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1、电法勘探的理论基础,什么是电法勘探: 以岩、矿石的电学性质（如导电性、介电常数、激发极化特性）差异为基础，通过观测和研究与这些电性差异有关的（天然或人工）电场或电磁场分布规律来查明地下地质构造及有用矿产的一种物探方法，称为“电法”。,0 引言,动画,电法的分类,电法勘探的种类很多，可对其进行分类： 一、按观测的场所分：航空电法、地面电法、海洋电法、地下或井中电法； 二、按地质目标体分：金属电法、石油电法、煤田电法、水（文）工（程）电法； 三、按使用和观测电磁场的时间特性分：直流电法、交流电法； 直到目前为止，还没有一个公认的和统一的分类方案，因为各种电法之间，既有不同的方面，又有相同的方面，因
2、此很难作出一个标准化的固定分类方案。根据本专业当前电法的发展现状，可将其简化的分为两大类：交流电法和直流电法。,电法勘探的特点：可用“三多”、“两广”概括,三多： 可利用的物性参性多,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,瞬变电磁法 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）,第一节 电法勘探的基本概念,电法勘探的地球物理前提 电性差异,各种岩石在外加电场作用下其导电能
3、力各不相同，导电能力的强弱可用物理量电阻率表示，单位欧米。,式中: R为电阻，l，s分别为长度和截面积 由普通物理可知，用均匀材料制成的规则形状的导体，其电阻R与导体截面积S成反对，与导体的长度L成正比。 一种物质的电阻率在数值上等于电流垂直通过边长为1m的该物质组成的单位立方体所呈现的电阻。,1、电阻率,岩石的导电方式 岩石的导电方式大致可分为四种： (1) 电子导电：金属、石墨电阻率低； (2) 半导体导电：大多数金属硫/氧化物电阻率低； (3) 晶体离子导电：大多数造岩矿物，石英、云母、方解石等电阻率高； (4) 离子导电：含水矿物电阻率低； 不同种岩石的电阻率一般不同电法勘探基础； 但
4、不同种矿物电阻率也有可能相同电法勘探的局限性；,2、影响电阻率的因素 矿物成分、含量及结构 金属矿物含量，电阻率 岩矿石的孔隙度、湿度 孔隙度，电阻率 风化带、破碎带，含水量，电阻率 水溶液矿化度 矿化度 ，电阻率,温度 温度T，溶解度，离子活性，电阻率结冰时，电阻率 压力 压力 ，孔隙度 ，电阻率 超过压力极限，岩石破碎，电阻率,影响电阻率的主要因素 在地下正常地壳中，绝大部分构成岩石骨架的造岩矿物，如石英、云母等基本可认为不导电，地下物质的整体电阻率主要由孔隙、裂隙和断层破碎带内的水溶液电解导电控制。 因此，其主要因素为：孔隙裂隙的发育程度、含水性和水的矿化度。,3、层状介质的电阻率,纵向
5、电阻率和横向电阻率,岩土介质的各向异性介质中，当电流垂直层理方向流过时所测得的电阻率称为横向电阻率，用符号表示n；（串联） 电流平行层理方向流过时所测得的电阻率称为纵向电阻率，用符号t来表示；（并联）,层状结构岩石模型,假设在层状介质中取底面积为1平方米,层状结构岩石模型,岩石电阻率与层理的关系 层理构造是大多数沉积岩和变质岩的典型特征，如砂岩、泥岩、片岩、板岩以及煤层等，它们均由很多薄层相互交替组成。 这种岩石的电阻率具有明显的方向性，即沿层理方向和垂直层理方向岩石的导电性不同，称为岩石电阻率的各向异性。岩石电阻率的各向异性用各向异性系数来表示。,4、介电常数：介质在外加电场时会产生感应电荷
