地电法勘探.docx

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地电法勘探

1.电法勘探的概念

电法勘探是以研究对象和围岩之间的电性差异为基础，利用物理学原理，通过观测和分析天然及人工电磁场的空间和时间分布规律，查明地质构造和寻找矿产的一种地球物理方法。

2电法勘探简史

电法勘探的发展历史并不长，真正利用地电场进行电法勘探的时间，大致始于19世纪末和20世纪初。

其中，在天然场源方面：

1835年英国学者福克斯（R.W.Fox）首先用自然电场法发现了一个硫化矿床；20世纪初开始将大地电流法用于矿产资源勘探；20世纪50年代前苏联学者吉洪诺夫和法国学者卡尼亚（L.Caniard）建立了探测地球深部电性结构的大地电磁测深法。

在人工场源方面：

19世纪末提出的电阻率法到20世纪初已趋成熟；1920年由法国学者施伦贝尔热（c.Schlumberger）发现的激电效应，后经各国学者的深入研究于20世纪50年代形成了激发极化法；电磁剖面法始于1917年，于1925年首次获得找矿效果。

20世纪80年代以来，随着经济建设的迅猛发展和科学技术的不断进步，人工源频率测深法和瞬变测深法在前苏联学者考夫曼（A.A.Kofman）和美国学者凯乐（G.V.Keller）共同建立的理论基础上发展较快，与此同时由加拿大学者D.W.Strangway和M.A.Goldstein提出的可控源音频大地电磁法以及由德国最早提出的探地雷达法和由日本率先实现的高密度电阻率法等方法，在资源、工程、环境等方面都得到了迅速发展与应用。

此外，由前苏联于20世纪70—80年代研究提出的压电法和震电法，近年来已取得一定进展，有望能用于矿产资源勘查和地质灾害的预报中。

电法勘探在我国的发展：

我国的电法勘探始于20世纪30年代。

1936年丁毅在安徽当涂铁矿进行了电法勘探工作。

1939到1942年顾功叙在云南东川汤丹、易门铜矿开展了自然电场测量等电法工作。

系统的电法勘探主要是在新中国成立后才逐步发展起来，并在深部构造、固体矿产、石油、水文和工程以及环境等各个领域的勘测调查中发挥了重要作用。

早在20世纪50年代末，我国就开始了激发极化法的实验研究，当时是以直流（时间域）激电法为主，发展了短导线测量和近场源激电法等。

到20世纪70年代开始研究推广交流（频率域）激电法，主要是变频法。

为了适应我国金属矿区地形复杂、交通不便的情况，中南工业大学何继善等提出了双频激电法。

它是对变频法的重要发展，目前已在全国推广，并在国外开展了工作。

除了金属矿之外，激电法用于寻找水资源，也发挥了重要作用，取得了显著经济和社会效益。

我国于上个世纪80年代初开始频谱激电法的理论研究和仪器研制。

在方法的物理化学基础、模拟相似准则、复杂条件下三维体的激电和电磁模拟以及由视谱直接反演真谱参数等方面的研究成果，均具有较高理论水平和实用价值。

在野外数据采集方法和数据处理与解释软件方面也都达到规范化的要求。

我国在20世纪80年代中期开始开展CSAMT法的试验和生产工作，并取得良好的地质效果。

我国学者（罗延钟，1995）利用迭代法和数值逼近法建立了新的近场校正方法，并且建立的双极源CSAMT法一维正、反演算法，取得很好效果。

随着研究的深人和实际工作的需要，以及计算机技术和计算方法的进步，电法成像近年来发展很快。

我国在这一领域中的理论和方法也取得许多成果。

其中井间无线电波透视开展最早，并在勘查金属盲矿体和岩洞等方面取得实际效果。

在石油勘探方面也取得很好的实验效果。

采用阵列观测方式的直流电阻率成像方法，是电法近年来发展的一个方面。

我国在仪器制造、正反演理论研究和实际应用等方面都达到较高水平。

3.电法勘探的分类

电法勘探是应用地球物理学中方法种类最多，应用面最广的一种方法。

因此，电法勘探的方法种类很多，分类方法也不尽相同。

在以往的教科书中，有的将其分成直流电法和交流电法两大类；有的则将其分成传导类电法和感应类电法两大类；也有的又不分类。

电法勘探分为主动源电法勘探方法、被动源电法勘探方法以及其他电法勘探方法。

按此方法分类时，则在主动源电法勘探方法有：

电阻率法、激发极化法、充电法和电磁法。

在被动源电法方面的常用方法有：

自然电场法、大地电磁测深法和甚低频电磁法。

其他电法勘探方法有：

航空电磁法、可控源音频大地电磁法、探地雷达法、海洋电法和震电法。

4.主动源电法勘探

利用人工建立的地电场进行电法勘探的方法，我们称其为主动源电法勘探方法（简称主动源方法）。

由于它们的场源形式较多、适应性强，所以应用范围很广。

主动源电法勘探方法—电阻率法：

电阻率法是以地壳中岩石和矿石的导电性差异为物质基础，通过观测与研究人工建立的地中电流场（稳定场或交变场）的分布规律进行找矿和解决地质问题的一组电法勘探分支方法。

实践证明，电阻率法无论是在普查金属、非金属矿产和研究地质构造方面，还是在水文、工程、环境地质电查以及勘查能源等方面，均取得了良好的地质效果，发挥着重要作用。

主动源电法勘探方法-激发极化法：

激发极化法（简称激电法）是以地壳中不同岩、矿石的激电效应差异为物质基础，通过观测与研究人工建立的直流（时间域）或交流（频率域）激电场的分布规律进行找矿和解决地质问题的一组电法勘探分支方法。

