电法勘探

电阻率法什么是电阻率法电阻率法是以地壳中岩石和矿石的电阻率差异为物质基础，通过观测与研究人工电场的分布规律达到解决地质勘查的目的。电阻率法是传导类电法勘探方法之一电阻率法的电场是人工电场电法勘探分类应用领域（1）金属与非金属矿（2）石油与天然气（3）水文与工程地质（4）煤田电法空间或工作场所（1）航空电法（2）地面电法（3）地下电法（4）海洋电法电法勘探分类电法勘探工作原理以岩、矿石的导电性、电化学活动性(激发极化特性)、介电性和导磁性的差异为物质基础，使用专用的仪器设备，观测和研究地下电（磁）场的变化和分布规律，来研究地质构造、寻找有用矿产资源、解决工程、环境、灾害等地质问题的地球物理勘探方法。第一节电阻率法的理论基础岩、矿石的电阻率1.电阻率(resistivity)的基本公式电阻(resistance)是表征某一物体导电能力的物理量；其与物体长度、横截面积有关；r为电阻率，是表征岩石导电性的物理量,在数值上等于该物质组成的横截面积为一平方米、长度为一米的导体所具有的电阻数值。电阻率的大小代表着岩石导电的难易程度；IUR岩、矿石的电阻率电阻率的单位电导率将电阻率的倒数称为电导率，用s表示。rs1二、岩石和矿石的电学性质1岩石和矿石的电阻率1)岩石电阻率的测定铜板铜丝2)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；但不同种矿物电阻率的范围有可能部分重合——电法勘探的局限性；二、岩石和矿石的电学性质二、岩石和矿石的电学性质3)影响岩石电阻率的因素二、岩石和矿石的电学性质沉积岩石电阻率的相互关系泥岩或粘土页岩细砂岩或粉砂岩中砂岩粗砂岩砾岩。3)影响岩石电阻率的因素(6)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.3)影响岩石电阻率的因素3)影响岩石电阻率的因素代表垂直层理方向上的平均电阻率(横向电阻率);代表沿层理方向的平均电阻率。（纵向电阻率）nrtr212211hhhhnrrr221121rrrhhhhttnrr图1-1-1层状结构岩石模型以上两种电阻率是如何得来的？rn的获得设岩石由两种岩性地层组成，电阻率和厚度分别为：r1,h1和r2,h2ShR111rShR222rShhRRRn221121rr212211hhSShhlSRnnrrrSrt的获得设岩石由两种岩性地层组成，厚度和电阻率分别为：r1,h1和r2,h2bhlR111rbhlR222rlbhhRRRt21122121)(111rrrrlhhbbhhllSRtt)()(21122121rrrrrlbrn和rt的关系212211hhhhnrrr221121rrrhhhht0))(()(12212122121hhhhhhtnrrrrrr等效电阻率tnmrrr垂直层理方向的电阻率总是大于沿着层理方向的电阻率！二、稳定电流场的基本规律电位、电场强度与电流密度间的关系电流密度与电场强度成正比j为电流密度矢量,E为电场强度矢量,r为该点岩石的电阻率,s为该点的电导率;电场强度:单位正电荷在所研究点所受的电场力。点电源场的建立为了建立地下电场，将A、B两个电极向地下供电，A、B被称为供电电极；当供电电极大小比供电电极间距小得多时，可以将两个供电电极看成是两个“点”，所以将A、B称为点电源；1.点电源时的电场一个点电源时的电场电流密度设在地面A点向地下供电，电流强度为I，地下半空间的电阻率为r。地下距A点距离为R的M点处的电流密度为?j与电流强度I呈正比，与距离平方成反比；电场强度?πR22何如果是全空间情况又如Ij22RIjErr电压为标量，在此为正值；电场强度为矢量，有方向；电场强度的减小速度要比电压的减小速度快。电位：电场中某点的电位在数值上等于将单位正电荷从无穷远处移到该点反抗电场力所作的功。M点的电位是将单位正电荷从无穷远处移到电场中该点所做的功，则：即：电位值与电流强度I和岩石电阻率r成正比，与A到M点间距离成反比；点电源A(+I)处电位值最大。EdsdUMMMMMrIdrrIEdrEdsdVUrr222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+Ⅰ和-Ⅰ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。)11(212)(12BMAMIBMIAMIUUUBMAMMrrrBMAMMEEEBMAMMJJJ2.地表正、负两个点电源的正常电流场主断面内电位及电流分布为了弄清电流场在地下的分布情况，AB不变，主断面(A、B连线的中垂面上)电流密度的变化情况。当h=0时，AB中点O处的电流密度用j0表示主断面内电位及电流分布当h≠0时，2/3202/3222/3222])(1[1])(1[1)(coscos2lhjlhlIhllIrIjjAAhh2/320])(1[1lhjjhl%2.3,3%35,%85,31000jjlhjjlhjjlhhhh时时时大部分电流都集中在近地表地层内！主断面内电位及电流分布结论：当hAB/6时，jh/j0=85%，因此，在此范围内，可以近似认为是均匀场；当h=AB时，jh/j0=8.9%，此时，如果有异常体存在时，很难识别异常；当hAB/2时，jh/j035%，如果有异常体存在时，可以识别；因此，勘探深度hAB/2;0)(22/52222lhlhIljh当主断面内电位及电流分布h不变，jh随AB的变化规律:2/322)(hllIjh0,,0hjll时或当取最大值时当hjhl,22.,,2佳电极距此时的电极距被称为最的电流密度最大此时深度为时当hhAB为了探测100m深处的目标体，如何选择电极距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：①.