電法勘探基礎(chǔ)知識

關(guān)于電法勘探基礎(chǔ)知識

什么是電法勘探:

以巖、礦石的電學(xué)性質(zhì)（如導(dǎo)電性、介電常數(shù)、激發(fā)激化特性）差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究與這些電性差異有關(guān)的（天然或人工）電場或電磁場分布規(guī)律來查明地下地質(zhì)構(gòu)造及有用礦產(chǎn)的一種物探方法，稱為“電法”。第2頁,共81頁，2024年2月25日，星期天第3頁,共81頁，2024年2月25日，星期天電磁法的分類

電法勘探的種類很多，可對其進(jìn)行分類：

一、按觀測的場所分：航空電法、地面電法、海洋電法、地下或井中電法；

二、按地質(zhì)目標(biāo)體分：金屬電法、石油電法、煤田電法、水（文）工（程）電法；

三、按使用和觀測電磁場的時間特性分：直流電法、交流電法、過渡過程場法（瞬變）；直到目前為止，還沒有一個公認(rèn)的和統(tǒng)一的分類方案，因為各種電法之間，既有不同的方面，又有相同的方面，因此很難作出一個標(biāo)準(zhǔn)化的固定分類方案。根據(jù)本專業(yè)當(dāng)前電法的發(fā)展現(xiàn)狀，可將其簡化的分為兩大類：第4頁,共81頁，2024年2月25日，星期天電法勘探的特點：可用“三多”、“兩廣”

三多：

①可利用的物性參性多導(dǎo)電性（ρ或σ）電化學(xué)活動性（η）介電性（ε）導(dǎo)磁性（μ）②利用場源多人工場源天然場源直流電（穩(wěn)定場）交流電（交變場）第5頁,共81頁，2024年2月25日，星期天傳導(dǎo)類電法勘探（直流電法）研究穩(wěn)定電流場③方法種類多感應(yīng)類電法勘探（交流電法）研究交變電流場電阻率法*充電法自然電場法激發(fā)極化法低頻電磁法頻率測探法甚低頻法電磁波法大地電磁法第6頁,共81頁，2024年2月25日，星期天應(yīng)用空間廣兩廣應(yīng)用范圍廣航空地面海洋井中金屬和非金屬礦油氣勘探地質(zhì)填圖水文與工程深部構(gòu)造（地殼、地幔）第7頁,共81頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)電法勘探的基本概念

1、電法勘探的地球物理前提

——電性差異（1）電阻率：ρ

，單位：Ωm

定義式：

式中:R為電阻，l，s分別為長度和截面積其導(dǎo)電率：S/m；

第8頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（2）介電常數(shù)：單位：F/M

定義式：式中、分別為電位移矢量和電場強度其中:第9頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（3）磁導(dǎo)率：單位：H/M

