3勘探地球物理教程-电法.

LOGO1勘探地球物理教程——电法勘探授课人：孟令顺2主要内容前言1第一节地球介质的电学性质2第二节地球中的电磁场3第三节利用人工直流电场的电阻率法4第四节激发极化法56第五节利用天然电磁场的大地电磁测深第六节利用人工场源的频率测深56第七节瞬变电磁法78第八节可控源音频大地电磁测深56第九节电法应用实例9103前言电法勘探是地球物理勘探中的一个组成部分，它是通过观测和研究天然或人工在地下建立的电场、电磁场，解决与岩、矿石电磁学和电化学性质差异有关的各类地质问题的一种勘探方法。电法勘探是电磁学、电化学以及电子学在地质学研究的实践中发展起来的。最早的电法勘探工作是利用观测天然存在于地下的自然电场寻找硫化金属矿床。由于地质学的发展以及工业对各种矿产资源的迫切需求，各种电法勘探方法相继问世，先后用于实践中的不下二十几种，表4-1列出了近年来较常用的方法。4前言5前言在电法勘探中，依据地质任务和地下电学性质的不同，可观测天然存在于地球中的电磁场，亦可研究人工在地下建立的电场或电磁场的分布规律和变化特点。电法勘探工作可在地表、空中、水中、钻井甚至坑道中进行，因此有地面、航空、海洋以及井中等电测之称。电法勘探由于电性参数及场源种类的区别，使该方法有种类多和应用广泛的特点。目前主要应用领域有：研究地壳构造和上地幔高导层；石油、天然气及煤田地质普查；金属和非金属矿产的普查和勘探；水文及工程地质调查；城市规划，环境监察及建筑基础监测等方面的应用，并在不同程度上取得了良好的效果。6第一节地球介质的电学性质这里所说的地球介质电学性质，是指组成地球的各类岩、矿石的电学性质。目前，地电测量及研究中已被利用的主要是岩、矿石的导电性和电化学活动性。一、地球表层岩、矿石的电阻率通常衡量物质导电性的优劣，主要是用电导率σ的大小，其倒数就是电阻率ρ。从物理学可知，粗细均匀，材料一定的导体，其电阻R与导体的长度L成正比，与导体横截面积A成反比，即，其中比例系数就是导体的电阻率ρ。（4.1）不难看出，电阻率ρ在数值上等于电流垂直流过单位截面积、单位长度导体时，该体积内物质所呈现的电阻。由此可知，物质的电阻率越小，其导电性就越好。在地电测量中采用欧姆·米（Ω·m）作为电阻率的单位。RAL/RLA7一、地球表层岩、矿石的电阻率（一）矿物的电阻率岩石和矿石是由矿物所组成。固体矿物按导电机理的差别分为金属导电型矿物、半导体型导电矿物和固体离子型导电矿物。金属导电型矿物包括天然金属和石墨，其中以常见的自然金和自然铜的电阻率最低，自然金的电阻率为2×10－8Ω·m，自然铜的电阻率为1.2×10-8~30×10－8Ω·m，石墨顺解理面的电阻率为36×10－8~100×10－8Ω·m，垂直解理面的电阻率为28×10－6~1×10－2Ω·m。实际上，自然金和自然铜在自然界是分散分布的，只有石墨在地电测量中可能遇到。半导体型导电矿物包括绝大部分金属硫化物和金属氧化物，其中黄铜矿、黄铁矿、辉铜矿、方铅矿、磁铁矿等电阻率均低于1Ω·m，而辉锑矿、闪锌矿、锡石、软锰矿、铬铁矿、赤铁矿等电阻率在100~106Ω·m之间。固体离子型导电矿物包括绝大多数造岩矿物，如石英、长石、云母，角闪石、辉石和盐岩、石膏等，它们的电阻率都很高，一般都大于108Ω·m，在干燥的情况下可以认为是绝缘体。8一、地球表层岩、矿石的电阻率（二）影响地球表层岩石电阻率的因素埋于地下的岩石，其电阻率的大小与其组成成分有关，当岩石中含有良导电矿物时，电阻率将随良导矿物含量增加而降低。此外，岩石的结构在一定条件下也影响其电阻率，如导电矿物含量相同的情况下，浸染状结构的矿石与细脉状结构矿石相比，前者的电阻率高于后者，其原因是前者的导电矿物互不连接，而后者的导电矿物将是电流的通道。岩石的孔隙度、含水性及含水矿化度等因素也都明显的影响其电阻率，当岩石中孔隙度大而含水时，其电阻率往往随含水矿化度的增高而降低。