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定深度的不均匀体；②.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。③.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/23.岩石电阻率的测定及视电阻率岩石电阻率的测定岩石电阻率的测定岩石电阻率的测定上式中K称为装置系数，单位为米；在均匀、各向同性介质中，岩石的电阻率与K、I无关；当供电电极A、B与测量电极M、N互换位置时，测定的电阻率结果不变，这一结论称作“互换原理”。3.岩石电阻率的测定及视电阻率非均匀介质的地下电流场及视电阻率地电断面——根据地下地质体电阻率的差异而划分界线的断面；非均匀介质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;1r2r21rr21rrr2r1非均匀介质的地下电流场及视电阻率视电阻率：当在电流场的作用范围内岩石不均匀或地形不平坦时，仍按均匀岩石电阻率的测定方法，并按电阻率测定公式计算出的电阻率值，不再是某一种岩石的电阻率值，而是电流场作用范围内各种岩石电阻率的综合反映，我们称之为“视电阻率”，用符rs表示，单位仍为欧姆·米。计算公式为:电阻率法的实质：rs的变化是与不均匀体的存在密切联系的，通过观测和研究rs的变化，来了解不均匀体存在的情况，这就是电阻率法的实质。IUKMNsr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反映。非均匀介质的地下电流场及视电阻率视电阻率的定性分析在地形不平坦或地质体不均匀时，视电阻率可表示为：因此，测定的视电阻率的变化并不一定代表有不均匀地质体的存在。有可能是地表不平坦而引起的。处的电流密度介质均匀情况下假设地形平坦率处岩石的实际平均电阻间电流密度实测的，MN、jMNMNjjjMNMNMNMNs———00rrr非均匀介质的地下电流场及视电阻率电极装置——供电电极A、B与测量电极M、N的排列形式和移动方式称为电极装置。视电阻率的影响因素1.不均匀体的电性(地质体与围岩的电性差异)、规模(相对于埋深而言)和产状(走向、倾向、埋深)——目标地质体属性的影响；MNMNsjjrr0非均匀介质的地下电流场及视电阻率2.电极相对不均匀体的位置(包括装置形式)，布极方向，极距大小等——观测方式的影响；非均匀介质的地下电流场及视电阻率3.地形起伏对视电阻率的影响；1电阻率剖面法2电测深法3高密度电法第三节电阻率剖面法当保持供电电极距AB不动时，电极系探测深度一定，移动电极系时就可以反应一定深度范围内的地下电阻率的变化情况，这种方法称之为电阻率剖面法。电阻率剖面法装置特点：保持供电电极及测量电极之间的距离不变，几个电极同时沿测线移动；在不同测点电流场的作用范围大致不变，因此，在各测点所观测的视电阻率的变化反映地下一定深度和范围内介质电阻率的变化；第三节电阻率剖面法电阻率剖面法的应用前提：1.被勘探对象必须与围岩在水平方向上有明显差异；2.被勘探对象相对于埋深应具有一定规模；3.干扰水平相对较低，即被勘探对象引起的异常能从干扰背景中区分出来；4.沿测线方向地形起伏不大；第三节电阻率剖面法电阻率剖面法的分类：联合剖面法；中间梯度法；对称剖面法；偶极剖面法；电剖面法的应用范围划分不同岩性陡立的接触带、岩脉；追踪构造破碎带、地下暗河等；第三节电阻率剖面法电剖面法电极距的选择原则考虑盖层的厚度(H)及其电阻率，AO≥3H；地电断面的产状、规模，相邻地质体的影响；其它干扰情况；电剖面法野外工作技术1.3.1联合剖面法联合剖面法的特点联合剖面法是由两个三极装置组合而成，较其它电剖面法有更为丰富的地质信息；联合剖面法还具有分辨能力强、异常明显等优点，因此在水文及工程地质等调查中获得了广泛的应用；由于联合剖面法有无穷远极，野外工作中有装置笨重、受地形影响大等缺点。联合剖面法装置在每一测点分别用两个三极装置AMN及MNB进行观测；所得视电阻率分别用rsA和rsB表示，在一条剖面上便可获得两条视电阻率曲线；一般将rsA用实线表示，rsB用虚线表示；公共电极C被置于远离测线并大于5AO的距离上，称为“无穷远”极——即相对于观测地段而言，其影响可以忽略。(1)直立接触面上的联合剖面rs曲线没有覆盖层时两种岩石直立接触面上的联合剖面法rs曲线形态，三极排列AMN位于界面不同位置，r1r2,MN→0AMN在界面左侧远离界面时,此时:三极装置逐渐接近直立接触面时(K120,dx)：])2(1[221221xdKxIjjjIIMN1212020])12(1[2rrrxdKjjxIjMNMNAs因为K120，MN向界面移动过程中d减小，rs的值增大；当d=x时，即MN刚好在接触面上时，视电阻率取极大值，即：当A点与MN位于直立接触面两侧时：此时视电阻率曲线为一平直段，长度为AM。2121212020212222)1(2,2)1(2rrrrrrrKjjxIjxKxIjMNMNAS