地球物理勘探---电法勘探

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1、电法勘探,1.定义：电法勘探是以岩（矿）石间的电性差异为基础，通过观测和研究与这种电性差异有关的电场和电磁场的分布特点和变化规律，来查明地下构造或寻找有用矿产的一类地球物理勘探方法。,2 特点： 可用“三多”、“两广”来概括,三多： 可利用的物性参性多,导电性（或）,电化学活动性（）,介电性（）,导磁性（）,利用场源多,人工场源,天然场源,直流电（稳定场）,交流电（交变场）,传导类电法勘探（直流电法）研究稳定电流场,方法种类多,感应类电法勘探（交流电法）研究交变电流场,电阻率法* 充电法 自然电场法 激发极化法,低频电磁法 频率测探法 甚低频法 电磁波法 大地电磁法,应用空间广,两广,应用范围

2、广,航空 地面 海洋 井中,金属和非金属矿 油气勘探 地质填图 水文与工程 深部构造（地壳、地幔）,3.电法的发展：电法勘探是门新兴的地球科学。从19世纪初P. Fox在硫化金属矿床上发现自然电场现象算起，也只有200年左右的历史。我国电法勘探始于上世纪30年代，由当时北平研究院物理研究所的顾功叙先生所开创。开展的方法有自然电场法和电阻率法。采用的仪器是自制的电位计和英制Magger电阻率仪。三四十年代，顾功叙、王子昌、了毅等先生在安徽当涂、马鞍山，贵州巡碌、水城、赫章，云南东川汤丹、落雪、个旧、昭通、会译、易门等地的一些铁矿、硫化金属矿床、锡矿、褐炭矿等矿区进行过自然电场法，电阻率剖面法和电

3、测深法，取得了一些试验和实际效果。新中国成立后，电法在我国才得到巨大的发展，至今，我国已拥有当今世界上所有的物探方法和技术。其中某些方面已达到国际先进水平。如今已成为应用地球物理学中方法种类最多，应用面最广，适应性最强的一门分支学科。应用领域涉及工程、环境、能源、水文、固体矿产、深部构造等各个方面。,介绍最基本的电阻率法电阻率法是传导类电法勘探方法之一。建立在地壳中各种岩矿石具有各种导电性差异的基础上，通过观测和研究与这些差异有关的天然电场或人工电场的分布规律，从而达到查明地下构造或者寻找有用矿产的目的。,第一节 电阻率法,（一）、岩土介质的电阻率岩土介质的电阻率差异是电阻率法的物理前提，电阻

4、率是 描述物质导电性能的一个电性参数，从中学物理中我们知道， 当电流沿着一段导体的延伸方向流过时，导体的电阻R与其长 度L成正比，与垂直于电流方向的导体横截面积S成反比，即 R=l/s式中比例系数成为该导体的电阻率。因此电阻率在数值 上等于电流垂直通过单位面积立方体截面时，该导体所呈现的 电阻。电阻率的倒数即为导电率，直接表征了岩石的导电性能。,一、电阻率法的理论基础,主要岩矿石电阻率及其变化范围： 沉变火 沉积岩：1010；火成岩：1010 变质岩：介于两者之间,6,（二）、影响电阻率的因素 岩、矿石矿物成分（良导金属含量）一般来说，岩、矿石中良导金属含量增高，电阻率就降低。但 相比之下岩石

5、的结构更具有关键性的影响。 结构,湿度（含水量）湿度对岩石的电阻率有很大的影响，含水岩石的电阻率远比干燥的岩石低，因此同一区域雨后观测到的电阻率会大大降低。 温度温度的变化会引起水溶液中离子活动性的变化，因此岩石中水溶液的电阻率也将随温度的升高而降低，在地热勘探中，正好是利用这一特征来圈定地热异常的。而冬季勘探时，地下岩石中的水溶液冻结会呈现极高的电阻率，应予以重视。,孔隙度孔隙度较小，所含水分也较少，因而电阻率较高。一些孔隙度大而渗透性强的岩层如砂层、砾石层等，其电阻率明显地取决于含水条件，当其饱含矿化度高的地下水时，电阻率只有几十至几个欧姆米，当其位于潜水面以上含水条件较差时，其电阻率可高

