东华理工大学电法勘探一

勘查地球物理概论电法勘探什么是电法勘探:它是以岩、矿石的电学性质（如导电性）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”。电法勘探的特点：可用“三多”、“两广”来概括三多：①可利用的物性参性多导电性（ρ或σ）电化学活动性（η）介电性（ε）导磁性（μ）②利用场源多人工场源天然场源直流电（稳定场）交流电（交变场）传导类电法勘探（直流电法）研究稳定电流场③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低频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）第一节电阻率法什么是电阻率法：电阻率法是传导类电法勘探方法之一。建立在地壳中各种岩矿石具有各种导电性差异的基础上，通过观测和研究与这些差异有关的天然电场或人工电场的分布规律，从而达到查明地下构造或者寻找有用矿产的目的。一、电阻率法的理论基础㈠岩、矿石的电阻率1.电阻率基本公式slR电阻R（Ω）长度（m）截面积（m²）电阻率ρ（Ω·m）lsRISl2.电阻率单位SI制中3.导电机制⑴溶液：带电离子⑵金属导体：自由离子，如自然铜、金、银和石墨，电阻率低⑶半导体：“空穴”导电，大多数金属硫化物，金属氧化物体，电阻率较低⑷固体电解质：离子导电，绝大多数造岩矿物，如石英、云母、方解石、长石等，电阻率高4.主要岩矿石电阻率及其变化范围ρ沉＜ρ变＜ρ火沉积岩：10～10²Ω·ｍ火成岩：10²~10Ω·ｍ变质岩：介于两者之间65.影响电阻率的主要因素⑴矿物成分、含量及结构金属矿物含量↑，电阻率↓结构：侵染状＞细脉状⑵岩矿石的孔隙度、湿度孔隙度↑，含水量↓，电阻率↓风化带、破碎带，含水量↑，电阻率↓⑶水溶液矿化度矿化度↑，电阻率↓⑷温度温度T↑，溶解度↑，离子活性↑，电阻率↓结冰时，电阻率↑⑸压力压力↑，孔隙度↓，电阻率↑超过压力极限，岩石破碎，电阻率↓⑹构造层的问题这种层状构造岩石的电阻率，则具有非各向同性，即岩层理方向的电阻率小于垂直岩层理方向的电阻率12nt㈡均匀各向同性半空间点电源的电场在物理学中，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项。即：jEEdrdv,空气地面0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“供电电极”。当供电电极的大小比它们与关测点的距离小得多时，可把两个供电电极看成两个“点”，故又将它们称“点电源”1.一个点电源的电场设在地面A点向地下供电，电流强度为I，地下半空间的电子率为ρ。地下距A为的点M处的电流密度为：电场强度为：电位为：rrrIjM22rrrIjEM22drrIdV22rIV2CrIV2对上式两边积分得：当r→∞，V=0，则C=0代入上式得2.两个异性点电源的电场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；而在两极中央地段，场的分布较均匀，变化较平缓。在AB的中点，V=0，中点左边V为正，右边为负；AB的中点上，E出现极小值。在任意的M处的，可按场的叠加原理知：)11(2BMAMIVVVBMAMM)11(2122BMMBBMAMMAAMjjjBMAMM)11(222BMMBBMAMMAAMIEM（三）地下电流沿深度的分布规律BMAMhjjjBMAhjhLIj)(2222322)(1cos2hLLjjAhh2011Lj0hjjh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h→0，0)(2252222LhLhILjh而在2/hL即当(或者)时，h深度的电流密度最大，该供电极距称为“最佳电极距”。例如：要使100m深处的电流密度最大，AB应大于或等于140mhAB20)(2252222LhLhILjh而在即当(或者)时，h深度的电流密度最大，该供电极距称为“最佳电极距”。例如：要使100m深处的电流密度最大，AB应大于或等于140m0)(2252222LhLhILjh而在即当(或者)时，h深度的电流密度最大，该供电极距称为“最佳电极距”。例如：要使100m深处的电流密度最大，AB应大于或等于140m0)(2252222LhLhILjh而在即当(或者)时，h深度的电流密度最大，该供电极距称为“最佳电极距”。例如：要使100m深处的电流密度最大，AB应大于或等于140m（四）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：)11(2BNANIUM)11(2BMAMIUM)1111(2BNANBMAMIUUUNMMNIUBNBMANAMMN11112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两点间的电位差：则则→均匀大地电阻率公式BNBMANAMk11112令IUkMN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ρ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”—根据地下地质体电阻率的差异而划分界限的断面。（1）非均匀介质中的地下电流场由图可见：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），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ρ1，也不是ρ2和ρ3，而是三者都有关的一个量，称为“视电阻率”，用符号ρs表示，即IUkMNs1※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。23（3）影响视电阻率的因素电极装置—供电电极（A、B）及测量电极（M、N）的排列形式和移动方式①电极装置类型及电极距的大小②测点相对于地质体的位置③电场有效作用范围内各种地质体的真电阻率④各地质体的分布状态（及形状、大小、埋深及相对位置）3.视电阻率的定性分析公式视电阻率与电流密度的关系式，即式中jMNρMN测量电极M、N间任一点的电流密度和介质的真电阻率。j0—为均匀各向同性介质体中M、N间的电流密度。上式表明，ρs与M、N间的介质的电阻率ρMN电流密度jMN成正比MNMNsjj03.视电阻率的定性分析公式视电阻率与电流密度的关系式，即式中jMNρMN测量电极M、N间任一点的电流密度和介质的真电阻率。j0—为均匀各向同性介质体中M、N间的电流密度。上式表明，ρs与M、N间的介质的电阻率ρMN电流密度jMN成正比MNMNsjj0ρ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MNMNSjj0第一节电阻率法二、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。IUkMNs电阻率法的仪器种类很多，有图DZD-4多功能直流电法仪，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。目前，我国采用的电阻率装置类型有电剖面法、中间梯度法和电测深法。电阻率剖面法简称电剖面法。它包括许多分支装置：二级装置、三级装置、联合剖面装置对称四级装置和偶极装置等。