物探電法勘探

1、第一章 電法勘探電法勘探的分類（1）電法勘探的分類方法分類（2）： 天然場源法：自然電位法、大地電流法、大地電磁法等。 人工場源法：電阻率法、激發(fā)極化法、電磁法等。 電法勘探的分類方法分類（3）：傳導類電法：電阻率法、充電法、自然電場法、激發(fā)極化法等。 電阻率法：剖面法（二、三極剖面、聯合剖 面等）、測深法感應類電法：電磁剖面法（偶極剖面、航空電磁法等） 電磁測深法（大地電磁測深、頻率測深等） 實質：實質：以巖、礦石之間電磁學性質及電化學性質以巖、礦石之間電磁學性質及電化學性質 差異為基礎，通過觀測和研究電差異為基礎，通過觀測和研究電(磁磁)場在地場在地 下的分布規(guī)律，探查地質構造和礦產資源下

2、的分布規(guī)律，探查地質構造和礦產資源 主要用途：主要用途：探查深部和區(qū)域地質構造、尋找油氣探查深部和區(qū)域地質構造、尋找油氣 田和煤田、金屬非金屬礦產、地下水、田和煤田、金屬非金屬礦產、地下水、 工程地質和環(huán)境勘察等。工程地質和環(huán)境勘察等。第一節(jié) 電法勘探基礎知識 一、巖層的電阻率1、電阻率的概念 由均勻材料制成的具有一定橫截面積的導體，其電阻R與長度L成正比，與橫截面積S成反比，即 式中，為比例系數，稱為物體的電阻率。電阻率僅與導體材料的性質有關，它是衡量物質導電能力的物理量。不同巖石的電阻率變化范圍很大，常溫下可從10-8m變化到1015m，與巖石的導電方式不同有關。 SLR電阻率電阻率是電法

3、中最重要的物理參數，電法的是電法中最重要的物理參數，電法的許多方法技術都與巖石和礦物的電阻率許多方法技術都與巖石和礦物的電阻率 （或其倒數（或其倒數- 電導率）有關。電導率）有關。 巖石的導電方式大致可分為以下三種： 金屬導電和半導體導電、溶液離子導電、固體電解質導電 巖石的電阻率由組成巖石的礦物成分決定 巖石和礦物的導電性或電阻率巖石和礦物的導電性或電阻率 ：取決于物質中電荷取決于物質中電荷 運移的難易程度。運移的難易程度。 礦物的電阻率礦物的電阻率 ： 金屬導體：金屬導體：電阻率電阻率 很小，很小，例如：金的例如：金的電阻電阻 率率 為為2 10-8 m，銅的電阻率，銅的電阻率 為為1.2

4、30 10-8 m。 半導體：半導體：大多數大多數硫化礦物硫化礦物如黃銅礦、黃鐵如黃銅礦、黃鐵 礦、方鉛礦等礦、方鉛礦等電阻率電阻率 小于小于1 m。 氧化礦物氧化礦物如鉻鐵礦、赤鐵礦、軟錳如鉻鐵礦、赤鐵礦、軟錳 礦等電阻率礦等電阻率 大于大于1 m。固體電解質：固體電解質：造巖礦物造巖礦物如長石、石英、輝如長石、石英、輝 石、云母、方解石等石、云母、方解石等電阻率大電阻率大， 大于大于106 m。巖石的電阻率巖石的電阻率 ：火成巖和變質巖火成巖和變質巖：電阻率電阻率很大，很大，電阻率電阻率 變化范圍變化范圍102 105 m。沉積巖：沉積巖：電阻率較小。電阻率較小。例如：粘土的例如：粘土的電

5、阻率電阻率 變化范圍變化范圍100101 m， 砂巖的砂巖的電阻率電阻率 變化范圍變化范圍102 103 m。2、影響電阻率的因素（1） 巖石電阻率與礦物成分的關系 巖石電阻率與組成巖石的礦物的電阻率、礦物的含量和礦物的分布有關。當巖石中含有良導電礦物時，礦物導電性能能否對巖石電阻率的大小產生影響取決于良導礦物的分布狀態(tài)和含量。如果巖石中的良導礦物顆粒彼此隔離地分布著，且良導礦物的體積含量不大，那么巖石的電阻率基本上與所含的良導礦物無關，只有當良導礦物的體積含量較大時（大于30%），巖石的電阻率才會隨良導礦物的體積含量的增大而逐漸降低。但是，如果良導礦物的電連通性較好，即使它們的體積含量并不大

6、，巖石的電阻率也會隨良導礦物含量的增加而急劇減小。（2） 巖石電阻率與其含水性的關系 沉積巖主要依靠孔隙水溶液來傳導電流，因此巖層中水的導電性質將直接影響沉積巖的電阻率。在其他條件相同的情況下，巖層電阻率與巖層中水的電阻率成正比。影響水的導電性的主要因素是水中離子的濃度和水的溫度。常見的巖層水一般含低或中等濃度的離子，巖層中水的含鹽濃度增大，離子數量隨之增多，溶液導電性將變好。同時巖層中水的導電性還與溫度有關，它的電阻率將隨溫度的升高而降低。這是因為，一方面水中鹽類的溶解度隨溫度的升高而增大，致使溶液中離子數量增多；另一方面，溫度的升高還會降低溶液粘度，加快離子的遷移速度。（3）巖石電阻率與層

7、理的關系 層理構造是大多數沉積巖和變質巖的典型特征，如砂巖、泥巖、片巖、板巖以及煤層等，它們均由很多薄層相互交替組成。這種巖石的電阻率具有明顯的方向性，即沿層理方向和垂直層理方向巖石的導電性不同，稱為巖石電阻率的各向異性。巖石電阻率的各向異性可 用各向異性系數來表示，定義為 式中，n代表垂直層理方向上的平均電阻率，稱為橫向電阻率；t代表沿層理方向的平均電阻率，稱為縱向電阻率。tn層狀結構巖石模型（4）巖石電阻率與溫度的關系 巖石電阻率隨溫度的變化遵循導電理論的有關定理。電介質中離子的能動性隨溫度升高而增大，其運動能量積累到一定值時，很容易脫離晶格，因此導電性增強。半導體的溫度升高時，導電區(qū)電子

