电法勘探的原理方法与仪器(说明)

1电法勘探的原理方法与仪器讲义2009．05月2目录第一部分电法勘探的原理与方法引言第一章直流电法第一节电法勘探方法第二节常规电法第三节高密度电法第四节岩样测式法第五节电法仪器野外应用第二章瞬变电磁法第一节瞬变电磁法的基础理论第二部分电法仪器第三章大功率激电测量系统第一节DJS—8A接收机第二节发射机部分(DJF系列)简介第三节大功率整流电源部分(DZ--系列)简介第四节微功率检测发射仪第四章多功能直流电法仪第一节DDC—8电子自动补偿仪第二节DZD—6A多功能直流电法(激电)仪第五章高密度电法测量系统第一节DUK—2A高密度电法测量系统第二节DUK—2B高密度电法测量系统3第三节DUK—3高密度电法测量系统第六章瞬变电磁测量系统第一节瞬变电磁法的优点第二节ATEM-III型瞬变电磁测量系统发射机第三节ATEM-III型瞬变电磁测量系统接收机第四节GATEM—I工程瞬变电磁测量系统4第一部分电法勘探的原理与方法引言电法勘探是地球物理学中的一个重要分支，是电工学、电磁学、电子学及电化学在解决地质找矿及工程地质、环境地质中一门应用科学。在电法勘探的实践中已被利用的电学性质有：描述岩、矿石导电性有的电阻率(ρs)；反映岩、矿石磁性强弱的导磁率(μ)；表示岩、矿石电化学活动性的极化率(η)和岩、矿石的介电常数(ε)等。电法勘探的找矿原理是基于不同岩石和矿石间的电学性质的改变，而引起电磁场(人工的和天然的)空间分布状态发生相应的变化。由此，人们便可利用不同性能的仪器，通过对场的空间和时间分布状态的观测与研究，来勘查矿产资源或查明地质目标在地壳中的存在状态，从而实现电法勘探的地质目标。电法勘探较其它地球物理勘探方法具有方法多样性及应用广泛性等突出的特点。人们为了实际应用、科学研究和学习方便常采用不同的分类方式，将具有共同性的方法归纳在一起，简要分述如下：1、从场的来源划分为：天然场法和人工场法。前者研究、观测的是天然存在地下的电场，电磁场；后者则是对人工建立于地下的电场或电磁场进行观测和研究。2、以场源的性质可划分为：直流电法，交流电法、过渡场法和电化学法。1）直流电法以观测和研究稳定电流场空间分布规律的变化为主，也常称为时间域电法。2）交流电法以研究似稳状态的电磁场或电磁波的空间分布或随频率变化的特点为主，常称为频率域电法。3）过度场法以观测和研究人工电磁场的建立或衰减过程的变化规律为主，常称为建场法或瞬变场法。4）电化学法是观测和研究天然或人工的电化学作用而形成的场的分布变化规律。3、以地质目的不同可分为：金属及非金属电法勘探、石油及煤田电法勘探、水文及工程地质电法勘探、地壳及上地幔电法勘探等。4、以勘探工作的施工场地划分为：地面电法、航空电法、井中电法和海洋电法等。5第一章直流电法第一节电法勘探方法一、电阻率法1、岩、矿石的电阻率：电阻率ρ是描述物质导电性能优、劣的一个电性参数，物质的导电性愈好，其电阻率值愈小。天然岩（矿）石都是由矿物组成的，为了解岩（矿）石电阻率的特点和变化规律，需研究各类矿物的电阻率。按导电性能的优劣，固体矿物可分为金属类导电矿物、半导体类导电矿物、固体离子类导电矿物。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。各类岩、矿石的电阻率变化范围如下所示：火成岩102～106Ω·m变质岩102～105Ω·m硬页岩10～500Ω·m软页岩0.5～10Ω·m多孔灰岩100～8000Ω·m砂岩50～3000Ω·m黄土层1～200Ω·m粘土1～200Ω·m2、影响岩、矿石电阻率的因素：影响岩、矿石电阻率的因素很多，除与导电矿物的含量有关外，还包括岩、矿石的结构、构造、孔隙度、含水量及含水矿化度、温度、压力等。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是决定性因素，在地热研究及深部地质构造研究中，温度变化成了主要因素。