地球的物理勘探電法基礎(chǔ)知識(shí)

1、關(guān)于地球物理勘探電法基礎(chǔ)知識(shí)第1頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四 電 法 勘 探 分 類【物性基礎(chǔ)：電性性質(zhì)差異】 【理論基礎(chǔ)：電場(chǎng)理論】傳導(dǎo)類：電阻率法、充電法、自然電場(chǎng)、激發(fā)極化 等感應(yīng)類：電磁法（剖面、測(cè)深）等 電場(chǎng)產(chǎn)生的原因 場(chǎng)源性質(zhì) 天然場(chǎng)（被動(dòng)源）：自然電場(chǎng)法、大地電磁法人工場(chǎng)（主動(dòng)源）：電阻率法、充電法、激發(fā)極化、電磁法等 觀測(cè)和研究人工建立各種電場(chǎng)的分布規(guī)律找礦或解決某些地質(zhì)問(wèn)題目的電場(chǎng)的時(shí)間特性 直流電法：電阻率法（剖面、測(cè)深）、充電法、自然電場(chǎng) 等交流電法：電磁法等 第2頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四研究對(duì)象：人工、直流、電

2、阻率 勘探方法-通常所指的 電法觀測(cè)和研究人工建立穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布規(guī)律達(dá)到找礦或解決某些地質(zhì)問(wèn)題目的 分類： 電（阻率）剖面 電（阻率）測(cè)深 物性基礎(chǔ)：導(dǎo)電性差異 普遍存在 電阻率法廣泛應(yīng)用 第3頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四(直流)電(阻率)法 勘 探 基 礎(chǔ) 知 識(shí)一.巖土介質(zhì)的電阻率 1. 電阻率概念 概念 : 電流 通過(guò)該物質(zhì)所組成的邊長(zhǎng)為1m的立方體時(shí)呈現(xiàn)的電阻 用表示， 單位：歐姆米（m） ：表征物質(zhì)導(dǎo)電性的基本參數(shù)，間接 導(dǎo)電率：=1/ ， 直接 表征巖石導(dǎo)電性能。二者關(guān)系： 1/第4頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四 2 常見(jiàn)巖土

3、介質(zhì)的 電阻率自然狀態(tài)下，巖土的 與 眾多因素有關(guān) -普遍存在差異， 具有一定的變化范圍如 常見(jiàn)的幾種巖石、土、 水的石墨、片巖第5頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四 3 影響電阻率的因素 自然狀態(tài)下，巖土的電阻率和巖石的組份、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、孔隙度、 含水性、溫度等有關(guān)。 1) 組 分: 主要造巖礦物： 長(zhǎng)石、石英、云母 礦物骨架（造巖礦物，固相,高） + 水（液相，低） 2) 結(jié) 構(gòu): 良導(dǎo)性礦物含量+ 結(jié)構(gòu) 浸染狀、細(xì)脈狀、成層狀 層狀介質(zhì)：與I方向有關(guān) （黑色：良導(dǎo)礦物） 第6頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四3) 構(gòu) 造 地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、風(fēng)化、溶

4、蝕-裂隙如充水，降低，反之,4) 孔隙度及含水性（濕度）： 孔隙度大+含水多，則降低，反之，則高 如：砂卵石層：飽含礦化度高的水時(shí)，為 幾十 m 在潛水面以上時(shí)， 為幾百幾千m 致密石灰?guī)r的很高，有溶洞且充填礦化度高的水時(shí)，較低5) 水溶液的礦化度 純水 - 一般 潛水 - 海水 如：劃分咸淡水的層位6) 溫 度 冰 常溫 水 熱水 如，地?zé)岙惓５娜Χǎ?溫泉， 凍土層界面劃分第7頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四 4 層狀介質(zhì)的電阻率 與方向是否有關(guān): 各向異性介質(zhì)、各向同性介質(zhì) 1) 縱向 與橫向 (計(jì)算公式見(jiàn)下頁(yè)) 層理方向 (串聯(lián)) 流過(guò)時(shí)所測(cè)電阻率稱為 橫向 層

5、理方向 (并聯(lián)) 流過(guò)時(shí)所測(cè)電阻率稱為 縱向 各向異性系數(shù)：1第8頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四 2) 橫向電阻 縱向電導(dǎo)S 如在層狀介質(zhì)中取底面積為 1平米、厚度為h的六面巖柱體。橫向電阻(串聯(lián))：當(dāng) I 巖柱體底面 流過(guò)時(shí) 所測(cè)得的電阻。 a. 均質(zhì) b. 層狀縱向電導(dǎo)S (并聯(lián))：當(dāng) I 巖柱體底面流過(guò)時(shí)， 所測(cè)得的電導(dǎo)。 a. 均質(zhì) b. 層狀對(duì)于電性不同層狀介質(zhì)來(lái)說(shuō)，T和S 兩者的綜合影響決定巖層對(duì)電場(chǎng)的畸變作用。 S=h (v=1/)（h電性層的厚度）= /= /S第9頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四二. 電阻率法的基本理論 電法勘