8、濃度增大，導電性也相應增大。如前所述，在低溫條件下，含水巖石中水溶液的導電性隨溫度的升高而增大，這是由于溫度升高導致水溶液濃度增大和粘滯度降低，水溶液中離子數量增多、活動性增強的緣故；當溫度繼續(xù)升高時，因水分蒸發(fā)，巖石電阻率略有增加，只有溫度繼續(xù)升高時，電阻率才開始減小。例如，對油頁巖進行加溫實驗時，溫度升高到50100時，試樣的電阻率減?。粶囟壤^續(xù)升高至200時，試樣電阻率增大；溫度繼續(xù)升高超過200時，試樣電阻率急劇下降；當溫度超過600后，試樣電阻率又呈回升趨勢。（5）巖石電阻率與壓力的關系 巖石原生結構破壞是壓力作用下巖石性質變化的主要原因。根據壓力特征，這種破壞可能是巖石的壓實，孔隙

9、收縮，顆粒接觸面積的增大，形成裂隙組，或是個別區(qū)域之間粘結性減小等等。 靜水壓力對巖石的壓實作用最大，在靜水壓力作用下，巖石內出現殘余變形，從而使孔隙度降低。此時壓力對巖石電阻率的影響與巖石內液體和氣體的含量有關，往往隨壓力的增大，干燥或者稍許含水巖石的電阻率減小，這是由于孔隙度降低、顆粒間接觸良好的原因。 除此之外，巖石中孤立的含水孔隙在壓力作用下閉合并形成連續(xù)的導電通路，也會使其電阻率減小。對于大多數巖石，當單軸壓力由10Mpa增加到60Mpa時，可觀測到巖石電阻率的劇烈變化。但是，某些粘土在壓力作用下，由于孔隙中的水分被擠出，含水孔隙通道的截面縮小，從而使其電阻率增大。 相反，在應力弱化

10、作用下，巖石顆粒之間內部粘結性降低，致使巖石強度變小，巖石可碎性增強。當巖石內部裂隙發(fā)育但裂隙不充水時，巖石電阻率會增大，若裂隙充水，巖石電阻率會顯著減小。二 、地下人工電場的建立1、點電源的電場、點電源的電場 電阻率電阻率的半無限空間，地表有一點電源的半無限空間，地表有一點電源A，電流強度電流強度I，距點電源，距點電源A為為rAM的的M點的電流密度：點的電流密度：由歐姆定律的微分形式，得：由歐姆定律的微分形式，得： rrrIjAM22rrrIEAM22 穩(wěn)定電流場中，單位距離的電位變化等于穩(wěn)定電流場中，單位距離的電位變化等于 該點的該點的點電場強度：點電場強度：drdUErdrrIdrEdU

11、r22兩邊積分：兩邊積分：由于由于r無窮遠時，無窮遠時，U=0，所以積分常數，所以積分常數c=0結論：電阻率均勻、各向同性的半無限空間，地結論：電阻率均勻、各向同性的半無限空間，地 表點電源場的電位與表點電源場的電位與r成反比，等位面是以成反比，等位面是以 點源為中心的同心圓。點源為中心的同心圓。crIU2rIU2兩個點電源的電場：兩個點電源的電場： 根據電場疊加原理，當地表由兩個異性根據電場疊加原理，當地表由兩個異性 點電點電源源A（+I）、）、B（-I）供電時，地表測點）供電時，地表測點M處的位：處的位：)11(222BMAMIrIrIUUUBMAMBMAMM兩個點電源的等位線和電流線兩個

12、點電源的等位線和電流線 (a)平面圖平面圖 (b)剖面圖剖面圖 (c)地表電位剖面地表電位剖面2、電流在地下的分布規(guī)律jAB10.80.60.40.20123j /jh0hLAOBh0hjhjhj電流密度隨深度的變化hI /I三 、電阻率法的基本原理1、巖、礦石電阻率的測定、巖、礦石電阻率的測定巖、礦石電阻率的測定：巖、礦石電阻率的測定：由電阻定義及歐姆定律，得：由電阻定義及歐姆定律，得：均勻大地電阻率的測定：均勻大地電阻率的測定： 當地表由兩個異性點電源當地表由兩個異性點電源A（+I）、）、B（-I）供電時，地表測點）供電時，地表測點M、N處的電位：處的電位：LSIULRSMN)()11(2

13、)11(2BNANIUBMAMIUNMM、N兩點的電位差：兩點的電位差： 令：令：則均勻大地電阻率為：則均勻大地電阻率為：式中，式中，K為裝置系數為裝置系數。)1111(2BNBMANAMIUUUNMMNBNBMANAMK11112IUKMN 2、視電阻率、視電阻率 若進行測量的地段地下巖石電性分布不均勻時，若進行測量的地段地下巖石電性分布不均勻時，上式計算出的電阻率稱為視電阻率，它不是巖上式計算出的電阻率稱為視電阻率，它不是巖石的真電阻率，是地下巖石電性不均勻體的綜石的真電阻率，是地下巖石電性不均勻體的綜合反映，通常以合反映，通常以 s s表示：表示：IUKMNs視電阻率視電阻率 s s的微

14、分表示：的微分表示：由歐姆定律微分形式和電由歐姆定律微分形式和電 場強度定義，得場強度定義，得 則測量電極則測量電極M、N間視電阻率間視電阻率 s s為：為： MNMNMNMNsdljIKIUKdrdUEEjr 當當M、N間距離很小時，可以認為電流密度間距離很小時，可以認為電流密度jMN、巖石電阻率巖石電阻率 MNMN為常量，則：為常量，則：當當地下巖石電性均勻時：地下巖石電性均勻時：所以：所以：MNMNMNMNMNsjIMNKdljIK001,jIMNKjjMNMNsMNMNMNMNsjjjIMNK0視電阻率與地電斷面性質的關系視電阻率與地電斷面性質的關系(a)均勻介質均勻介質 (b)圍巖中

