第八章 其它电探方法课件

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1、第三节 激发极化法,在进行电阻率法测量时，人们常发现：在向地 下攻入稳定电流的情况下，仍可观测到测量电极间 的电位差随时间而变化（一般是变大），并经相当 时间（一般几分钟）后趋于某一稳定的饱和值；在 断开供电电流后，测量电极间的电位差在最初一瞬 间很快下降，而后随时间相对缓慢下降，并在相当 长时间后（通常约几分钟）衰减接近于零。,即： 当采用某一电极排列向大地供入或 切断电流的瞬间，在测量电极之间总能观测 到电位差随时间的变化，在这种类似充、放 电的过程，由于电化学作用所引起的随时间 缓慢变化的附加电场的现象称为激发极化效 应（简称激电效应）。,激发极化法就是以岩、矿石激电效应的差 异为基础从

2、而达到找矿或解决某些水文地质问 题的一类电探方法。由于采用直流电场或交流 电场都可以研究地下介质的激电效应，因而激 发极化法又分为直流（时间域）激发极化法和 交流（频率域）激发极化法。二者在基本原理 方面是一致的，只是在方法技术上有较大的差 异。,一、激发极化效应及其成因,1电子导体激电场的成因 在电场的作用下，发生在电子导体和围 岩溶液间的激发极化效应是一个复杂的电化 学过程，这一过程所产生的过电位 （或超 电压）是引起激发极化效应的基本原因。,处于同一种电化学溶液中的电子导体，在其表面 将形成双电层，双电层间形成一个稳定的电极电位， 对外并不形成电场。这种在自然状态下的双电层电位 差是电子

3、导体与围岩溶液接触时的电极电位，又称为 平衡电极电位。,供电前 的均匀 双电层,在电场作用下，当电流通过电子导体与围岩溶液 的界面时，导体内部的电荷将重新分布，自由电子逆 电场方向移向电流流人端，使其等效于电解电池的 “阴极”，在电流流出端则呈现出相对增多的正电荷， 使其等效于电解池的“阳极”。,供电时的 极化现象,与此同时，围岩中的带电离子也将在电场作 用下产生相对运动，并分别在“阴极”及“阳极”附 近形成正离子和负离子的堆积，从而使电流的流 人端及流出端的双电层发生了变化。在电流的作 用下，导体的 “阴极” 和“阳极”外双电层电位差 相对于平衡电极电位的变化称为过电位（或超电 压）。,显然

4、，超电压的形成过程就是电极极化过 程，在供电过程中，超电压随供电时间的增加 而增大，最后趋于饱和值，当切断供电电流 后，堆积在界面两侧的异性电荷将通过导体和 围岩放电，超电压也将随时间的增加而逐渐减 小，最后完全消失。这时，导体和围岩溶液间 又恢复到供电之前的均匀双电层状态。,2.离子导体激电场的成因 实践表明，除电子导体之外。一般岩石 （即离子导体）也能产生比较明显的激电效 应，虽然关于离子导体的激发极化场的成因 至今尚无统一的解释方法，但大多数学者认 为离子导体的激发极化效应与岩石溶液界面 上的双电层结构有关。,自然界中大多数造岩矿物，其表面总呈 现出负的剩余电价力，因而吸附周围溶液中 的

5、正离子，并在和溶液的接触面上形成了具 有分散结构的双电层。,双电层的固相岩石表面一侧为占有固定 位置的负离子，它们吸引溶液中的正离子， 使液体一侧靠近界面处的正离子不能自由活 动，构成了双电层的紧密区，离界面稍远处 的正离子，由于受到的吸引力较弱，可以平 行界面方向自由移动，构成了双电层的扩散 区。,薄膜极化效应是离子导体激发极化的主要 原因。当岩石颗粒间的孔隙直径和双电层扩散 区的厚度相当时，则整个孔隙皆处于双电层扩 散区内，其中过剩的阳离子吸引负离子而排斥 阳离子。故在外电场作用下，扩散区的阳离子 移动较快，与此同时，由于孔隙中过剩阳离子 的吸引，因而阴离子的移动较慢，我们称这样 的岩石孔