6、而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数。,r相对介电常数，0为真空绝对介电常数,相对介电常数r可以用如下方式测量：首先在其两块极板之间为空气的时候测试电容器的电容C0。然后,用同样的电容极板间距离但在极板间加入电介质后测得电容Cx。然后相对介电常数可以用下式计算 r=Cx/C0,5、磁导率：表征磁介质磁性的物理量。常用符号表示，为介质的磁导率，或称绝对磁导率。 等于磁介质中磁感应强度B与磁场强度H之比，即=B/H 。 通常使用的是磁介质的相对磁导率r，其定义为磁导率与真空磁导率0之比，即r=/0,第二节 电阻率法,1、什么是电阻率法 电阻率法是以地壳中岩石和矿石的电阻
7、率差异为物质基础，通过观测与研究人工电场的分布规律达到解决地质找矿的目的。,强调： 地球物理前提条件：勘查目标物与围岩存在着电阻率（或电导）差异。 属主动源法，即需人工接地方式建立地下稳定电流场。,在物理学中，恒定电场是用三个相互有联系的物理量V（电位）、E（电场强度）和j(电流密度)来描述的，其间的关系为： 设大地是水平的，与不导电的空气接触，介质充满整个地下半空间，且电阻率在介质中处处相等，称这样的介质模型为均匀各向同性。即：,1）、均匀各向同性半空间点电源的电场,2、电流在地下传播的基本规律,为了建立地下电场，总是用两个电极（例如A、B）向地下供电。这两个接地的电极（A、B）称为“供电电
8、极”。,2）、一个点电源的电场 设在地面A点向地下供电，电流强度为I，地下半空间的电阻率为。地下距A为r的点M处的电流密度为： 电场强度为： 电位为：,当两电极的大小比它们与观测点的距离小得多时，把这两个电极看成两个点，称为点电源。,对上式两边积分得：,当r ，V=0，则C=0，可代入上式得,V：与点电源距离为r的任一点M的电位。,一个点电源在地下均匀各向同性半空间中的等电位面为一系列以它为同心半圆面，电流线的方向与等电位面处处正交。,地表正、负两个点电源的正常电流场 叠加原理：当多个点电源同时存在时，任意一点M的电位是各电源单独在该点产生的电位之和；任意一点的电场强度(或电流密度)是各电源单
9、独在该点产生的电场强度(或电流密度)的向量和。 如图所示，在均匀半空间表面布以电极A和B并分别以+和-向介质中供电，根据电场的叠加原理，可写出A、B两个点电流源在M点形成的电位。,3）、两个异性点电源的电场,主测线上的电位及电场强度 在地表通过A、B两个供电电极的连线称为主测线； 在A、B之间，EMA和EMB的方向相同，此时： 在A、B之外， EMA和EMB的方向相反，最终可得主测线上电位与电场强度图,1）地下电流场在供电电极附近分布极不均匀，其值趋于无限大； 2）在两极中央地段（AB中间1/3区域内），场的分布较均匀，变化较平缓，被称为均匀场。 3）在AB的中点，V =0，中点左边V为正，右
10、边为负； 4）AB的中点上，E出现极小值。,4）、地下电流沿深度的分布规律（勘探深度）,jh的方向平行于地表 上式表明，AB中垂线上任意一点M处j的大小，除与I有关外，还与M点的深度（h）及电极距大小有关,当h， 当h0，,当h0时，,l,大部分电流都集中在近地表地层内！,结论： 当h35%，如果有异常体存在时，可以识别； 因此，勘探深度AB/2;,h不变，jh随AB的变化规律:,为了探测100m深处的目标体， 如何选择最佳电极距AB？,什么时候jh最大？,勘探深度、勘探体积,根据以上讨论可以得出以下结论： .在地表由A、B供电时，大部分电流集中于AB附近。AB一定时，在地表观测电场只能反映一
11、定深度的不均匀体； .欲增加勘探深度，必须加大供电电极距，使更多的电流流入深处。 .在AB连线之间，以中点的电流分布最深，电场最均匀，勘探深度最大。因此，以中点观测最佳，可以以最小的电极距达到最大的勘探深度。 勘探深度：h=AB/2 勘探体积：长AB、宽AB/2、高AB/2,注意： 因为地下地质体的存在，地表观测的电场会发生畸变，从而发现地下地质体。 埋深大于h=AB/2的地质体不会引起地表电场发生可以观测到的变化，因此无法发现这些地质体。,3、电阻率公式及视电阻率 1）（均匀大地）电阻率公式,M、N处的电位为：,式中AM、BM、AN、BN分别是A、B与M、N间的距离。上两式相减可得MN两点间