15、賦存良導礦體圍巖中賦存良導礦體 (c)圍巖中賦存高阻巖體圍巖中賦存高阻巖體第二節(jié) 電測深法一、地電斷面的概念 由不同電性層所構成的斷面。二、電測深法裝置二極裝置（二極裝置（AM）：）： 特點：將特點：將B、N極置于極置于“無窮遠無窮遠”處接地。取處接地。取AM中中 點為記錄點。點為記錄點。IUKAMKMAMsAM2三極裝置（三極裝置（AMN）：）： 特點：只將特點：只將B極置于極置于“無窮遠無窮遠”處接地，取處接地，取MN中點為記錄點。中點為記錄點。IUKMNANAMKMNAMNsAMN2對稱四極裝置對稱四極裝置（AMNB）：）： 特點：特點：AM=BN，取，取MN中點為記錄點。中點為記錄點。

16、IUKMNANAMKMNABABsAB偶極裝置偶極裝置（ABMN）：）： 特點：特點：AB、MN為分開的偶極，取為分開的偶極，取OO中點為記錄點。中點為記錄點。IUKBNBMANAMMNBNBMANAMKMNoooosoo)(2二、電測深法電阻率測深法：電阻率測深法：測量電極測量電極MN固定，不斷增大供電固定，不斷增大供電 電極電極AB電極距，逐次觀測。電極距，逐次觀測。特點：特點：隨供電電極距的加大，逐次觀測的視電阻率隨供電電極距的加大，逐次觀測的視電阻率 反映了地下電性層隨深度增大變化的分布特反映了地下電性層隨深度增大變化的分布特 征。但在實際測量中，征。但在實際測量中， AB極距不斷加大

17、，極距不斷加大， 測測 量電極量電極MN固定不變，固定不變，UMN 將逐漸小到不可測，將逐漸小到不可測， 通常要求：通常要求：ABMNAB301311、電阻率測深法的實質、電阻率測深法的實質電阻率測深大多采用電阻率測深大多采用對稱四極裝置對稱四極裝置IUKMNANAMKMNABABsAB特點：特點：AM=BN，取，取MN中點為記錄點中點為記錄點雙對數坐標紙 8 976543218 976543218 976543218 976543218 976543218 976543218 976543218 976543212345678912345678912345678912345678912345

18、67891234567892、電測深曲線、電測深曲線水平二層電測深曲線類型水平二層電測深曲線類型 G G型：型： D D型：型：212121水平三層電測深曲線類型圖水平三層電測深曲線類型圖H H型型: Q: Q型型: : A A型型: K: K型型: :321321321321水平二層電測深曲線量板水平二層電測深曲線量板及其使用及其使用水平水平三三層電測深曲線量板層電測深曲線量板3、電測深曲線的解釋、電測深曲線的解釋（1）電測深曲線類型分析）電測深曲線類型分析（2）電測深曲線特征研究）電測深曲線特征研究（3）斷層在電測深曲線上的反映）斷層在電測深曲線上的反映（4）電測深曲線的定量解釋）電測深曲

19、線的定量解釋4、電測深定性圖件的繪制及解釋、電測深定性圖件的繪制及解釋（1）曲線類型圖）曲線類型圖（2）等視電阻率斷面圖）等視電阻率斷面圖（3）等視電阻率平面圖）等視電阻率平面圖5、電測深法的應用、電測深法的應用電阻率測深的應用電阻率測深的應用 電阻率測深斷面圖電阻率測深斷面圖 1-1-粘土；粘土；2-2-泥灰?guī)r；泥灰?guī)r；3-3-巖溶泥灰?guī)r巖溶泥灰?guī)r 4-4-砂層；砂層；5-5-粘土；粘土； 6-6-電阻率等值線電阻率等值線 7-7-斷層；斷層；8-8-煤層煤層第三節(jié) 電剖面法一、電剖面法裝置 包括多種裝置類型，如二極裝置、包括多種裝置類型，如二極裝置、 三極裝置、三極裝置、聯合裝置、對稱四極

20、聯合裝置、對稱四極 裝置、偶極裝置等。裝置、偶極裝置等。特點：特點：各電極之間保持一定距離，同時沿測線移各電極之間保持一定距離，同時沿測線移 動，逐點觀測動，逐點觀測UMN 、 I、 計算測線之下地電計算測線之下地電 斷面斷面視電阻率視電阻率 s s沿測線方向的沿測線方向的綜合綜合變化。變化。二極裝置（二極裝置（AM）：）： 特點：將特點：將B、N極置于極置于“無窮無窮遠遠”處接地。取處接地。取AM中中 點為記錄點。點為記錄點。IUKAMKMAMsAM2三極裝置（三極裝置（AMN）：）： 特點：只將特點：只將B極置于極置于“無窮遠無窮遠”處接地，將處接地，將AMN沿測沿測線線 排列逐點觀測。排

21、列逐點觀測。 取取MN中點為記錄點。中點為記錄點。IUKMNANAMKMNAMNsAMN2聯合剖面裝置聯合剖面裝置（AMN&MNB）：）： 特點：兩個三極裝置特點：兩個三極裝置 聯合，聯合，C極為極為“無窮遠無窮遠”。MN中點為記錄中點為記錄點。點。BMNBBBsAMNAAAsBAIUKIUKMNANAMKK,2對稱四極裝置對稱四極裝置（AMNB）：）： 特點：特點：AM=BN，取，取MN中點為記錄點。中點為記錄點。IUKMNANAMKMNABABsAB偶極裝置偶極裝置（ABMN）：）： 特點：特點：AB、MN為分開的偶極，取為分開的偶極，取OO中點為記錄點。中點為記錄點。IUKBNB