对于层状结构的岩石，各层电阻率不同时，将会出现垂直于层面测得的电阻率大于沿层面测得的电阻率，这种现象就是岩石电阻率的各向异性。总之，影响岩、矿石电阻率的因素是多方面的。在沉积岩区，为勘查石油、煤田以及水文、工程等地质调查中，岩石的孔隙度、含水饱和度及矿化度是主要因素。在变质岩、火成岩区的金属矿产普查及勘探中，岩石中良导矿物的含量及结构是决定性因素。9二、地球深部岩石的电阻率对于地球内部结构的认识，主要是通过地球物理资料的分析和推论获得的。按地震波在地壳中的传播速度和岩石标本之间波速测量的对应关系，以及重力资料的分析，初步认为地壳的上层可能是花岗岩或是介于花岗岩和闪长岩之间的岩类，地壳的下层可能是玄武岩或麻粒岩等。地幔中的岩石一般被认为是由类似于橄榄石、辉石岩等超基性岩石所组成。（一）高温高压下岩石的电阻率地球深部的岩石是处于高温、高压的环境中，其电阻率可通过高温、高压模型实验来研究，其结果表明，岩石电阻率是按指数关系随温度升高而降低的，但不同温度段变化梯度不同，高温区变化梯度较低温区大。玄武岩样品高温高压实验表明，单纯压力对岩石电阻率变化的影响不大，而温度的影响却十分明显，压力从9.31×107Pa变到19.60×107Pa，电阻率变化不超过一个数量级，而温度从200℃增加到700℃时，玄武岩电阻率却降低5个数量级。10二、地球深部岩石的电阻率（二）壳内低阻层和上地幔低阻层根据大地电磁测深工作成果发现，一些地区的地壳和上地幔中存在有相对的低阻层。壳内低阻层多出现在地质构造的活动区，其电阻率为n×100~n×101Ω·m；上地幔低阻层在各地质构造单元中普遍存在，有些地区还可能出现两个或三个低阻层，其电阻率为n×100Ω·m或更低。由于具有壳内低阻层存在的地区，常伴有较高的地热流值，故常认为其成因与地壳内局部热量富集有关，但壳内温度不超过600℃，此温度下，壳内花岗岩、玄武岩或麻粒岩的电阻率大约为102~105Ω·m，可见壳内低阻层并非单纯由温度影响所致，为此有人提出壳内低阻层是在较高温度条件下，岩石发生相变脱水，或者在含水条件下出现局部熔融现象而引起。值得注意的是压力的增加会提高岩石的熔点，而熔融状态下岩石的电阻率又是很低的。因此压力的影响又是不可忽略的。综上所述，研究低阻层的分布和形成条件，对了解构造运动和地球结构是很有意义的。对于地幔中的低阻层，一般认为是岩石部分熔融引起的。在地幔中压力和温度均随深度增加而增加。虽然压力的增加提高了岩石的熔点，但在地幔某些地段温度仍可能接近于岩石的熔点。大地电磁测深结果表明，不同构造单元上地幔低阻层的埋深不同。构造活动带上地幔低阻层埋深较浅，约几十公里，而稳定地台区上地幔低阻层埋深可达三百公里。11第二节地球中的电磁场电法勘探研究中所涉及的地球电磁场，不仅包括地球中天然存在的变化电磁场，局部存在于地下的稳定自然电场，也包括人工在地下建立的各种形式的直流电场和交变电磁场。本节仅就我国地电学研究中应用较广的人工直流电场和天然电磁场作简要介绍。一、地下均匀半空间中的人工直流电场为在地下建立人工直流电场，需将直流电源的两端分别经电极A和B接地，电流由A输入地下导电介质，由B流出，通过电源形成闭合回路，于是地下就形成了电场。A和B称为供电电极。当A、B距离很大时，可将供电电极视为两个点电极，此时地下电场称为两个点电流源的电场。若仅考虑A极，将B极置于较远的地方，即A极附近的电场不受B极的影响，或影响甚微可忽略不计，就获得一个点电流源的电场。此外，若A、B间的距离与其到观测点的距离相比很小时，就可视A、B所形成的场为电偶极场。12一、地下均匀半空间中的人工直流电场（一）点电流源电场的分布规律若地表水平的地下半空间充满电阻率为ρ的均匀导电介质。