1-1电与电磁法原理第一章01

1、电电(磁磁)法勘探原理法勘探原理 李振宇李振宇 张胜业张胜业2010年年9月月 教材及主要参考书：教材及主要参考书： 教材：张胜业、潘玉玲主编应用地球物理学教材：张胜业、潘玉玲主编应用地球物理学 原理，原理，2004年地大出版社出版年地大出版社出版 参考书：参考书： 傅良魁主编，应用地球物理教程傅良魁主编，应用地球物理教程电法，放电法，放 射性，地热，地质出版社，射性，地热，地质出版社，1991.41991.4 李金铭李金铭 地电场与电法勘探地电场与电法勘探 地质出版社地质出版社 2005.72005.7 傅良魁主编，傅良魁主编， 电法勘探教程电法勘探教程 地质出版社

2、，地质出版社， 1983.51983.5 成绩 平时：30% 考试：70% 第一章第一章 绪言（绪言（IntroductionIntroduction） 1.11.1地球物理学（地球物理学（Geophysics） 1.21.2应用地球物理学应用地球物理学(Applied Geophysics) 1.31.3电法勘探定义电法勘探定义 1.41.4电法勘探研究对象和基础电法勘探研究对象和基础 1.51.5电法勘探分类与内容电法勘探分类与内容 1.61.6电法勘探历史简介电法勘探历史简介 1.11.1地球物理学地球物理学 什么是地球物理学？什么是地球物理学？ 地球物理学定义地球物理学定义 地球物理学

3、是以地球为研究对象的一门应用物理学地球物理学是以地球为研究对象的一门应用物理学 Geophysics, a major discipline of the Earth sciences, is the study of the Earth by the quantitative observation of its physical properties, especially by seismic, electromagnetic, radioactivity, galvanic (electrical) and potential field (such as gravity and ma

4、gnetism) methods. Geophysics can therefore be seen as the intersection of geology and physics. 可知：可知： 地球物理学的地球物理学的研究对象研究对象地球地球。 地球物理学的地球物理学的理论基础理论基础物理学物理学。 地球物理学可分为两个大的方面：地球物理学可分为两个大的方面： 研究大尺度和一般原理的，叫研究大尺度和一般原理的，叫理论地球物理学（或普理论地球物理学（或普 通地球物理学）；通地球物理学）； 勘察石油、金属、非金属矿或解决其它工程和地质问勘察石油、金属、非金属矿或解决其它工程和地质问 题

5、的 ， 叫题 的 ， 叫 应 用 地 球 物 理 学 或 勘 探 地 球 物 理 学应 用 地 球 物 理 学 或 勘 探 地 球 物 理 学 （Exploration Geophysics） The development of geophysics has been motivated by many theoretical and practical issues. The term of geophysics was probably first used in Germany, where it appeared in scientific writings of the mid-1

6、9th century. The word geophysics was first used by Frbel as geophysik in 1834. 1.21.2应用地球物理学应用地球物理学 Applied or Exploration Geophysics 物质基础物质基础：应用地球物理是以岩、矿石应用地球物理是以岩、矿石( (或地层或地层) ) 与其围岩的与其围岩的物理性质差异物理性质差异为为物质基础物质基础 理论基础：物理学理论基础：物理学 数学数学 利用物理学的利用物理学的电学、磁学、热学、运动学电学、磁学、热学、运动学 和动力学和动力学等方面的原理和方法等方面的原理和方法 研

7、究对象与手段：研究对象与手段：用专用的仪器设备观测和研究用专用的仪器设备观测和研究 天然存在或人工形成的天然存在或人工形成的地球物理场地球物理场的变化规律。的变化规律。 目的：目的：达到查明地质构造、寻找矿产资源达到查明地质构造、寻找矿产资源 和解决工程地质、水文地质以及环境监测和解决工程地质、水文地质以及环境监测 等问题的目的。等问题的目的。 应用非常广泛并且在不断扩大其应用领域应用非常广泛并且在不断扩大其应用领域 是一门正在迅速发展的学科是一门正在迅速发展的学科 主要应用地球物理方法有哪些？主要应用地球物理方法有哪些？ 能做些什么？能做些什么？ 常用的应用地球物理方法（常用的应用地球物理方