22、MANAMMNBNBMANAMKMNoooosoo)(2中間梯度法中間梯度法：供電電極：供電電極A、B相距很遠且固定，測相距很遠且固定，測 量電極量電極MN在在AB中段中段1/3范圍內逐范圍內逐點點 特點：特點：半無限介質條件下，半無限介質條件下，AB中部電場中部電場 近似均勻，近似均勻，AB固定不動，固定不動，MN沿剖沿剖 面移動，逐點觀測面移動，逐點觀測UMN 、 I，計算，計算視視 電阻率電阻率 s s ，得地電斷面沿水平方，得地電斷面沿水平方 向的變化曲線。向的變化曲線。中間梯度裝置中間梯度裝置主測線上裝置系數主測線上裝置系數K和和視電阻率視電阻率 s s ：IUKBNBMANAMMN

23、BNBMANAMKMNMNMNsMN)(2二、四極對稱電剖面法對稱四極裝置對稱四極裝置（AMNB）：）： 特點：特點：AM=BN，取，取MN中點為記錄點中點為記錄點IUKMNANAMKMNABABsAB三、聯合剖面法聯合剖面裝置聯合剖面裝置（AMN&MNB）：）：特點：兩個三極裝置特點：兩個三極裝置 聯合，聯合，C極為極為“無無 窮窮 遠遠”。MN中點為記錄點。中點為記錄點。BMNBBBsAMNAAAsBAIUKIUKMNANAMKK,2良導球體上聯合剖面視電阻率剖面圖良導球體上聯合剖面視電阻率剖面圖 第四節(jié) 高密度電阻率法1、 基本原理 高密度電阻率法是二十世紀八十年代才發(fā)展起來的一

24、種新型陣列勘探方法，是基于靜電場理論，以探測目標體的電性差異為前提進行的。該方法采集數據信息量大，可進行層析成象計算，成圖直觀，可視性強，采集裝置種類多，儀器輕便。該方法在不同領域受到廣泛的應用。山東科技大學第四節(jié) 高密度電阻率法/2uas/3uas山東科技大學 /6uas 第四節(jié) 高密度電阻率法第四節(jié) 高密度電阻率法 山東科技大學第四節(jié) 高密度電阻率法第四節(jié) 高密度電阻率法2、工作方法技術 具體測量方法為：首先以固定點距沿井下巷道測線布置一系列電極，電極通過多芯電纜經轉換開關接到儀器上，通過轉換開關改變裝置類型，一次完成該測點上各種裝置形式的觀測，一個測點觀測完后，通過開關轉換到下一相鄰測點

25、對應的電極，以相同方法進行該點觀測，直到某一電極間距的整條剖面觀測完為止。改變電極間距，重復以下觀測，直到有所不同電極間距的剖面觀測完為止。 點距的選擇主要依據探測精度要求，精度要求越高應越小。最大電極距大小，決定于預期探測深度，探測深度越深，要求越大，但一般隔離系數 最大值不超過15為好，當然，由于一條剖面測點總數是固定的，因此當極距擴大時，反映不同勘探深度的測點數將依次減少。第四節(jié) 高密度電阻率法 山東科技大學 3、資料處理和正演模擬4、高密度電阻率資料的反演 （圖見下頁） 第四節(jié) 高密度電阻率法 山東科技大學井下巷道超前探測簡介在樁號1030米位置為低阻顯示，說明該位置頂板三灰富水，這也

26、與該位置頂板淋水一致；巷道迎頭位置以及前方80米范圍為高阻顯示，說明該地段地層富水性差；迎頭出水估計與后方的1030米位置富水區(qū)有關，在迎頭位置右側電阻率有相對低阻顯示，說明迎頭出水通過該位置與后方的1030米位置富水區(qū)聯系；巷道迎頭前方80米以遠為低阻顯示，說明迎頭前方80米以遠地層富水性強 。-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050607080-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050607080102030102030井下巷道超前探測簡介-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050607

27、08090100110-90-80-70-60-50-40-30-20-100102030405060708090100110102030102030井下三維電法勘探簡介井下三維電法勘探簡介 山東科技大學井下三維電法勘探簡介 山東科技大學第五節(jié)第五節(jié) 激發(fā)極化法、充電法、自然電場法激發(fā)極化法、充電法、自然電場法1、激發(fā)極化法、激發(fā)極化法 激發(fā)極化效應（激電效應）：激發(fā)極化效應（激電效應）：在充電和放電在充電和放電 過程中產生隨時間緩慢變化的附加電場現過程中產生隨時間緩慢變化的附加電場現象。象。一次電位差：一次電位差：無激電效應時穩(wěn)定電流形成的電位差無激電效應時穩(wěn)定電流形成的電位差U1。 不隨時

28、間變化。不隨時間變化。二次電位差：二次電位差：激發(fā)極化產生電位差激發(fā)極化產生電位差U2（T）。隨時間非線性）。隨時間非線性 變化，充電時從零逐漸增大，放電時逐漸減為變化，充電時從零逐漸增大，放電時逐漸減為零。零?？倛鲭娢徊睿嚎倛鲭娢徊睿阂淮坞娢徊詈投坞娢徊畹暮鸵淮坞娢徊詈投坞娢徊畹暮?U（T）= U1+ U2（T） U2（T）= U（T）- U（0）極化率極化率：表征體極化介質的激電性質，與電流無關，表征體極化介質的激電性質，與電流無關， 與供電時間與供電時間T和測量延遲時間和測量延遲時間t有關。有關。 極化率是百分數表示的無量綱參數。提到極化極化率是百分數表示的無量綱參數。提到極化率時必

29、須指出其供電時間率時必須指出其供電時間T T和測量時間和測量時間t t。 巖礦石極化率主要取決于所含電子導電礦物巖礦石極化率主要取決于所含電子導電礦物的體積百分含量，含量增高激電效應增強。的體積百分含量，含量增高激電效應增強。%100)(),(),(2TUtTUtT2、充電法、充電法 當理想導體被充電后，不產生電位降，導體當理想導體被充電后，不產生電位降，導體內電位處處相等。內電位處處相等。許多金屬礦體、高礦化度的地下許多金屬礦體、高礦化度的地下水等，電阻率較低，可以看作為理想導體。當它們局部水等，電阻率較低，可以看作為理想導體。當它們局部出露時，如果向露頭充電，觀測其充電電場，便可以推出露時

