電法勘探5充電法

嚴(yán)家斌地球科學(xué)與信息物理學(xué)院物探所CSPYRY@CSU.EDU.C學(xué)樓215#電法勘探原理第五章充電法P294理解理想導(dǎo)體、等位體及近似理想導(dǎo)體的含義；掌握充電法應(yīng)用的前提條件；掌握等位體、非等位體充電電場的分布規(guī)律及特征；掌握充電法主要應(yīng)用范圍及觀測方式的；了解規(guī)則板體激發(fā)極化充電法的特征充電法是在金屬礦詳查和勘探階段以及在水文地質(zhì)調(diào)查中應(yīng)用較多的一種人工直流電法.是一種向礦體充電,然后通過觀測其充電場的空間分布來了解礦體規(guī)模大小和賦存狀態(tài)的電法勘探方法.研究對象:相對圍巖為良導(dǎo)體或?qū)щ娦暂^好的地質(zhì)體目的:查明充電體的空間分布狀態(tài),產(chǎn)狀,延伸等充電法及等位體的含義充電法——是一種向良導(dǎo)電體（或礦體）供電，通過觀測其電場的空間分布來了解礦體規(guī)模大小和賦存狀態(tài)的電類勘探方法。理想導(dǎo)體/等位體——電阻率為零的導(dǎo)體。許多金屬礦體及某些高礦化度的地下水，相對其周圍巖石而言，電阻率很低，可以近似看成是理想導(dǎo)體。當(dāng)理想導(dǎo)體位于一般導(dǎo)電介質(zhì)中時，向其供電后，電流垂直于導(dǎo)體流向周圍介質(zhì)，并在理想導(dǎo)體中流過時，不產(chǎn)生電位降，導(dǎo)體內(nèi)電位處處相等，所以又稱理想導(dǎo)體為等位體特點(diǎn):理想導(dǎo)體的充電電場與充電點(diǎn)的位置無關(guān)，僅與充電電流、等位體空間形狀及圍巖的電性有關(guān)。若圍巖為均勻電性介質(zhì)，其空間等位面分布與充電導(dǎo)體形狀相似；其相似程度與相距充電體的距離成反比。對有限三度體不論其外形如何，若相距充分大的條件下，其電位等值面趨于球形分布實(shí)際工作中可在鉆井、槽探、坑道等人工揭露的或天然露頭上接入供電極A，另一電極B遠(yuǎn)離充電體。第一節(jié)充電法典型充電電場（1）充電球體電場（A）球體半徑為r0，中心埋深為h0，球心地面投影點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。

由于球體的對稱性，其充電電流場的球體外分布與位于球心的點(diǎn)電流場沒有區(qū)別（條件r0/h0<0.5）。利用簡單加倍法，地表電位及沿X方向的電位梯度表達(dá)式：地面等位線為以球心在地面投影點(diǎn)為中心的同心圓圈，中心點(diǎn)為極大值（B）在主剖面上（Y=0），電位曲線成軸對稱正異常，球心投影點(diǎn)處為極大值，兩側(cè)電位對稱減?。浑娢惶荻惹€成左正右負(fù)點(diǎn)對稱異常,球心投影點(diǎn)處為零，兩側(cè)電位梯度絕對值對稱減小趨于零；旁側(cè)剖面上，其電位和電位梯度的分布與主剖面相似，但其強(qiáng)度減弱，范圍變大。（C）利用主剖面上的電位曲線的半極值弦長q和電位梯度曲線的極值點(diǎn)水平間距p，估算球體中心埋深：注意：當(dāng)導(dǎo)電球體的規(guī)模很大或埋深很淺時，地表對球體充電電場的畸變使之完全不同于地下點(diǎn)電源場。計(jì)算表明當(dāng)r0/h0<0.5，可用點(diǎn)電源場代替球體的充電電場。（2）充電橢球體充電電場改變橢球的三個軸的相對大小，可以模型多種形體。如設(shè)三軸半徑分別為：a，b，c。若:a=b=c，為球體；a>>b=c，為圓柱體；a>>b≠c，為脈（板）狀體。設(shè)坐標(biāo)原點(diǎn)位于橢球體的中心，x，y，z坐標(biāo)軸分別與3個半徑重合。橢球體表面方程為:求解橢球坐標(biāo)系的拉普拉斯方程，得出球外任一點(diǎn)電位：t0為M點(diǎn)的橢球坐標(biāo)，若M的笛卡爾坐標(biāo)（x，y，z），則t0為下述方程的最大實(shí)根由電位式可知：t0=常數(shù)，則U=常數(shù)。故等位面方程為：

