應用地電學B課件：第1章-巖礦石電學性質

巖礦石的電學性質應用地電學B巖礦石的電學性質應用地電學B為什么要學習巖礦石的電學性質？地電學是以巖（礦）石間電磁學及電化學性質的差異作為基礎的利用不同電性參數(shù)，可以使用不同的地電學方法測量地下介質的性質和分布，從而解決地質問題所利用的主要電性參數(shù)有：

電阻率（ρ）resistivity

極化率（η）polarizability

磁導率（μ）magneticpermeability

介電常數(shù)（ε）permittivity/capacitivity壓電常數(shù)（d）piezoelectricity2為什么要學習巖礦石的電學性質？地電學是以巖（礦）石間電磁學及本章主要內容1.巖礦石的導電性2.巖礦石的介電性3.巖礦石的導磁性4.巖礦石的自然極化性質5.巖礦石的激發(fā)極化性質6.巖礦石的壓電性與震電性3本章主要內容1.巖礦石的導電性3巖礦石的導電性電阻率ρ(Resistivity)描述介質的導電性，是地電學中最重要的物理參數(shù)在電法勘探中，電阻率ρ的單位以歐姆·米表示，記作Ω·m。有時也用電導率σ(Conductivity)表示物質的導電性，其單位為西門子每米，記作S/m。電導率和電阻率互為倒數(shù)。物質的電阻率越低、電導率越大，其導電性越好；反之，導電性越差。4巖礦石的導電性電阻率ρ(Resistivity)描述介質的導1.1礦物的電阻率巖石和礦石都是由礦物組成的，按導電機制不同，固體礦物可分三種類型，即金屬導體、半導體和固體電解質。在討論巖、礦石電阻率之前，先介紹一下常見固體礦物的導電性。巖礦石的導電性1.1礦物的電阻率巖礦石的導電性（1）金屬導體（電子導體）

各種天然金屬均屬于金屬導體。較重要的自然金屬有自然金和自然銅，其電阻率值均很低，自然金的電阻率約為2×10-8歐姆·米，自然銅的電阻率約為1.2×10-8~3×10-7歐姆·米。

此外，石墨這種具有某些特殊的電子導體性質的非金屬也具有很低的電阻率，其值小于10-6歐姆·米。巖礦石的導電性（1）金屬導體（電子導體）巖礦石的導電性（2）半導體（電子導體）

大多數(shù)金屬礦物均屬于半導體。其電阻率值都高于金屬導體，并有較大的變化范圍（10-6~106歐姆·米）。

大多數(shù)常見的金屬硫化物（如黃銅礦、黃鐵礦、方鉛礦）和某些氧化礦物（如磁鐵礦），其電阻率值均較低，具有良好的導電性。巖礦石的導電性（2）半導體（電子導體）巖礦石的導電性

而少部分的金屬硫化礦物和多數(shù)氧化礦物，如輝銻礦、閃鋅礦、軟錳礦、鉻鐵礦和赤鐵礦等，它們的電阻率值均較高。

上述金屬導體和半導體的導電作用都是通過其中某些電子在外電場作用下的定向運動來實現(xiàn)的，它們均為電子導體。巖礦石的導電性 而少部分的金屬硫化礦物和多數(shù)氧化礦物，如輝銻礦、閃鋅礦、常見半導體礦物的電阻率范圍巖礦石的導電性常見半導體礦物的電阻率范圍巖礦石的導電性（3）固體電解質（離子導體）絕大多數(shù)造巖礦物（如輝石、長石、石英、云母和方解石等），均屬于固體電解質，其電阻率值都很高（大于106歐姆·米），在干燥情況下可視為絕緣體。固體電解質導電載流子為填隙離子或空格點，它們屬于離子導電。巖礦石的導電性（3）固體電解質（離子導體）巖礦石的導電性巖礦石的導電性

需要注意的是，礦物電阻率值并不是一成不變，而是在一定范圍內變化的，同種礦物可有不同的電阻率值，不同礦物也可有相同的電阻率值。11巖礦石的導電性 需要注意的是，礦物電阻率值并不是一成不變，1.2影響巖礦石電阻率的因素

天然狀態(tài)下，巖礦石的電阻率除了和其組份（礦物）有關外，還和其它因素有關，如巖石的結構、孔隙度，含水性及溫度，壓力等。

因此，不僅礦物組分不同的巖石會有不同的電阻率，既使礦物組份相同的巖石，也會由于上述條件的不同而使其電阻率在很大的范圍內變化。影響巖礦石電阻率的因素1.2影響巖礦石電阻率的因素影響巖礦石電阻率的因素常見巖石電阻率值的分布范圍曲線常見巖石電阻率值的分布范圍曲線

由圖可見，一般而言，火成巖與變質巖的電阻率值一般較高，通常在102~105歐姆·米；

而沉積巖電阻率值一般較低，如粘土的電阻率約為100~101歐姆·米，砂巖的電阻率約為102~103歐姆·米，多孔灰?guī)r的電阻率較低，而致密灰?guī)r的電阻率則較高些。影響巖礦石電阻率的因素 由圖可見，一般而言，火成巖與變質巖的電阻率值一般較高，通(1)電阻率與礦物成份、結構的關系

巖、礦石的組成可以大致分為兩部分，即膠結物，其電阻率設為ρ1，及礦物顆粒，其電阻率設為ρ2，礦物顆粒的百分含量設為V。15影響巖礦石電阻率的因素礦物顆粒膠結物

在巖石物理中，為簡單起見，一般可以將礦物顆粒的形狀簡化為簡單的幾何形體，如球體，針狀體，片狀體等(1)電阻率與礦物成份、結構的關系15影響巖礦石電阻率的因素對于球形顆粒而言，其總體電阻率可以表示為對于針狀顆粒而言，其總體電阻率可以近似為拉長的旋轉橢球體形式：16影響巖礦石電阻率的因素垂直于顆粒方向平行于顆粒方向對于球形顆粒而言，其總體電阻率可以表示為16影響巖礦石電阻率影響巖礦石電阻率的因素17對于圓片狀顆粒而言，其總體電阻率可以近似為壓扁的旋轉橢球體形式：顯然，巖礦石的電阻率與礦物電阻率，膠結物電阻率，以及礦物的含量百分比V都具有相關性垂直于顆粒方向平行于顆粒方向影響巖礦石電阻率的因素17對于圓片狀顆粒而言，其總體電阻率可影響巖礦石電阻率的因素討論：1）巖礦石礦物和膠結物的電阻率固定時，巖礦石電阻率受礦物電阻率ρ2的影響一般不大

一般情況下，V＜60%時，ρ2的影響可以忽略；只有V＞80%時，ρ2有明顯作用。2）膠結物和礦物的電阻率與比例（V）均相同，但結構不同時：①球狀結構：ρ無方向性；②針、片狀結構：ρ有方向性，ρn>ρt；18影響巖礦石電阻率的因素討論：18

天然狀態(tài)下的巖礦石一般含有孔隙水，在地電學中，一般可以近似地把含水的巖石模型看成是由兩相介質構成的，即由礦物骨架（固相）和流體（液相）所構成。

在物理學中，一般利用

阿爾奇公式來描述兩相介質

中的電阻率與空隙度及物質

組分之間的關系影響巖礦石電阻率的因素tenGrotenhuisetal.,2005 天然狀態(tài)下的巖礦石一般含有孔隙水，在地電學中，一般可以近影響巖礦石電阻率的因素根據(jù)前人對大量巖石電阻率的測定，巖石物理學統(tǒng)計得出的阿爾奇公式(Archie’slaw)可以表示為：其中ρ為巖石的電阻率，ρ0為流體的電阻率，Ф為孔隙度，S為飽和度，n為飽和度指數(shù)，m為孔隙度指數(shù)。a為比例系數(shù)因此，可以利用阿爾奇公式來獲得巖石電阻率與孔隙度或流體電阻率之間的關系。20影響巖礦石電阻率的因素根據(jù)前人對大量巖石電阻率的測定，巖石物主要的造巖礦物如長石、石英、云母等電阻率均相當高。然而，由于天然狀態(tài)下的巖石在長期的地質歷史過程中，受到地質作用而出現(xiàn)裂隙，以及裂隙中含流體等原因，一般巖石的電阻率要低于其所含礦物的電阻率。(2)電阻率與巖石孔隙度的關系影響巖礦石電阻率的因素主要的造巖礦物如長石、石英、云母等電阻率均相當高。影響巖礦石電阻率的因素不難理解，一般比較致密的巖石，孔隙度較小，所含水分也較少，因而電阻率較高；結構比較疏松的巖石，孔隙度較大，所含水分也較多，因而電阻率較低。根據(jù)阿爾奇公式：顯然孔隙度Ф與飽和度S越大，巖石的電阻率越低22影響巖礦石電阻率的因素不難理解，一般比較致密的巖石，孔隙度較

