電法勘探基礎綜述

1、電法勘探的理論基礎電法勘探的理論基礎電法勘探是以巖礦石的電法勘探是以巖礦石的電磁學電磁學性質和性質和電化學電化學特特性的性的差異差異為基礎的勘探方法。為基礎的勘探方法。借助專門儀器，觀測和研究這些借助專門儀器，觀測和研究這些差異差異引起引起的電的電( (磁磁) )場在空間或時間上的場在空間或時間上的分布特點或分布特點或變化規(guī)律變化規(guī)律，并據此解決地質問題。，并據此解決地質問題。導電性、導磁性、介電性導電性、導磁性、介電性自然場、激發(fā)場自然場、激發(fā)場主動源人工場源法主動源人工場源法被動源天然場源法被動源天然場源法航空、海洋、地面、地下航空、海洋、地面、地下直流電法時間域直流電法時間域交流電法頻率

2、域交流電法頻率域 過渡電場法瞬態(tài)場過渡電場法瞬態(tài)場聯合剖面、對稱四極、聯合剖面、對稱四極、中間梯度、偶極、等中間梯度、偶極、等以場源的性質分以場源的性質分以工作的場所分以工作的場所分以電磁場的時間特性分以電磁場的時間特性分以電極的排列分以電極的排列分其它其它電法勘探的分類電法勘探的分類一、巖礦石的電阻率一、巖礦石的電阻率1 1、電阻率的概念、電阻率的概念電阻率電阻率 的定義的定義是描述巖礦石導電性的物理參數是描述巖礦石導電性的物理參數的表達式的表達式金金 屬屬良導性礦物良導性礦物中等導性礦物中等導性礦物劣導性劣導性礦物礦物10-810-710-6-10-310-3-11103103106106

3、金金鐵鐵石墨石墨方鉛礦方鉛礦 黑鎢礦黑鎢礦 褐鐵礦褐鐵礦石英石英銀銀錫錫斑銅礦斑銅礦 輝銅礦輝銅礦 赤鐵礦赤鐵礦 赤鐵礦赤鐵礦長石長石銅銅鉛鉛銅藍銅藍黃鐵礦黃鐵礦 軟錫礦軟錫礦 蛇紋石蛇紋石云母云母鎳鎳銻銻磁黃鐵礦磁黃鐵礦黃銅礦黃銅礦 菱鐵礦菱鐵礦角閃石角閃石鋁鋁汞汞磁鐵礦磁鐵礦鉻鐵礦鉻鐵礦方解石方解石金屬元素及常見礦物的電阻率金屬元素及常見礦物的電阻率( (.m).m)名稱名稱(.m)名稱名稱(.m)黃土層黃土層0-200純水純水2.510粘土粘土1-200雨水雨水10含水砂卵石層含水砂卵石層50-500河水河水10-100隔水粘土層隔水粘土層5-30海水海水0.1-100火成巖火成巖10-

4、10潛水潛水100變質巖變質巖10-10砂巖砂巖100-10沉積巖沉積巖1-10灰?guī)r灰?guī)r100-10常見浮土巖石和地表水的電阻率（常見浮土巖石和地表水的電阻率（.m）二、影響電阻率的因素二、影響電阻率的因素1 1、介質的礦物成分、介質的礦物成分造巖礦物造巖礦物石英石英、云母、長石、云母、長石等等如：沉積巖如：沉積巖、巖漿巖、變質巖、巖漿巖、變質巖 10 .m 良良導礦物導礦物金屬金屬礦體（礦脈）礦體（礦脈） 102 .m 介質的介質的礦物成分礦物成分 結構結構 含水性含水性 溫度溫度 人為因素人為因素2 2、介質的結構、介質的結構浸染浸染狀狀網網脈狀脈狀有有較高電阻率較高電阻率有有較低電阻率較

5、低電阻率層狀層狀具有各向異性具有各向異性h11h22h33橫向電阻率橫向電阻率t縱向電阻率縱向電阻率為每層為每層i的串聯的串聯為每層為每層i的并聯的并聯IIT橫向電阻橫向電阻S縱向縱向 電導電導 一般巖石孔隙越發(fā)育、含水量越大、水的礦化度越一般巖石孔隙越發(fā)育、含水量越大、水的礦化度越 高，巖石的電阻率越低。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 粗顆粒砂礫石的粗顆粒砂礫石的存在；這往往存在；這往往是是含水層；而含水層；而低阻異低阻異 常則往往是黏土隔水層的反映。常則往往是黏土隔水層的反映。 在堅硬致密的巖漿巖、化學沉積巖