t0=常數(shù)地表電位等值線呈同心橢圓曲線。在橢球體附近，橢圓曲線的長、短軸之比和橢圓率分別為：隨著遠(yuǎn)離橢球體，等位線的長、短軸比值及橢圓率皆減小，分別趨于1和0。遠(yuǎn)離充電體，等位線形狀趨于圓形，類似于點(diǎn)電源電場。若充電橢球體在地下成軸對稱分布，則主剖面上，電位曲線成軸對稱正異常分布，橢球體的中心投影點(diǎn)處為極大值，兩側(cè)對稱減小趨于零。水平橢球體的異常范圍比直立橢球體的異常范圍大。電位梯度異常呈點(diǎn)對稱分布.極值點(diǎn)位于橢球體邊界外側(cè)附近。對傾斜分布的充電橢球體，其電位異常呈現(xiàn)非對稱分布，傾斜一側(cè)異常曲線變緩，電位梯度曲線在傾斜一側(cè)異常極值幅度變小。

不論是對稱分布的、還是傾斜分布的充電橢球體，其剖面異常的電位異常曲線的拐點(diǎn)和電位梯度曲線的極值點(diǎn)基本上反映了地下充電體的地面水平投影邊界H=0.3p2a=p-h≈p（3）薄板充電電場（4）非等位導(dǎo)體的充電電場非等位導(dǎo)體：是指充電導(dǎo)體電阻非零（非理想導(dǎo)體），被充電后，導(dǎo)體內(nèi)有電位降，產(chǎn)生電位差，導(dǎo)致導(dǎo)體上各點(diǎn)的電位并非都相等。不等位體的充電電場除受圍巖介質(zhì)電性、充電體形狀、產(chǎn)狀、大小、及充電流強(qiáng)度等因素影響外，還與充電體的電阻率和充電點(diǎn)位置有關(guān)主剖面上的異常特征：（1）充電點(diǎn)在地表投影點(diǎn)偏板體中心側(cè)，為電位曲線極大與電位梯度零值點(diǎn)處；（2）充電點(diǎn)不對稱導(dǎo)體幾何形狀，非對稱導(dǎo)體電位和電位梯度在充電點(diǎn)處強(qiáng)度最強(qiáng)，隨著遠(yuǎn)離充電點(diǎn)其強(qiáng)度減弱。在充電點(diǎn)外側(cè)電位曲線變化陡，相應(yīng)位置處電位梯度曲線出現(xiàn)極大值；內(nèi)側(cè)電位曲線相對較緩，電位梯度曲線有兩個極小值，最外側(cè)的極小值和零點(diǎn)外側(cè)極大值分別大致為充電體的邊部地面投影位置。（3）充電體對稱，充電位置對稱于導(dǎo)體的幾何形狀充電電流場呈對稱分布，并與理想導(dǎo)體條件的電流場分布相近，電位梯度變化最大處對應(yīng)導(dǎo)體的邊緣，電位梯度曲線比電位曲線的分辨能力強(qiáng)。