巖礦石的電阻率與其水溶液礦化度也有著密切的關系。地下水的礦化度變化范圍很大，淡水的礦化度約為10-1g/L，咸水的礦化度則可能高達10g/L，相差兩個數(shù)量級，而礦化度與電阻率有著直接聯(lián)系。

由于水溶液是離子導電，顯然，巖石中所含水溶液的礦化度越高，其流體電阻率就越低(3)電阻率與水溶液礦化度的關系影響巖礦石電阻率的因素 巖礦石的電阻率與其水溶液礦化度也有著密切的關系。地下水的影響巖礦石電阻率的因素根據(jù)阿爾奇公式：顯然，流體電阻率ρ0越低，巖石的電阻率也就越低->水溶液礦化度越高，電阻率越低影響巖礦石電阻率的因素根據(jù)阿爾奇公式：孔隙度大而滲透性強的巖層如砂層、礫石層，當飽含礦化度高的地下水時，電阻率可能只有幾十至幾個歐姆·米；當其位于潛水面以上含水條件較差時，其電阻率可高達幾百至幾千歐姆·米。因此，利用地下介質的電阻率分布，可能對地下的潛水面位置進行判斷25影響巖礦石電阻率的因素孔隙度大而滲透性強的巖層如砂層、礫石層，當飽含礦化度高的地下26影響巖礦石電阻率的因素流體互相連通流體互相不連通(4)電阻率與流體連通性的關系

即使礦物組分，礦石孔隙度與流體電阻率均相同，礦石的電阻率仍可能由于流體的連通性的區(qū)別而發(fā)生較大的變化，如下圖所示10%10%26影響巖礦石電阻率的因素流體互相連通流體互相不連通(4)

由于溫度的變化將引起水溶液中離子活動性的變化，所以巖石中水溶液的電阻率也將隨溫度的升高而降低。在地熱勘探中，正是利用這一特性來圈定地熱異常的。

相反在冰凍條件下，地下巖石中的水溶液將由于結凍，使巖土呈現(xiàn)出極高的電阻率。這對于我國冰凍時間較長地區(qū)，冬季施工時將產(chǎn)生影響。(5)電阻率與溫度的關系影響巖礦石電阻率的因素 由于溫度的變化將引起水溶液中離子活動性的變化，所以巖石中含水砂巖電阻率隨溫度變化的試驗曲線砂巖孔隙度為12%；濕度ω=1.5%影響巖礦石電阻率的因素含水砂巖電阻率隨溫度變化的試驗曲線影響巖礦石電阻率的因素中國地質大學（北京）地信學院電法組制作(6)高溫高壓下的巖石電阻率地球深部巖石的電阻率受高溫、高壓的影響，巖石電導率隨溫度增加按指數(shù)增大（電阻率減?。r石電導率隨壓力增加也會相應增大（電阻率減?。?，但并不如溫度變化敏感。在淺部地區(qū)可以認為巖石電阻率隨壓力不發(fā)生變化影響巖礦石電阻率的因素中國地質大學（北京）地信學院電法組制作(6)高溫高壓下的巖石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(jù)壓力特征，這種破壞可能是巖石的壓實，孔隙收縮，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，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。對于大多數(shù)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，某些粘土或高含水巖石在壓力作用下，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。30影響巖礦石電阻率的因素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(jù)壓力影響巖礦石電阻率的因素(7)巖礦石電阻率與測量頻率的關系

我們知道，在直流電場情況下，介質的導電性質只與傳導電流有關

而在交變電場情況下，電性除顯示出與電阻率有關的傳導電流外，還顯示出與巖、礦石介電常數(shù)（）有關的“位移電流”。31影響巖礦石電阻率的因素(7)巖礦石電阻率與測量頻率的關系3在導電介質中總電流密度j為傳導電流密度和位移電流密度的和：在電磁場理論中，傳導電流密度和位移電流密度的比值稱為介質的電磁系數(shù)m當m>>1時，介質中傳導電流起主要作用，此時可忽略位移電流作用；反之，當m<<1時，主要由位移電流起作用，可忽略傳導電流作用。32影響巖礦石電阻率的因素在導電介質中總電流密度j為傳導電流密度和位移電流密度的和：3中國地質大學（北京）地信學院電法組制作

考慮到野外實際情況，圖中取r為5～50。由圖可見，對于頻率小于數(shù)千Hz及介質電阻率小于105范圍內皆可忽略位移電流作用。

在自然條件下，巖石電阻率一般很少超過該值。故在低頻感應法中不考慮位移電流影響，即視巖石導電性不隨頻率改變。

只是在頻率超過106Hz的高頻電磁法（如探地雷達法）中才考慮位移電流作用。中國地質大學（北京）地信學院電法組制作考慮到野外實際1.3巖礦石電阻率的各向異性縱向電阻率與橫向電阻率

大部分沉積巖都具有層理結構，從其電性上來看，它們可以大致看作是由各種不同電阻率的地層組成的。

這樣的地層其電阻率與通過其中電流的方向有關，呈現(xiàn)出各向異性。巖礦石電阻率的各向異性1.3巖礦石電阻率的各向異性巖礦石電阻率的各向異性層狀結構巖石模型（a）實際巖石（b）等效模型L1L2層狀結構巖石模型L1L2垂直層理方向：平行層理方向：（參考電阻的串聯(lián)與并聯(lián)）垂直層理方向：平行層理方向：（參考電阻的串聯(lián)與并聯(lián)）

對于各向異性介質而言，當電流垂直層理方向流過時所測得的電阻率稱為橫向電阻率，我們用符號ρn來表示；電流平行層理方向流過時所測得的電阻率稱為縱向電阻率，我們用符號ρt來表示。巖礦石電阻率的各向異性對于各向異性介質而言，當電流垂直巖礦石電阻率的各向巖石名稱λ巖石名稱λ層狀粘土層狀砂巖石灰?guī)r02~1.051~1.61~1.3泥質板巖泥質頁巖無煙煤1~1.5941~1.251.5~2.5

一般情況下，巖層的橫向電阻率均大于其縱向電阻率，并用“各向異性系數(shù)”來表示巖層的各向異性程度。由于ρn>ρt，所以各向異性系數(shù)λ總是大于1的,油儲與煤藏一般呈較高各向異性的特征。巖石名稱λ巖石名稱λ層狀粘土02~1.05泥質板巖1~1.5思考：電法勘探相對于其他方法的優(yōu)勢？探測對象與圍巖間的物性差異是地球物理方法的應用前提重力勘探：物性差異<101磁法勘探：物性差異<103地震勘探：物性差異<101電法勘探：物性差異<1010物性的巨大差異有助于電法勘探發(fā)現(xiàn)地下巖礦石的異常思考：電法勘探相對于其他方法的優(yōu)勢？應用地電學B課件：第1章-巖礦石電學性質本章主要內容1.巖礦石的導電性2.巖礦石的介電性3.巖礦石的導磁性4.巖礦石的自然極化性質5.巖礦石的激發(fā)極化性質6.巖礦石的壓電性與震電性41本章主要內容1.巖礦石的導電性41*巖礦石的介電性42無極分子有極分子無外加電場無極分子有極分子有外加電場E電介質的極化現(xiàn)象

電介質的分子分為無極分子和有極分子。在無外加電場作用時，分子無取向不規(guī)則排列，宏觀上不顯示出電性。

在電場作用下，介質中無極分子的束縛電荷發(fā)生位移，有極分子的固有電偶極矩的取向趨于電場方向，這種現(xiàn)象稱為電介質的極化。*巖礦石的介電性42無極分子巖礦石的介電性43

電位移矢量和電場強度

之間的關系由電介質的物理性質決定，對于線性各向同性介質，與之間存在簡單的線性關系：其中稱為介質的介電常數(shù)，Permittibility，稱為介質的相對介電常數(shù)（無量綱），可以表征巖礦石的極化性質。巖礦石的介電性43電位移矢量和電場強度巖礦石的介電性介電常數(shù)為表征物質介電性的參數(shù)