定義式：

式中、分別為磁感應(yīng)強度和磁場強度矢量

其中；第10頁,共81頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)電阻率法

什么是電阻率法：電阻率法是傳導(dǎo)類電法勘探方法之一。建立在地殼中各種巖礦石具有各種導(dǎo)電性差異的基礎(chǔ)上，通過觀測和研究與電阻率差異有關(guān)的天然電場或人工電場的分布規(guī)律，從而達(dá)到查明地下構(gòu)造或者尋找有用礦產(chǎn)的目的。第11頁,共81頁，2024年2月25日，星期天[強調(diào)]：1地球物理前提條件：勘查目標(biāo)物與圍巖存在著電阻率（或電導(dǎo)）差異。2屬主動源法，即需人工接地方式建立地下穩(wěn)定電流場。第12頁,共81頁，2024年2月25日，星期天1、電阻率法的理論基礎(chǔ)巖、礦石的電阻率1.電阻率基本公式電阻R（Ω）長度（m）截面積（m2）電阻率ρ（Ω·m）S2.電阻率單位SI制中第13頁,共81頁，2024年2月25日，星期天3.導(dǎo)電機制⑴溶液：帶電離子⑵金屬導(dǎo)體：自由離子，如自然銅、金、銀和石墨，電阻率低⑶半導(dǎo)體：“空穴”導(dǎo)電，大多數(shù)金屬硫化物，金屬氧化物體，電阻率較低⑷固體電解質(zhì)：離子導(dǎo)電，絕大多數(shù)造巖礦物，如石英、云母、方解石、長石等，電阻率高第14頁,共81頁，2024年2月25日，星期天4.主要巖礦石電阻率及其變化范圍ρ沉＜ρ變＜ρ火沉積巖：10～102Ω·ｍ火成巖：102～10Ω·ｍ變質(zhì)巖：介于兩者之間6沉積巖變質(zhì)巖火成巖第15頁,共81頁，2024年2月25日，星期天第16頁,共81頁，2024年2月25日，星期天其規(guī)律：金屬礦電阻率比造巖類礦物（≥106Ωm）偏低，而每一種礦物變化范圍很大。第17頁,共81頁，2024年2月25日，星期天5.影響電阻率的主要因素⑴礦物成分、含量及結(jié)構(gòu)金屬礦物含量↑，電阻率↓結(jié)構(gòu)：侵染狀＞細(xì)脈狀⑵巖礦石的孔隙度、濕度孔隙度↑，電阻率↓風(fēng)化帶、破碎帶，含水量↑，電阻率↓⑶水溶液礦化度礦化度↑，電阻率↓第18頁,共81頁，2024年2月25日，星期天幾種常見巖石的孔隙度

分類巖石名稱空隙度/％分類巖石名稱空隙度/％沉積巖土壤20.0~69.4火成巖玄武巖18.7~砂15.0~63.2安山巖6.0~粘土10.1~62.9輝長巖0.4~1.9礫石20.2~37.7花崗巖0.4~4.1頁巖1.5~44.8輝綠巖0.5~5.1砂巖2.0~18.4閃長巖0.4~4.0灰?guī)r0.7~10正長巖0.9~2.9變質(zhì)巖結(jié)晶石灰?guī)r0.9~8.6注：帶有喀斯特溶洞的灰?guī)r空隙度可達(dá)n×10%片麻巖0.4~7.5大理巖0.1~2.1第19頁,共81頁，2024年2月25日，星期天⑷溫度溫度T↑，溶解度↑，離子活性↑，電阻率↓結(jié)冰時，電阻率↑⑸壓力壓力↑，孔隙度↓，電阻率↑超過壓力極限，巖石破碎，電阻率↓⑹構(gòu)造層的問題這種層狀構(gòu)造巖石的電阻率，則具有非各向同性，即巖層理方向的電阻率小于垂直巖層理方向的電阻率第20頁,共81頁，2024年2月25日，星期天巖石電阻率與溫度的關(guān)系

-40-2002040t/oC100101電子導(dǎo)體礦物、礦石的電阻率隨溫度增高而變大離子導(dǎo)電巖石的電阻率卻隨溫度的增高而變小第21頁,共81頁，2024年2月25日，星期天層狀介質(zhì)的電阻率1、縱向電阻率和橫向電阻率巖土介質(zhì)的各向異性介質(zhì)中，當(dāng)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，用符號表示ρn；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，用符號ρt來表示第22頁,共81頁，2024年2月25日，星期天

層狀結(jié)構(gòu)巖石模型（a）實際巖石(b).等效模型(b)（a）層狀介質(zhì)的電阻率第23頁,共81頁，2024年2月25日，星期天縱向電導(dǎo)與橫向電阻橫向電阻與縱向電導(dǎo)的定義：假設(shè)在層狀介質(zhì)中取底面積為1平方米，厚度為h的六面巖柱體，則當(dāng)電流垂直巖柱體底面流過時，所測得的電阻稱為橫向電阻，用符號T表示，單位為歐姆Ω，橫向電阻在數(shù)值上等于電性層的厚度與電阻率的乘積。即T=h.ρ第24頁,共81頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)六面巖柱體由若干個厚度和電性不同的巖層所組成，則按串聯(lián)電路原理，總的橫向電阻為：第25頁,共81頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)電流平行巖柱體底面流過時，所測得的電導(dǎo)值，稱為縱向電導(dǎo)，用符號S表示，單位為1/Ω