6、和某些變質巖地在堅硬致密的巖漿巖、化學沉積巖和某些變質巖地 區(qū)，高阻異常多反映巖溶空洞的區(qū)，高阻異常多反映巖溶空洞的存在；而存在；而低阻異常低阻異常 則往往是充填有礦化水的裂隙、破碎帶。則往往是充填有礦化水的裂隙、破碎帶。3 3、介質的含水、介質的含水性性巖石巖石孔隙中的水溶液，孔隙中的水溶液，隨著溫度隨著溫度的的升高，使其黏升高，使其黏滯滯性減小、溶解度增大、礦化度升高，使離子遷移率性減小、溶解度增大、礦化度升高，使離子遷移率增高、巖石導電性增強、電阻率下降。增高、巖石導電性增強、電阻率下降。4 4、溫度的影響、溫度的影響是是指野外工作指野外工作中：諸如中：諸如電極的埋設和連接、導線電極的埋

7、設和連接、導線的絕緣程度、測量數據的精度等等的絕緣程度、測量數據的精度等等都是人為的影都是人為的影響響電阻率電阻率的因素的因素。5 5、人為因素、人為因素穩(wěn)定穩(wěn)定電流場的基本定律電流場的基本定律均勻均勻半無限介質點電源電場半無限介質點電源電場大地電阻率大地電阻率的測量的測量1 1、微觀形式的歐姆定律、微觀形式的歐姆定律 公式描述了電流密度與電場強度的公式描述了電流密度與電場強度的關系關系2 2、基爾霍夫定律、基爾霍夫定律 div J = 0即即通過任何封閉面電流密度的通量通過任何封閉面電流密度的通量等于零；等于零；或電場或電場中任意點電流密度的散度為零。中任意點電流密度的散度為零。一、穩(wěn)定電流

8、場的基本定律一、穩(wěn)定電流場的基本定律歐姆定律歐姆定律穩(wěn)定穩(wěn)定電流場中任一點的電流場中任一點的電位電位只與該只與該點至場源的點至場源的距離距離 r 有關有關，單位距離，單位距離上電位的變化等于該點的電場強度，上電位的變化等于該點的電場強度，電壓降的方向就是場強的正方向。電壓降的方向就是場強的正方向。直角坐標系直角坐標系極坐標形式極坐標形式ru3 3、勢場性、勢場性A場源場源4 4、穩(wěn)定電流場的拉普拉斯方程、穩(wěn)定電流場的拉普拉斯方程5 5、穩(wěn)定電流場的邊界條件、穩(wěn)定電流場的邊界條件在在接近場源接近場源處處( (r r0 0) )在在無限無限遠處遠處( (r r) )在在兩種介質分界面兩種介質分界面

9、處處電位連續(xù)、有限；電位連續(xù)、有限；U1=U2 電流密度的法向分量電流密度的法向分量連續(xù)：連續(xù)：1n1n = 2n2n 切切向分量向分量不連續(xù)：不連續(xù)：1t1t 2t2t 電場強度的切線分量電場強度的切線分量連續(xù)：連續(xù)：E1t = Et 法線法線分量分量不連續(xù)：不連續(xù)： En En它們是證明界面處存在積累電荷現象的理論依據。它們是證明界面處存在積累電荷現象的理論依據。M二、均勻半無限介質點電源電場二、均勻半無限介質點電源電場3 3、M M點處的點處的電位電位1 1、M M點處點處的的電流密度電流密度2 2、M M點處點處的的電場強度電場強度電流電流 I 在半球面上的在半球面上的分布分布公式公式

10、證明證明剖面圖剖面圖平面圖平面圖4 4、兩個異性點電源電場、兩個異性點電源電場等電位線等電位線電流線電流線兩個異性點源場兩個異性點源場分析分析由疊加原理由疊加原理電位電位電場強度電場強度三、大地電阻率的測量三、大地電阻率的測量電極排電極排列系數列系數由由得得問題問題：對某一均勻地電斷面采用不同排列的電極：對某一均勻地電斷面采用不同排列的電極 裝置觀測電阻率時，其結果有無變化？裝置觀測電阻率時，其結果有無變化？視電阻率視電阻率及其定性分析方法及其定性分析方法鏡像法求解鏡像法求解垂直界面兩邊電場的分布垂直界面兩邊電場的分布供電電流供電電流隨深度的隨深度的變化規(guī)律變化規(guī)律電流密度電流密度與與供電電流