ε--Permittivity/capacitivity在高頻電磁法勘探中有重要作用,介電常數(shù)與物質成分、結構、濕度以及外加電磁場的頻率有關大多數(shù)造巖礦物的相對介電常數(shù)很小，變化不大（4-12），金屬礦物較大，而純水最大44巖礦石的介電性介電常數(shù)為表征物質介電性的參數(shù)44巖礦石的介電性45一般火成巖的相對介電常數(shù)很小，變化不大（2-6左右），而沉積巖的相對介電常數(shù)要大一些，達到（3-15）左右而純水最大，達到80左右，因此一般含水的巖石比干燥巖石的介電常數(shù)要大不少巖礦石的介電性45一般火成巖的相對介電常數(shù)很小，變化不大（2影響巖礦石介電性的因素（1）濕度（含水量）濕度越大，介電常數(shù)越大（越接近于水）46影響巖礦石介電性的因素（1）濕度（含水量）46影響巖礦石介電性的因素（2）頻率

介電常數(shù)隨頻率增大而減小，但在超過106Hz的高頻段內，可以認為介電常數(shù)與頻率無關。47影響巖礦石介電性的因素（2）頻率47本章主要內容1.巖礦石的導電性2.巖礦石的介電性3.巖礦石的導磁性4.巖礦石的自然極化性質5.巖礦石的激發(fā)極化性質6.巖礦石的壓電性與震電性48本章主要內容1.巖礦石的導電性4849磁介質的磁化現(xiàn)象

介質中分子或原子內的電子運動形成分子電流，形成分子/原子磁矩無外加磁場外加磁場B

在外磁場作用下，分子磁矩定向排列，宏觀上顯示出磁性，這種現(xiàn)象稱為磁介質的磁化。

無外磁場作用時，分子磁矩不規(guī)則排列，宏觀上不顯磁性。*巖礦石的導磁性49磁介質的磁化現(xiàn)象介質中分子或原子內的電子運動形成*巖礦石的導磁性50其中稱為介質的磁導率，magneticconductivity，稱為介質的相對磁導率（無量綱），可以表征巖礦石的導磁性，除少數(shù)鐵磁性礦物外，一般礦物的絕對磁導率都接近于真空導磁率（相對磁導率=1），只有含大量鐵磁礦物時，其相對導磁率才明顯大于1

磁感應強度

和磁場強度

之間的關系由磁介質的物理性質決定，對于線性各向同性介質，與之間存在簡單的線性關系：*巖礦石的導磁性50其中稱巖礦石的導磁性影響巖礦石導磁性的因素（1）所含鐵磁性礦物多少（2）頻率（類似于介電常數(shù)）

由于絕大多數(shù)造巖礦物的相對磁導率均非常接近于1，利用導磁性尋找磁性鐵礦或評價異常時，其所受干擾比導電參數(shù)小51巖礦石的導磁性影響巖礦石導磁性的因素51本章主要內容1.巖礦石的導電性2.巖礦石的介電性3.巖礦石的導磁性4.巖礦石的自然極化性質5.巖礦石的激發(fā)極化性質6.巖礦石的壓電性與震電性52本章主要內容1.巖礦石的導電性52巖礦石的自然極化性質自然極化的概念：一般情況下物質都是電中性的，即正、負電荷保持平衡。但在一定條件下，某些物質或某個系統(tǒng)的正、負電荷會彼此分離，偏離平衡狀態(tài)，通常稱這種現(xiàn)象為“極化”。某些巖石和礦石在特定的自然條件下，不經(jīng)外加電壓即可呈現(xiàn)出極化狀態(tài)，并在其周圍形成自然電場，這便是巖、礦石的自然極化現(xiàn)象。53巖礦石的自然極化性質自然極化的概念：53巖礦石的自然極化性質4.1、電子導體的自然極化當電子導體和溶液接觸時，由于熱運動，導體的金屬離子或自由電子可能有足夠大的能量，以致克服晶格間的結合力而進入溶液中。從而破壞了導體與溶液的電中性，分別帶異性電荷，并在分界面附近形成雙電層。

此雙電層的電位差稱為電子導體在該溶液中的電極電位。它與導體和溶液的性質有關。若導體及其周圍的溶液都是均勻的，則界面上的雙電層也是均勻的，這種均勻、封閉的雙電層不會產(chǎn)生外電場。54巖礦石的自然極化性質4.1、電子導體的自然極化5455但如果導體或溶液是不均勻的，則界面上的雙電層呈不均勻分布，而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，并在導體內、外產(chǎn)生電場，引起自然電流。如圖所示，賦存于地下的電子導電礦體，當其被地下潛水面截過時，往往在其周圍形成穩(wěn)定的自然電場。其原因是，潛水面以上為滲透帶，由于靠近地表而富含氧氣，使那里的（附著水）溶液氧化性較強；相反，潛水面以下含氧氣較少，使那里的水溶液相對來說是還原性的。55但如果導體或溶液是不均勻的，則界面上的雙電層呈不均勻分布56由于導體上部處于氧化性質溶液中，電極電位較高，導體相對帶正電，而周圍溶液帶負電；而導體下部處于還原性溶液中，電極電位較低，導體相對帶負電，周圍溶液帶正電。由此形成的電流在導體內部自上而下；而在導體外自下而上。從地面看，自然電流由四面八方流向導體，因此離導體越近，電位越低。在導體正上方電位最低。通常，在硫化金屬礦上可觀測到幾十到五百毫伏偽自然電位負異常；而在石墨化程度較高的地層或石墨礦上，自電負異常的幅度可達-800一-900mV，甚至更大。56由于導體上部處于氧化性質溶液中，電極電位較高，導體相對帶574.2、離子導體的自然極化當離子導體和地下溶液接觸時，也可能產(chǎn)生自然極化作用，大致可分為兩種不同的電化學作用：即過濾作用與擴散作用巖礦石的自然極化性質4.2.1、過濾作用

地面電法勘探在離子導電的巖石中觀測到的自然電場主要是由動電效應所產(chǎn)生的流動電位所引起的。一般巖石顆粒與其周圍溶液之間形成的離子雙電層，靠巖石顆粒一邊帶陰離子，而溶液一側為陽離子。離子導電巖石表面的雙電層574.2、離子導體的自然極化巖礦石的自然極化性質4.2.158而當?shù)叵滤趲r石中流過時，將帶走雙電層溶液一側（擴散區(qū)中）的部分陽離子。于是，在水流的上游會留下多余的負電荷（陰離子），而下游有多余的正電荷（陽離子）．因而破壞了正、負電荷的平衡，形成極化。這種極化的結果，將沿水流方向產(chǎn)生電位差，這在電化學上叫做流動電位。58而當?shù)叵滤趲r石中流過時，將帶走雙電層溶液一側（擴散區(qū)中59在此種極化機理中，好似水流過巖石時，巖石顆?！斑^濾”掉了部分陰離子．故在電法勘探中形象地稱由此形成的自然極化電流場為過濾電場。地殼中的過濾電場主要有裂隙滲漏電場、上升泉電場、山地電場和河流電場等。這類自然電場都與地下水的流動有關，基于對它們的觀測和研究，有可能解決某些水文地質和工程地質問題，例如，確定地下水流向及地下水與地表水補給關系，尋找水庫漏水帶或構造破碎帶及上升泉等。然而，對尋找金屬礦（電子導體極化）來說，各種過濾電場則是一種干擾59在此種極化機理中，好似水流過巖石時，巖石顆?！斑^濾”掉了604.2.2、擴散作用