30、，如果向露頭充電，觀測其充電電場，便可以推斷整個地下良導電地質體的電性分布，解決地質問題。斷整個地下良導電地質體的電性分布，解決地質問題。 充電電場與充電點位置無關，只決定于充充電電場與充電點位置無關，只決定于充電電流大小、充電導體形狀、產狀、大小及周圍電電流大小、充電導體形狀、產狀、大小及周圍介質的電性分布。介質的電性分布。 理想導電橢球體充電電場是與該橢球體表理想導電橢球體充電電場是與該橢球體表面共焦的橢球面簇。面共焦的橢球面簇。3、自然電位法（自然電場法）、自然電位法（自然電場法） 巖石和礦石的自然極化：巖石和礦石的自然極化：破壞電中性、正負破壞電中性、正負電子彼此分離、極化、形成自然電

31、場。電子彼此分離、極化、形成自然電場。 電子導體的自然極化：電子導體的自然極化：導體或溶液具有不均導體或溶液具有不均 性，形成氧化性，形成氧化-還原電還原電 場。場。 離子導體的自然極化離子導體的自然極化：動電效應產生的流動電動電效應產生的流動電 位。過位。過 濾電場。與地下水流向和地濾電場。與地下水流向和地 下水下水-地表水補給有關。地表水補給有關。 多孔介質巖石中，過濾電場電位異常的估算式多孔介質巖石中，過濾電場電位異常的估算式： 式中式中:w為地下水電阻率，為地下水電阻率，P地下水流的水壓差（地下水流的水壓差（kPa）。）。PUw77max第六節(jié)地磁感應類電法：電磁剖面法、電磁測深第六節(jié)

32、地磁感應類電法：電磁剖面法、電磁測深法法1、電磁法理論基礎、電磁法理論基礎 交變電磁場中巖礦石電磁學性質：交變電磁場中巖礦石電磁學性質：傳導電流：與電阻率傳導電流：與電阻率有關。有關。位移電流：與介電常數位移電流：與介電常數有關。有關。介電常數介電常數：真空中：真空中8.85 10-12F/m磁導率磁導率: 真空中真空中4 10-7H/mEDHBtEEjjjD 均勻交變電磁場在導電介質中的傳播均勻交變電磁場在導電介質中的傳播:麥克斯韋方程組：麥克斯韋方程組： 式中：式中：H為磁場強度，為磁場強度，E為電場強度，為電場強度，D為電位移，為電位移，B為磁為磁 感應強度，感應強度，j為傳導電流密度，

33、為傳導電流密度，q為自由電荷，為自由電荷， dD/dt為位移電流密度。為位移電流密度。qDBtBEtDjH0EDHBEj 在電法勘探中，導電介質內：在電法勘探中，導電介質內：可得電極方程：可得電極方程：高頻場、高阻介質，上式右端第一項可忽略。這時方程變高頻場、高阻介質，上式右端第一項可忽略。這時方程變?yōu)榧儾▌有偷?。為純波動型的。低頻場、良導介質，上式右端第二項可忽略，方程變?yōu)闊岬皖l場、良導介質，上式右端第二項可忽略，方程變?yōu)闊醾鲗偷模ɑ驍U散性的）傳導型的（或擴散性的）。0 D222222tEtEEtHtHH由此可見，在導電的強吸收介質中，電磁擾動的傳播是不由此可見，在導電的強吸收介質中，電磁

34、擾動的傳播是不按波動規(guī)律的，而是按著擴散規(guī)律傳播的。按波動規(guī)律的，而是按著擴散規(guī)律傳播的。 2、地下交變電磁場的結構特點、地下交變電磁場的結構特點 a、諧變場的傳播：、諧變場的傳播： 諧變場的結構特點：諧變場的結構特點：諧變場是頻率域法中諧變場是頻率域法中常用的波場。其中場強、電流密度以及其它量常用的波場。其中場強、電流密度以及其它量均按余弦或正弦規(guī)律變化。均按余弦或正弦規(guī)律變化。titieEEeHH00諧變場的傳播：諧變場的傳播：其微分方程其微分方程亥姆霍茲齊次方程亥姆霍茲齊次方程 式中式中k稱為波數（或傳播系數）。稱為波數（或傳播系數）。 在導電介質中忽略位移電流時：在導電介質中忽略位移電

35、流時：EkEHkH2222iiqk22在不同介質的分界面上，即在在不同介質的分界面上，即在 或或 出現不連續(xù)出現不連續(xù)處，滿足邊界條件：處，滿足邊界條件： 腳標腳標 t 表示切向分量，表示切向分量，n 表示法分量。表示法分量。nnnnttttBBEDHHEE21212121 諧變場的激發(fā)：諧變場的激發(fā)：借肋于交流電的發(fā)射裝置，如振蕩器、借肋于交流電的發(fā)射裝置，如振蕩器、 發(fā)電機等，在地中及空氣中建立諧變場。激發(fā)方式一發(fā)電機等，在地中及空氣中建立諧變場。激發(fā)方式一般為接地式的和感應式。般為接地式的和感應式。接地式：與直流電法一樣利用接地式：與直流電法一樣利用A、B供電電極將交流電源供電電極將交流