，縱向電導(dǎo)與層參數(shù)的關(guān)系為第26頁,共81頁，2024年2月25日，星期天第27頁,共81頁，2024年2月25日，星期天第28頁,共81頁，2024年2月25日，星期天第29頁,共81頁，2024年2月25日，星期天巖石的電阻率測定第30頁,共81頁，2024年2月25日，星期天巖石的電阻率測定露頭法：對天然或人工露頭的巖石用小尺度的對稱四極裝置或三極裝置直接測定。標(biāo)本法：小對稱四極測量、歐姆定律分析法：對測量區(qū)已有電法資料進(jìn)行分析第31頁,共81頁，2024年2月25日，星期天穩(wěn)定電流場的基本規(guī)律歐姆定律第32頁,共81頁，2024年2月25日，星期天第33頁,共81頁，2024年2月25日，星期天穩(wěn)定電流場的邊界條件銜接條件自然邊界條件電流通過介質(zhì)分界面，界面兩邊電位連續(xù)界面兩邊電流密度法向分量和電場強度切向分量連續(xù)接近點電流源的點上，趨于正常電位距離場源無限遠(yuǎn)處，電位趨于零地面上除電源點外，電流密度法向分量為零第34頁,共81頁，2024年2月25日，星期天

在物理學(xué)中，恒定電場是用三個相互有聯(lián)系的物理量V（電位）、E（電場強度）和j(電流密度)來描述的，其間的關(guān)系為：設(shè)大地是水平的，與不導(dǎo)電的空氣接觸，介質(zhì)充滿整個地下半空間，且電阻率在介質(zhì)中處處相等，稱這樣的介質(zhì)模型為均勻各向同性。即：地面均勻各向同性半空間點電源的電場2、電阻率法常用電流源的正常電場第35頁,共81頁，2024年2月25日，星期天

為了建立地下電場，總是用兩個電極（例如A、B）向地下供電。這兩個接地的電極（A、B）稱為“供電電極”。當(dāng)供電電極的大小比它們與觀測點的距離小得多時，可把兩個供電電極看成兩個“點”，故又將它們稱“點電源”

第36頁,共81頁，2024年2月25日，星期天1.一個點電源的電場設(shè)在地面A點向地下供電，電流強度為I，地下半空間的電子率為ρ。地下距A為的點M處的電流密度為：

電場強度為：

電位為：第37頁,共81頁，2024年2月25日，星期天對上式兩邊積分得：當(dāng)r→∞，V=0，則C=0代入上式得第38頁,共81頁，2024年2月25日，星期天2.兩個異性點電源的電場第39頁,共81頁，2024年2月25日，星期天在任意的M處的，可按場的疊加原理知：第40頁,共81頁，2024年2月25日，星期天1）地下電流場在供電電極附近分布極不均勻，其值趨于無限大；

2）在兩極中央地段，場的分布較均勻，變化較平緩。

3）在AB的中點，V=0，中點左邊V為正，右邊為負(fù)；

4）AB的中點上，E出現(xiàn)極小值。第41頁,共81頁，2024年2月25日，星期天3、地下電流沿深度的分布規(guī)律（勘探深度）jh的方向平行于地表上式表明，AB中垂線上任意一點M處j的大小，除與I有關(guān)外，還與M點的深度（h）及電極距大小有關(guān)當(dāng)h→∞，當(dāng)h→0，第42頁,共81頁，2024年2月25日，星期天