6、探中 : 內(nèi)在依據(jù)：物性基礎(chǔ) 外在條件：人工電流場(chǎng) + 探測(cè)技術(shù) 推測(cè) 地下介質(zhì)分布 觀測(cè) 介質(zhì)的變化 建立 人工(直流)電場(chǎng) 理論基礎(chǔ)(正演)：已知電性介質(zhì)分布，研究電場(chǎng)分布。 研究場(chǎng)與場(chǎng)源的關(guān)系(正演)-電法勘探出發(fā)點(diǎn)勘探目的(反演)：通過(guò)觀測(cè)電性參數(shù)特征，推斷電性介質(zhì)的分布 穩(wěn)定電流場(chǎng) ( U(t)特性 ) 第10頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四1. 穩(wěn)定電流場(chǎng)的基本規(guī)律（基本方程+邊界條件） 1） 微觀歐姆定律（適用于均質(zhì)和非均質(zhì)）：j與E關(guān)系方程 2）克?；舴蚨桑娏魇翘幪幨沁B續(xù)的）: 連續(xù)性方程 3）穩(wěn)定電流場(chǎng)的勢(shì)場(chǎng)性（U與r有關(guān)）：電位性質(zhì) 4）穩(wěn)定電流

7、場(chǎng)的基本方程（拉普拉斯方程式）（綜上） 5）邊界條件： 求解出 U，及 E、j 分布規(guī)律第11頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四2. 點(diǎn)電源電場(chǎng) (均勻介質(zhì)) 地下介質(zhì)為：各向同性、均勻半無(wú)限空間1） 一個(gè)點(diǎn)電源的電場(chǎng) （半空間）點(diǎn)電源：供電電極A、B本身的大小 0 U E0 U|E0| U|E 0U 高阻：集中-排斥高阻-低阻：發(fā)散-吸引 高阻排斥、低阻吸引I ?第15頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四5. 鏡像法 （電像法，非均勻介質(zhì)）非均勻時(shí)，求解電場(chǎng)基本方程困難根據(jù)穩(wěn)定電流場(chǎng)解的唯一性，邊界條件一定時(shí)，任何方法所求解唯一。適合 : 全 空 間

8、 、半 空 間光學(xué)：有源介質(zhì)中點(diǎn) M1 直達(dá) + (反射 鏡像)電場(chǎng)：有源介質(zhì)中點(diǎn)M1 （1） 直達(dá) + 反射(積累電荷) 鏡像 無(wú)源介質(zhì)中 點(diǎn)M2: （2） 入射+(-反射)(積累電荷) 鏡像 K12 反射系數(shù)1-K12 透射系數(shù)K12=? I=？=？界面上r1=r2=r3UM1=UM2（3）第16頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四作業(yè)：什么是電阻率法什么是電阻率、橫向電阻率、縱向電阻率、橫向電阻、縱向電導(dǎo)。巖土介質(zhì)的電阻率受哪些因素影響一個(gè)點(diǎn)電源電場(chǎng)的特點(diǎn)均勻大地電阻率計(jì)算公式推導(dǎo)第17頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四低阻 吸引j高阻 排斥j6

9、.視電阻率 及其 定性分析公式 均勻介質(zhì)中真電阻率 ：均勻介質(zhì) 所測(cè)為 影響因素（前面） 非均勻介質(zhì)中，綜合影響視電阻率 ： 受：不均勻體及圍巖的電阻率； 分布形態(tài)； 裝置形式和大小； 裝置相對(duì)于不均勻體的位置 定性 分析公式 = 的微分公式: 第18頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四點(diǎn)點(diǎn)庫(kù)倫歐姆守恒次一級(jí)7、積累電荷的概念及電阻率法的物理實(shí)質(zhì) 積累電荷：在非均勻?qū)щ娊橘|(zhì)中，存在著電荷的體分布 電性界面上電荷的積累過(guò)程可通過(guò)：庫(kù)倫定律、歐姆定律及 電荷守恒定律 進(jìn)行描述。 電性界面上電荷的積累的具體過(guò)程：穩(wěn)定電場(chǎng)第19頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期