兩種不同濃度的溶液接觸，濃度大的溶液向濃度小的溶液擴散以達到平衡，這一現(xiàn)象被稱之為物理學中的擴散現(xiàn)象。

巖礦石的自然極化性質604.2.2、擴散作用巖礦石的自然極化性質61而在地下介質中，正負離子隨著溶液移動，但由于運動速度不同，使得溶液里分別含有過量的正離子或負離子，形成電動勢，該電場稱為擴散電場。61而在地下介質中，正負離子隨著溶液移動，但由于運動速度不同62擴散電場是一種相對穩(wěn)定電場，利用擴散電場的性質，可以圈定埋藏不深的礦化水分布區(qū)以及進行小范圍地質填圖。自然條件下，多孔巖石中擴散電場與過濾電場一般會同時發(fā)生，但其場強一般較小。巖礦石的自然極化性質62擴散電場是一種相對穩(wěn)定電場，利用擴散電場的性質，可以圈定63巖礦石的激發(fā)極化性質5.1巖礦石的激發(fā)極化機理除去上節(jié)介紹的巖礦石在自然條件下發(fā)生的自然極化之外，在外界電場的作用下，也會發(fā)生所謂激發(fā)極化現(xiàn)象在向地下供入穩(wěn)定電流的情況下，有時仍可觀測到測量電極間的電位差隨時間而變化，在一段時間后趨于某一穩(wěn)定的飽和值而在斷開供電電流后，測量電極間的電位差在最初一瞬間很快下降，而后便隨時間相對緩慢地下降，并在一段時間后才衰減接近于零63巖礦石的激發(fā)極化性質5.1巖礦石的激發(fā)極化機理64人們發(fā)現(xiàn)，這類隨時間變化的衰減曲線與由于瞬變電磁脈沖造成的衰減曲線并不相同64人們發(fā)現(xiàn)，這類隨時間變化的衰減曲線與由于瞬變電磁脈沖造成65人們將這類現(xiàn)象稱之為激發(fā)極化現(xiàn)象65人們將這類現(xiàn)象稱之為激發(fā)極化現(xiàn)象66巖礦石的激發(fā)極化性質（一）電子導體的激發(fā)極化機理電子導體（包括大多數(shù)金屬礦和石墨及其礦化巖石）的激發(fā)極化機理一般認為是由于電子導體與其周圍溶液的界面上發(fā)生過電位差的結果。在一定的外電流作用下，“電極”和溶液界面上的雙電層電位差相對平衡電極電位之變化，在電化學中稱為“過電位”或“超電壓”。平衡電極電位過電位66巖礦石的激發(fā)極化性質（一）電子導體的激發(fā)極化機理平衡電極67

過電位的產(chǎn)生與電流流過電極一溶液界面相伴隨的一系列電化學反應（簡稱電極過程）的遲緩性有關。隨著通電時間的延續(xù)，界面兩側堆積的異性電荷將逐漸增多，過電位隨之增大；過電位的形成和增大將加速電極過程的進行，直到該過程的速度與外電流相適應，即流至界面的電流均能全部通過界面，因而不再堆積新電荷時，過電位便趨于某一個飽和值，不再繼續(xù)增大。

這便是過電位的形成過程或充電過程。過電位的飽和值（以下簡稱過電位）與流過界面的電流密度有關，并隨其增大而增大。67過電位的產(chǎn)生與電流流過電極一溶液界面相伴68當外電流斷開后，堆積在界面兩側的異性電荷，將通過界面本身、電子導體內部和周圍溶液放電，使界面上的電荷分布逐漸恢復到正常的雙電層；與此同時，過電位亦隨時間逐漸減小，直至最后消失。這就是過電位的放電過程。巖礦石的激發(fā)極化性質68巖礦石的激發(fā)極化性質69（二）離子導體的激發(fā)極化機理關于離子導體的激發(fā)極化機理，所提出的假說和爭論均較電子導體的多，但大多數(shù)觀點仍然認為其與巖石顆粒和周圍溶液界面上的雙電層有關。其中一個比較有代表性的假說是雙電層形變假說。

巖礦石的激發(fā)極化性質69（二）離子導體的激發(fā)極化機理巖礦石的激發(fā)極化性質70雙電層形變形成激發(fā)極化的速度和放電的快慢，決定于離子沿顆粒表面移動的速度和路徑長短，因此，一般來說較大的巖石顆粒將有較大的時間常數(shù)（即充電和放電較慢）。70雙電層形變形成激發(fā)極化的速度和放電的快慢，決定于離子沿顆71巖礦石的激發(fā)極化性質5.2、穩(wěn)定電流場中巖石和礦石的激發(fā)極化特性巖、礦石的激發(fā)極化一般可以近似分為兩大類：第一類是“面極化”，如致密的金屬礦或石墨礦均屬此類。其特點是激發(fā)極化都發(fā)生在極化體與圍巖溶液的界面上。第二類是“體極化”，如浸染狀金屬礦和礦化（包括石墨化）巖石及離子導電巖石的激發(fā)極化都屬此類。其特點是極化單元（微小的金屬礦物或巖石顆粒）體分布于整個極化體中。面極化體極化71巖礦石的激發(fā)極化性質5.2、穩(wěn)定電流場中巖石和礦石的激發(fā)72面極化巖石標本激發(fā)極化性的測量標本在外電流激發(fā)下，電流流入端成為陰極，產(chǎn)生陰極極化；電流流出端成為陽極，產(chǎn)生陽極極化。在標本一端的邊緣及其相鄰近的水溶液中分別放置測量電極M和N，用毫伏計測量外電流場激發(fā)下標本與水溶液界面上的過電位。巖礦石的面極化72面極化巖石標本激發(fā)極化性的測量巖礦石的面極化中國地質大學（北京）地信學院電法組制作石墨（a）和黃銅礦（b）標本在不同外電流密度j0的激發(fā)下，陽極過電位（實線）和陰極過電位（虛線）隨充電時間T和放電時間t的變化曲線。中國地質大學（北京）地信學院電法組制作石墨（a）和黃銅礦（b中國地質大學（北京）地信學院電法組制作標本的時間特性

石墨和黃銅礦過電位充、放電曲線的總趨勢是相同的： 1.剛開始充電時，過電位隨時間很快地增大（突變）；隨著充電時間的延長，其增大的速度逐漸變慢，最后趨于某一飽和值。放電曲線與充電曲線成倒像相似： 2.在斷電后，最初過電位隨時間很快下降；隨著放電時間延長，過電位衰減的速度也逐漸變慢，直到最后慢慢衰減到零。

中國地質大學（北京）地信學院電法組制作標本的時間特性753.對比圖中不同電流密度j0的充、放電曲線可看到，外電場的電流密度j0越大，過電位充電達到飽和值的時間越短。對于野外工作通常采用的小電流密度（j0＜1μA/cm2），充、放電兩分鐘，甚至五分鐘尚不能達到飽和值或使放電至零。這表明面極化的充、放電過程相對均較慢。753.對比圖中不同電流密度j0的充、放電曲線可看到，外電這里負號表示過電位增高的方向與電流方向相反；系數(shù)k為單位電流密度激發(fā)下形成的過電位值，是表征面極化特性的參數(shù)，稱為面極化系數(shù)。在通常采用的小電流密度（j0<=1μ

A/cm2）條件下，歸一化過電位ΔΦ/j0不隨電流密度大小變化，即過電位與電流成線性關系。對于一定的充、放電時間（T,t)，過電位與垂直面極化體表面的電流密度法向分量jn有如下正比關系這里負號表示過電位增高的方向與電流方向相反；系數(shù)k為77

從電學觀點看，k可理解為激電效應在電子導體一溶液界面上形成的面阻抗，單位為Ω·m2。k與充、放電時間及電子導體和周圍溶液的性質有關。此外，過電位也與界面溶液一側的電場強度法向分量（En＝jn·ρ水）成正比，λ為其比例系數(shù)，它等于單位外電場激發(fā)下的過電位值，故也可作為表征面極化特性的參數(shù)，有時也稱λ為面極化系數(shù)，單位為m。77從電學觀點看，k可理解為激電效應在電子導體一溶78過電位與充電電流的非線性關系當激發(fā)電流密度j0較大時（對石墨j0>40μA/cm2

，對黃銅礦j0>5μ

A/cm2)，不同電流密度的歸一化過電位充、放電曲線互不相重，并且陰極和陽極過電位曲線也彼此分開。這表明在大電流密度激發(fā)下，過電位與電流密度不成正比，即為非線性關系。。78過電位與充電電流的非線性關系79陽極優(yōu)勢與陰極優(yōu)勢

對石墨而言，當j0從小變大時，開始出現(xiàn)陽極過電位大于陰極過電位（簡稱陽極優(yōu)勢）；而當繼續(xù)增大j0或當j0相當大而延長充電時間時，便逐漸變?yōu)榫鶆荩⑦M而變成陰極過電位大于陽極過電位（即陰極優(yōu)勢）。黃銅礦的情況則不同，當j0從小變大時，陰、陽極過電位的關系總是陰極優(yōu)勢，而且陰、陽極過電位之差，較石墨的大得多79陽極優(yōu)勢與陰極優(yōu)勢80對其它致密金屬礦石標本所做的觀測表明，磁鐵礦和磁黃鐵礦的非線性特征與石墨的相似；而方鉛礦、閃鋅礦和黃鐵礦等硫化金屬礦物的非線性特征與黃銅礦的相同。這從物性上提供了利用非線性觀測區(qū)分這兩類礦物的激電異常的可能性。80對其它致密金屬礦石標本所做的觀測表明，磁鐵礦和磁81巖礦石的體極化（二）體極化特性體極化是分布于整個極化體中的許多微小極化單元的極化效應的總和。因此，無法像在面極化中的測定方法一樣，利用極化單元界面上的過電位來表征其激電效應的性質。體極化因此，一般利用體極化產(chǎn)生的二次電位與一次電位之間的關系來表征巖礦石的激電性質，采用如下右圖裝置進行體極化礦石的標本測定81巖礦石的體極化（二）體極化特性體極化因此，一般利用體極化82體極化巖石標本激發(fā)極化性的測量標本在供電后的電壓從零開始逐漸變大（充電過程），直至達到平衡，而斷電后二次電位差?U2(t)逐漸衰減到零（放電過程）。在無激電效應時，電流流過標本由于歐姆電壓降形成的電位差，稱為一次電位差?