3、视电阻率的概念：电阻率表达式：ρ=KΔU/I，其应用条件是：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。然实际上，地形起伏不平，地下介质也不均匀，各种岩石相互重叠，断层裂隙纵横交错，或者有矿体填充，由上式算得的电阻率值，在一般情况下既不是围岩的电阻率，也不是矿体的电阻率，我们称其为视电阻率，用ρS表示，即ρs=K△UMN/IAB单位(Ω·m)欧姆·米式中：△UMN是接收电极MN接收到一次场电位。IAB供电电流，A、B为供电电极，供电电流计算单位为A(安培)，M，N为接收电极。两个点电源的电场：M点电位UMAB=I*ρs/2π(1/AM–1/BM)N点电位UABN=I*ρs/2π(1/AN–1/BN)6BNBMANAMK11112π………………………其中，AM、AN、BM、BN分别表示A、B和M、N间的水平距离。图1——1电阻率法原理图4、电阻率法分类：剖面法：供电电极（A、B）向地下供电，同是在测量电极（M、N）间观测电位差（ΔUMN），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，以探测地下一定深度内地电断面沿水平方向的变化。测深法：主要用来探测近于水平层状岩石在地下分布情况，在同一测点上逐次扩大电极距，探测深度由浅入深，探测垂直方向视电阻率的变化，通过分析电测深曲线来了解测点沿垂向变化的地质情况。5、电阻率法对应仪器：1）DDC-6：可以测AB间供电电流、MN间一次场、视电阻率；2）DZD-6A：可以测AB间供电电流、MN间一次场、视电阻率、视极化率、偏离度、半衰时、综合参数、衰减度等参数。6、电阻率法的应用：进行地质填图，确定基岩起伏；确定构造破碎带的倾向；找金属与非金属矿；寻找地下水。二、激发极化法(IP法)1、激发极化法理论：电法勘探的实际工作中我们发现，当采用某一电极排列向大地供入或切断电流的瞬间，在测量电极之间总能观测到电位差随时间的变化，7在这种类似充、放电的过程，由于电化学作用所引起的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)。激发极化法(或激电法)就是以岩、矿石激电效应的差异为基础从而达到找矿或解决某些水文地质问题的一类电探方法。激电效应随岩、矿石中电子导电矿物含量的增高而增强的特性，是激电法成功应用于金属矿普查找矿的物理—化学基础。时间域充、放电波形（适用于所有时间域仪器）图1——22、激发极化法分类：按照岩、矿(石)的激发极化特性，常将岩，矿(石)的激发极化分为“面极化”和“体极化”两类。面极化的特点是激发极化都发生在极化体与围岩溶液的界面上，如致密的金属矿和石墨矿。体极化的特点是极化单元（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及离子导电岩石。“面极化”和“体极化”只具有相对意义，地下实际存在的极化体不会是理想化的面极化体或体极化体，只是更接近某一种典型极化模式。激发极化法按供电和测量内容的不同，可分为直流（时间域）激发极化法和交流（频率域）激发极化法。直流激发极化法向地中供入直流电流。供电后从零开始逐渐变大充电过程及断电后二次电位差ΔU2逐渐衰减到零放电过程中，在流过稳定电流条件下，供电时间为T时观测到的电位差实为ΔU1和ΔU2之和，如图1——2所示，称为总场电位差。在供电过程中观测M、N极间总场电位差(ΔU),断电后观测激电场的电位差ΔU2，并定义视极化率为：8通常ΔU2比ΔU小很多,故ηS常用百分数表示。一般在每个测点可同时获得ηS和ρS两个参数,即在一条测线上可同时获得两种剖面曲线。当地下无矿体存在时,ηS和ρS沿测线均无显著变化,皆为围岩的正常背景值;当地下有矿体存在时,除ρS有变化外,由于矿体上方激发极化电流密度的增大，使ηS剖面曲线在矿体上方出现极大值(图1——3b)。