)象的理論依據(jù)。M二、均勻半無(wú)限介質(zhì)點(diǎn)電源電場(chǎng)3、M點(diǎn)處的電位1、M點(diǎn)處的電流密度2、M點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度電流I

在半球面上的分布公式證明剖面圖平面圖4、兩個(gè)異性點(diǎn)電源電場(chǎng)等電位線電流線兩個(gè)異性點(diǎn)源場(chǎng)分析由疊加原理①電位②電場(chǎng)強(qiáng)度三、大地電阻率的測(cè)量電極排列系數(shù)由得問(wèn)題：對(duì)某一均勻地電斷面采用不同排列的電極

裝置觀測(cè)電阻率時(shí)，其結(jié)果有無(wú)變化？§3電阻率法的物理實(shí)質(zhì)?視電阻率及其定性分析方法?鏡像法求解垂直界面兩邊電場(chǎng)的分布?供電電流隨深度的變化規(guī)律?電流密度與供電電流的關(guān)系?在地下均勻半空間電流密度的分布特點(diǎn)?地下不均勻體對(duì)電流密度的影響?積累電荷的概念及電阻率法的物理實(shí)質(zhì)1、巖石露頭電阻率當(dāng)巖石體積相對(duì)于測(cè)量裝置的電極距足夠大時(shí)，可以認(rèn)為該巖石是半空間無(wú)限大均勻介質(zhì)，采用小四極排列露頭法就可得到巖石的真電阻率ρ。2、非均勻地層電阻率一、視電阻率及其定性分析方法真電阻率～ρ視電阻率～ρs用四極裝置在大地上所測(cè)定的電阻率并不是某一巖層或某一非均勻體的真電阻率，而是該電場(chǎng)分布區(qū)域內(nèi)各種介質(zhì)電阻率綜合影響的結(jié)果，稱之視電阻率ρs。3、視電阻率的影響因素∵△UMN∝I；∴它們不是ρs的影響因素。

但它們影響觀測(cè)精度。

K值～裝置排列的類型、大??；裝置相對(duì)不均勻體的位置；地形和地下介質(zhì)的不均勻性；∴ρs的影響因素證得當(dāng)?shù)叵率蔷鶆蚪橘|(zhì)時(shí)將其代入4、視電阻率的微分公式的證明j0～地下為均勻介質(zhì)時(shí)MN間的電流密度定性分析公式j(luò)MN、ρMN～測(cè)點(diǎn)MN間的電流密度和電阻率5、視電阻率與電流密度的關(guān)系②當(dāng)?shù)叵率蔷鶆蚪橘|(zhì)時(shí)，jMN=j0；ρS=ρMN=ρ0；

沿剖面觀測(cè)到的ρS是一條直線。③當(dāng)?shù)叵掠懈咦梵w時(shí)，

jMN>j0；ρS>ρMN>ρ0；∴在高阻體上方出現(xiàn)ρS>ρ0的異常；反之有ρS＜ρ0的異常。①ρS的大小與I無(wú)關(guān)；由視電阻率定性分析公式可知：由于地形對(duì)地表電流jMN的分布會(huì)有影響，所以對(duì)視電阻率ρMN也有影響。因此，在資料解釋前要首先進(jìn)行地形改正，這是提高解釋準(zhǔn)確性的重要措施。6、視電阻率與地形的關(guān)系二、積累電荷的概念及電阻率法的物理實(shí)質(zhì)1、積累電荷的產(chǎn)生(證明見(jiàn)P108)?在非均勻?qū)щ娊橘|(zhì)中，當(dāng)不同的地質(zhì)界面上有電流通過(guò)時(shí)，界面上就會(huì)有電荷積累下來(lái)。?當(dāng)電流由低阻介質(zhì)流向高阻介質(zhì)時(shí)，界面上將有正電荷積累，當(dāng)電流由高阻介質(zhì)流向低阻介質(zhì)時(shí)，界面上會(huì)有負(fù)電荷積累。2、電阻率法的物理實(shí)質(zhì)當(dāng)我們向地下供電時(shí)，地下不均勻體界面上的積累電荷就會(huì)形成電阻率法勘探中的異常場(chǎng)。當(dāng)P點(diǎn)位于垂直界面上時(shí)有解得三、鏡像法求解垂直界面兩邊電場(chǎng)的分布鏡像點(diǎn)源是避免求解拉普拉斯方程的簡(jiǎn)化分析方法??M??x??z四、供電電流隨深度的變化1、一個(gè)點(diǎn)源的場(chǎng)?一般認(rèn)為jM/jp=0.5是有效工作電流；∴勘探深度是h=L∴?L