6、达几百至几千欧姆米。石灰岩的电阻率一般比较高，但当其中发育有溶洞、溶隙且充填有不同矿化度的地下水时，其电阻率会大幅度的下降。,矿化度水溶液的电阻率与其矿化度有密切的关系。地下水的矿化度变化范围很大，淡水的矿化度约为0.1g/L，咸水的矿化度则高达10g/L。显然，岩石中所含水溶液的矿化度越高，其电阻率就越低。因此，在岩性变化不大的条件下，有可能在地面和井中应用电阻率的差异来划分有咸、淡水的层位。压力压力 ，孔隙度 ，电阻率超过压力极限，岩石破碎，电阻率,在电阻率法中，为探测下部物质，首先要向地下半空间建立人工电场，然后研究由于地质对象的存在所产生的电场的变化，从而达到找矿或探测地下构造的目地。

7、在电阻率法勘探中，我们都是通过电极向地下供电，形成人工直流电场，由于直流电场中电荷的分布不随时间而改变，所以也称稳定电场。先了解稳定电场的基本规律。,补充知识,稳定电流场的基本规律 1、微观欧姆定律结论：稳定电流场中任一点的电流密度与该点场强成正比，与介质的电阻率成反比。（适用于均匀、非均匀介质）。2、克希霍夫定律结论；在稳定的电流场中，在不含场源的任意点处，电流是处处连续的。,3、稳定电流场的势场性结论：在稳定电流场中，电荷的分布不随时间而改变，场中任一点的电位只与该点到场源的距离有关。4、稳定电流场的基本方程拉普拉斯方程是稳定电流场所满足的微分方程，我们在电阻率法中要讨论的各种理论曲线就是

8、求解该偏微方程得到的。,由法国数学家皮埃尔-西蒙拉普拉斯首先提出而得名。求解拉普拉斯方程是电磁学、天文学和流体力学等领域经常遇到的一类重要的数学问题，因为这种方程以势函数的形式描写了电场、引力场和流场等物理对象（一般统称为“保守场”或“有势场”）的性质。,点电源的场为了研究方便，首先将条件理性化：假定大地是水平的，且与不导电的空气相接触，地下介质充满整个下半空间，电阻率在介质中处处相等，即其导电性质与空间方向无关“均匀各向同性半空间”。,地面,为建立地下电场，常使用两个供电电极将电流供入地下，然后，在离供电电极一定距离的地方来观测场的分布。显然，由于电极大小相对于电极之间距离来说一般很小，因此

9、，我们便可把电极视为一个点，并称为点电源。若当观测范围仅限于一个电极附近，而将另一个电极置于“无穷远”时，就构成了一个点电源的电场；当观测范围必须同时考虑两个电极的影响时，便成了两个点电源的电场。,1、一个点电源的电场,在距点电源A为rAM的M点的电流密度为：,根据微观欧姆定律得到M点的场强为：,由于任一点的电位只与该点到场源的距离有关，则得：,积分得：,由于r,U=0，所以积分常数c=0，即M点的点位为：,结论： 点电源在地下均匀各向同性半空间中的等位面为一系列以它为中心的同心半球面，电流线处处与等电位面正交。,电位U与r成反比，随r的增大迅速衰减，在点电源附近衰减快，远离点电源衰减较慢。

10、电场E的衰减比电位更快，电场是矢量方向与矢径 r 相同，如左图所示，因此其正、负由电流线方向与x轴正向相同或相反而定。,2、两个点电源的电场,当地表有两个异性点电源供电时，根据电场的叠加原理，可以写出观察点M处的电位表达式与场强表达式：,结论： 靠近电极，电位变化越大 在A极（正极）附近，电位迅速升高；在B极（负极）附近，,电位迅速下降。在 AB（正负极）中点电位为零。 在AB中部（1/21/3）地段，电位梯度很小，场强也较均匀，在AB中点电位为零，电场强度为一常数。（中间梯度法的原理）,（三）、电阻率公式及视电阻率 1、电阻率公式,测量均匀大地的电阻率，原则上可以采用任意形势的电极排列来进行

11、，即在地表任意两点供电，然后在任意两点来测量其间的电位差，根据两个点电源的电场分析，我们知道：,二者之间的电位差为：,K为装置系数，单位为“米”。对于任意一个四极装置都可以计算出它的装置系数，因此只要测量出任意两点间的电位差及电流大小，根据上式，即可求出两点之间的电阻率值，一般认为测点位于MN点的中点。考虑实际的需要，总是把供电电极和测量电极置于一条直线上。,2、视电阻率,电阻率的测定公式是在地表水平，地下介质均匀各向同性的假设下导出的，实际工作中地下介质往往呈各向异性非均匀分布，且地表也不水平，有必要研究这种情况下的稳定电场。 地电断面：根据地下地质体电阻率差异而划分界限的断面。这些界限可能