8、法（ Applied Geophysics ） 重力（重力（Gravity Method） 磁法（磁法（Magnetic Method ） 电法（电磁法）（电法（电磁法）（Electric and Electromagnetic Methods ） 地震（地震（Seismic methods ） 测井、地热、放射性等测井、地热、放射性等 1.31.3电法勘探定义电法勘探定义 电法勘探是根据地壳中不同岩层之间，岩石电法勘探是根据地壳中不同岩层之间，岩石 和矿石之间存在的电和矿石之间存在的电磁磁性质性质差异差异，通过，通过观测观测 天然存在的或由人工建立的地球电场、电磁天然存在的或由人工建立的地球

9、电场、电磁 场分布，来研究地质构造、寻找矿产资源，场分布，来研究地质构造、寻找矿产资源， 解决解决工程、环境、灾害等地质工程、环境、灾害等地质问题问题的的一类一类地地 球物理勘探方法。球物理勘探方法。 1.41.4电法勘探研究对象和基础电法勘探研究对象和基础 研究对象研究对象 地球地球 理论基础理论基础 数学、电磁学、电磁场理论数学、电磁学、电磁场理论 物质基础物质基础 物理性质（导电性、导磁性、介物理性质（导电性、导磁性、介 电性、激发极化性、自然极化性、压电性和电性、激发极化性、自然极化性、压电性和 震电性等）差异震电性等）差异 1.51.5电法勘探分类与内容电法勘探分类与内容 电法方法电

10、法方法种类很多种类很多，分类方法不尽相同，分类方法不尽相同 传导类和感应类、传导类和感应类、E and EM 电阻率法、激发极化法、自然电场法、电阻率法、激发极化法、自然电场法、 充电法、电磁感应法等充电法、电磁感应法等 主动源电法和被动源电法主动源电法和被动源电法 1.61.6电法勘探历史简介电法勘探历史简介 电法勘探的历史并不长，真正利用地电场进行电法勘探的历史并不长，真正利用地电场进行 电法勘探的时间大致始于电法勘探的时间大致始于1919世纪末期和世纪末期和2020世纪世纪 初初 天然场源天然场源： 18331833年英国学者年英国学者R.W.Fox R.W.Fox 首先利用自然电场法首

11、先利用自然电场法 发现了一个硫化矿床；发现了一个硫化矿床； 2020世纪初大地电流法用于矿产资源勘探；世纪初大地电流法用于矿产资源勘探； 2020世纪世纪5050年代前苏联学者吉洪诺夫和法国学者年代前苏联学者吉洪诺夫和法国学者 卡尼亚（卡尼亚（L.CaniandL.Caniand）建立了探测地球内部结）建立了探测地球内部结 构的大地电磁测深法（构的大地电磁测深法（MTMT） 人工场源法：人工场源法： 1919世纪末提出电阻率法到世纪末提出电阻率法到2020世纪初已趋成熟；世纪初已趋成熟； 19201920年法国学者年法国学者C.Schlumberger C.Schlumberger 发现激电效

12、应发现激电效应 ，后经过各国学者的深入研究于，后经过各国学者的深入研究于2020世纪世纪5050年代年代 形成了激发极化法形成了激发极化法(IP)(IP)，其中加拿大学者塞吉，其中加拿大学者塞吉 尔（尔（H.O.SegelH.O.Segel）、皮尔顿（）、皮尔顿（W.H.PeltonW.H.Pelton）、前）、前 苏联学者科马洛夫和美国学者宗吉（苏联学者科马洛夫和美国学者宗吉（K.L.ZongeK.L.Zonge ）等。做出了重要贡献；）等。做出了重要贡献； 电磁剖面法始于电磁剖面法始于19171917年，年，19231923年首次获得找矿年首次获得找矿 效果；效果； 2020世纪世纪808

13、0年代以来，随着经济建设的迅猛发展和科年代以来，随着经济建设的迅猛发展和科 学技术的不断进步，人工场源频率电磁测深学技术的不断进步，人工场源频率电磁测深(CSEM)(CSEM) 和瞬变电磁测深法和瞬变电磁测深法(TEM)(TEM)在前苏联学者考夫曼（在前苏联学者考夫曼（ A.A.KofmanA.A.Kofman）和美国学者凯乐（）和美国学者凯乐（G.V.KellerG.V.Keller）共同）共同 创立的理论基础上发展较快，与此同时由加拿大学创立的理论基础上发展较快，与此同时由加拿大学 者者D.W.StrengwayD.W.Strengway和和M.A.Goldstein M.A.Goldst