36、電源 直接接到大地，激發(fā)出交變電磁場。直接接到大地，激發(fā)出交變電磁場。感應式：在地表敷設通有交變電流的不接地回線或者多匝感應式：在地表敷設通有交變電流的不接地回線或者多匝 的小型發(fā)射線圈的小型發(fā)射線圈磁偶極子，激發(fā)出交變電磁偶極子，激發(fā)出交變電 磁場。磁場。諧變場激發(fā)方式諧變場激發(fā)方式 均勻大地表面上諧變偶極子場源的電磁場：均勻大地表面上諧變偶極子場源的電磁場：x、y軸軸位于水平面內，位于水平面內，z軸向下，在電阻率為軸向下，在電阻率為的均勻大地表面上：的均勻大地表面上： 式中式中I0、K0、I1、K1為貝塞爾函數，為貝塞爾函數，r為收為收-發(fā)距，發(fā)距，k為傳播系數，為傳播系數，PE為電偶極距

37、，為電偶極距， 為為r方向與方向與x軸的夾角。軸的夾角。3)33(1sin2)(sin2)sin41(2)(8cossin40cossin23)1 (2cos3222240110211220110113323krEzEyExzEykrExerkkrkrPHKIKIkrKIrPHKIKIkrKIrPHErPEekrrPE b、平面電磁波的傳播：、平面電磁波的傳播： 平面電磁波的結構特點：平面電磁波的結構特點：在無限均勻介質中，在無限均勻介質中，同一相位面為平面的電磁波稱為平面電磁波。若同一相位面為平面的電磁波稱為平面電磁波。若在這一平面上場振幅為常數，則稱為均勻平面電在這一平面上場振幅為常數，則

38、稱為均勻平面電磁波，否則為非均勻平面電磁波。磁波，否則為非均勻平面電磁波。 平面電磁波的傳播：平面電磁波的傳播：在電阻率為在電阻率為的均勻介質中選的均勻介質中選擇擇X和和Y軸位于波的極化平面上，軸位于波的極化平面上，Z軸位于波的傳播方向軸位于波的傳播方向上，則電磁場的分量為：上，則電磁場的分量為：上式為復數式，且沿上式為復數式，且沿z軸的正方向按指數規(guī)律衰減軸的正方向按指數規(guī)律衰減.) 1)(1(21) 1)(1(210,0,221111111iiabkEeCiEeCiEHekCHekCHZzkyyzkxxZzkxyzkyxEx分量振幅和相位分別為：分量振幅和相位分別為： b為振幅衰減系數，為

39、振幅衰減系數，a為相位系數。為相位系數。 電場沿電場沿Z軸方向前進軸方向前進1/b距離時，振幅衰減為距離時，振幅衰減為1/e倍。倍。習慣上將距離習慣上將距離1/b稱為電磁波的趨膚深度。稱為電磁波的趨膚深度。2)()2(aztteCEeeCEbzxxzatibzxx趨膚深度亦可寫為：趨膚深度亦可寫為： 電磁波的趨膚深度隨電阻率的增加和頻率的降低電磁波的趨膚深度隨電阻率的增加和頻率的降低而增大。所以，為了進行深部地質調查應采用較低的而增大。所以，為了進行深部地質調查應采用較低的工作頻率。工作頻率。 mfHzm503 平面電磁波傳播中的波阻抗平面電磁波傳播中的波阻抗Z： 在均勻介質中電場在相位上落后

40、于磁場在均勻介質中電場在相位上落后于磁場/4。這是通。這是通過測量相互正交的電場和磁場分量確定介質電阻率的計算過測量相互正交的電場和磁場分量確定介質電阻率的計算公式。如果介質為非均勻的，則計算的電阻率為視電阻率公式。如果介質為非均勻的，則計算的電阻率為視電阻率。如果介質電阻率為已知，則可確定介質的磁導率。如果介質電阻率為已知，則可確定介質的磁導率。2241;1ZZeZiiiZi c、瞬變場的傳播：、瞬變場的傳播： 瞬變場的結構特點：瞬變場的結構特點：瞬變場是指那些在階躍電流瞬變場是指那些在階躍電流 源作用下，地中產生的過渡源作用下，地中產生的過渡 過程感應電磁場。因為這一過程感應電磁場。因為這

41、一 過渡過程的場具有瞬時變化過渡過程的場具有瞬時變化 的特點，故取名為瞬變場。的特點，故取名為瞬變場。 瞬變場的激發(fā)：瞬變場的激發(fā)：與諧變場情況一樣，其激發(fā)方向也有與諧變場情況一樣，其激發(fā)方向也有 接地式和感應式兩種。在階躍電流接地式和感應式兩種。在階躍電流 （通電或斷電）的強大變化磁場作（通電或斷電）的強大變化磁場作 用下，良導介質內產生渦旋的交變用下，良導介質內產生渦旋的交變 電磁電磁 場，其結構和頻譜在時間與空場，其結構和頻譜在時間與空 間上均連續(xù)地變化。間上均連續(xù)地變化。諧變場和瞬變場渦旋電流結構諧變場和瞬變場渦旋電流結構 瞬變場的參數：瞬變場的參數：瞬變電磁場狀態(tài)的基本參數是時間。瞬

42、變電磁場狀態(tài)的基本參數是時間。 這一時間依賴于巖石的導電性和收這一時間依賴于巖石的導電性和收 發(fā)距。研究瞬變電磁場隨時間的發(fā)距。研究瞬變電磁場隨時間的 變化規(guī)律，可探測具有不同導電性變化規(guī)律，可探測具有不同導電性 的地層分布縱向電導。也可以發(fā)現的地層分布縱向電導。也可以發(fā)現 地下賦存的較大的良導礦體。地下賦存的較大的良導礦體。 在頻率域中電場強度按指數規(guī)律衰減。在頻率域中電場強度按指數規(guī)律衰減。均勻大地表面上階躍偶極子場源的電磁場均勻大地表面上階躍偶極子場源的電磁場（瞬變電磁法的理論基礎）（瞬變電磁法的理論基礎）遠區(qū)（早期）的瞬變電場規(guī)律：波區(qū)范圍內電場強度與介遠區(qū)（早期）的瞬變電場規(guī)律：波區(qū)