6、隙为阳离子选择带或薄膜。,当电流通过宽窄不同而彼此相联的岩石 孔隙时，由于窄孔隙 (即薄膜)中阳离子的迁 移率大于阴离子的迁移率，而宽孔隙中阴、 阳离子的迁移率几乎相等，于是窄孔隙里的 载流子大都为阳离子。电流将大量阳离子带 走，结果在窄孔隙的电流流出端形成阳离子 的堆积；在电流流入端形成阳离子的不足。,由于窄孔隙对阴离子有一定的阻挡作 用，因此在阳离子堆积和不足的两端，同样 造成阴离子的堆积与不足。这样，沿孔隙方 向便形成了离子浓度梯度，它将阻碍离子的 运动，直至达到平衡为止。,断去外电流之后，由于离子的扩散作 用，离子浓度梯度将逐渐消失，并恢复到原 来状态。与此同时，形成扩散电位，这便是

7、一般岩石 （或离子导体）上形成的激发极 化现象。,岩矿石的激发极化效应可以分为面极化 与体极化，就其形成机理来说，二者并无差 别，因为从微观来看，所有的激发极化都是 面极化的。 以体极化为例讨论岩、矿石在直流电场 作用下的激发极化特征。,二、激发极化特性及测量参数,1.激发极化场的时间特性 激发极化场（即二次场）的时间特征与 被极化体与围岩溶液的性质有关。在开始供 电的瞬间，只观测到一次场电位差U1 ，随 着供电时间的增长，激发极化电场（即二次 场电位差U2）先是迅速增大，然后变慢， 经过23分钟后逐渐达到饱和。,这是因为，在充电过程中，极化体与围 岩溶液的超电压是随充电时间的增加而逐渐 形成

8、的。显然，在供电过程中，二次场叠加 在一次场上，我们把它称为总场电位差，并 用U来表示。当断去供电电流后，一次场 立即消失，二次场电位开始衰减很快，然后 逐渐变慢，数分钟后衰减到零。,2.激发极化的频率特性 交流激发极化法是在超低频电场作用下，根 据电场随频率的变化来研究岩矿时的激电效应。 图是一块黄铁矿人工标本的激电频率特征曲线， 由图可知，在超低频段（0.nnHz）范围内，交 流电位差（或者说由此而转换成的复电阻率）将 随频率的升高而降低，我们把这种现象称为频散 特性或幅频特性。,由于激电效应的形成是一种物理化学过程， 需要一定的时间才能完成。所以，当采用交流电 场激发时，交流电的频率与单

9、项供电持续时间的 关系是：频率越低，单项供电时间越长，激电效 应越强，因而总场幅度越大；相反，频率越高， 单项供电时间越短，激发效应越弱，总场幅度也 越小。显然，如果适当的选取两种频率来观测总 场的点位差后，便可从中检测出反应激电效应强 弱的信息。,3.频发极化法的测量参数 （1）视极化率是直流（或时域）激发极化法的一 种基本测量参数。当地下岩矿石的极化率分布不均 匀时，用某一种电极装置的测量结果实际上就是各 种极化体激发极化效应的综合反映。其表达式为：,U极化场的电位差； U2断电后某一时刻的二次场电位差,（2）视频散率 视频散率是交流激发极化法的一种基本 测量参数。该参数是通过选用两种不同

10、的电 流供电时所测总场电位差来进行计算的，其 表达式是：,其中：Uf1、Uf2分别表示超低频段两种频率供 电电流所形成的总场电位差。也是地下一定深度范 围内各种极化体激发极化效应的综合反映。由于直 流激电和低频交流激电二者在物理实质上是完全一 样的，因此在极限条件下，即U（f10）和 U（ f2 ），两种方法有完全相同的测量结 果。,（3）衰减度（D） 衰减度是反映激发极化场（即二次场）衰减 快慢的一种测量参数，用百分数来表示，二次场 衰减越快，其衰减度就越小。衰减度表达式为：,U2为供电30S、断电后0.25s时的二次场电位 差； 为断电后0.25s至5.25s内二次电位差的 平均值。,即：

11、,由视极化率与衰减度组合的一个综合参 数J，称为极化比。该参数在激电找水工作 中也得到广泛应用。表达式是：,原则上讲，电阻率法的各种电极装置都 可用于激电法，不过，这些装置在激电法中 的特点和效能各不相同，故应根据激电法的 地质任务、工区地电条件和仪器、设备情 况，合理选用装置类型。现对激电法中几种 常用装置的特点和效能作些对比性的讨论， 以供选择装置时参考。,三、激发极化法装置的选取,（一）中间梯度装置 中梯装置的一个主要优点是，敷设一次供 电导线和供电电极A、B，便能在相当大的面积 上测量，特别是还能用几台“远点启动”的接收机 同时在该面积上观测，因而具有较高的生产效 率。此外，它在A、B