（5）傾斜非等位導(dǎo)體的充電電場第二節(jié)充電法的應(yīng)用P298（1）應(yīng)用范圍與條件確定已揭露礦體隱伏部分的規(guī)模（范圍）、形狀、產(chǎn)狀、平面分布位置及深度（產(chǎn)狀及埋深）；確定已知相鄰礦體之間的連接關(guān)系；在已知礦附近尋找盲礦；利用單井測定地下水流速和流向以及油田注水井壓裂方位的確定；研究滑坡及追蹤地下金屬管線。研究物體有充電揭露或出露點(diǎn)，以便設(shè)置充電點(diǎn)；充電體視為良導(dǎo)體，電阻率對比度一般為200淺埋、規(guī)模大，則效果好，一般勘探深度為充電體延伸長度的一半；地形起伏小，圍巖較均一，各向同性。（2）充電法的觀測方式電位測量法、電位梯度法和直接追蹤等位線法。觀測參數(shù)有：ΔUMN、UM、I電位法：將一個測量電極N固定在遠(yuǎn)離測區(qū)處，作為零電位點(diǎn)，另一個電極M則沿測線逐點(diǎn)移動，觀測相對于N極的電位差與電流I。計(jì)算參數(shù)：U/I電位梯度法：測量電極M和N保持一定距離沿測線一起移動，逐點(diǎn)觀測ΔU和電流I，計(jì)算參數(shù)：ΔU/（MN·I）（3）資料處理與解釋（A）計(jì)算參數(shù)：ΔUMN/（MN.I）、UM/I繪制剖面圖，平剖圖，平面等值圖（B）由平面等值圖的密集帶、剖面圖的拐點(diǎn)劃定充電體的分布范圍利用剖面異常特征點(diǎn)，求取埋深。如梯度曲線：球體：h0≈0.7qh0≈2.6m水平柱體：

h0≈0.5qh0≈2.0mm為異常曲線弦切距；q為半極值點(diǎn)水平間距（4）應(yīng)用事例（A）確定已被部分揭露礦體的地下伸布范圍，形狀，埋深和產(chǎn)狀（B）確定相鄰礦體的連通性及發(fā)現(xiàn)已知礦旁的盲礦體第三節(jié)激發(fā)極化充電法P300

充電激發(fā)極化法:利用充電裝置進(jìn)行激電測量方法，又稱近礦圍巖充電的間接充電方法。通常常用于礦體無露頭或被鉆探、坑探等工程遺漏礦體的勘查與探測。近礦圍巖充電法可由于充電點(diǎn)靠近極化體所以又被稱為強(qiáng)極化法。（1）直立銅板端外地面充電實(shí)驗(yàn)（1）二次場梯度曲線對稱且為單峰；（2）平剖圖上的極值點(diǎn)連線反映了極化體在地面的投影點(diǎn)位置和走向；（3）平剖圖上正負(fù)極值的轉(zhuǎn)換反映了極化體的端點(diǎn)位置及延伸長度（2）銅板端點(diǎn)地面充電（1）銅板范圍內(nèi)極大值為單峰；（2）端點(diǎn)兩側(cè)過零點(diǎn)有極小值，位置與銅板端點(diǎn)對應(yīng)；（3）視極化率曲線具有類似特征，僅在充電點(diǎn)一側(cè)曲線變化幅度較?。?）直立厚石墨地下圍巖充電實(shí)驗(yàn)（4）組合模型上的充電實(shí)驗(yàn)（A）小銅板充電發(fā)現(xiàn)相鄰大銅板的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（B）近地表有干撓體時深部大銅板地下圍巖石充電的實(shí)驗(yàn)結(jié)果第七章自然電場法P15、P55、P369基本要求：巖、礦的極化特性；自然電流場的成因；球體及板狀體上的自然極化特征；自然電流場法的工作方法掌握；自然電流場法的應(yīng)用范圍在自然條件下,無需向地下供電,地面兩點(diǎn)間通常能觀測到一定大小的電位差,這表明地下存在著天然電流場,簡稱自然電場.形成主要因素:電子導(dǎo)電礦體的天然電化學(xué)作用地下水中電離子的過濾或擴(kuò)散作用大地電流和雷雨放電等因素自然電場法：是利用巖、礦石由電化學(xué)作用在其周圍產(chǎn)生的自然極化電場進(jìn)行找礦、填圖和解決水文地質(zhì)問題的一種被動源直流電法勘探方法。是一種以介質(zhì)發(fā)生電極化現(xiàn)象為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過研究穩(wěn)定自然電流場的分布規(guī)律，達(dá)到勘查某些目標(biāo)物的目的一種電法勘探方法自然電場法的定義自然電場：在一定地質(zhì)或地質(zhì)—地下水動力條件下，不需人工向地下供電，在自然條件下，主要由電子導(dǎo)電礦體的天然電化學(xué)作用和地下水中電離子的過濾作用以及大地電流和雷雨放電等因素形成的電流場。按其隨時間的變化規(guī)律，又可分穩(wěn)定與非穩(wěn)定電流場，自然電場法研究的是穩(wěn)定電流場。

