物探 自然電場(chǎng)法

第八章自然電場(chǎng)法天然場(chǎng)電（電磁）法方法分類自然電場(chǎng)法大地電流法大地電磁法音頻磁場(chǎng)法在地球表面可以觀測(cè)到天然的大地電（流）場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)。這種地下電場(chǎng)、電流場(chǎng)、電磁場(chǎng)的分布與電性非均勻體的存在和分布狀態(tài)、方式有關(guān)。研究它們?cè)诳臻g/時(shí)間/頻率域相對(duì)于均勻介質(zhì)分布時(shí)的場(chǎng)(正常場(chǎng))分布畸變特征

(異常場(chǎng))，從而反演電性非均勻體的存在和分布狀態(tài)，解決地質(zhì)問(wèn)題?在自然條件下，無(wú)需向地下供電，地面兩點(diǎn)間通常能觀測(cè)到一定大小的電位差，這表明地下存在著天然電流場(chǎng)，簡(jiǎn)稱自然電場(chǎng)。?這種場(chǎng)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(guò)濾或擴(kuò)散作用以及大地電流和雷雨放電等因素所形成。自然電場(chǎng)法能解決的地質(zhì)、水工問(wèn)題?自然電場(chǎng)法是應(yīng)用最早的一種電法勘探方法。在以下方面得到廣泛應(yīng)用：①

尋找電子導(dǎo)電型的金屬與非金屬礦床(如硫化礦床、石墨礦床、無(wú)煙煤等)；②

在水文地質(zhì)調(diào)查中確定地下水流速、流向，補(bǔ)給關(guān)系等問(wèn)題；③

水文試驗(yàn)中的確定抽水井影響半徑；④

工程地質(zhì)中尋找水庫(kù)大壩的滲漏點(diǎn)、巖溶區(qū)的落水洞、構(gòu)造破碎帶、裂隙等位置。§8.1自然電場(chǎng)的成因產(chǎn)生自然電場(chǎng)的導(dǎo)體電子導(dǎo)體----氧-化還原電場(chǎng)離子導(dǎo)體過(guò)濾電場(chǎng)擴(kuò)散電場(chǎng)一、氧化還原電場(chǎng)?野外觀測(cè)資科表明，與金屬礦床有關(guān)的電化學(xué)電場(chǎng)通常在地面上能引起幾十至幾百毫伏的電位異常，其電場(chǎng)類似地下存在一個(gè)“原電池”的電場(chǎng)，且常在礦體頂部呈現(xiàn)電位負(fù)值。?礦體電化學(xué)電場(chǎng)的形成原因較復(fù)雜，它與礦體成分及圍巖中溶液的性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于如何詳細(xì)了解這一物理化學(xué)過(guò)程，迄今仍需進(jìn)一步研究的問(wèn)題。?較統(tǒng)一的看法為：當(dāng)電子導(dǎo)電礦體賦存于含孔隙水(離子導(dǎo)電)的圍巖中，且礦體一部分處于地下水面之上的氧化環(huán)境里，另一部分處于地下水面之下還原環(huán)境中，這時(shí)含有大量氧氣的地表水容易達(dá)到礦體的上部周圍，溶液具有很強(qiáng)的氧化性質(zhì)。礦體上部在這種環(huán)境中，溶液中的物質(zhì)就是氧化

劑，它將從礦體上奪取電子使自己的離子價(jià)

數(shù)降低，它本身進(jìn)行還原反應(yīng)。溶液物質(zhì)還

原反應(yīng)使圍巖溶液中某些物質(zhì)得到電子，使

原呈中性的溶液帶負(fù)電，出現(xiàn)過(guò)多的負(fù)離子，便在上部礦體與周圍溶液間形成了一個(gè)“半

電池”。下部礦體處于地下水面以下的還原環(huán)境，由于離

地表較遠(yuǎn)，礦體本身及圍巖的風(fēng)化程度低，

質(zhì)地較致密，地下水和氧氣不易進(jìn)入，溶液

中某些離子將電子交給礦體即發(fā)生氧化反應(yīng)

