地球物理与空间信息学院电法资料处理与解释实验报告Word文档下载推荐.docx

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实践证明，自然界中的任何一种地质体或强或弱地常具有几种电学性质的表现，在探查地质构造或找矿中，人们可以单独地只利用共中的一种性质，也可同时或分别利用两种和三种以及全部电学性质，以便从不同方面或多方面（单一或综合）研究地质目标。

这往往要由地质目标和探查区域的矿产地质条件所确定。

通常人们利用不同电性参数从不同方面研究地质对象或观测与其有关的不同电磁场要素时，便常需按具体条件选用不同的仪器、技术和观测方式与方法。

于是，在电法勘探中，按照工作方式、观测要素、场源形式以及地质目标等等方面的不同，便由选用者或倡导者命名出许多种分支电法或变种方法。

例如，当人们通过观测和研究由地质目标与围岩电阻率之差异引起的人工传导电流场异常（或视电阻率异常），依此探查地质目标或找矿时，便称为电阻率法。

并且，在电阻率法中，按照不同地质目标和具体条件，选用不同观测装置（或电极排列）时，又发展出了多种次一级的分支电法，如中间梯度法、电测剖面法和电测深法等。

又如，当通过观测和研究由地质对象本身在一定天然条件下形成的自然电流场或自然电位，借以寻找地下埋藏的地质目标或矿产资源时，便称为自然电场法（或自然电位法）。

再如，由于围岩与地质目标或矿产资源间电化学性质的差异，当人们通过观测和研究供入地下的人工电流引起激发极化电流场的异常（或视极化率异常）以此寻找金属与非金属矿产和天然能源（石油天然气、煤、铀）以及地下水和地热资源时，则称为激发极化法。

而且，根据观测内容和工作方式的不同，也包含一些次一级的分支方法。

还有，当人们根据电磁感应理论，在地质目标或矿体与围岩问存在电磁学性质差异时，通过观测和研究由地质目标或矿体引起的电磁场空间和时间分布规律，以此达到地质目的时，则称为电磁感应法，其中也包含着许多次一级的分支方法。

第1章直流电阻率法

1、岩石和矿石的导电性

1、岩、矿石导电性的一般特点：

在电法勘探中，用来表征岩石、矿石导电性好坏的参数为电阻率（ρ）或电导率（

）。

如图1所示，当对一横截面积为S的长方形岩石、矿石标本，通过A和B两极对其供电（电流为I），并在相距为l的环形电极M和N处测出其间之电位差（△U）时，可按下式计算其电阻率：