自然電場法主要應(yīng)用在尋找電子導(dǎo)電型的金屬與非金屬礦床（如硫化礦體、石墨礦體、無煙煤等）和解決某些地質(zhì)填圖、水文地質(zhì)調(diào)查中確定地下水流速、流向等問題第一節(jié)自然電場的成因（1）電子導(dǎo)體形成自然電場的原因產(chǎn)生穩(wěn)定自然電流場的直接原因是地下介質(zhì)內(nèi)存在著電極化現(xiàn)象。所謂電極化是指呈現(xiàn)電中性（正負(fù)電荷保持平衡）物質(zhì)或系統(tǒng)在一定條件下其正、負(fù)電荷（電子或離子）產(chǎn)生彼此分離，偏離平衡狀態(tài)的現(xiàn)象。按其產(chǎn)生極化的機(jī)制，可分氧化-還原效應(yīng)和過濾電動效應(yīng)，前者產(chǎn)生電子導(dǎo)體自然極化，后者產(chǎn)生離子導(dǎo)體自然極化氧化還原效應(yīng)——電子導(dǎo)體自然極化

導(dǎo)體與溶液接觸時，由于熱運(yùn)動或化學(xué)反應(yīng)。導(dǎo)體的金屬離子或自由電子可能有足夠的能量，以致克服晶格間的結(jié)合力束縛而越出導(dǎo)體進(jìn)入溶液中。從而破壞了導(dǎo)體與溶液的電中性。分別帶異性電荷，并在其界面處形成雙電層，產(chǎn)生電極電位。若導(dǎo)體外溶液是均勻的——界面上的雙電層也是均勻而封閉形式分布，故該系統(tǒng)對外仍呈電中性，而不會產(chǎn)生自然電場。若溶液不均勻——界面上的偶電層分布不均勻，則產(chǎn)生極化，系統(tǒng)對外將產(chǎn)生自然電場，在自然電場作用下的電荷流動，將導(dǎo)致不均勻性降低，極化消失。產(chǎn)生穩(wěn)定自然電流場的條件是：外界條件能保持導(dǎo)體外溶液這種不均勻性，使之不因極化放電而減弱。地下導(dǎo)體產(chǎn)生穩(wěn)定的自然電場的條件是：基于電子導(dǎo)體被地下潛水面截過，其潛水面上部為大氣降雨的滲透帶，因靠近地表而含氧量較高，其氧化性強(qiáng)，呈氧化性。相反，潛水面之下含氧量低，相對應(yīng)那里的水溶液呈還原性。潛水面上下溶液性質(zhì)的差異。通過大氣降水的循環(huán)總能長期保持不斷的向地下補(bǔ)充氧氣，從而在潛水面上下不同部位的導(dǎo)體上形成了不均勻的雙電層，產(chǎn)生了自然極化，在其周圍空間產(chǎn)生了“氧化-還原”自然電場。

（2）過濾電場過濾電動效應(yīng)——離子導(dǎo)體自然極化巖石顆粒對正、負(fù)離子的選擇吸附作用，形成自然電場。巖石顆粒晶格表面有過剩離子鍵，它對溶液中的離子有選擇吸附作用。離子導(dǎo)體與溶液接觸后，在其表面吸附作用下形成雙電層，對石英、硫化物、泥質(zhì)頁巖靠近離子導(dǎo)體之側(cè)帶陰離子，液體一側(cè)帶陽離子（注：石灰?guī)r、白云巖吸附陽離子，液體內(nèi)呈陰離子）。

在離子導(dǎo)體的裂（孔）隙處，雙電離相互之間靠的很近，在液體流動時，擴(kuò)散帶陽離子將被帶走。相對而言，此處出現(xiàn)了極化，在水流上游呈現(xiàn)負(fù)電位，而下游正離子相對集中呈正電位——電化學(xué)稱之為流動電位。上述極化過程，如同水流過巖石，巖石顆粒濾掉陽離子，剩下陰離子—稱為過濾電場。（3）擴(kuò)散電場

