第1章電阻率法基礎(chǔ)1

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第一章電阻率法

電阻率法是以不同巖（礦）石之間導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究人工電場的地下分布規(guī)律和特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)解決各類地質(zhì)問題的一組勘探方法。這組方法是電法勘探中的一個(gè)重要分支。方法的實(shí)質(zhì)是通過接地電極在地下建立電場，以電測儀器觀測因不同導(dǎo)電地質(zhì)體存在時(shí)地表電場的變化，從而推斷和解釋地下地質(zhì)體的分布或產(chǎn)狀，達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的。多年實(shí)踐表明，電阻率法無論是在金屬、非金屬礦產(chǎn)地質(zhì)普查或構(gòu)造研究方面，還是在水文地質(zhì)及工程地質(zhì)調(diào)查、能源地質(zhì)勘測方面，均取得了良好的地質(zhì)效果。

第一節(jié)電阻率法基礎(chǔ)一、巖（礦）石的電阻率大家知道，電阻率p是描述物質(zhì)導(dǎo)電性優(yōu)、劣的一個(gè)電性參數(shù)從物理學(xué)中已知，當(dāng)電流垂直流過單位長度、單位截面積的體積時(shí)，該體積中物質(zhì)所呈現(xiàn)的電阻值即為該物質(zhì)的電阻率。并用下式計(jì)算其數(shù)值的大?。害眩絉xS/L=（△U／I)x(S/L)(Ω·m)電阻率單位是歐姆·米，記作Ωm。有時(shí)也用電導(dǎo)率σ表示物質(zhì)的導(dǎo)電性，其單位為西門子每米，記作S/m。電導(dǎo)率和電阻率互為倒數(shù)。顯然，物質(zhì)電阻率越低，電導(dǎo)率越大，其導(dǎo)電性越好；反之，其導(dǎo)電性就越差。（一）天然巖（礦）石的電阻率天然巖（礦）石都是由礦物組成的，為了解巖（礦）石電阻率的特點(diǎn)和變化規(guī)律，首先應(yīng)當(dāng)研究各類礦物的電阻率按導(dǎo)電機(jī)理而論，固體礦物可分為3類，即金屬導(dǎo)電類礦物、半導(dǎo)體類導(dǎo)電礦物、固體離子類導(dǎo)電礦物。二、巖石、礦物的電阻率按導(dǎo)電機(jī)理的不同，固體礦物可分為三種類型：金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體和固體電解質(zhì)。1。金屬導(dǎo)體各種天然金屬均屬于金屬導(dǎo)體。較重要的天然金屬有自然金和自然銅，其電阻率植均很低：自然金的電阻率約為；自然銅則約為。此外，石墨這種具有某些特殊性質(zhì)的電子導(dǎo)體也具有很低的電阻率值（低達(dá)）。2。半導(dǎo)體大多數(shù)金屬礦物均屬于半導(dǎo)體。其電阻率值都高于金屬導(dǎo)體，并有較大的變化范圍，見表1-1-1。由表可見，大多數(shù)常見的金屬硫化礦物，如黃銅礦、黃鐵礦、方鉛礦等和某些氧化礦物，如磁鐵礦的電阻率均較低（小于1Ω·m),具有良好的導(dǎo)電性。另一些金屬硫化礦物和氧化礦物，如輝銻礦、閃鋅礦、錫石、軟錳礦、鉻鐵礦和赤鐵礦等，其電阻率值均較高（約為）。3。固體電解質(zhì)絕大多數(shù)造巖礦物，如輝石、長石、石英、云母、方解石等，均屬于固體電解質(zhì)。其電阻率值都很高（大于），在干燥情況下可視為絕緣體。

由上可知，礦物電阻率值是在一定范圍內(nèi)變化的，即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。因此，巖石和礦石的電阻率通常也非為某一特定值。對幾種常見巖石而言，如圖1-1-1所示，其電阻率值便是在一定范圍內(nèi)變化的。由該圖可見，火成巖與變質(zhì)巖的電阻率值較高，通常在范圍內(nèi)變化；沉積巖電阻率值一般較低，如粘土電阻率約為；砂巖的電阻率約為，而灰?guī)r電阻率則較高些。對礦石電阻率而言，也有類似情況。其電阻率值除與組成礦石的礦物成分、含量有關(guān)外，更主要的乃由礦物顆粒的結(jié)構(gòu)構(gòu)造所決定。這些我們將在下面進(jìn)行討論。

圖1-1-1幾種巖石電阻率值的分布范圍曲線三、影響巖、礦石的電阻率的因素（一）巖、礦石的電阻率與成分和結(jié)構(gòu)的關(guān)系

設(shè)膠結(jié)物電阻率為，顆粒的電阻率為。當(dāng)巖石或礦物僅由這兩種礦物組成時(shí)，其電阻率與、及顆粒的百分體積含量V有關(guān)，對于不同形狀的顆粒而言，其關(guān)系是不同的。根據(jù)等效電阻率的近似理論，不同結(jié)構(gòu)的巖礦石電阻率有以下表達(dá)形式。球形顆粒：（1-1-4）針狀顆粒(形狀近似拉長的旋轉(zhuǎn)橢球體)