即當(dāng)(或者

)時，h深度的電流密度最大，該供電極距稱為“最佳電極距”。例如：要使100m深處的電流密度最大，AB應(yīng)大于或等于140m

最佳供電電極距第43頁,共81頁，2024年2月25日，星期天注意：勘探體積：一般認(rèn)為，電流分布在深度h=AB/2到地表的有效范圍內(nèi)。因為地下地質(zhì)體的存在，地表觀測的電場會發(fā)生畸變，從而發(fā)現(xiàn)地下地質(zhì)體。埋深大于h=AB/2的地質(zhì)體不會使的地表電場發(fā)生可以觀測到的變化，因此無法發(fā)現(xiàn)這些地質(zhì)體。第44頁,共81頁，2024年2月25日，星期天4、電阻率公式及視電阻率

1.（均勻大地）電阻率公式第45頁,共81頁，2024年2月25日，星期天M、N處的電位為：式中AM、BM、AN、BN分別是A、B與M、N間的距離。上兩式相減可得MN兩點間的電位差：則第46頁,共81頁，2024年2月25日，星期天則→均勻大地電阻率公式式中的k—稱為裝置系數(shù)（或布極常數(shù)），單位為“米”。由于地下為均勻各向同性介質(zhì)，故ρ與k、I的值無關(guān)。上面所討論的情況是在地形水平、地下僅有單一的均勻各向同性介質(zhì)。然而實際中，地下巖石的導(dǎo)電性往往是不均勻的、且地形亦不是水平的，因此有必要進(jìn)一步討論非均勻條件下地中電流場分布的情況。第47頁,共81頁，2024年2月25日，星期天2.非均勻介質(zhì)中的地下電流場及視電阻率

“地電斷面”—根據(jù)地下地質(zhì)體電阻率的差異而劃分界限的垂向斷面。（地面斷面與地質(zhì)斷面關(guān)系？）

（1）非均勻介質(zhì)中的地下電流場由圖可見：

高阻體具有向周圍排斥電流的作用。

低阻體具有向其內(nèi)部吸引電流的作用。第48頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（2）視電阻率當(dāng)?shù)乇聿凰交蛘叩叵码娮杪史植疾痪鶆驎r（存在兩種或者兩種以上介質(zhì)），仍然采用前述均勻介質(zhì)中的供電方式及測量方式，仍由前述的公式計算“電阻率值”，不過這時計算出的“電阻率值”，既不是ρ1，也不是ρ2和ρ3，而是三者都有關(guān)的一個量，稱為“視電阻率”，用符號ρs表示，即※視電阻率：在電場有效作用范圍內(nèi)各種地質(zhì)體電阻率的綜合影響值。雖然不是巖石的真電阻率，但卻是地下電性不均勻體和地形起伏的一種綜合反映。第49頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（3）影響視電阻率的因素

電極裝置—供電電極（A、B）及測量電極（M、N）的排列形式和移動方式

①電極裝置類型及電極距的大小

②測點相對于地質(zhì)體的位置

③電場有效作用范圍內(nèi)各種地質(zhì)體的真電阻率

④各地質(zhì)體的分布狀態(tài)（及形狀、大小、埋深及相對位置）第50頁,共81頁，2024年2月25日，星期天視電阻率在數(shù)值上與MN間沿地表的電流密度和電阻率的分布有關(guān)，而地表電流密度的分布，既受地表電阻率分布也受地下電性不均勻體的影響。當(dāng)MN很小時，可將MN范圍內(nèi)的電場強度視為不變第51頁,共81頁，2024年2月25日，星期天

如果在均勻半無限介質(zhì)的條件下，，且此時所測得的，故有：即：視電阻率在不均勻體和地形起伏的分布示意圖第52頁,共81頁，2024年2月25日，星期天

于是，我們可得地形起伏且存在不均勻體時視電阻率的微分形式：在分析一些理論計算、模型實驗及野外地面觀測結(jié)果時，經(jīng)常要用到它。

當(dāng)?shù)孛嫠綍r第53頁,共81頁，2024年2月25日，星期天ρ剖面曲線的變化能清楚的反映出地下導(dǎo)電性不均勻體的位置及電阻率的相對高低第54頁,共81頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)?shù)叵轮挥幸环N巖石時，兩式是相同的，故按視電阻率的計算式算得的ρs值等于巖石真電阻率ρ值。ρs剖面曲線乃為一條數(shù)值等于p的直線。視電阻率的計算公式視電阻率的分析公式第55頁,共81頁，2024年2月25日，星期天A(+I)B(-I)X(a)(b)重新分析：第56頁,共81頁，2024年2月25日，星期天3.視電阻率的定性分析公式視電阻率與電流密度的關(guān)系式，即