一定時(shí)，jM隨h的增加而迅速下降；?L↑→jM↑(深部電流密度增加)→勘探深度↑2、二個(gè)點(diǎn)源的場(chǎng)h/L00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.03.04.0jh/j010.980.800.630.480.350.260.200.150.120.060.030.02h/L=0.5(h=AB/4)時(shí)，電流密度是地表的71％h/L=1(

h

=

AB/2)時(shí)，電流密度是地表的35％∴h/L=2(

h

=

AB)時(shí)，電流密度是地表的6％影響深度;非可靠異常深度勘探深度;可靠異常深度由jh=I/2πr2知I是影響jh的重要因素I與供電電壓;大地電阻;供電系統(tǒng)電阻有關(guān)2、系統(tǒng)電阻(R)1、供電電流(I)3、勘探深度(h)五、電流密度與供電電流的關(guān)系雖然h∝f(jh、AB/2、U、I)；但受條件所限，不能僅靠增加這些因素來(lái)提高勘探深度。而減小供電系統(tǒng)的導(dǎo)線電阻、電極接地電阻也是很重要的措施。電流分布平面圖1、電流主要分布在供電電極A～B的連線附近。2、以O(shè)點(diǎn)為中心，邊長(zhǎng)為AB/3的正方形面積和深度為

AB/6的體積內(nèi)，電流線的分布接近均勻且水平。電流分布剖面圖3、以O(shè)點(diǎn)為中心，R=AB/2的半圓內(nèi)有總電流量的30％，

R=AB的半圓內(nèi)有總電流量的55％，它們決定了有

效的勘探面積和勘探深度。六、在地下均勻半空間電流密度的分布特點(diǎn)七、地下不均勻體對(duì)電流密度的影響1、電流密度在電阻率分界面上的折射j1n=j2n∴j1t=E1t/ρ?

；j2t=E2t/ρ?又∵J=E/ρ；E1t=E2tI從高阻進(jìn)入低阻I從低阻進(jìn)入高阻θ2>θ1→低阻體

吸引電流θ?<θ?→高阻體

排斥電流ρ2＞ρ1＞ρ3I→低阻→高阻；界面積累正電荷2、用積累電荷效應(yīng)解釋高、低阻體對(duì)電流線的影響I→高阻→低阻；界面積累負(fù)電荷高阻體排斥電流、低阻體吸引電流3、幾種地電斷面的電場(chǎng)特征見(jiàn)參考書(shū)李世峰著“資源與工程地球物理勘探”

P22～圖1-23斷面類型均勻介質(zhì)半無(wú)限介質(zhì)地下傾斜界面地下直立薄脈地下水平層狀地下球體地表不平§4電阻率法的儀器及電極排列一、電阻率法的儀器1、主要裝備2、一般要求測(cè)量?jī)x器、供電電源、供電電極、測(cè)量電極、導(dǎo)線及線架?靈敏度高～能夠測(cè)準(zhǔn)最小的△UMN?抗干擾能力強(qiáng)～保證有效信號(hào)的拾取?較高的穩(wěn)定性～能適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境1、二極排列特點(diǎn)單點(diǎn)供電、單點(diǎn)測(cè)量紀(jì)錄點(diǎn)O為AM的中點(diǎn)條件BM>10AM排列系數(shù)二、常用的電極排列形式2、三極排列單點(diǎn)供電、二點(diǎn)測(cè)量紀(jì)錄點(diǎn)O為MN的中點(diǎn)MN<AO/3；OB=(3～5)AO特點(diǎn)條件排列系數(shù)MN<AO/3溫納裝置AM=MN=NB

K=2πMN3、對(duì)稱四極排列特點(diǎn)條件排列系數(shù)AB、MN始終對(duì)稱于O點(diǎn)AB、MN始終對(duì)稱于O點(diǎn)；相當(dāng)于二個(gè)三極裝置的組合與三極相同與三極相同4、聯(lián)合剖面排列特點(diǎn)條件排列系數(shù)AB=MN=a

；BM=na

(n為整數(shù))K=

π

na(n+1)(n+2)代入對(duì)稱四極排列系數(shù)∵AM=BN=a+na；AN=2a+na；MN=a證明5、偶極排列特點(diǎn)排列系數(shù)條件AB、MN分列記錄點(diǎn)O兩側(cè)得A、B極距很