大家知道，物质电阻率乃为电流通过由该物质组成的体积为1m3的立方体时，所表现出的电阻值。

其单位为欧姆·

米，或记作Ω·

m。

物质电阻率值越低，其导电性越好；

反之，若物质电阻率值越高，则其导电性越差。

（1）矿物的导电性

岩石和矿石都是由矿物组成的，因此在未讨论岩、矿石电阻率之前，先来介绍一些常见矿物的电阻率。

按导电机理的不同，固体矿物可分为三种类型：

金属导体、半导体和固体电解质。

金属导体：

各种天然金属均属于金属导体。

较重要的天然金属有自然金和自然铜，其电阻率值均很低。

此外，石墨这种具有某些特殊性质的电子导体也具有很低的电阻率值。

半导体：

大多数金属矿物均属于半导体。

其电阻率值都高于金属导体，并有较大的变化范围。

大多数常见的金属硫化矿物（如黄铜矿、黄铁矿、方铅矿等）和某些氧化矿物（如磁铁矿），其电阻率值均较低，具有良好的导电性。

另一些金属硫化物和氧化矿物，如辉锑矿、闪锌矿、锡石、软锰矿、铬铁矿和赤铁矿等其电阻率值均较高。

固体电解质：

绝大多数造岩矿物，如辉石、长石、石英、云母、方解石等，均属于固体电解质。

其电阻率值都很高，在干燥情况下可视为绝缘体。

（2）岩、矿石的导电性

由上可知，矿物电阻率值是在一定范围内变化的，即同种矿物可有不同的电阻率值，不同矿物也可有相同的电阻率值。

因此，岩石和矿石的电阻率通常也非

为某一特定值。

如对几种常见岩石而言，如图2所示，其电阻率值便是在一定范围内变化的。

火成岩、沉积岩、变质岩电阻率的变化固然与其矿物成分有关，但在很大程度上取决于它们的孔隙度或裂隙度以及其中所含水分的多少。

对矿石电阻率而言，也有类似情况。

其电阻率值除与组成矿石的矿物成分、含量有关外，更主要的是由矿物颗粒的结构构造所决定的。

我们将在下面对此进行讨论。

2、影响岩石、矿石电阻率的因素：

影响岩石、矿石电阻率的因素很多，主要是成分、结构、所含水分以及温度对它们的作用。

（1）岩石、矿石电阻率与成分和结构的关系：

多数岩石和矿石可视为是由均匀相连的胶结物与不同形状的矿物颗粒组成。

岩、矿石的电阻率决定于这些胶结物和颗粒的电阻率、形状及相对含量。

设胶结物电阻率为ρ1，，颗粒电阻率为ρ2。

当岩石或矿石仅由这两种矿物组成时，其电阻率ρ与ρ1和ρ2及颗粒的体积百分含量V有关，对不同形状的颗粒而言，其关系是不同的。

经研究，若ρn和ρt为垂直颗粒长轴和沿着颗粒长轴方向的电阻率，则总有关系ρn≥ρt，即无论ρ1和ρ2及其体积含量V等的大小如何，垂直颗粒长轴方向的岩、矿石电阻率总是大于沿着颗粒长轴方向的电阻率。

而且，只有当良导电矿物彼此连接较好时，它们才对整体岩石、矿右电阻率有较大影响；

反之，若良导电矿物被高阻胶结物隔开，则其对整体岩石、矿石电阻率的影响很小。

因此，一般说颗粒的含量多少不起关键作用，而主要决定于其结构。

（2）岩石、矿石电阻率与所含水分的关系

地下水及其他天然水之电阻率均较低，且含盐分越多，电阻率值越低。

岩石、矿石中所含水分的多少（或湿度大小）对其电阻率值有较大影响。

一般含水量大的岩石电阻率较低，而含水量小或干燥岩石的电阻率较高。

岩石含水量的大小，主要决定于岩石本身的孔隙度及当地的水文地质条件。

在潜水面以下，通常岩石孔隙中几乎充满了地下水，此时岩石含水量便等于岩石孔隙度。

处于潜水面以上的岩石，通常也不是完全干燥的。

因大气中的水分通过降至地面的雨、雪可渗入地下，在渗透过程中由于岩石颗粒对水的吸附作用，岩石孔隙中能保存一部分水分。

一般孔隙直径越小，吸水性越强，岩石的含水量越大，故粘土的电阻率较低。

火成岩孔隙度虽较小，但因风化或构造破坏作用可使其裂隙或节理较发育，故自然界中，火成岩电阻率往往较低。

变质岩电阻率与变质程度有关，变质程度越高，岩石越致密，其电阻率便越大。

此外，当同类岩石所受外力作用强弱不同时，其孔隙度和电阻率大小也不一致。

通常受外力作用较强的地段，其孔隙度变小，电阻率变大。

因此，根据区域性岩石电阻率资料，有可能了解构造力的作用方向和范围。

（3）岩石、矿石电阻率与温度的关系

实际资料表明，当岩石、矿石所处的外界温度发生改变时，其电阻率也相应地发生变化，一般表现为温度升高，电阻率降低。

这是由于岩石、矿石中所含水溶液的电阻率与温度有明显的变化关系。

由于温度的降低（特别是在0℃以下）可使岩石电阻率增高，故在寒冷地区或冰冻季节进行地面电法工作时，对需要通过接地电极向地下供电和测量的传导类电法而言，将会产生较大困难。