11、的供電電流的關系關系在地下均勻半空間電流密度的分布特點在地下均勻半空間電流密度的分布特點地下不均勻體對電流密度的影響地下不均勻體對電流密度的影響積累電荷的概念及電阻率法的物理實質積累電荷的概念及電阻率法的物理實質1 1、巖石露頭、巖石露頭電阻率電阻率當當巖石體積相對于測量巖石體積相對于測量裝置的電裝置的電極距足夠大極距足夠大時，時，可以可以認為該巖石是半空間無限大均勻介質，采用認為該巖石是半空間無限大均勻介質，采用小四極排列露頭法就可得到巖石的真小四極排列露頭法就可得到巖石的真電阻率電阻率。2 2、非均勻地層、非均勻地層電阻率電阻率一、視電阻率及其定性分析方法一、視電阻率及其定性分析方法真電阻

12、率真電阻率 視電阻率視電阻率s用四極裝置在大地上所測定的電阻率并不是某一用四極裝置在大地上所測定的電阻率并不是某一巖層或某一非均勻體的真電阻率，而是該電場分巖層或某一非均勻體的真電阻率，而是該電場分布區(qū)域內各種介質電阻率綜合影響的結果，稱之布區(qū)域內各種介質電阻率綜合影響的結果，稱之視電阻率視電阻率s。3 3、視電阻率的、視電阻率的影響因素影響因素UMN I ；它們不是它們不是s的的影響因素。影響因素。 但它們影響觀測精度。但它們影響觀測精度。 K值裝置值裝置排列的類型、大小；排列的類型、大??；裝置相對不均勻體的位置；裝置相對不均勻體的位置；地形和地下介質的不均勻性；地形和地下介質的不均勻性；s

13、的影響因素的影響因素證證得得當地下是當地下是均勻介質時均勻介質時將將其其代代入入4 4、視電阻率的微分公式視電阻率的微分公式 的證明的證明j0地下為均勻介質時地下為均勻介質時MNMN間的電流密度間的電流密度定性分定性分析公式析公式 jMNMN、 MNMN測點測點MNMN間的電流密度間的電流密度 和電阻率和電阻率 5 5、視電阻率與電流密度的、視電阻率與電流密度的關系關系當地當地下是均勻介質時下是均勻介質時，jMN= =j0； S S= = MNMN= = 0 0； 沿剖面觀測沿剖面觀測到的到的S是一條直線。是一條直線。當地當地下有高阻體時，下有高阻體時， jMNj0； S S MNMN 0 0

14、； 在高阻在高阻體上方出現體上方出現S0的的異常；異常；反之反之有有S0的異常。的異常。 S的大小的大小與與I 無關無關；由視電阻率定性分析由視電阻率定性分析公式公式 可知：可知：由于由于地形對地表電流地形對地表電流 jMN 的分布會有影響，的分布會有影響，所以對視電阻率所以對視電阻率 MNMN也有影響。也有影響。因此因此，在資料解釋，在資料解釋前要首先進行前要首先進行地形改正地形改正，這是提高解釋準確性的重要措施。這是提高解釋準確性的重要措施。6 6、視電阻率視電阻率與地形的關系與地形的關系二、積累電荷的概念及電阻率法的物理實質二、積累電荷的概念及電阻率法的物理實質1 1、積累電荷的產生、積

15、累電荷的產生( (證明見證明見P108P108) )在非均勻導電介質中，當不同的地質界面上有電流在非均勻導電介質中，當不同的地質界面上有電流通過時，界面上就會有電荷積累下來。通過時，界面上就會有電荷積累下來。當電流由低阻介質流向高阻介質時，界面上將有正當電流由低阻介質流向高阻介質時，界面上將有正電荷積累，當電流由高阻介質流向低阻介質時，界電荷積累，當電流由高阻介質流向低阻介質時，界面上會有負電荷積累。面上會有負電荷積累。2 2、電阻率法的物理實質、電阻率法的物理實質當我們向地下供電時，地下不均勻當我們向地下供電時，地下不均勻體界面上的積累電荷就會形成電阻體界面上的積累電荷就會形成電阻率法勘探中