U1，它在穩(wěn)定電流條件下，不隨時間而變。82體極化巖石標本激發(fā)極化性的測量標本在供電后的電壓從零開始中國地質大學（北京）地信學院電法組制作在標本被激發(fā)極化后，供電時間為T時觀測到的電位差為?

U1和?

U2(T)之和，稱為總場電位差。剛供電時（T＝0）二次電位差為零，圖3.3-5中的虛線b，是換算出的?

U2（T）充電曲線。對比之前面極化的圖件可以看出，體極化的充、放電速度比面極化的快得多.中國地質大學（北京）地信學院電法組制作在標本被激發(fā)極化后，供對星散浸染狀礦石或礦化、石墨化巖石標本的實驗觀測結果表明，在相當大范圍內改變供電電流I時，在觀測誤差范圍內?U2與I成正比，且abs(?

U2)與供電方向無關。

因此，在地面電法通常采用的電流密度范圍內，體極化效應實際上是線性的。為此引入一個稱為極化率η(T,t）的新參數(shù)，來表征體極化介質的激電性質:式中?U2(T,t)是供電時間為T和斷電后t時刻測得的二次電位差。極化率是用百分數(shù)表示的無量綱參數(shù)。由于?U2(T,t)和?U(T)均與供電電流I成正比（線性關系），極化率是與電流無關的常數(shù)。但極化率與供電時間T和測量延遲時間t有關，因此，當提到極化率時，必須指出其對應的供電和測量時間T和t。對星散浸染狀礦石或礦化、石墨化巖石標本的實驗觀測結果中國地質大學（北京）地信學院電法組制作初始極化率:當延時t0,長時間充電情況（T∞）則有:為簡單起見，如不特加說明，一般便將極化率η定義為長供電和無延時的極限極化率:中國地質大學（北京）地信學院電法組制作初始極化率:當延時t86常見巖礦石的極化率86常見巖礦石的極化率87影響巖礦石的極化率的因素1)電子導電礦物的含量

大量實測資料表明，地下體極化巖、礦石的極化率主要決定于其中所含電子導電礦物的體積百分含量。激電效應隨巖、礦石中電子導電礦物含量增高而增強的特性，是激電法成功應用于金屬礦普查找礦的物理-—-化學基礎。5.3影響巖礦石極化率的因素：87影響巖礦石的極化率的因素1)電子導電礦物的含量5.3影中國地質大學（北京）地信學院電法組制作2）巖礦石的結構、構造

（1）電子礦物的顆粒度一般顆粒度越小，極化率越大

（2）電子導電礦物的形狀和排列方向確定了激化的非各向同性性質

（3）致密程度極化率一般巖礦石的致密程度增加而增加中國地質大學（北京）地信學院電法組制作2）巖礦石的結構、構造中國地質大學（北京）地信學院電法組制作無礦化巖石的激發(fā)極化特性(1)極化率低完全不含電子導電礦物的巖石，其極化率通常很小，一般不超過1～2％，少數(shù)可達3～4％。(2)充放電速度快無礦化巖石的充電速度一般遠小于礦化巖石或礦體，一般在數(shù)十ms內就可能充放電完畢中國地質大學（北京）地信學院電法組制作無礦化巖石的激發(fā)極化特90交變電流下巖礦石的極化（一）交變電流場中巖、礦石的激發(fā)極化現(xiàn)象

上一節(jié)中我們介紹了穩(wěn)定電流下中的“時間域”激電效應，而在交變電流中，同樣會出現(xiàn)激電效應，即“頻率域”激電效應（或稱之為譜激電(SIP)效應）。

在時間域激電方法中，一般采用通-斷-反向通-斷的供電周期，觀測到的是電場隨時間變化的特性。而在頻率域激電方法中，一般采用方波單頻“掃頻”發(fā)射多個頻率（或雙頻）的形式，觀測電場隨頻率變化的特征。90交變電流下巖礦石的極化（一）交變電流場中巖、礦石的激發(fā)極交變電流下巖礦石的極化91???VS頻率域時間域交變電流下巖礦石的極化91???VS頻率域時間域交變電流下巖礦石的極化92時間域激電頻率域激電ΔUΔΦ交變電流下巖礦石的極化92時間域激電頻率域激電ΔUΔΦ

左圖給出了礦石標本上的實測頻率域激發(fā)極化頻率特性曲線（亦稱頻譜曲線）

左圖上部分即為總場電位差的幅值隨頻率變化的“幅值曲線”(A)，下部分為總場電位差相對供電電流滯后的相位隨時間變化的“相位曲線”(φ)。

其中，總場電位差幅值隨頻率f的變化曲線（幅頻特性）與激電時間特性有很好的對應關系。

93交變電流下巖礦石的極化 左圖給出了礦石標本上的實測頻率域激發(fā)極化頻率特性曲線（亦稱94交變電流下巖礦石的極化隨著f從高到低，相應的單向供電持續(xù)時間T（即半個周期1/2f)從零增大，激電效應逐漸增強，結果總場電位差幅值隨之變大。而當f0時，T∞,激電效應最強，因而趨于飽和值。

對于極限情況，時間域和頻率域總場電位差之間有下列關系94交變電流下巖礦石的極化隨著f從高到低，相應的單向供電持續(xù)中國地質大學（北京）地信學院電法組制作總場電位差ΔU相對于供電電流I的相位移φ隨頻率的變化曲線（相頻曲線）的特點是在各個頻率上中皆為負值，這表明激電效應引起的阻抗具有容-抗性質。

當頻率很低或很高時，fi趨于零；而在某個中等頻率上，相位φ取得極值。這是因為頻率很高時激電效應趨于零，總場就等于一次場，故無相位移；頻率很低時，相當于長時間單向供電激發(fā)極化達飽和的情況，這時二次場雖然最大，但其與電流“同步”，故總場相位移也為零。中國地質大學（北京）地信學院電法組制作總場電96雖然各種巖、礦石的幅頻和相頻曲線的基本性態(tài)都是一樣的，但不同的巖、礦石有不同的頻率特征。

在時間域中充、放電、較快的巖、礦石，在頻率域中便具有高頻特征——在比較高的頻率上總場值才快速衰減，并取得相位極值；

反之，在時間域中充、放電、較慢的巖、礦石，在頻率域中則具有低頻特征——總場幅值的迅速衰減和相位極值出現(xiàn)在較低的頻率上。96雖然各種巖、礦石的幅頻和相頻曲線的基本性態(tài)都是中國地質大學（北京）地信學院電法組制作式中的K為裝置系數(shù)。在存在激電效應時，ΔU隨頻率而變化，且一般ΔU和I之間有相位移，所以，ρ是頻率f（或角頻率ω＝2πf）的復變函數(shù)。故常稱交流電阻率ρ為復電阻率，記為ρ（iω)。顯然，復電阻率的頻譜與前述（電流幅值保持不變情況下）ΔU的頻譜具有相同的特征。