12、的电位差：,则,则 均匀大地电阻率公式,式中的k称为装置系数（或布极常数），单位为“米”。由于地下为均匀各向同性介质，故与k、I的值无关。 上面所讨论的情况是在地形水平、地下仅有单一的均匀各向同性介质。 然而实际中，地下岩石的导电性往往是不均匀的、且地形亦不是水平的，因此有必要进一步讨论非均匀条件下地中电流场分布的情况。,2）非均匀介质中的地下电流场及视电阻率 “地电断面”根据地下地质体电性差异而划分的垂向断面。 （1）非均匀介质中的地下电流场,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。,（2）视电阻率 当地表不水平或者地下电阻率分布不均匀时（存在两种或者两种以上介质
13、），仍然采用前述均匀介质中的供电方式及测量方式，仍由前述的公式计算“电阻率值”，不过这时计算出的“电阻率值”，既不是1，也不是2和3，而是三者都有关的一个量，称为“视电阻率”，用符号s表示，即,视电阻率：在电场有效作用范围内各种地质体电阻率的综合影响值。虽然不是岩石的真电阻率，但却是地下电性不均匀体和地形起伏的一种综合反映。,当MN很小时，可将MN范围内的电场强度视为不变,即：,视电阻率的微分形式,剖面曲线的变化能清楚的反映出地下导电性不均匀体的位置及电阻率的相对高低,视电阻率的计算公式,视电阻率的分析公式,定性分析理论公式和野外观测结果,重新分析：,（3）影响视电阻率的因素 电极装置供电电极
14、（A、B）及测量电极（M、N）的排列形式和移动方式 电极装置类型及电极距的大小 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）,4、电阻率法的仪器和装备,对电阻率法仪器的要求： 1）、灵敏度高，精度高 2）、稳定性好，适应各种气候条件 3）、抗干扰能力强 4）、输入阻抗高（仪器内阻足够大）,4、电阻率法的仪器和装备 由视电阻率的计算公式 可知，其仪器功能就是测量出供电电流I及测量电极M、N间的电位差UMN即可。 除仪器外，其它装备还有： 供电电极铁棒或铜棒 测量电极铜棒、导线及供电电源。,电阻率法的仪器种类很多，有DZD-4多
15、功能直流电法仪，它具有如下功能： （1）高密度电阻率法测量 （2）视电阻率法和激发极化法同时测量； （3）实时大屏幕液晶汉字显示实测曲线； （4）信号增强技术，不仅适用于野外勘查，也适用于城市勘查。,电阻率法的常用电极装置类型 在电法勘查中，为了解决不同的地质问题，常采用不同的装置。 常的电阻率装置类型有电剖面法和电测深法。 电阻率剖面法简称电剖面法。它包括许多分支装置：二极装置、三极装置、联合剖面装置、对称四极装置和偶极装置等。,（1）二极装置 这种装置的特点是供电电极B和测量电极N均置于无穷远处接地,二级装置取AM中点作为观测结果的记录点,（2）三极装置 只将供电电极B置于无穷远，而将AM
16、N沿测线排列进行逐点观测。,三极装置通常取MN的中点作为观测结果的记录点。,（3）联合剖面装置 由两个三极装置联合组成，其中电源负极置于无穷远，电源的正极可向极，也可向极。,（4）对称四极装置：这种装置特点是AM=NB，记录点取在MN的中点。,取AM=MN=NB时 ，这种对称等距排列，称为温纳装置。ABMN,什仑贝尔格装置。,（）中间梯度法：此方法是装置将供电电极A和B固定在相距很远的地方，测量电极MN在AB中段的1/3的范围内逐点测量。,（6）偶极剖面装置,电极排列的特点是AB极(中点为o)和MN极(中点为o)距离的大小与电极距00相比较都很小，供电偶极AB在测量电极MN的一侧。偶极剖面法视电阻率曲线特点是异常明显。,