因此在那些地区，近地表的土壤或岩石电阻率很高，所以会使电极接地电阻很大。

但对不需要接地的感应类电法而言，表层电阻率的变大，不会使其工作变得困难。

此外．由于在地壳常温带（自地表面向下约20～25m）以下。

地温随深度的增加而变大，地温每升高1℃所下延的深度称地温增加率，其值因地而异，且同一地区不同深度也不一致。

因此，通过对深部岩石电阻率的观测，可给出某一地区地下温度场变化规律的资料，以用于寻找地下热能资源和研究地质构造。

（4）岩石、矿石电阻率与压力的关系

位于地壳深部的岩石除受温度影响外，压力的影响也是不可忽视的。

实验表明，沉积岩电阻率随压力变化的幅度与胶结方式和胶结度有关。

并且不同湿度岩石的电阻率随压力变化情况也不相同。

二、电阻率法基本原理

我们已经知道，各种岩石和矿石均有不同程度的导电性能，若将直流电源的两端通过电极与大地相接，在地下便建立起稳定电流场，其分布状态决定于地下具有不同电阻率的岩石和矿体的赋存状态。

从各种不同角度去观测该电场的分布以了解地下地质情况，便为电阻率法的任务。

因此，下面将讨论稳定电流场的基本规律和点电流源电场以及电场的正演模拟方法等。

1、几种常见的场源产生的电场

在求解简单地电条件下的位场分布时常用解析法，即根据给定的边界条件解以下微分方程。

divgradU=▽2U=0

这便是拉普拉斯方程。

在电法勘探的理论研究中，根据问题的需要，常将拉普拉斯方程转换成不同座标系中的表达式。

然后再用解析法就可以求出地中电流场的分布规律。

这就是电阻率法各种装置的电流分布特征的基本解法。

（1）一个点电流源的地中电流场

均匀、各向同性无限介质中，点源电场的电位分布公式：

点电流源在地表：

点电流源在地下：

（2）地表两个异性点电流源的地中电流场

（3）偶极电流源的地中电流场

2、均匀大地电阻率的测定

设地面水平，地下为均匀、无限、各向同性介质，将A、B两供电电极与电源相连，并向地下供入电流强度为J的电流时，则地表任意两测量电极M和N处的电位是：

式中AM、BM、AN、BN分别为A、B与M、N间的距离。

将上两式相减可得M、N两点间的电位差：

从而便得到用点电极测量均匀大地电阻率的表达式：

式中：

K称为装置系数，其单位为米，它由四个电极间的相对位置决定。

无论A、B、M和N四个电极如何排列，只要满足均匀半无限介质的条件，式便是正确的，故可用四个点电极装置测量均匀大地的电阻率。

在实际工作中，常根据具体条件将四个电极灵活地排列成某种特定的位置关系。

3、视电阻率

上面计算大地电阻率的应用条件是：

地面为无限大的水平面，地下充满均匀各向同性的导电介质，满足这些条件得到的才是大地电阻率。

然而，实际上常不满足这些条件，地形往往起伏不平，地下介质也不均匀，各种岩石相互重叠，断层裂隙纵横交错，或者有矿体充填其中。

这时，仍然用四极法测量，由上式算得的电阻率值，在一般情况下既不是围岩电阻率，也不是矿体电阻率，我们称其为视电阻率，用ρa表示。

即