12、间的中间地段测量，接近 水平均匀极化条件，故对各种形状、产状和相对 导电性的极化体均可得到相当大的异常，而且异 常形态较简单，易于解释。,中梯装置的特点是供电电极距较大(n10-2 n103m)，这导致它的两大缺点：要求较 大的供电电流强度，这使得它的装备比较笨 重。电磁耦合干扰较强，但在时间域观测 中选用几百毫秒或更长的延时可有效地降低 这种干扰。故在时间域激电法中，中梯装置 应用最广。,（二）联合剖面装置 联剖装置能得到2条s曲线，将2条曲线配合 起来作推断解释，能较准确确定极化体位置（根据 “反交点”）和判断极化体倾向。但联剖s曲线较复 杂，对相邻极化体的分辨能力较差，且对近地表小 极化

13、体的干扰反映较灵敏，地形对异常的畸变也较 明显和复杂。,此外，从工作方法和技术看，电极距对联剖异 常的影响较大，恰当地选用电极距对联剖装置很重 要，有时甚至需要几种电极距作测量，这会使生产 效率降低；联剖需要敷设一条“无穷远线”，这不仅 使装置笨重，生产效率低，而且电磁耦合干扰问题 较大。故联剖不用作普查找矿的基本装置，仅在详 查中为解决特定问题（如确定极化体位置和产状 等），才在少数剖面上布置激电联剖测量，而且多 在时间域激电法中采用。,（三）对称四极测深装置 激电法中经常遇到水平宽度和走向长度都有限 的局部极化体，激电测深通常只能提供极化体埋深 的资料。利用激电测深确定局部极化体的下延深度

14、 和电参数，目前尚无有效方法。当地电断面较复杂 （如断面中存在两个或多个相邻近的极化体），其 他装置对异常的分辨能力很差时，布置剖面性的激 电测深，并绘制s等值线断面图，能较好地反映断 面中极化体的分布和产状。,在实际生产中，一般只在已发现异常的中心布 置个别激电测深点（常作十字测深，即A、B分别沿 异常走向和垂直异常走向布极，作两次测深观测）， 主要任务是确定极化体埋深和判断极化体与围岩的 相对导电性。此外，在激电找水工作中，经常使用 测深装置。激电测深装置的电磁耦合干扰也比较严 重，故很少用于频率域测量。,（四）偶极装置 偶极装置的激电异常幅度较大，对覆盖层的 穿透能力较强。在采用多个偶极

15、间隔系数工作 时，兼有剖面法和测深法双重性质，对极化体形 状和产状的分辨能力较强。此外，在各种电极装 置中，这种装置的电磁耦合干扰最小。,偶极装置的缺点是：异常形状较复杂，常需 用多个偶极间隔系数作测量，绘出拟断面图，异 常才好解释。在用同样大的电极距工作时，它 要求的供电电流较大。此外，在野外工作中，需 要逐点移动供电电极A、B。这些都使偶极装置 的生产效率较低和成本较高。 在我国，偶极装置主要用于电磁耦合问题 比较突出的频率域激电法。,（一）激发极化法在水文地质调查中的应用 不同岩、矿石的激发极化特性主要表现在二次 场的大小及其随时间的变化上。在金属矿的普查勘 探中，主要采用了表征二次场大

16、小的参数，如极化 率及频散率等。但在水文地质调查中，我们更重视 表征二次场衰减特性的参数，如衰减度，激发比、 衰减时等。激发极化法在水文地质调查中的应用主 要有两点：一是区分含碳质的岩层与含水岩层所引 起的异常，二是寻找地下水，划分出富水地段。,四、激发极化法应用实例,1用视极化率判别水异常 激发极化法在岩溶区找水时，由于低阻碳质夹 层的存在，常会引起明显的电阻率法低阻异常，这 些异常与岩溶裂隙水或基岩裂隙水引起的异常特征 类似，给区分水异常带来困难。由于碳质岩层不仅 能引起视电阻率的低阻异常，同时还能引起高视极 化率异常，而水 则无明显的视极化率异常。因此， 借助于激发极化法可识别碳质岩层对水异常的干 扰。,在剖面的77号点附近，有一 电阻率同步下降的“V”字型 低阻异常，测深曲线呈KH 型，曲线未产生畸变，视极 化率很小，仅为1。可见 这是一个低阻低极化率异常 推断此异常和碳质岩层无 关，为岩溶裂隙所引起。后 经验证， 在2775m处见地 下水。,第四节 交变电磁场法,一、交变电磁场的基本知识,交变电磁场法简称电磁法，它是以岩、 矿石的导电性、