实践证明，激电法是勘查各类金属矿产的主要方法，特别是对电阻率与围岩相差不大的浸染型金属矿床而言，与电阻率法和电磁法相比更为有效。

主动源电法勘探方法-充电法：

所谓充电法，顾名思义，可知它是一种向矿体充电，然后通过观测其充电电场的空间分布来了解矿体规模大小和赋存状态的电法勘探方法。

主动源电法勘探方法-电磁法：

电磁（EM）法，是以地壳中岩、矿石的导电性、导磁性和介电性为主要物质基础，根据电磁感应原理，通过观测和研究电磁场的空间与时间分布规律，来寻找地下有用矿产资源和解决地质、环境工程等问题的一组电法勘探方法。

它的全称是感应电磁法。

5.被动源电法勘探方法

利用天然存在的或由某些部门已经建立的电场、电磁场进行电法勘探的方法，我们称其为被动源电法。

由于它们无须由勘探者去建立场源，因此装备十分轻便，工作效率较高。

被动源电法勘探方法-自然电场法：

自然电场法（简称自电法），它是利用岩、矿石由于电化学作用在周围产生的自然极化电场进行找矿、填图和解决水文地质问题的一种被动源电法勘探方法。

被动源电法勘探方法-大地电磁测深法：

大地电磁测深法（MT）是利用大地中频率范围很宽（10-4～104Hz）广泛分布的天然变化的电磁场，进行深部地质构造研究的一种频率域电磁测深法。

由于该法不需要人工建立场源，装备轻便、成本低，且具有比人工源频率测深法更大的勘探深度，所以除主要用于研究地壳和上地幔地质构造外，也常被用来进行油气勘查、地热勘探以及地震预报等研究工作。

被动源电法勘探方法-甚低频法：

甚低频法（VLF）是利用分散在全球各地数十个频率为15～25kHz的长波电台作为场源，进行地质矿产及水资源勘查。

这些长波电台是为远方的潜艇导航及通信而建立的，功率强大（500～1000kW），信号稳定。

由于VLF法无需发射设备，因此装备非常轻便，工作效率高，成本低，所以很快便在许多国家得到推广应用。

近30多年来，VLF法在寻找良导电的金属矿床、找水以及进行地质填图等方面取得了很好的地质效果。

6.岩矿石电阻率概念，物理意义，影响参数

（1）概念

单位长度、单位截面积的材料的电阻大小称为该材料的电阻率

在电法勘探中，用来表征岩、矿石导电性好坏的参数为电阻率（ρ）

矿物电阻率值是在一定范围内变化的。

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，由矿物组成的岩石和矿石的电阻率也必然有较大的变化范围。

岩矿石电阻率而言，也有类似的情况。

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

（2）物理意义

当电流垂直流过单位长度、单位截面积的体积时，该体积中物质所呈现的电阻值即为该物质的电阻率。

根据物理学定义，均匀介质中直流电路的电阻R和介质的长度L成正比，和电流通过的横截面积S成反比：

R=ρL/S，所以ρ=RS/L

（3）影响参数

导电矿物含量，岩、矿石的结构、构造、孔隙度，岩矿石的含水量及含水矿化度，温度、压力。

与成分和结构的关系：

导电矿物含量相当大（≥80％）时，对岩石电阻率才有明显作用。

主要决定于它们的连通情况，连通者起的作用大，孤立者起的作用小。

两种电阻率分别为ρ1和ρ2的薄层岩石交替成层，它们的总厚度分别为h1和h2，则可按电阻并联和串联的关系，不难得到沿层理方向和垂直层理方向的电阻率表达式：

与所含水分的关系：

地下水及其他天然水的电阻率均较低，通常小于100Ω.M，并且含盐分越多，电阻率值越低。

岩、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，岩石孔隙通常被地下水所充满，此时，岩石的湿度便等于其孔隙度。

与温度的关系：

离子导电岩石的电阻率却随温度的增高而变小。

电子导体矿物、矿石的电阻率随温度增高而变大

综上所述，影响岩、矿石电阻率的因素是多面的。

在金属矿产普查和勘探中，岩、矿石中良导电矿物的含量及结构是主要影响因素。

在水文、工程地质调查和沉积区构造普查、勘探中，岩石的孔隙度、含水饱和度及矿化度等成了决定性因素。

在地热研究、地震地质及深部地质构造研究中，温度及地应力变化却成了应考虑的主要因素。

7.激发极化效应定义，时间域参数，频率域参数p16

（1）定义

在充电和放电过程中产生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），它是岩、矿石及其所含水溶液在电流作用下所发生的复杂电化学过程的结果。