43、范圍內電場強度與介質電阻率成正比質電阻率成正比近區(qū)（晚期）的瞬變電場規(guī)律：近區(qū)（晚期）的瞬變電場規(guī)律： 41022rPEMt25031)(40trPEMt3、 電磁剖面電磁剖面法法電磁剖面法電磁剖面法：主要應用于礦床普查、地質填圖、工程地主要應用于礦床普查、地質填圖、工程地 質、水文地質調查?？煞譃槿斯ぶ鲃釉促|、水文地質調查?？煞譃槿斯ぶ鲃釉?電磁剖面法和被動源方法兩類：電磁剖面法和被動源方法兩類： a 、人工主動源電磁剖面法人工主動源電磁剖面法： 研究深度為幾十米到一、二百米。研究深度為幾十米到一、二百米。 包括包括不接地回線法、電磁偶極剖面法、航空電磁法不接地回線法、電磁偶極剖面法、航空電

44、磁法 等。等。 這些方法這些方法 既可在頻率域中采用，也可在時間域中采用。既可在頻率域中采用，也可在時間域中采用。航空電磁法航空電磁法：在實際工作中，航空電磁法不局限于直找礦，：在實際工作中，航空電磁法不局限于直找礦，應用范圍較廣。應用范圍較廣。 b、被動源電磁剖面法：主要有、被動源電磁剖面法：主要有甚低頻法甚低頻法和和大地電磁法大地電磁法。 甚低頻法甚低頻法：世界上許多國家為了潛艇通訊及導航目的，設立了：世界上許多國家為了潛艇通訊及導航目的，設立了強功率的長波電臺。其發(fā)射頻率在強功率的長波電臺。其發(fā)射頻率在1525kHz范圍內，甚低頻范圍內，甚低頻電臺發(fā)射的電磁波，在遠離電臺地區(qū)可視為典型的

45、電臺發(fā)射的電磁波，在遠離電臺地區(qū)可視為典型的平面波平面波。這。這種電磁波適合做電導率填圖，還可用于探測大的斷層、破碎帶、種電磁波適合做電導率填圖，還可用于探測大的斷層、破碎帶、石墨化地層和礦化帶，在有利條件下還可探測浸染和塊狀硫化石墨化地層和礦化帶，在有利條件下還可探測浸染和塊狀硫化礦。礦。 大地電磁剖面法大地電磁剖面法：研究深度可達到結晶基底，可提供研究區(qū)域的：研究深度可達到結晶基底，可提供研究區(qū)域的基礎資料?；A資料。4、 電磁測深法電磁測深法：根據電磁感應原理研究天然或人工根據電磁感應原理研究天然或人工 （可控）場源在大地中激勵的電磁（可控）場源在大地中激勵的電磁 場場 分布，由觀測到的

46、電磁場值來研究地分布，由觀測到的電磁場值來研究地 電參數沿深度的變化。電參數沿深度的變化。目前常用方法包括：目前常用方法包括：天然大地電磁測深方法、人工源天然大地電磁測深方法、人工源 頻率電磁測深方法（簡稱頻率測頻率電磁測深方法（簡稱頻率測 深法）、人工源瞬變電磁測深方深法）、人工源瞬變電磁測深方 法（簡稱瞬變測深法）法（簡稱瞬變測深法）。天然大地電磁測深方法、人工源頻率電磁測深方法天然大地電磁測深方法、人工源頻率電磁測深方法（簡稱頻（簡稱頻 率測深法）、率測深法）、可控源音頻大地電磁測深法可控源音頻大地電磁測深法（ CSAMT）屬于頻率屬于頻率域方法，通過改變頻率來控制探測深度。域方法，通過

47、改變頻率來控制探測深度。人工源瞬變電磁測深方法人工源瞬變電磁測深方法（簡稱瞬變測深法）（簡稱瞬變測深法）為時間域方法。為時間域方法。應用方向：應用方向：在我國，在我國，電磁測深方法主要用于觀測地殼和上地幔物電磁測深方法主要用于觀測地殼和上地幔物 質結構、普查石油天然氣、煤田、地熱田、尋找地質結構、普查石油天然氣、煤田、地熱田、尋找地 下水和金屬礦產過程。下水和金屬礦產過程。大地電磁測深法大地電磁測深法：設平面電磁波垂直射入地面，：設平面電磁波垂直射入地面， n層水平層水平層狀介質的層厚度為層狀介質的層厚度為hn，電阻率，電阻率 n，界面深度，界面深度dn，每，每層波數層波數kn。對于任意層，場

48、變量的基本方程為：對于任意層，場變量的基本方程為：根據均勻場的特點，由亥姆霍茲方程得電磁場的解為：根據均勻場的特點，由亥姆霍茲方程得電磁場的解為：)(1(E;222AkAiAHAkA)()()()(kzykzyykzxkzxxkzxkzxykzykzyxebeaiEebeaiEebeakHebeakH對于任意層，阻抗為：對于任意層，阻抗為：設第推函數設第推函數Rn為：為： 則第一水平層阻抗則第一水平層阻抗Z1、電阻率、電阻率 1和地表阻抗和地表阻抗Z10關系可寫為：關系可寫為：nyxnHEZ )(11nnnnnnRkkarthhkthR2010111011ZRkiZ 由上式，得出大地電磁法所測

49、得的視電阻率的?；蛘裼缮鲜剑贸龃蟮仉姶欧ㄋ鶞y得的視電阻率的?；蛘穹哂幸韵滦问剑悍哂幸韵滦问剑喊催@種方法確定的視電阻率稱為按這種方法確定的視電阻率稱為卡尼亞視電阻率卡尼亞視電阻率。大大地地電電磁磁測測深深兩兩層層曲曲線線2101ZT大大地地電電磁磁測測深深三三層層曲曲線線頻率電磁測深法頻率電磁測深法：采用電或磁偶極場源，：采用電或磁偶極場源，用改變頻率的方用改變頻率的方法來控制探測深度法來控制探測深度，而不用增加供電電極距，而不用增加供電電極距AB。對。對地層的分辯力強；勘探深度較大等。近年來，頻率深地層的分辯力強；勘探深度較大等。近年來，頻率深法已成為國內外應用較廣的一種測深方法。法已成