式中K为装置系数，无论地面是否起伏不平，AM、An、BM和BN等值分别表示A、B和M、N间的水平距离。

视电阻率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。

故可利用其变化规律以发现和探查地下的不均匀性，达到找矿和解决其它地质问题的目的。

当MN很小时，可将MN范围内的电场强度视为不变，则视电阻率为：

此式称为视电阻率的微分形式，在分析一些理论计算，模型实验及野外地面观测结果时，经常要用到它。

4、常用方法

在电法勘探中，为了针对各种不同地质情况更好地完成，地质任务，常采用各种不同装置。

所谓装置，是指一定的电极排列形式和移动方式。

我国目前在电阻率法中常采用的装置为电剖面法、电测深法和中间梯度法，下图为共电极排列及移动方式图。

（1）电阻率剖面法

电阻率剖面法，是电阻率法中应用较广泛的一组方法总称。

根据电极排列方式的不同，剖面法中又有二极剖面法，三极剖面法，联合剖面法，对称四极剖面法，偶极剖面法和中间梯度剖面法等多种装置类型。

由于剖面法的变种方法较多，因此适应各种地电条件的能力较强，应用范围较广。

它不仅能有效地用来寻找金属矿和非金属矿，还能进行地质填图、解决地质构造等问题。

并在水文地质和工程地质调查中，也获得了广泛应用。

首先指出，无论哪种装置类型，其共同特点是：

用供电电极向地下供电，同时在测量电极问观测电位差，并算出视电阻率，各电极可沿选定的测线同时（或仅测量电极）逐点向前移动和观测。

剖面法常用于探查地下一定深度范围内的横向电性变化，以此解决多地种质问题。

目前，我国常用的剖面法装置类型有右图所示的几种，现分述如下：

二级装置：

如图a所示，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。

这里所指的“无穷远”具有相对概念，如对B极而言，若相对A极在B极产生的电位小到实际上可以忽略时，便可视B极为无穷远；

对N极而言，若A极在N极产生的电位相对肘极很小以至可以忽略时，便认为N极位于无穷远，并取那里的电位为零。

因此，二极装置实际是一种测量电位的装置。

二极装置的装置系数K表示式为：

K=2πAM

三极装置：

如图b所示，当只将供电电极B置于无穷远，而将MN排列在一条直线上进行观测时，便称为三极装置。

其装置系数K的表示式为：

K=2πL2

垂直接触面AMN（左）、MNB（右）电阻率等值线图：

联合剖面装置：

如图c所示，它由两个三极装置联合组成，故称联合剖面装置。

其中电源的负极置于无穷远，电源的正极可接向A极，也可接向B极。

其装置系数表达式与三极装置相同，但应分别表示为：

Ka=Kb=2πL2

垂直接触面电阻率等值线图：

对称四极装置：

如图d所示，这种装置的特点是AM—NB，记录点取在MN的中点。

其装置系数表达式为：

K=πL2

当取AM=MN=NB=a时，这种对称等距排列，在国外称为温纳（Wenner）装置。

其装置系数为：

K=2πa.