激发极化法（简称激电法）便是以不同岩、矿石激电效应的差异为基础，通过观测和研究大地激电效应来探查地下地质情况的一种分支电法。

激发极化法的应用范围很广，无论在金属与非金属固体矿产的勘查，还是在寻找地下水资源、油气藏和地热田方面，都取得了良好的地质效果。

（2）时间域参数

极化率：

二次场/总场

半衰时：

二次场衰减至自身一半的时间

（3）频率域参数

频散率：

在高低两个频率供电电流相等的条件下所测电场幅值之相对变化率称频散率，一般用百分数表示。

复电阻率频谱:

在极限条件下，有

即：

极限频散率与极限极化率相等，对非极限条件下二者不相等，但保持正比关系。

从而，形成“变频激电法”。

相位（p27）

8.柯尔—柯尔模型

体极化特性与频率特性的定量描述：

W.H.Pelton基于大量岩石、矿石和露头的测量，1978年提出复电阻率的频谱理论模型式

柯尔-柯尔模型

式中：

ρ0为f＝０时的（等效）电阻率，m为充电率（极限极化率），c为频率相关系数，是常数。

由于ρ（iω）为复数，可写作

相应的复电阻率的振幅和相位的频谱特征与实测的频谱特征相似。

不同的岩、矿石的柯尔-柯尔模型参数具有明显的差异。

如：

τ值，对于电子导体而言：

导体颗粒之间连通程度差的，τ值较小，一般小于n╳10-1s，连通程度好，一般大于n╳102s。

由此可见，利用实测的复电阻率的ρ（iw），反算出柯尔-柯尔模型参数，由τ值便可区分激电异常的属性；同时，由c值区分激电异常（0.1~0.6）和电磁耦合效应（0.95~1.0）异常。

9控制方程—拉普拉斯方程（p61）

10欧姆定律宏观微观（电流密度，场强.....）

11.欧姆定律微分形式

12.点源半空间均匀场电势表达式p62

13.影响电阻率的因素

14电场分布

15.均匀介质电阻率表达公式

16.装置系数的概念，影响因素

它由四个电极间的相对位置决定。

17视电阻率定义

18认识低阻体高阻体的图

19.剖面法定义

20.测深法定义

21.装置形式图

22.每种装置的装置系数（ppt第四讲）

23.电测深曲线的类型

24.最佳电极距

25.有异常体的特征（联合剖面，中间梯度形式，对异常体曲线的反应）（ppt第四讲）

一、充电法

1.充电法的原理

充电法：

对地下良导体进行充电，以建立地下电流场，在地面观测各点电位或电位梯度，实现对良导体进行勘探方法称为充电法。

二、激发极化法

1.假说、成因、条件

双电层形变假说P17

薄膜极化假说：

条件：

粘土矿物颗粒间孔隙直径与扩散层厚度相当；

双电层形成机理：

与双电层形变双电层形成类似。

极化过程：

外电场驱动，窄孔隙处，电流流出端阳离子堆积；宽孔隙处相反。

形成化学浓度梯度和电势垒。

放电过程：

外电场撤销，浓度梯度恢复平衡，电势垒放电，双电层复原。

2.类型

1）“面极化”

特点：

激发极化效应主要发生在导体与溶液的界面上，如致密的金属矿或石墨等；

（2）“体极化”

特点：

是极化单元（微小的金属矿物或岩石颗粒）成体分布于整个极化体中。

如浸染状金属矿和矿化、岩石以及离子导体的激发极化都属此类。

特别提示：

“面极化”和“体极化”只具有相对意义。

从微观上看，所有激发极化都是面极化。

野外观测到的激电效应是无数微小单元（电子导体或/和离子导体）的整体激电效应，且无法区分，也可认为是一种“体极化”效应。

3.极化率、半衰时频散率表达式

极化率：

△U（T）为供电后T时刻电极MN之间的电位差，总场电位差；

△U2（t）为断电后t时刻电极MN之间的电位差，二次场电位差。

半衰时：

二瓷厂衰减制自身一半的时间

频散率P：

4.在黏土和水中用哪个极化率大

水大，极化率大

5.激发极化法的优缺点

6.为什么采用不极化电极

防止干扰

三、高密度电法

1.概念

高密度电阻率法是集测深和剖面法于一体的一种多装置、多极距的组合方法，它具有一次布极即可进行多装置数据采集以及通过求取比值参数而能突出异常信息的特点。

2.优点

1电极布设是一次完成的，这不仅减少了因电极设置而引起的故障和干扰，而且为野外数据的快速和自动测量奠定了基础。

②能有效的进行多种电极排列方式的扫描测量，团而可以获得较丰富的关于地电断面结构特征的地质信息。

③野外数据采集实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快，而且避免了由于手工操作所出现的错误。

④可以对资料进行预处理并显示剖面曲线形态，脱机处理后还可自动绘制和打印各种成果图件。

⑤与传统的电阻率法相比，成本低、效率高，信息丰富，解释方便。

勘探能力显著提高。

3.装置形式P208