50、為國內外應用較廣的一種測深方法。 頻率測深視電阻率：頻率測深視電阻率：s為接收線框面積，為接收線框面積，n為匝數。為匝數。ABnsrKMNABrKIUKIUKzxzzxxHEHHEE3243K型斷面頻率測深曲線型斷面頻率測深曲線A型斷面頻率測深曲線型斷面頻率測深曲線H型斷面頻率測深曲線型斷面頻率測深曲線可控源音頻大地電磁測深法可控源音頻大地電磁測深法原理 CSAMT法是可控源音頻大地電磁法的簡稱。該方法是九十年代才興起的一種地球物理新技術，它基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組導出了水平電偶極源在地面上的電場及磁場公式視電阻率 (s )公式 山東科技大學 2251yssHEf可控源音頻大地電磁測

51、深法 山東科技大學 根據電磁波的趨膚效應理論，導出了趨膚深度公式 fH256 可控源音頻大地電磁測深法從上式可見，當地表電阻率固定時，電磁波的傳播深度（或探測深度）與頻率成反比，高頻時，探測深度淺，低頻時，探測深度深。人們可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測深度，達到頻率測深的目的。九十年代，加拿大鳳凰公司和美國的宗吉公司根據這一理論首先研究制造了CSAMT的測量儀器系統，編制了軟件，建立了野外工作方法（見下圖）。 山東科技大學 可控源音頻大地電磁測深法接 收 機測 量 線AB4 km2-4 km4-8 km60發(fā) 射 機TransmitterSurvey lineReceiver山東科技大學可控源

52、音頻大地電磁測深法- 1 0 0 0- 9 5 0- 9 0 0- 8 5 0- 8 0 0- 7 5 0- 7 0 0- 6 5 0- 6 0 0- 5 5 0- 5 0 0- 4 5 0- 4 0 0- 3 5 0- 3 0 0- 2 5 0- 2 0 0- 1 5 0- 1 0 0- 5 00D e p t h ( m )- 1 0 0 0- 9 0 0- 8 0 0- 7 0 0- 6 0 0- 5 0 0- 4 0 0- 3 0 0- 2 0 0- 1 0 00141 01 52 03 04 05 06 08 08 59 09 51 0 01 0 51 1 01 1 51 2 01

53、3 01 4 01 5 06 0 7 0 8 0 9 0 1 0 06 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0山東科技大學可控源音頻大地電磁測深法 CSAMT法具有如下的一些特點： （1）使用可控制的人工場源，信號強度比天然場要大得多，因此可在較強干擾區(qū)的城市及城郊開展工作。 （2）測量參數為電場與磁場之比，得出的是卡尼亞電阻率。由于是比值測量，因此可減少外來的隨機干擾，并減少地形的影響。 （3）基于電磁波的趨膚深度原理，利用改變頻率進行不同深度的電測深，大大提高了工作效率，減輕了勞動強度，一次發(fā)射，可同時完成七個點的電磁測深。 （4）勘探深度范圍大，一般可達12Km； （5）橫向分辨率高，可

54、靈敏地發(fā)現斷層； （6）由于接收機在接收電場的同時還要接收磁場，因此高阻屏蔽作用小，可穿透高阻層。 山東科技大學 瞬變電磁測深法瞬變電磁測深法 即時間域瞬變電磁測深法，是近年來發(fā)展很快的即時間域瞬變電磁測深法，是近年來發(fā)展很快的 電法勘探的分支方法電法勘探的分支方法 。應用方法：應用方法：在階躍脈沖作用下，良導地層中產生的瞬變渦在階躍脈沖作用下，良導地層中產生的瞬變渦 流電磁場持續(xù)時間較長，流電磁場持續(xù)時間較長，所以在沉積巖地層所以在沉積巖地層 內尋找和確定良導地層空間狀態(tài)時可給出較內尋找和確定良導地層空間狀態(tài)時可給出較 好的結果。因此，好的結果。因此，瞬變測深法主要用于用于瞬變測深法主要用于

55、用于 解決油天然氣、煤系以及地熱勘探等地質問解決油天然氣、煤系以及地熱勘探等地質問 題。題。水平層狀大地的瞬變電磁測深法計算公式：水平層狀大地的瞬變電磁測深法計算公式： 對于水平多層介質的瞬變電磁測深計算公式，多采用對于水平多層介質的瞬變電磁測深計算公式，多采用余弦變換或逆拉氏變換方法求解。余弦變換或逆拉氏變換方法求解。111121222212111111QeQeQRdieRhkhktiT三層瞬變電磁測深曲線三層瞬變電磁測深曲線(a)H型斷面測深曲線型斷面測深曲線;(b)K型斷面測深曲線型斷面測深曲線;(c)A型斷面測深曲線型斷面測深曲線;(d)Q型斷面測深曲線型斷面測深曲線瞬變電磁測深法的特

56、點瞬變電磁測深法的特點(1)由于TEM是在無一次場背景情況下觀測二次場，即觀測的是純異常，自動消除了FEM中的主要噪聲源裝置耦合噪聲，從而提高了探測精度。(2) 裝置形式靈活多樣，可隨不同工程任務的要求和施工場地的條件來選擇合適的裝置。具有施工方便、測地工作簡單、工作效率高及地質效果好等優(yōu)點。使用同點裝置工作，與欲探測的地質對象能達到最佳的耦合，取得的異常幅度強、形態(tài)簡單、分層能力強，從而具有較高的探測能力，并且受到旁測地質體的影響也是最小的。(3)對于受到導電圍巖及導電覆蓋層等地質噪聲干擾的“礦異?！钡膮^(qū)分能力優(yōu)于FEM。在高阻圍巖條件下，不存在地形起伏引起的假異常；低阻圍巖起伏地形引起的異常也比較容易識別。 (4)在TEM測量中，對于線框鋪設的點位、方位及形狀等的要求相對于FEM可以放寬，測地工作簡單