（1-1-5）這里和為垂直顆粒長軸和沿著顆粒長軸方向的電阻率，兩組有關(guān)系式中。由于及，故總有關(guān)系，即無論和及其體積含量V等各值的大小如何，垂直顆粒長軸方向的巖、礦石電阻率總大于沿著顆粒長軸方向的電阻率。圓片狀顆粒（形狀近于壓扁的旋轉(zhuǎn)橢球體）（1-1-6）同樣，由于有關(guān)系：故也無論和及顆粒體積含量V等各值大小如何，總有關(guān)系，即通?？偸菈罕忸w粒面的電阻率大于沿著顆粒壓扁面方向的電阻率。對于由兩種薄層交替成層情況，若其電阻率分別為和，兩種薄層厚度分別為和如圖1-1-3，則按電阻并聯(lián)和串聯(lián)關(guān)系，不難算出巖層理方向和垂直層理的電阻率和有如下形式：

（1-1-7）由于取這兩式之差有關(guān)系：故只要、和，無論和及和各值大小如何，皆有，即總是垂直層理方向的電阻率大于沿著層理方向的電阻率。表明層狀巖石導(dǎo)電的方向性或非各向同性，并定義：及（1-1-8）分別為非各向同性系數(shù)和平均電阻率。

圖1-1-3層狀巖石模型圖

（a）實(shí)際構(gòu)造（b）等效模型（二）巖、礦石電阻率與濕度、孔隙度的關(guān)系由于膠結(jié)物或水的電阻率（或）較砂顆粒電阻率低得多，故以的關(guān)系代入公式（1-1-4）得

（1-1-9）考慮巖石中體積含水量或濕度，故代入上式得：（1-1-10）由公式（1-1-10）可見，與成正比，當(dāng)濕度較小時(shí)巖石電阻率幾乎與濕度成反比此時(shí)的微小變化，可引起的很大變化。阿爾奇公式

____巖石的電阻率

——充填于孔隙中水的電阻率

——孔隙度（即孔隙體積比）S——含水飽和度（即水充填空間的比值）n——飽和度指數(shù)(如對30%以上的孔隙空間為水充填的話，n值接近0.2)m——孔隙度指數(shù)或稱膠結(jié)系數(shù)，通常在1.5~變化。選取于地質(zhì)年代有關(guān)。a——比例系數(shù)，在0.6~1.5間變化例如：設(shè)S=1，a=1.5，m=2.當(dāng)=0.01，0.1，0.3，0.5時(shí)，則說明當(dāng)其他條件一致時(shí)，隨孔隙度的變大，巖石的電阻率將減小。（三）巖、礦石電阻率與溫度的關(guān)系當(dāng)巖、礦石所處的外界溫度改變時(shí)，電阻率值也相應(yīng)變化。溫度升高，電阻率降低。因巖、礦石中所含水溶液的電阻率與溫度有明顯的變化關(guān)系。圖1-1-4為一塊砂巖標(biāo)本電阻率隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)觀測曲線在0℃以上的正溫度區(qū)內(nèi)，溫度的升高，電阻率值緩慢減小，變化不明顯。常溫條件下，溫度變化對巖石電阻率的影響不大。在0℃以下的負(fù)溫區(qū)內(nèi)，溫度的降低，含水巖石的電阻率明顯增高。溫度下降到接近-20℃時(shí)，電阻率竟高達(dá)，較正溫區(qū)的電阻率大三個(gè)級次。這是由于巖石孔隙中的水溶液結(jié)冰后導(dǎo)電性變得很差的結(jié)果。*地殼常溫帶（20~25m）以下，地溫隨深度的增加變大。*地溫每升高1度所下延的深度稱地溫增加率，因地而異；中國40m/10C。1600m深處地溫比地面高400C。那里金屬礦物ρ升高20%；含水巖石ρ下降50%。*對深部巖石ρ觀測，可得某一地區(qū)溫度場的變化規(guī)律資料，尋找地?zé)嵩?、研究地質(zhì)構(gòu)造等。圖1-4為一塊砂巖標(biāo)本電阻率隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)觀測曲線。圖見，在0℃以上的正溫區(qū)，電阻率值隨溫度t的升高而緩慢減小，變化不明顯。在常溫，溫度變化對巖石電阻率的影響不大。在0℃以下的負(fù)溫區(qū)內(nèi)，含水巖石ρ隨著t降低而明顯增高。當(dāng)t降到-16℃時(shí)，含水砂巖的電阻率高達(dá)106Ω·m以上，較冰點(diǎn)以上的電阻率值大三個(gè)級次。冰凍巖石電阻率顯著增高是由于巖石中孔隙水結(jié)冰后，失去了導(dǎo)電性水溶液的緣故

圖1-4巖石電阻率與溫度的關(guān)系（ρ1為18°C時(shí)所測）在寒冷地區(qū)或冰凍季節(jié)地表巖石或土壤電阻率顯著增高，對需要通過接地電極向地下供電和測量的傳導(dǎo)類電法而言，會(huì)導(dǎo)致接地電阻增大，造成施工困難。對于不需要接地的感應(yīng)類電法而言，表層電阻率增高，不會(huì)影響工作，會(huì)減小其它干擾。小結(jié)*影響巖、礦石電阻率的因素是多方面的。

*在金屬礦產(chǎn)普查和工程勘探中，巖、礦石中良導(dǎo)礦物的含量及結(jié)構(gòu)是主要影響因素。

*在水文及工程地質(zhì)調(diào)查及沉積區(qū)構(gòu)造普查及勘探中，巖石的孔隙度、含水飽和度及礦化度等成了決定性因素。

*在地?zé)嵫芯?、地震地質(zhì)及深部地質(zhì)構(gòu)造研究中，溫度及地應(yīng)力變化卻成了應(yīng)考慮的主要因素。*在地震預(yù)報(bào)？！習(xí)題及思考題

1．簡述影響巖石、礦石電阻率的主要因素及巖石、礦石電