頻率域的實驗觀測同樣說明，在電法勘探野外工作中通常所能達到的電流密度條件下，ΔU與I成線性關系。因此，將總場電位差ΔU對電流I和裝置作歸一化，可計算出與電流大小無關的交流電阻率:復電阻率中國地質大學（北京）地信學院電法組制作式中的K為裝置系數(shù)。交變電流下巖礦石的極化98欲計算交流場中巖礦石的視電阻率需測量供電電流與測量到的電位差兩個時間序列，由于極化（充/放電）性質的影響,這兩個時間序列之間會有一定“延遲”，因此，這兩者相除得到的視電阻率將會是一個復數(shù)，稱為“復電阻率”交變電流下巖礦石的極化98欲計算交流場中巖礦石的視電阻率需測交變電流下巖礦石的極化99而“復電阻率”這個復數(shù)的幅值和相位就分別組成了復電阻率譜的兩條曲線交變電流下巖礦石的極化99而“復電阻率”這個復數(shù)的幅值和相位（二）幅頻和相頻特性的關系在復變函數(shù)中，若某系統(tǒng)傳遞函數(shù)在復平面s的右半平面范圍是有限且解析的，且其零點僅存在于左半平面，可稱之為最小相移函數(shù)。實驗表明，復電阻率即是一類最小相移函數(shù)，其實分量和虛分量頻譜及幅頻特性和相頻特性之間，可以通過希爾特變換進行互相轉換，可導出下列近似關系式。（二）幅頻和相頻特性的關系101實分量和虛分量頻譜以及幅頻特性和相頻特性之間的可換算性質從理論上表明，沒有必要同時觀測各個分量的頻譜，而且似乎觀測任何一個分量的頻譜都一樣。

不過，各分量頻譜反映激電特征參數(shù)的能力或分辨力并不一樣，需要根據(jù)地質任務和實際條件選擇觀測適當?shù)姆至?。（三）頻率特性和時間特性的關系不僅各分量的頻率特性之間可以互相轉換，而且頻率特性和時間特性之間也有一定的關系，可以互相換算。頻率城激電測量和時間域激電測量在本質上是一致的，在數(shù)學意義上是等效的，差異主要在技術上。

頻率域與時間域方法各有其優(yōu)勢。101實分量和虛分量頻譜以及幅頻特性和相頻特性之間的可換算中國地質大學（北京）地信學院電法組制作（四）描寫頻率域激電效應的參數(shù)1．復電阻率頻譜既然交變電流場中的激電效應以總場電位差或復電阻率的頻率特性為標志，那么在激電效應出現(xiàn)的整個（超低頻）頻段上的復電阻率頻譜應是最全面描寫頻率域激電效應的參數(shù)。

所謂復電阻率法或頻譜繳電法，便是通過在相當寬的（超低頻）頻段上觀測視復電阻率的實分量和虛分量或振幅和相位的頻譜，以研究地下地質情況。這種方法的優(yōu)點是能提供比較豐富的激電信息，但欲獲得完整的頻譜，則需要在許多頻率上作觀測，所以生產(chǎn)效率較低，故不適于用作普查找礦。中國地質大學（北京）地信學院電法組制作（四）描寫頻率域激電效1032．頻散率根據(jù)兩個頻率（低頻）和（高頻）的總場電位差的幅值計算“頻散率”表示頻率域激電效應的強弱。頻散率與時間域中的極化率為等效參數(shù)

3．相位前已述及，激電效應導致總場電位差相對供電電流發(fā)生相位移，它也就是復電阻率的相位φ。在其它條件相同時，激電效應越強，φ的絕對值越大。所以，相位φ也可作為描寫激電效應強弱的參數(shù)。1032．頻散率中國地質大學（北京）地信學院電法組制作*頻率特性和時間特性的定量描述（一）面極化的時間特性和頻率特性面極化的性質由面極化系數(shù)或面阻抗k來描述。

（二）體極化的時間特性和頻率特性W．H．ρelton等基于對大量巖、礦石標本和露頭的測量結果，指出激電效應引起的復電阻率的頻譜可用下式表示，即式中，ρ0是頻率為零時的電阻率；m是充電率，相當于時間域的極限極化率；c是頻率相關系數(shù)，無量綱；τ是時間常數(shù)，具時間量綱。這一激電復電阻率頻率特性的公式，稱其為柯爾一柯爾模型。中國地質大學（北京）地信學院電法組制作*頻率特性和時間特性的巖礦石的壓電性和震電性1.巖礦石的導電性2.巖礦石的介電性3.巖礦石的導磁性4.巖礦石的自然極化性質5.巖礦石的激發(fā)極化性質6.巖礦石的壓電性與震電性105巖礦石的壓電性和震電性1.巖礦石的導電性105*巖礦石的壓電性和震電性6.1.巖礦石的壓電性

某些特定的晶體物質，比如石英晶體，當受到壓力時將產(chǎn)生電極化，并在其表面出現(xiàn)電勢差，稱為壓電性(Piezoelectricity)，而這種現(xiàn)象被稱為壓電效應。

表征壓電性大小的參數(shù)是壓電模數(shù)，單位為庫/牛106*巖礦石的壓電性和震電性6.1.巖礦石的壓電性106107巖礦石的壓電性壓電模數(shù)d，可以用極化強度（P）與應力(T)來表示，一般在巖石物理中，測量壓電模數(shù)時僅采用三個應力主軸上的應力和對應主軸上的極化強度進行計算(d11,d22,d33)107巖礦石的壓電性壓電模數(shù)d，可以用極化強度（P）與應力(巖礦石的壓電性108脈石英蝕變脈石英云英化砂巖灰?guī)r煌斑巖巖礦石的壓電性108脈石英蝕變脈石英云英化砂巖灰?guī)r煌斑巖巖礦石的震電性1096.2巖礦石的震電性

在向地下供入直流電時，如果有彈性波通過供電區(qū)，那么供電回路中的電流會產(chǎn)生周期性波動，這種現(xiàn)象稱為震電效應“I”。如果在接通的不供電的兩個電極所在的區(qū)域里，如果有彈性波通過，那么電極回路中就有交變電流流動，這一現(xiàn)象稱為震電效應“E”。巖礦石的震電性1096.2巖礦石的震電性巖礦石的震電性巖礦石在地下包含的可能激發(fā)震電效應的物理現(xiàn)象主要有：(1)巖石破裂，摩擦生電與電磁輻射現(xiàn)象(2)巖石準靜態(tài)變形生電現(xiàn)象(3)巖石的壓電及電致伸縮現(xiàn)象(4)雙電層動電現(xiàn)象

根據(jù)試驗研究,巖石的微破裂、主破裂、磨擦、壓電效應、動電效應都具有較高的震電能量轉換效率,在一定條件下,動電效應震電能量轉換效率最高,可達10-3mV量級110巖礦石的震電性巖礦石在地下包含的可能激發(fā)震電效應的物理現(xiàn)象主巖礦石的壓電性和震電性（1）震電效應“Ｉ”：

震電效應I一般認為是彈性波傳播引起的接地電阻的變化引起的。彈性波的傳播可能會引起地溫或或地下固體顆粒接觸程度的變化，進而影響接地電阻的大小。

特點：與打擊能量成正比，且與供電電流成正比。111巖礦石的壓電性和震電性（1）震電效應“Ｉ”：111巖礦石的震電性(２)震電效應“Ｅ”：成因不十分清楚,但具有明顯的方向性。但多數(shù)學者同意伊萬諾夫的解釋，即彈性波的傳播引起孔隙介質中產(chǎn)生壓力差，從而造成孔隙流體的流動而形成過濾電勢（參見自然極化部分）112巖礦石的震電性(２)震電效應“Ｅ”：112(３)震電電磁輻射效應：某些多金屬礦體在音頻范圍內的彈性波作用下，能產(chǎn)生無線電波段范圍內的脈沖電磁輻射現(xiàn)象。特點：見p35，可用于資源勘查，地震的前兆現(xiàn)象(４)激發(fā)動電效應：一般推測固－液界面的雙電層的存在是產(chǎn)生原因,可用于油氣勘探，如剩余油的圈定等113巖礦石的震電性(３)震電電磁輻射效應：113巖礦石的震電性小結：巖礦石的電學性質114巖礦石的導電性表征導電性的物理參數(shù)：

電阻率ρ(Ω·m)/電導率σ(S/m)礦物的導電性金屬導體，半導體，固體電解質影響巖礦石導電性的主要因素巖礦石組分，孔隙度，含水礦化度，連通性，溫度，壓力…巖礦石導電性的各向異性