以提高其自身的離子價(jià)數(shù)，其結(jié)果是溶液出

現(xiàn)過(guò)多的正離于，于是在礦體——溶液間形

成了一個(gè)與上部礦體極性相反的“半電池”。由于溶液的電性有保持中性的趨勢(shì)，礦體上半部圍巖溶液因上述作用引起總的負(fù)電荷增加，便需增加溶液中的正離子或由溶液中移去負(fù)離子；礦體下部圍巖溶液的情況卻相反，需要移去正離子或增加負(fù)離子。因此，需要使正離子向礦體上部移動(dòng)，負(fù)離子移向礦體下部深處，便形成由良導(dǎo)礦體為外線路的一個(gè)完整的電流回路，見下圖：電化學(xué)電場(chǎng)機(jī)理模型二、過(guò)濾電場(chǎng)?當(dāng)溶液經(jīng)過(guò)多孔巖石進(jìn)行滲透時(shí)，由于巖石顆粒對(duì)正、負(fù)離子有選擇的吸附作用，便出現(xiàn)正、負(fù)離子分布的不均衡，從而形成自然電場(chǎng)。?實(shí)踐表明，石英晶體、硫化物、泥質(zhì)顆粒以及所有泥質(zhì)巖層等均具有吸附負(fù)離子作用，而碳酸巖類的石灰?guī)r、白云巖則具有吸附正離子作用。總的看，沉積巖大多數(shù)具吸附負(fù)離子作用，通常說(shuō)的巖石的吸附作用一般僅指其吸附負(fù)離子的特性。溶液在滲透壓力作用下，通過(guò)巖石顆粒間的孔隙時(shí)，顆粒將負(fù)離子吸向孔隙壁，使運(yùn)動(dòng)著的溶液中正、負(fù)離子的數(shù)目不相同，結(jié)果是多余的正離子出現(xiàn)在靠近孔隙出口的一端，形成高電位。過(guò)濾電場(chǎng)的強(qiáng)度顯然與滲透壓力的大小以及巖石、溶液的性質(zhì)有關(guān)，利用下式可對(duì)過(guò)濾電場(chǎng)電位差之大小作出近似估算：△P為空隙或毛細(xì)管的端壓（用大氣壓表示）水ρ

水溶液的電阻率△U

電位差（mv

）山地電場(chǎng)電位曲線由地形起伏引起的過(guò)濾電場(chǎng)常稱為山地電場(chǎng)。當(dāng)?shù)乇硭樖杷蓪佑缮巾敐B透到山谷時(shí)，在山頂形成負(fù)電位，而山谷為正電位，其電位剖面曲線與地形剖面大致成鏡像關(guān)系：在山頂電位有極小值，而山谷有電位極大值。在平面圖上，山地電場(chǎng)電位線與山地等高線有近似的形態(tài)。等高線電位線當(dāng)兩種濃度不同的溶液相接觸時(shí)，

便會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散現(xiàn)象。溶質(zhì)由濃度大的溶

液移向濃度小的溶液里以達(dá)到濃度平衡，正、負(fù)離子將隨著溶質(zhì)移動(dòng)，但其運(yùn)動(dòng)

速度(即遷移率)不同，結(jié)果使兩種不同

濃度的溶液中，分別含有過(guò)量的正離子

或負(fù)離子，形成電動(dòng)勢(shì)，這種電場(chǎng)稱為

擴(kuò)散電場(chǎng)。三、擴(kuò)散電場(chǎng)地下水中通常含氯化鈉(Nacl)，當(dāng)水溶液濃度相差很大時(shí)，溶液中的鈉離子

(Na

+)與氯離子(cl-)將向濃度小的溶液一方移動(dòng)，由于氯離子的遷移率大于鈉離子，因而在濃度小的溶液一側(cè)氯離子數(shù)較鈉離子多，獲得負(fù)電位，另一側(cè)為正電位，形成擴(kuò)散電

場(chǎng)。擴(kuò)散電場(chǎng)一般都很弱。純擴(kuò)散一般不存在，通常與滲透過(guò)濾作用同時(shí)發(fā)生。地表水(例如河水)與地下水接觸處由于濃差形成的擴(kuò)散電場(chǎng)，一般約10～20毫伏，地表水常處于濃度小的溶液狀態(tài)，常為負(fù)電位。雖然擴(kuò)散電場(chǎng)強(qiáng)度較小，有時(shí)還是可用以圈定埋藏不深的礦化水分布區(qū)和進(jìn)行小范圍內(nèi)的地質(zhì)填圖等問(wèn)題。§8.2

自然電場(chǎng)測(cè)試方法?儀器：電位差計(jì)（或電阻率儀器，但要關(guān)掉極化補(bǔ)償），測(cè)量電極MN（不極化電極）?觀測(cè)方法：(1)電位觀測(cè)法；(2)電位梯度觀測(cè)法；(3)追索等電位線法。通常野外應(yīng)用的是電位觀測(cè)法。電位觀測(cè)法一般有自電剖面法、十字法、環(huán)形法三種。自然電場(chǎng)的測(cè)量裝置圖GRMN地面不極化電極介紹?不極化電極的結(jié)構(gòu)如圖所示，其特點(diǎn)是銅電極通過(guò)硫酸銅溶液間接與地接觸，由于

M、N兩電極都處于硫酸銅飽和溶液中，兩電極具有相同的電極電位，其電極極化電位差約等于零（不得大于2mv

）。1.自電剖面法自電剖面法分電位法和梯度法兩種電位法布置圖可繪制自然電位剖面圖、自然電位剖面平面圖、自然電位等值線平面圖等。測(cè)試時(shí)，以N極為基準(zhǔn)點(diǎn)，