低阻（左）和高阻（右）球体电阻率等值线图：

中间梯度装置：

如图f所示，这种装置的特点是：

供电电极AB的距离取得很大，且固定不动；

测量电极MN在其中间三分之一地段逐点测量。

记录点取在MN中点。

此外，中间梯度装置还可在离开AB连线一定距离（AB/6范围内）且平行AB的旁测线上进行观测。

其装置系数的一般表示式为：

由于剖面法不改变视电阻率计算公式，因此视电阻率ρa可以由上面的装置系数算出。

计算公式：

可见，尽管剖面法的装置类型很多，但其间之视电阻率却有一定的内在联系。

明确了上述各装置之间的关系，无论作理论计算或进行异常解释都是有用的。

球体中间梯度异常等值线图：

脉状体低阻（左）高阻（右）中间梯度异常等值线图：

偶极装置：

如图e所示，这种装置的电极排列特点是，供电电极AB和测量电极MN均采用偶极并分开有一定距离，由于四个电极都在一条直线上，故又称轴向偶极。

偶极剖面球体常等值线图：

板状体低阻（左）、高阻（右）

直立板状体低阻（左）、高阻（右）

水平板状体低阻（左）、高阻（右）

（2）电阻率测深法

电剖面法是将极距保持固定沿一定测线观测，以了解在某一深度范围内地质情况沿水平方向的变化。

而电阻率测深法（简称电测深）则是在同一测点上逐次扩大电极距，使探测深度逐渐加大，这样便可得到观测点处沿垂直方向由浅到深的视电阻率变化情况。

电测深也可像电剖面法那样使用不同的装置，如三极电测深，对称四极电测深、偶极电测深等。

电法勘探中，常将由不同电性层组成的地质断面称为地电断面。

通过对电测深曲线反映的地电断面的分析，便可了解测点下部地质情况的垂向变化。

水平地层电测深曲线（定性解释）：

两层：

D型：

ρ1＞ρ2G型：

ρ1＜ρ2

三层：

A型：

ρ1＜ρ2＜ρ3Q型：

ρ1＞ρ2＞ρ3

K型：

ρ1＜ρ2＞ρ3H型：

ρ1＞ρ2＜ρ3

四层：

HA型：

ρ1＞ρ2＜ρ3＜ρ4KH型：

ρ1＜ρ2＞ρ3＜ρ4

HK型：

ρ1＞ρ2＜ρ3＞ρ4KQ型：

ρ1＜ρ2＞ρ3＞ρ4

AA型：

ρ1＜ρ2＜ρ3＜ρ4QH型：

ρ1＞ρ2＞ρ3＜ρ4

AK型：

ρ1＜ρ2＜ρ3＞ρ4QQ型：

ρ1＞ρ2＞ρ3＞ρ4

电测深曲线类型：

量板解释（定量解释）：

通常将电测深理论曲线图册称作量板，将野外实测曲线与量板对比可求出地电断面中各层的厚度和电阻率。

我国目前多应用交通部编制的“对称电测深二层及三层量板”。

二层量板：

三层量板：

球体电测深曲线：

板状体电测深曲线

当在板状体上做电测深时，曲线形态和大小将与板状体的产状和相对围岩的电阻率有关，并当地电条件一定时，还与供电电极的布极方向有关，对水平产状的板状体而言，视电阻率测深曲线在良导水平铜板上视电阻率曲线表现为“D”型曲线，而在高阻板上则表现为“K”型曲线。

由于是水平板状体，所以对板中心正上方的点布极方向垂直走向与沿走向时的曲线类型不变。

当在水平板状体上沿走向布极做电测深剖面，并绘制视电阻率等值断面图时，低阻水平板上为向下开口的半封闭曲线，高阻水平板上出现水平方向拉长的封闭形曲线。

3、电阻率法的处理与解释

1、导电性不均匀

（1）比值曲线

对于联合剖面法，比值曲线定义为：

即将每个测点上所测的ρa和ρb按上式计算出FA和FB，逐点计算便可得到两条新的曲线，比值曲线。

与ρs曲线比较，比值曲线主要作用有三：

突出ρa与ρb分异性较好的异常；

对于ρa与ρb二者同步起伏的异常则大为压制；

将比值曲线与ρs曲线对比分析可以分辨强干扰下的弱异常。

其具体作用可以压制局部干扰、分辨邻近的良导体并确定其位置、压制地下电性不均匀体的影响。

（2）电测深的旁侧影响

当存在两种介质垂直接触面时，在界面的一侧进行电测深，必然会受到界面另一侧介质的影响。

此时可用比较法作近似改正。

2、地形影响

地形起伏不但使观测点不在水平位置，更重要的是使地下电场的分布发生很大变化。

与水平地面情况相比，地形起伏时测得的视电阻率曲线包含了地形异常和有用异常。

可以用比较法削弱地形影响。

对线电源实测曲线作比较法地形改正的实质是。

将地下作为均匀介质进行保角映射，把Z平面中的水平等距点映射到W平面的水平线上后，得到不等距点，重新计算各点的Kw值。

当不存在矿体时，在W平面中是均匀半无限介质，故无论电极距如何，视电阻率均一定。

在这种情况下，比较法则是作了保角映射。

地形改正后的异常曲线，可看作是在w平面的水平地面上以不等距测点观测的结果。

因此，在考虑比较法地形改正后的矿体异常曲线时必须注意到：

①从Z→W平面映射时，矿体的形态及产状都发生了变化，②在形平面中，虽然是在水平线上观测，但每一点的极距各不相同，在地形坡度发生变化的地方，极距变化也大，因此这种异常曲线的特点不能作为通常情况下保持极距不变的剖面曲线的特点去看待。