式中jMN，ρMN測量電極M、N間任一點的電流密度和介質(zhì)的真電阻率。

j0—為均勻各向同性介質(zhì)體中M、N間的電流密度。上式表明，ρs與M、N間的介質(zhì)的電阻率ρMN電流密度jMN成正比第57頁,共81頁，2024年2月25日，星期天視電阻率異常的定性分析方法從場的疊加觀點看，地下電流場可視為均勻介質(zhì)中的正常電流場與地下電性不均勻體的異常電流場的疊加：第58頁,共81頁，2024年2月25日，星期天2、電阻率法的儀器和裝備對電阻率法儀器的要求：1、靈敏度高2、穩(wěn)定性好3、抗干擾能力強4、輸入阻抗高第59頁,共81頁，2024年2月25日，星期天2、電阻率法的儀器和裝備由視電阻率的計算公式可知，其儀器功能就是測量出供電電流I及測量電極M、N間的電位差△UMN即可。除儀器外，其它裝備還有：供電電極——鐵棒或銅棒測量電極——銅棒、導(dǎo)線及供電電源。第60頁,共81頁，2024年2月25日，星期天半球形供電電極電極的接地電阻分析第61頁,共81頁，2024年2月25日，星期天

電阻率法的儀器種類很多，有圖DZD-4多功能直流電法儀，它具有如下功能：（1）高密度電阻率法測量（2）視電阻率法和激發(fā)極化法同時測量；（3）實時大屏幕液晶漢字顯示實測曲線；（4）信號增強技術(shù)，不僅適用于野外勘查，也適用于城市勘查。第62頁,共81頁，2024年2月25日，星期天第63頁,共81頁，2024年2月25日，星期天電阻率法的常用電極裝置類型在電法勘查中，為了解決不同的地質(zhì)問題，常采用不同的裝置。目前，我國采用的電阻率裝置類型有電剖面法、中間梯度法和電測深法。電阻率剖面法簡稱電剖面法。它包括許多分支裝置：二極裝置、三極裝置、聯(lián)合剖面裝置對稱四極裝置和偶極裝置等。第64頁,共81頁，2024年2月25日，星期天電阻率法的常用電極裝置類型第65頁,共81頁，2024年2月25日，星期天二極裝置（AM)供電電極B和測量電極N置于無窮遠(yuǎn)，即遠(yuǎn)離測量區(qū)域的地方（垂直于AM連線的方向，大于5倍AM),B極在M處產(chǎn)生的電位和A極在N處產(chǎn)生的電位均可忽略，ΔUMN=ΔUM,二極裝置的記錄點通常取在AM中點。優(yōu)點：跑極方便，測量電位信號大缺點：布置兩個無窮遠(yuǎn)極第66頁,共81頁，2024年2月25日，星期天三極裝置（AMN)將B極置于無窮遠(yuǎn)，MN之間的距離比較小，三極裝置的記錄點通常取在AM中點。第67頁,共81頁，2024年2月25日，星期天聯(lián)合剖面裝置（AMN∞

MNB)有兩個對稱的三極裝置組成，即rAM=rNB。其中電源負(fù)極接到置于無窮遠(yuǎn)的C極，正極分別接到A極或B極。ρs的表達(dá)式與三極裝置相同。記錄點為MN的中點。有兩個視電阻率，反映的地下信息比其他裝置多。第68頁,共81頁，2024年2月25日，星期天對稱四極裝置（AMNB)rAM=rNB，記錄點在MN的中點AM=MN