橫向電阻率，縱向電阻率，各向異性系數(shù)小結：巖礦石的電學性質114巖礦石的導電性小結：巖礦石的電學性質巖礦石的自然極化性特點：與巖礦石在自然狀態(tài)下的地下水溶液環(huán)境中生成的雙電層有關，因此與地下水的賦存狀態(tài)有很大關系電子導體的自然極化：與穿過潛水面的礦體上下發(fā)生的氧化/還原反應相關（較強）離子導體的自然極化：與地下水的流動造成的過濾電場與擴散電場有關（較弱）115小結：巖礦石的電學性質巖礦石的自然極化性115116小結：巖礦石的電學性質巖礦石的激發(fā)極化性特點：由人工向地下進行供電產(chǎn)生的激發(fā)極化現(xiàn)象有關電子導體的激發(fā)極化：雙電層產(chǎn)生的“過電位”離子導體的激發(fā)極化：雙電層發(fā)生“形變”面極化：現(xiàn)象（雙電層）發(fā)生在巖礦石與圍巖的交界處體極化：現(xiàn)象（雙電層）發(fā)生在整個礦體范圍之內（浸染狀/礦化）116小結：巖礦石的電學性質巖礦石的激發(fā)極化性小結：巖礦石的電學性質巖礦石的激發(fā)極化性時間域激發(fā)極化現(xiàn)象：測量極化率頻率域激發(fā)極化現(xiàn)象：測量頻散率復電阻率的概念：幅值/相位117小結：巖礦石的電學性質巖礦石的激發(fā)極化性117謝謝大家118謝謝大家118巖礦石的電學性質應用地電學B巖礦石的電學性質應用地電學B為什么要學習巖礦石的電學性質？地電學是以巖（礦）石間電磁學及電化學性質的差異作為基礎的利用不同電性參數(shù)，可以使用不同的地電學方法測量地下介質的性質和分布，從而解決地質問題所利用的主要電性參數(shù)有：

電阻率（ρ）resistivity

極化率（η）polarizability

磁導率（μ）magneticpermeability

介電常數(shù)（ε）permittivity/capacitivity壓電常數(shù)（d）piezoelectricity120為什么要學習巖礦石的電學性質？地電學是以巖（礦）石間電磁學及本章主要內容1.巖礦石的導電性2.巖礦石的介電性3.巖礦石的導磁性4.巖礦石的自然極化性質5.巖礦石的激發(fā)極化性質6.巖礦石的壓電性與震電性121本章主要內容1.巖礦石的導電性3巖礦石的導電性電阻率ρ(Resistivity)描述介質的導電性，是地電學中最重要的物理參數(shù)在電法勘探中，電阻率ρ的單位以歐姆·米表示，記作Ω·m。有時也用電導率σ(Conductivity)表示物質的導電性，其單位為西門子每米，記作S/m。電導率和電阻率互為倒數(shù)。物質的電阻率越低、電導率越大，其導電性越好；反之，導電性越差。122巖礦石的導電性電阻率ρ(Resistivity)描述介質的導1.1礦物的電阻率巖石和礦石都是由礦物組成的，按導電機制不同，固體礦物可分三種類型，即金屬導體、半導體和固體電解質。在討論巖、礦石電阻率之前，先介紹一下常見固體礦物的導電性。巖礦石的導電性1.1礦物的電阻率巖礦石的導電性（1）金屬導體（電子導體）

各種天然金屬均屬于金屬導體。較重要的自然金屬有自然金和自然銅，其電阻率值均很低，自然金的電阻率約為2×10-8歐姆·米，自然銅的電阻率約為1.2×10-8~3×10-7歐姆·米。

此外，石墨這種具有某些特殊的電子導體性質的非金屬也具有很低的電阻率，其值小于10-6歐姆·米。巖礦石的導電性（1）金屬導體（電子導體）巖礦石的導電性（2）半導體（電子導體）

大多數(shù)金屬礦物均屬于半導體。其電阻率值都高于金屬導體，并有較大的變化范圍（10-6~106歐姆·米）。

大多數(shù)常見的金屬硫化物（如黃銅礦、黃鐵礦、方鉛礦）和某些氧化礦物（如磁鐵礦），其電阻率值均較低，具有良好的導電性。巖礦石的導電性（2）半導體（電子導體）巖礦石的導電性

而少部分的金屬硫化礦物和多數(shù)氧化礦物，如輝銻礦、閃鋅礦、軟錳礦、鉻鐵礦和赤鐵礦等，它們的電阻率值均較高。

上述金屬導體和半導體的導電作用都是通過其中某些電子在外電場作用下的定向運動來實現(xiàn)的，它們均為電子導體。巖礦石的導電性 而少部分的金屬硫化礦物和多數(shù)氧化礦物，如輝銻礦、閃鋅礦、常見半導體礦物的電阻率范圍巖礦石的導電性常見半導體礦物的電阻率范圍巖礦石的導電性（3）固體電解質（離子導體）絕大多數(shù)造巖礦物（如輝石、長石、石英、云母和方解石等），均屬于固體電解質，其電阻率值都很高（大于106歐姆·米），在干燥情況下可視為絕緣體。固體電解質導電載流子為填隙離子或空格點，它們屬于離子導電。巖礦石的導電性（3）固體電解質（離子導體）巖礦石的導電性巖礦石的導電性

需要注意的是，礦物電阻率值并不是一成不變，而是在一定范圍內變化的，同種礦物可有不同的電阻率值，不同礦物也可有相同的電阻率值。129巖礦石的導電性 需要注意的是，礦物電阻率值并不是一成不變，1.2影響巖礦石電阻率的因素

天然狀態(tài)下，巖礦石的電阻率除了和其組份（礦物）有關外，還和其它因素有關，如巖石的結構、孔隙度，含水性及溫度，壓力等。

因此，不僅礦物組分不同的巖石會有不同的電阻率，既使礦物組份相同的巖石，也會由于上述條件的不同而使其電阻率在很大的范圍內變化。影響巖礦石電阻率的因素1.2影響巖礦石電阻率的因素影響巖礦石電阻率的因素常見巖石電阻率值的分布范圍曲線常見巖石電阻率值的分布范圍曲線

由圖可見，一般而言，火成巖與變質巖的電阻率值一般較高，通常在102~105歐姆·米；

而沉積巖電阻率值一般較低，如粘土的電阻率約為100~101歐姆·米，砂巖的電阻率約為102~103歐姆·米，多孔灰?guī)r的電阻率較低，而致密灰?guī)r的電阻率則較高些。影響巖礦石電阻率的因素 由圖可見，一般而言，火成巖與變質巖的電阻率值一般較高，通(1)電阻率與礦物成份、結構的關系

巖、礦石的組成可以大致分為兩部分，即膠結物，其電阻率設為ρ1，及礦物顆粒，其電阻率設為ρ2，礦物顆粒的百分含量設為V。133影響巖礦石電阻率的因素礦物顆粒膠結物

在巖石物理中，為簡單起見，一般可以將礦物顆粒的形狀簡化為簡單的幾何形體，如球體，針狀體，片狀體等(1)電阻率與礦物成份、結構的關系15影響巖礦石電阻率的因素對于球形顆粒而言，其總體電阻率可以表示為對于針狀顆粒而言，其總體電阻率可以近似為拉長的旋轉橢球體形式：134影響巖礦石電阻率的因素垂直于顆粒方向平行于顆粒方向對于球形顆粒而言，其總體電阻率可以表示為16影響巖礦石電阻率影響巖礦石電阻率的因素135對于圓片狀顆粒而言，其總體電阻率可以近似為壓扁的旋轉橢球體形式：顯然，巖礦石的電阻率與礦物電阻率，膠結物電阻率，以及礦物的含量百分比V都具有相關性垂直于顆粒方向平行于顆粒方向影響巖礦石電阻率的因素17對于圓片狀顆粒而言，其總體電阻率可影響巖礦石電阻率的因素討論：1）巖礦石礦物和膠結物的電阻率固定時，巖礦石電阻率受礦物電阻率ρ2的影響一般不大

一般情況下，V＜60%時，ρ2的影響可以忽略；只有V＞80%時，ρ2有明顯作用。2）膠結物和礦物的電阻率與比例（V）均相同，但結構不同時：①球狀結構：ρ無方向性；②針、片狀結構：ρ有方向性，ρn>ρt；136影響巖礦石電阻率的因素討論：18