不同濃度的溶液接觸時會發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象，即溶質(zhì)由濃度大的溶液向濃度低的溶液遷移直至濃度達(dá)到平衡。溶液中的正負(fù)離子將隨溶質(zhì)遷移，但運(yùn)動速度不同，從而導(dǎo)致兩種不同濃度的溶液中，分別含有過量的正離子或負(fù)離子，形成電動勢，這種電場稱為擴(kuò)散電場第二節(jié)均勻極化球體的自然電場P55在均勻充滿電阻率為ρ1的介質(zhì)里，有一個電阻率為ρ2、半徑為r0的球體。當(dāng)球體被均勻極化時，球體表面形成不均勻的（異常）雙電層，其電位差Δε（近似看作是偶電層的電位躍變值）隨極化方向的坐標(biāo)呈線性變化。均勻極化球體內(nèi)、外電位U的分布以極化軸為對稱軸，與方位角無關(guān)，故滿足球坐標(biāo)系的拉普拉斯方程（1）自然電場的計(jì)算邊界條件與極限條件分離變量法求解，則解的一般形式為：應(yīng)用極限條件得應(yīng)用邊界條件確定系數(shù)A、B（a）U與△U０，(r0)2成正比；（b）U與ρ2/ρ1成反比，故自然電場法對于尋找極化良導(dǎo)體有利。（2）極化球體上的自然電位異常和分布特征P369

主剖面電位表達(dá)式（Y=0）自然電場的極化源等效為位于球心的電流偶極源，其偶極子的方向與極化軸的方向一致。X方向電場表達(dá)式：電位曲線不對稱，左右出現(xiàn)負(fù)、正極值，正負(fù)極值的連線為偶極子在地面的投影，極值點(diǎn)的坐標(biāo)為：電場強(qiáng)度曲線不對稱，在偶極子的右上方電流集中，出現(xiàn)主極值，在右側(cè)零值點(diǎn)兩側(cè)有二個次極值點(diǎn)，它們與電流回流到地表的兩個集流區(qū)對應(yīng)。主剖面上不同傾角的電位曲線特征（1）垂直極化（α=90）電位曲線沿剖面呈軸對稱的負(fù)異常分布，負(fù)極值位于球心在地表的投影點(diǎn)（x=0），其負(fù)極值為：（2）水平極化（α=0）電位極值電位以O(shè)點(diǎn)反對稱，左右兩側(cè)分別出現(xiàn)負(fù)、正極值；偶極子的正上方，電流匯集，有負(fù)極值，兩側(cè)有二個次極值，在2H外電位與電場均趨于零。電位曲線仍以負(fù)為主，極小值點(diǎn)向傾斜反方向移動，α越小，移動距離越大。在極化軸傾斜方向伴有正異常的不對稱異常，其不對稱性與α成反比；零值點(diǎn)隨α減小向傾斜軸反方向移動，零點(diǎn)與O點(diǎn)的距離為：x0=h0tga(3)U０與△U０，(r0/h0)2成正比，與ρ2/ρ1成反比。(4)利用不對稱電位曲線兩側(cè)的過拐點(diǎn)切線的弦切距平均值，則可利用垂直極化下的球體中心埋深公式估算其近似球體中心埋值。0<α<900時第三節(jié)極化板狀體上的自然電場P371均勻介質(zhì)中存在一走向很長的直立厚板狀極化體均勻極化，礦體與圍巖接觸面存在電位跳躍。（1）L、b及走向長度增大，電位異常曲線變寬；（2）L、b及走向長度較小時，電位曲線與電偶極子電位曲線基本一致；（3）當(dāng)2L=5h、2b=2h板狀體中心深度的近似公式：h0≈0.87mh0≈0.65q

第四節(jié)自然場法的工作方法1觀測方法

電位法：將N極放置在遠(yuǎn)離礦體且電場穩(wěn)定的正常場區(qū)內(nèi)，M極沿測線進(jìn)行電位測量

梯度法：當(dāng)工作區(qū)存在游散電流干擾時可用梯度法；

電位梯度環(huán)形測量法（追索等位線法）

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儀器：具有高輸入阻抗的電位計(jì)作測量儀器。測量電極則必須使用不