M極的電位U

M

為縱坐標(biāo)，測(cè)點(diǎn)為橫坐標(biāo)，首先繪制自然電位剖面圖?梯度法不設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在剖面方向上順序測(cè)試

M、N之間的電位差。由于自電梯度值一般很小，且自電的觀測(cè)精度較低（±5mv

），所以梯度法相對(duì)誤差較大，實(shí)際工作中多采用電位法（僅在工業(yè)游散電流干擾嚴(yán)重時(shí)采用梯度法）。M1N1M2N2M3N3M4N42.自電十字法?自電十字法通常為觀測(cè)抽水井的影響半徑（降落漏斗）而采用的方法。（電位法的變異）實(shí)測(cè)時(shí)，以抽水井為中心，剖面布置成十字型，N極固定在影響半徑以外做基準(zhǔn)點(diǎn)，M極以井為中心沿十字線分別測(cè)試四個(gè)方向的電位降落。抽水后抽水前R

f實(shí)際影響半徑：RN

?

(1.1

~

1.15)R

f3.自電環(huán)形法?環(huán)形法用于測(cè)量地下水的流向。測(cè)線按環(huán)形輻射布置，間隔一般為30

～45°，M、N對(duì)稱布置在測(cè)量圓周上，每測(cè)線互換M、N測(cè)試兩次，取其絕對(duì)值的算術(shù)平均值（但必須記住電位的正負(fù)方向）。MM1M2M3N3N2N1N水流方向+-§8.3自然電場(chǎng)法資料解釋及應(yīng)用?自然電場(chǎng)法的資料可處理成自電剖面圖和自然電位等值線圖對(duì)于滲透過(guò)濾電場(chǎng)，出水口呈現(xiàn)高電位、入水處呈現(xiàn)低電位；對(duì)于擴(kuò)散（吸附）電場(chǎng)，濃度低的（礦化度低）一方呈現(xiàn)低電位；電子型導(dǎo)體（礦體）上方呈現(xiàn)低電位，帶狀脈自電曲線偏向傾向的反方向。1.自然電場(chǎng)法的應(yīng)用實(shí)例檢測(cè)某校游泳池底部灌漿加固效果采用自電剖面法測(cè)試，結(jié)果以等值平面圖顯示。從圖中可以看到,在游泳池的A

點(diǎn)處出現(xiàn)了明顯

SP

負(fù)異常,異常最小值為-7.0,根據(jù)-3.0異常等

值線圈定了池底漏水范圍。A

點(diǎn)處正好是游泳池淺水區(qū)到深水區(qū)斜坡的上緣,地層受擾動(dòng)時(shí)扭力作用最為集中的地方。探地雷達(dá)探測(cè)證實(shí)在A

點(diǎn)處存在一東西向的裂縫,長(zhǎng)9m

左右,位置與自然

電位圈定的位置相吻合。另外,在圖中B、C、DE

位置上也有SP

較小的異常,異常值在-3,都集

中在深水區(qū)。2.尋找水庫(kù)壩體滲漏位置圖4為水庫(kù)壩體與左壩肩接觸處水上自然電位探測(cè)工作布置圖、圖5是橫穿水庫(kù)壩體與左壩肩接觸面剖面上的自然電位曲線，自然電位從左到右的變化特征是:①在0

～41m的測(cè)線范圍內(nèi)屬壩體區(qū)段,自然電位比較平穩(wěn),自然電位值大于-

4.0mv,說(shuō)明壩體完整,沒(méi)有漏水;②在41

～92m的測(cè)線范圍內(nèi),屬壩體與左壩肩的接觸帶范圍,自然電位值小于-4.0mv,是漏水反映,于是把這一段劃為庫(kù)水的滲流區(qū);③在測(cè)線距離為92

～140m

的范圍內(nèi),屬山體范圍自然電位較平穩(wěn),沒(méi)有漏水現(xiàn)象;④在測(cè)線的140m處,產(chǎn)生了明顯的自然電位異常,峰值為-19mv,經(jīng)驗(yàn)證,該異常是發(fā)電用進(jìn)水管排水產(chǎn)生的;⑤測(cè)線距離為140

～160m的范圍內(nèi),自然電位較平穩(wěn),沒(méi)有漏水現(xiàn)象斑3.找礦?在某金礦區(qū)應(yīng)用交流激電、電阻率、自然電場(chǎng)等綜合電法勘探成果（經(jīng)驗(yàn)證礦體品位＞1g/T

）4.地質(zhì)填圖??左圖為我國(guó)某鉛鋅礦區(qū)應(yīng)用自然電場(chǎng)法進(jìn)行石墨化地層地質(zhì)