天然狀態(tài)下的巖礦石一般含有孔隙水，在地電學中，一般可以近似地把含水的巖石模型看成是由兩相介質構成的，即由礦物骨架（固相）和流體（液相）所構成。

在物理學中，一般利用

阿爾奇公式來描述兩相介質

中的電阻率與空隙度及物質

組分之間的關系影響巖礦石電阻率的因素tenGrotenhuisetal.,2005 天然狀態(tài)下的巖礦石一般含有孔隙水，在地電學中，一般可以近影響巖礦石電阻率的因素根據(jù)前人對大量巖石電阻率的測定，巖石物理學統(tǒng)計得出的阿爾奇公式(Archie’slaw)可以表示為：其中ρ為巖石的電阻率，ρ0為流體的電阻率，Ф為孔隙度，S為飽和度，n為飽和度指數(shù)，m為孔隙度指數(shù)。a為比例系數(shù)因此，可以利用阿爾奇公式來獲得巖石電阻率與孔隙度或流體電阻率之間的關系。138影響巖礦石電阻率的因素根據(jù)前人對大量巖石電阻率的測定，巖石物主要的造巖礦物如長石、石英、云母等電阻率均相當高。然而，由于天然狀態(tài)下的巖石在長期的地質歷史過程中，受到地質作用而出現(xiàn)裂隙，以及裂隙中含流體等原因，一般巖石的電阻率要低于其所含礦物的電阻率。(2)電阻率與巖石孔隙度的關系影響巖礦石電阻率的因素主要的造巖礦物如長石、石英、云母等電阻率均相當高。影響巖礦石電阻率的因素不難理解，一般比較致密的巖石，孔隙度較小，所含水分也較少，因而電阻率較高；結構比較疏松的巖石，孔隙度較大，所含水分也較多，因而電阻率較低。根據(jù)阿爾奇公式：顯然孔隙度Ф與飽和度S越大，巖石的電阻率越低140影響巖礦石電阻率的因素不難理解，一般比較致密的巖石，孔隙度較

巖礦石的電阻率與其水溶液礦化度也有著密切的關系。地下水的礦化度變化范圍很大，淡水的礦化度約為10-1g/L，咸水的礦化度則可能高達10g/L，相差兩個數(shù)量級，而礦化度與電阻率有著直接聯(lián)系。

由于水溶液是離子導電，顯然，巖石中所含水溶液的礦化度越高，其流體電阻率就越低(3)電阻率與水溶液礦化度的關系影響巖礦石電阻率的因素 巖礦石的電阻率與其水溶液礦化度也有著密切的關系。地下水的影響巖礦石電阻率的因素根據(jù)阿爾奇公式：顯然，流體電阻率ρ0越低，巖石的電阻率也就越低->水溶液礦化度越高，電阻率越低影響巖礦石電阻率的因素根據(jù)阿爾奇公式：孔隙度大而滲透性強的巖層如砂層、礫石層，當飽含礦化度高的地下水時，電阻率可能只有幾十至幾個歐姆·米；當其位于潛水面以上含水條件較差時，其電阻率可高達幾百至幾千歐姆·米。因此，利用地下介質的電阻率分布，可能對地下的潛水面位置進行判斷143影響巖礦石電阻率的因素孔隙度大而滲透性強的巖層如砂層、礫石層，當飽含礦化度高的地下144影響巖礦石電阻率的因素流體互相連通流體互相不連通(4)電阻率與流體連通性的關系

即使礦物組分，礦石孔隙度與流體電阻率均相同，礦石的電阻率仍可能由于流體的連通性的區(qū)別而發(fā)生較大的變化，如下圖所示10%10%26影響巖礦石電阻率的因素流體互相連通流體互相不連通(4)

由于溫度的變化將引起水溶液中離子活動性的變化，所以巖石中水溶液的電阻率也將隨溫度的升高而降低。在地熱勘探中，正是利用這一特性來圈定地熱異常的。

相反在冰凍條件下，地下巖石中的水溶液將由于結凍，使巖土呈現(xiàn)出極高的電阻率。這對于我國冰凍時間較長地區(qū)，冬季施工時將產(chǎn)生影響。(5)電阻率與溫度的關系影響巖礦石電阻率的因素 由于溫度的變化將引起水溶液中離子活動性的變化，所以巖石中含水砂巖電阻率隨溫度變化的試驗曲線砂巖孔隙度為12%；濕度ω=1.5%影響巖礦石電阻率的因素含水砂巖電阻率隨溫度變化的試驗曲線影響巖礦石電阻率的因素中國地質大學（北京）地信學院電法組制作(6)高溫高壓下的巖石電阻率地球深部巖石的電阻率受高溫、高壓的影響，巖石電導率隨溫度增加按指數(shù)增大（電阻率減?。r石電導率隨壓力增加也會相應增大（電阻率減小），但并不如溫度變化敏感。在淺部地區(qū)可以認為巖石電阻率隨壓力不發(fā)生變化影響巖礦石電阻率的因素中國地質大學（北京）地信學院電法組制作(6)高溫高壓下的巖石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(jù)壓力特征，這種破壞可能是巖石的壓實，孔隙收縮，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，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。對于大多數(shù)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，某些粘土或高含水巖石在壓力作用下，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。148影響巖礦石電阻率的因素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(jù)壓力影響巖礦石電阻率的因素(7)巖礦石電阻率與測量頻率的關系

我們知道，在直流電場情況下，介質的導電性質只與傳導電流有關

而在交變電場情況下，電性除顯示出與電阻率有關的傳導電流外，還顯示出與巖、礦石介電常數(shù)（）有關的“位移電流”。149影響巖礦石電阻率的因素(7)巖礦石電阻率與測量頻率的關系3在導電介質中總電流密度j為傳導電流密度和位移電流密度的和：在電磁場理論中，傳導電流密度和位移電流密度的比值稱為介質的電磁系數(shù)m當m>>1時，介質中傳導電流起主要作用，此時可忽略位移電流作用；反之，當m<<1時，主要由位移電流起作用，可忽略傳導電流作用。150影響巖礦石電阻率的因素在導電介質中總電流密度j為傳導電流密度和位移電流密度的和：3中國地質大學（北京）地信學院電法組制作

考慮到野外實際情況，圖中取r為5～50。由圖可見，對于頻率小于數(shù)千Hz及介質電阻率小于105范圍內皆可忽略位移電流作用。

在自然條件下，巖石電阻率一般很少超過該值。故在低頻感應法中不考慮位移電流影響，即視巖石導電性不隨頻率改變。

只是在頻率超過106Hz的高頻電磁法（如探地雷達法）中才考慮位移電流作用。中國地質大學（北京）地信學院電法組制作考慮到野外實際1.3巖礦石電阻率的各向異性縱向電阻率與橫向電阻率

大部分沉積巖都具有層理結構，從其電性上來看，它們可以大致看作是由各種不同電阻率的地層組成的。

這樣的地層其電阻率與通過其中電流的方向有關，呈現(xiàn)出各向異性。巖礦石電阻率的各向異性1.3巖礦石電阻率的各向異性巖礦石電阻率的各向異性層狀結構巖石模型（a）實際巖石（b）等效模型L1L2層狀結構巖石模型L1L2垂直層理方向：平行層理方向：（參考電阻的串聯(lián)與并聯(lián)）垂直層理方向：平行層理方向：（參考電阻的串聯(lián)與并聯(lián)）

對于各向異性介質而言，當電流垂直層理方向流過時所測得的電阻率稱為橫向電阻率，我們用符號ρn來表示；電流平行層理方向流過時所測得的電阻率稱為縱向電阻率，我們用符號ρt來表示。巖礦石電阻率的各向異性對于各向異性介質而言，當電流垂直巖礦石電阻率的各向巖石名稱λ巖石名稱λ層狀粘土層狀砂巖石灰?guī)r02~1.051~1.61~1.3泥質板巖泥質頁巖無煙煤1~1.5941~1.251.5~2.5

一般情況下，巖層的橫向電阻率均大于其縱向電阻率，并用“各向異性系數(shù)”來表示巖層的各向異性程度。由于ρn>ρt，所以各向異性系數(shù)λ總是大于1的,油儲與煤藏一般呈較高各向異性的特征。巖石名稱λ巖石名稱λ層狀粘土02~1.05泥質板巖1~1.5思考：電法勘探相對于其他方法的優(yōu)勢？探測對象與圍巖間的物性差異是地球物理方法的應用前提重力勘探：物性差異<101磁法勘探：物性差異<103地震勘探：物性差異<101電法勘探：物性差異<1010物性的巨大差異有助于電法勘探發(fā)現(xiàn)地下巖礦石的異常思考：電法勘探相對于其他方法的優(yōu)勢？應用地電學B課件：第1章-巖礦石電學性質本章主要內容1.巖礦石的導電性2.巖礦石的介電性3.巖礦石的導磁性4.巖礦石的自然極化性質5.巖礦石的激發(fā)極化性質6.巖礦石的壓電性與震電性159本章主要內容1.巖礦石的導電性41*巖礦石的介電性160無極分子有極分子無外加電場無極分子有極分子有外加電場