16、的異常場。率法勘探中的異常場。當當P 點位于垂直界面上時點位于垂直界面上時有有解解得得三三、鏡像法求解、鏡像法求解垂直界面兩邊電場的分布垂直界面兩邊電場的分布鏡像鏡像點源點源是是避免求解拉普拉斯方程的避免求解拉普拉斯方程的簡化分析方法簡化分析方法MMx xz z四四、供電電流、供電電流隨深度的變化隨深度的變化1 1、一個點源的場、一個點源的場一般認為一般認為 jM/jp=0.5是有效是有效工作電流；工作電流；勘探深度勘探深度是是 h=LL 一定時，一定時，jM隨隨h的增加而迅速的增加而迅速下降；下降；LjM( (深部電流密度增加深部電流密度增加) )勘探深度勘探深度2 2、二個點源的場、二個點

17、源的場h/L00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.03.04.0jh/j010.98 0.80 0.63 0.48 0.35 0.26 0.20 0.15 0.12 0.06 0.03 0.02h/L=0.5( (h=AB/4) )時時，電流密度是地表的，電流密度是地表的71h/L=1( ( h = AB/2) )時，電流密度是地表的時，電流密度是地表的35h/L=2( ( h = AB) )時，電流密度是地表時，電流密度是地表的的6影響深度影響深度;非可非可靠異常深度靠異常深度勘探深度勘探深度;可可靠異常深度靠異常深度由由j jh h=I/2=I/2 rr知知I I是影

18、響是影響j jh h的重要因素的重要因素I I與供電與供電電壓電壓; ;大地電大地電阻阻; ;供電系統(tǒng)供電系統(tǒng)電阻電阻有關有關2 2、系統(tǒng)、系統(tǒng)電阻電阻(R)(R)1 1、供電、供電電流電流( (I I) )3 3、勘探深度勘探深度(h)(h)五、電流密度與五、電流密度與供電電流的供電電流的關系關系雖然雖然h hf(jf(jh h、AB/2AB/2、U U、I)I)；但受條件所限，不能；但受條件所限，不能僅靠增加這些因素來提高勘探深度。而減小供電系僅靠增加這些因素來提高勘探深度。而減小供電系統(tǒng)的導線電阻、電極接地電阻也是統(tǒng)的導線電阻、電極接地電阻也是很重要的措施。很重要的措施。電流分布平面圖電

19、流分布平面圖1 1、電流主要分布在供電電極、電流主要分布在供電電極A AB B的連線附近。的連線附近。2 2、以、以O O點為中心，邊長為點為中心，邊長為AB/3AB/3的正方形面積和深度的正方形面積和深度為為 AB/6AB/6的體積內，電流線的分布的體積內，電流線的分布接近均勻且水平接近均勻且水平。電流分布剖面圖電流分布剖面圖3 3、以、以O O點為中心，點為中心，R=AB/2R=AB/2的半圓內的半圓內有總電流量的有總電流量的3030， R=ABR=AB的半圓內的半圓內有總電流量的有總電流量的5555，它們決定了它們決定了有有 效的效的勘探面積和勘探深度?？碧矫娣e和勘探深度。六六、在地下均

20、勻半空間電流密度的分布特點、在地下均勻半空間電流密度的分布特點七、地下不均勻體對電流密度的影響七、地下不均勻體對電流密度的影響1 1、電流密度在電阻率分界面上的、電流密度在電阻率分界面上的折射折射j1n=j2nj1t=E1t/ ；j2t=E2t/又又 J=E/；E1t=E2tI I 從高阻從高阻進入低阻進入低阻I I 從低阻從低阻進入高阻進入高阻21低阻體低阻體 吸引吸引電流電流 10 AM10 AM排列系數排列系數二、常用的電極排列形式二、常用的電極排列形式2 2、三極排列三極排列單點供電、二點單點供電、二點測量測量紀錄點紀錄點O O為為 MN MN 的中點的中點MNMNAO/3AO/3；OB=(OB=(3 35)AO5)AO特點特點條件條件排列系數排列系數MNMNAO/3O/3溫納溫納裝置裝置AM=MN=NBAM=MN=NB K=2K=2 MNMN3 3、對稱四極排列、對稱四極排列特點特點條件條件排列系數排列系數ABAB、MN MN 始終始終對稱于對稱于O O點點ABAB、MN MN 始終始終對稱于對稱于O O點；點；相當于二個