对于电子导电矿物呈星散分布的浸染型矿体，其电阻率值通常与围岩无明显差异，电阻率法无法识别，但是矿体中每个金属小颗粒均能被稳定电流场所极化(称为体极化)，而产生激电效应，视极化率ηS有明显异常。所以,激发极化法对于寻找致密型金属矿和浸染型金属矿均有效果。交流激发极化法又分为变频法和复电阻率法两种方法。变频法通常用超低频段（0.01～10赫）中两种相差较大的固定频率（低频f1，高频f2）分别供电,观测两种频率f1、f2供电时测量电极M、N间电位差的幅值,分别获得视电阻率ρS1（用频率f1观测所得）和ρS2（用频率f2观测所得）,并由此算出视频散率ρS或视频率效应。计算公式为用ρS的找矿原理与η相同。复电阻率法利用的频段比变频法宽，用各种频率分别供电，测量M、N极间电场的振幅和相位，或测量虚分量和实分量等多种参数，算出复电阻率值。图1——3激发极化法原理图3、激发极化法对应仪器：1）DZD-6A：可以测AB间供电电流，MN间一次场，视电阻率、视极化率、偏离度、半衰时、综合参数、衰减度等参数；2）大功率激电测量系统：测MN间的一次场与视极化率以及AB间供电电流，然后通过处理软件计算视电阻率。94、激发极化法应用：金属和非金属固体矿产勘查：普查硫化多金属矿，其优点是能找到百分含量不高的浸染状矿，如铜、铅、锌、钼等有色金属矿；寻找无磁或弱磁性黑色金属矿、贵金属矿、稀有金属矿和放射性矿床等。寻找地下水：含水砂层在充电以后，断电的瞬间可以观测到由于充电所激发的二次电位，该二次电位衰减的速度随含水量的增加而变缓。在实践中利用这种方法圈定地下水富集带和确定井位已有不少成功的实例。激电测深最大的优点是对水的反映直观,受地形影响小。在激发极化找水中用得最多,最有效的是对称四极垂向测深装置，通常采用温纳装置并保持MN/AB=1/3的等比关系。油气田和地热田勘查：探测油气田或地热田上部的次生黄铁矿的激电效应为基础，探测与油气有关的激电效应。三、充电法1.充电法的基本理论：当理想良导体的电阻率远小于围岩电阻率（＜200倍）时，可近似看成理想的导体，它位于一般导电介质中时，向其上任意一点供电(或充电)后，电流便遍及整个理想导体，然后垂直导体的表面流向周围介质。电流在理想导体内流过时，不产生电压降，所以称理想导体为等电位体。理想导体的充电电场与充电点的位置无关，只决定于充电电流的大小，充电导体的形状、产状、大小、位置及周围介质的电性分布情况。这样观测充电电场的分布，便可推断整个地下良导体及围岩电性的分布情况。充电法的原理如图1——4所示。图1——4充电法原理图2、充电法的应用范围及条件：1）充电法解决的地质问题：确定已揭露（或出露）矿体隐伏部分的形状、产状、规模、平面分布位置及深度；10确定已知相邻矿体之间的连接关系；在已知矿附近找盲矿体；利用单井测定地下水的流向和流速；研究滑坡及追踪地下金属管线等。2）充电法的应用条件：被研究的对象（充电体）至少已有一处被揭露或出露，以便设置充电点；充电体相对围岩应是良导电体；充电体规模越大，埋藏越浅，应用充电法的效果越理想。充电法的最大研究深度一般为充电体延伸长度之半。3、供电电极与充电体的连接方法：供电电极的正极必须与充电体相接，由于供电体出露的条件不同，所以连接的方式也不同。用于评价金属矿详查阶段时，若金属矿体是在地表或在井、坑等工程中出露，通常在矿体上打进一组(3～10根)铁电极，将它们并联起来，与电源的正极相连。不易打进铁电极时，可以采用重物将细铁丝或铜丝紧紧地压在矿体表面上。当矿体在钻孔中出露时，需要用特制的刷子电极作供电电极，用电缆将刷子电极放入井中的矿体上。用于寻找电下管线时，若地面上能找到管线出露点，则可直接将供电正极接到该管线的出露点处。供电电极的负极应设在距测区1000～1500m处低洼潮湿地方，减小接地电阻，增加供电电流。4、充电法的仪器：仪器设备与电阻率法相同，需要有供电系统和测量系统。采用我厂的多功能直流电法仪DZD-6A，可以实现该方法的测量。一般供电时间可选5秒，测量装置选用中间梯度，供电波形选两个。5、充