12、同地质体、地质层位的界限吻合，也可能不一致。,从上图看出，上面求出的电阻率是与p1、p2、p3都有关系的，并且两次的电阻率值都是不相同的。当地质断面在电性上是不均匀的和比较复杂时，若仍使用电阻率测定公式，实际上是相当于将本来不均匀的地质断面用某一等效的均匀断面来代替。,因此，我们实际计算出来的电阻率，不是某一岩层的真电阻率，而是在电场分布范围内、各种岩石电阻率综合影响的结果。我们称其为视电阻率，并用s来表示：,在电阻率法的实际工作中，一般测得的都是视电阻率，只有当电极排列位于某种单一岩性的地层中时，才会测到该地层的真电阻率。,影响视电阻率的因素： 电极装置类型及电极距的大小（电极装置供电电极（

13、A、B）及测量电极（M、N）的排列形式和移动方式） 测点相对于地质体的位置 电场有效作用范围内各种地质体的真电阻率 各地质体的分布状态（及形状、大小、埋深及相对位置）,视电阻率的定性分析方法： 当MNAB时，其间的电场可以认为是均匀的，因此,将上式带入视电阻率的表达式：,显然，当地下介质均匀时，可把 用 来表示：,（四）、电阻率法的实质,经整理后可得：,再带入视电阻率的表达式：,上式即为视电阻率和电流密度的关系，或称为视电阻率的微分公式。它表明某点的视电阻率和测量电极所在介质的真电阻率成正比，其比例系数就是 ，这是测量电极间实际电流密度与假设地下为均匀介质时正常场电流密度之比。,显然， jMN

14、包含了在电场分布范围内各种电性地质体的综合影响。当地下半空间有低阻不均匀体存在时，由于正常电流线被低阻体所吸引，使地表MN处的实际电流密度减少，所以jMN jo，故sMN。,由图可见： 高阻体具有向周围排斥电流的作用。低阻体具有向其内部吸引电流的作用。这样，我们通过在地表现测视电阻率的变化，便可揭示地下电性不均匀地质体的存在和分布。这就是电阻率法所以能够解决有关地质问题的基本物理依据。显然，视电阻率的异常分布除了和地质对象的电性和产状有关外，还和电极装置有关。,注（供电极距与探测深度的关系）： 一般情况下，加大供电极距可以增大勘探深度，但是，在电源功率不变的情况下，随着极距的加大，电流密度值也

15、将随之减小，所以，当考虑加大极距的同时（供电极距与测量极距），也必须考虑加大电源功率。,（一）、对电测仪器的一般要求,在电阻率法的野外工作中，实际上是通过测量MN电极间的电位差U及供电回路的电流I，然后利用公式计算各点的视电阻率。因此，电阻率法的仪器在性能上必须满足野外条件下能准确测量微弱电位差和电流的要求：（1）灵敏度高灵敏度越高，对电位差的捕捉越精确，即使较小的电位差也可以较准确的测量出来，因此，对高灵敏度的仪器可以减小供电电流，以及选用较细的导线，从而使整个装备轻便化。,二、电阻率法的仪器及装备,（2）抗干扰能力强电法勘探的野外，经常会遇到诸如大地电流、工业游散电流等电场的干扰，因此，电

16、测仪器必须具有对上述随机干扰电场的较强抑制能力，从而保证仪器对有效信号的灵敏度和稳定性。 （3）较高的稳定性电法勘探的野外环境比较恶劣，条件变化较大。电测仪器应能适应各种气候条件，并在相当大的温度和湿度变化范围内保持性能的稳定。,（二）、电阻率法的主要装备,供电电源、供电电极（铁棒或铜棒）、测量电极、电法测量仪器（测量供电电流I及测量电极M、N间的电位差UMN ）、导线等,电剖面法是电阻率法中的一个大类。特点：采用不变的供电极距，并使电极装置沿观测剖面移动，逐点观测视电阻率的值，由于供电极距不变，探测深度就可以保持在同一范围内，因此，电剖面法了解的是沿剖面方向，地下某一深度范围内不同电性物质的分布情况。分类：联合剖面法，对称剖面法，中间梯度法等 。不同的装置形式，所能解决地质问题的能力也不一样。,