10、四 A在電源接通的瞬間(t=0)，由電極表面的積累電荷在界面兩側(cè)無(wú)限接近的兩點(diǎn)所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度法分量應(yīng)該相等 ： B根據(jù)歐姆定律，在相同電場(chǎng)作用下，在電阻率分界面的兩側(cè)，將引起不同的電流密度，如當(dāng) ， c在界面上某點(diǎn)作一閉合曲面，將出現(xiàn)流入、流出閉合曲面的電流密度不相等， ，所以在界面上形成了電荷的積累： D積累電荷又在分界面兩側(cè)引起次一級(jí)的電場(chǎng) 次一級(jí)的電場(chǎng)又引起次一級(jí)的電流密度 。于是，界面兩側(cè)總電流密度為： 界面上仍會(huì)有新的正電荷的積累。 E. 當(dāng) 時(shí)，界面上便不再有新的電荷積累，這時(shí)的電場(chǎng)才成為穩(wěn)定電場(chǎng)： 。（穩(wěn)定電流場(chǎng)的邊界條件）第20頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分

11、，星期四 當(dāng)電流由低阻介質(zhì)流向高阻介質(zhì)時(shí)， 界面上積累正電荷； 當(dāng)電流由高阻介質(zhì)流入低阻介質(zhì)時(shí)， 界面上積累負(fù)電荷。 右圖表示電性界面上， 積累電荷的形成過(guò)程。第21頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四8. 電流密度 j 隨深度 h 的分布 j 隨 h 的分布規(guī)律 關(guān)系 電法 勘探深度 電法勘探深度與： 所選極距的大小-人為因素 所要探則地質(zhì)對(duì)象的電性、產(chǎn)狀 和 規(guī)模大小、 以及探測(cè)地段地電斷面的結(jié)構(gòu)等， 都有密切的關(guān)系。 均勻半無(wú)限空間中電流密度隨深度的變化規(guī)律-j(h)地表 AB聯(lián)線的中垂線OM方向上， j 隨 h 的變化規(guī)律：1）地表 h=0 AB連線的 中點(diǎn)O處 ，

12、j：第22頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四2）中垂線上深度為h的M點(diǎn)處： 整理： 3） 關(guān)系如右圖所示 h=2r=AB時(shí)，jh=8.9%jO ，主要分布在地表附近的范圍內(nèi)，h ，j ； r， j在深處的 相對(duì)分布百分比 最佳極距 L=r=AB/2=0.707H ；地表上 jO= 最大h=2r=2AO=AB一個(gè)點(diǎn)電源第23頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四9. 電流密度 j 與 電源功率V 關(guān)系 一個(gè)點(diǎn)源 為例，極距處，地表上0最大： 供入地下的電流 I依次為：電源內(nèi)阻，導(dǎo)線電阻，AB電極的接地電阻過(guò)度增大 電極距，會(huì)使0 減小，讀數(shù)不準(zhǔn)。 要想 增

13、大勘探深度H，需要： 增大V 增加 j 的 絕對(duì)值， 適當(dāng)增大 電極距 L 增加 j 在深處分布的 百分比0第24頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四三.電阻率法的儀器、設(shè)備簡(jiǎn)介1.電阻率法野外觀測(cè)中的幾個(gè)問(wèn)題 1） 接地電阻 一個(gè)電極的接地電阻可以理解為電流由電極流入地下受到的阻力。 它是指從電極表面到大地?zé)o窮遠(yuǎn)處之間的大地電阻。野外測(cè)量中，希望接地電阻盡可能小，可在一定的供電V下供入較大的I 2）電極極化、極化補(bǔ)償、不極化電極電極極化現(xiàn)象：在野外測(cè)量中，MN測(cè)量電極電極表面與毗鄰的水溶液中形 成雙電層，每一個(gè)金屬棒打入土中就具有一定的電極電位。 因此，測(cè)量MN電極間常存

14、在一定數(shù)量的電極電位差，或稱為極化電位差 -干擾電流 極化補(bǔ)償：直流電法儀器中設(shè)有“極化補(bǔ)償器”，在AB沒(méi)有供電之前，使用 “極化補(bǔ)償器” 產(chǎn)生與電極電位大小相等、方向相反的電位差，將 電極電位補(bǔ)償?shù)簟?第25頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四2、對(duì)電測(cè)儀器的一般要求 電阻率法的野外工作，是通過(guò)測(cè)量MN電極間的電位差UMN 及電流I，然后利用(5.3.1)式： , 計(jì)算各點(diǎn) 視電阻率。 因此，電阻率法的儀器在性能上必須滿足野外條件下能準(zhǔn)確測(cè)量微弱電位差和電流的要求。對(duì)儀器的具體要求如下： 1）靈敏度高 2）抗干擾能力強(qiáng) 3）較高的穩(wěn)定性 為了達(dá)到以上要求，該類儀器一般須有較高的輸入阻抗。3、電子自動(dòng)補(bǔ)償儀的工作原理（右圖）第26頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)38分，星期四4、電阻率法的主要裝備 電阻率法野外工作有如下設(shè)備： 測(cè)量?jī)x器、供電電源、供電電極AB、測(cè)量電極MN、導(dǎo)線及線架等。供電電源：常用幾塊45V 乙型干電池串聯(lián)和并聯(lián)組成，或