当地面只用A极供电，其电流为I时，在距A为r远的任一点M处的电流密度为（4.2）根据欧姆定律，可以得到M点的电场强度（4.3）由于场强等于电位的负梯度，即，于是得到M点的电位表达式为（4.4）22IrrrjEj22IrrrEdduEr2Iur13一、地下均匀半空间中的人工直流电场从以上三式看出，一个点电流源的电场和电流密度均与矢径r的方向一致，其等位面是一系列以点源为中心以r为半径的同心半球面，电流密度j与等位面正交。在点源附近电位衰减很快，随着远离点源衰减变慢。对于以A为+I，以B为-I形成的两个异性点电流源的电场，按场的叠加原理，可以得到任一点M的电位和电场强度表达式为（4.5）（4.6）112ABABMMMIuuuAMBM22112ABMMIAMBMAMAMBMBMEEE14一、地下均匀半空间中的人工直流电场图4-1即为按（4.5）和（4.6）式计算的两个异性点电源的电位和电场分布图。图中看出，靠近电极处电位变化快，即向着A极方向电位迅速增高，向B极方向电位迅速降低，AB中段(1/2-1/3)AB处电位变化较慢，其中点电位为零。在电极附近电位梯度大的地方。电场强度的绝对值也大。AB中部电位梯度变化不大，电场强度值也变化不大，电流线基本与地表平行，呈现均匀场的特点。图4-1均匀半空间中两个异性点电流源的电场、电位分布图15一、地下均匀半空间中的人工直流电场（二）电流密度的垂向分布电流密度的垂向分布规律对地电测量具有重要意义。因为实际测量中，是根据地表电流密度的变化来判断地下地质体的分布。若集中于地表的电流越多，流入深部的电流就越少，当流经深部地质体中的电流密度很小时，该地质体电阻率的变化对地表电流密度的影响就不大，也就探测不出该地质体的存在。对于一个点电源而言，与A相距为r处的地表O点电流密度为在O点的铅垂线上，距地表为h的M点处电流密度为式中θ为AM与地平面的夹角。θ=45°时，，可见在此条件下，M点的电流密度仅为地表电流密度的二分之一。022AIjr2022cos2()AAMIjjrh012AAMJJ16一、地下均匀半空间中的人工直流电场对于两个点电流源，地表AB中点O处的电流密度在AB的中垂线上深度为h的M点处，电流密度按矢量叠加可求得当θ=45°时，。从中看出，两个点电流源较一个点电流源的电流密度随深度衰减快，这是因为两个点电流源情况下，与的垂直分量互相抵消的缘故。00002ABABAjjjj33002cos2coscosABAAABMMjjjj013ABABMJJAMJBMJ17一、地下均匀半空间中的人工直流电场对于地电测量，只能在地面电流密度的背景上反映地下M点处电流密度变化，因此，必须使与的比值达到一定大小，方有可能发现深度为h的M处电阻率异常。图4-2是按下式计算的随h/r变化的图形。（4.7）可以看出，地表电流密度最大，随深度衰减很快。当h/r=1时，电流密度的比值约为0.3，而当h/r=2时，电流密度的比值几乎达到0.1了，也就是说h=AB处的电流密度仅为地表的十分之一。因此，位于深处的地质体很难在地表产生可靠的地电异常。这样，要想加大勘探深度。只有增加AB/2之间的距离，即AB越大，勘探深度也越大。33/2201cos1ABMABjjhrABMj0ABj0/ABABMjj图4-2电流密度随深度分布曲线1—一个点电源；2—两个点电源/2hAB18二、天然电磁场对地球磁场的长期观测表明，除稳定的基本磁场外，不仅有极其缓慢的长期变化，还有各种不同类型的变化磁场。变化磁场主要来源是地球的外部，它具有较宽的频谱，其周期大约由10－5s到107s，振幅却较基本磁场小得多，一般是基本磁场的百分之几到千分之几。（一）变化磁场的类型前面磁法勘探已经讲过，变化磁场分为具有一定周期性的平静变化和无周期性的干扰变化。其中平静变化是经常出现的，具有明显的周期性，其周期又和一些行星之间相对运行的周期有着对应关系，如有太阳日、月、年变化及周期为11年的变化。干扰变化的出现常有随机性，主要有地磁脉动、磁湾、磁暴等形式，它们都与太阳辐