因而它不能完全消除地形影响，但可起到消弱地形影响、突出矿体异常的作用。

进行比较法地形改正的关键在于得到相应地形的纯地形异常，而获得纯地形异常的方法除应有一定精度外，还需快速、简单和成本低。

目前有物理模拟、数值模拟和角域叠加等方法。

数值模拟与物理模拟的结果重合较好，二者以曲线的形态与特征基本一致，主要异常的变化幅度也相当接近。

表明在复杂条件下作点电源和二维地质体的正演模拟时，数值模拟方法是行之有效的。

3、非各向同性及其对电阻率法的影响

在沉积岩或变质岩地区，由于这些岩石的导电性具有非各向同性，其垂直层理面的电阻率ρn较沿层理面的电阻率ρt大，使电场分布与均匀各向同性介质有明显差别。

如果各个方向的实际电阻率也绘成极形图，其形状也为一个椭圆。

但由于垂直层理面的电阻率大于平行层理面的电阻率因而其长轴是沿着层理面倾向，而短轴沿层理面走向，即在非各向同性岩层地面观测的极形图与实际电阻率极形图正交，这种现象称为非各向同性介质视电阻率与实际电阻率的反常现象，它是由于电流密度在各个方向分布不同，在走向方向电流密度大造成的。

4、电阻率法发展现状

1921年施兰伯格在法国首次将研究地下物质的电阻率法应用予实际测量。

长期以来的实践证明这种方法是研究地下浅层物质的最有效的方法之一。

电阻率测量的主要优点是简单易行，仪器携带方便，操作人员容易培训。

土木工程师，建设者和科学家利用电阻率探测30尺以下的浅层至2000尺左右深度的地下物质。

电阻率的应用范围包括基础设计，建筑工地选址，建筑材料勘测，地下水研究，溅金属开采，煤及铀矿勘测，浅油层勘测，热能研究，以及地质、考古等其它方面的应用。

一电阻率测量能够区分地下物质的种类，确定覆盖层的构成和基岩深度，确定砂、砾石、金属沉积物及含水层的厚度与深度，探测断层带，确定不同大地物质间的陡斜接触，扩充和完善钻井程序和地震测量。

探测地下情况的电阻率技术以地下物质对电流传导的可变电阻为基础，而电流传导则取决于这些物质的含水量、密度和化学成分。

在电阻率测量中，电流通过两个电流极被引入予定深度的地中，然后测量两个或两个以上的电压极之问的电位差，以确定这一深度中物质的电阻率。

电极之间的距离和被测电位差便是据以解释地下情况的数据。

电阻率表征物质的物理特性，其明确性犹如密度和磁化率。

因此，测量自然状态下岩石及土壤的电阻率，有可能弄清一种地下物质与另一种的区别，而不必进行钻探或开掘。

电流通过含金属的土壤粒子和岩石粒子，通过孔隙，裂缝和断口中的被称为电解质的矿物水，在大地中传导。

在外部电流的作用下，松散地附着在含金属土壤粒子和岩石粒子上的电子，由一原子移往另一原子，这种特性称为电子传导。

当孔隙，裂缝和断口中电解质的离子传导电流时，则称为电解质传导。

’

因电导率为电阻率之倒数，故物质中自由离子越少、越干燥，其电阻率则越高。

电阻率测量简单易行，在现场容易组织，因而能够较快地完成测量任务。

第2章电磁法

电磁法是以地下岩土体的导电性与导磁性差异为物质基础，观测和研究电磁场空间与时间分布规律，以探测地下地质构造、解决地质问题的一组分支电勘探方法。

根据电磁场频率的不同，可以分为利用低频电磁场的电磁感应法和利用高频电磁波的地质雷达法。

电磁感应法又可以分为利用不同频率谐变电磁场的频率域电磁法和利用脉冲电磁场的时间域电磁法，这两种方法都是测量地下良导地质体根据电磁感应定律产生的感应电流的电场强度或磁场强度的空间分布及其频率特性或时间特性，来确定地下介质的分布状态。

频率域电磁法和时间域电磁法依据的物理原理是相同的，频率域电磁场与时间域电磁场通过拉氏变换或傅里叶变换互相联系。

而我只对电磁法中的大地电磁法、可控源音频大地电磁法、瞬变电磁法进行陈述。

1、岩矿石的电磁学性质

在交变电磁法中，主要利用岩土的电导率σ、介电常数ε与磁导率μ差异。

在麦克斯韦方程组中可以