14、ein 提出的可控源音提出的可控源音 频大地电磁测深频大地电磁测深(CSAMT)(CSAMT)以及德国最早提出的探地雷以及德国最早提出的探地雷 达达(GPR)(GPR)和由日本率先提出的高密度电法和由日本率先提出的高密度电法(?)(?)等方法等方法 在资源、工程、环境等方面都得到迅速发展和应用在资源、工程、环境等方面都得到迅速发展和应用 。 此外，由前苏联学者与此外，由前苏联学者与2020世纪世纪70-8070-80年代研究提出的年代研究提出的 压电法和震电法，近年来已获得一定进展，有望能压电法和震电法，近年来已获得一定进展，有望能 用于矿产资源勘察和地质灾害预报中。用于矿产资源勘察和地质灾害

15、预报中。 1830年年，在在Cornwall康沃尔康沃尔(英格兰郡名英格兰郡名,加拿加拿 大城市名大城市名)地区，地区，Rober （罗伯特）（罗伯特） W Fox发发 现自然电位与含铜矿脉有关，从而开创了电法现自然电位与含铜矿脉有关，从而开创了电法 勘探找矿的先河。勘探找矿的先河。 到到1835年，年，RoberW Fox发现在铜矿上有由于发现在铜矿上有由于 化学反应产生的电流。这实际是自然电位。根化学反应产生的电流。这实际是自然电位。根 据据Kelly的描述，的描述，“是他第一个用电法勘探方法是他第一个用电法勘探方法 发现硫化矿体的发现硫化矿体的”。 其后其后1882年，年，Carl(卡尔

16、卡尔) Barus在在Nevada(内内 华达州）的华达州）的Comstock Lode开展了一系列的实开展了一系列的实 验，发现自然电位法可以用于隐伏硫化矿体的验，发现自然电位法可以用于隐伏硫化矿体的 勘探工作。勘探工作。Barus的最大贡献是他在电法勘探的最大贡献是他在电法勘探 工作中首先使用工作中首先使用不极化不极化电极进行电位测量。电极进行电位测量。 FredII Brown（佛瑞德布朗）在（佛瑞德布朗）在1883到到1891年年 间、间、Alfred Williams和和Leo Daft在在1897年，都年，都 设法测量了不同矿体的电阻率差异，他们的测设法测量了不同矿体的电阻率差异，

17、他们的测 量方法还申请了专利。量方法还申请了专利。 1900年年，N S Osborne(奥斯本奥斯本)在同一个地区在同一个地区 进行了等位线测量工作。但第一个采用主动源进行了等位线测量工作。但第一个采用主动源 工作（通过可控源激发大地，然后测量人工电工作（通过可控源激发大地，然后测量人工电 场）的电法勘探方法是由场）的电法勘探方法是由Schlumberger于于 1912年完成。但他那时实际开展的是直流等位年完成。但他那时实际开展的是直流等位 线技术。线技术。 1912年年，Schlumberger首先将电法勘探用首先将电法勘探用 于商业性勘探中。于商业性勘探中。1913年年他又绘制了第一张

18、他又绘制了第一张 金属矿勘探的自然电位平面等值线图，并于金属矿勘探的自然电位平面等值线图，并于 1918年发表。该图描绘出法国年发表。该图描绘出法国Sain-Bel矿区矿区 的硫黄铁矿的形态。的硫黄铁矿的形态。 1914年，美国地质调查局的年，美国地质调查局的Roger C Wells( 罗杰罗杰)首先解释了自然电位现象产生的化学机首先解释了自然电位现象产生的化学机 理。但至到理。但至到1924年年，kelly才将自然电位方法才将自然电位方法 引入加拿大和美国。引入加拿大和美国。 视电阻率的概念是由美国标准化局的视电阻率的概念是由美国标准化局的Wenner 和和Schlumberger于于19

19、15年左右同时提出的年左右同时提出的 。 1917年年，Harry W Conklin在世界上拥有电磁在世界上拥有电磁 法勘探的第一个专利，从而揭开了电磁法勘探法勘探的第一个专利，从而揭开了电磁法勘探 的漫漫发展历程。的漫漫发展历程。 这些开端，揭开了电阻率法、激发极化法、大这些开端，揭开了电阻率法、激发极化法、大 地电磁测深法和瞬变电磁法的发展之路。地电磁测深法和瞬变电磁法的发展之路。 Wenner采用的是等间距的电极排列（现在被称采用的是等间距的电极排列（现在被称 为为Wenner装置），而装置），而Schlumberger采用的装采用的装 置中电位电极间距非常小从而可以测量出供电置中电位

20、电极间距非常小从而可以测量出供电 电极中点的电位梯度即电场强度（现在该装置电极中点的电位梯度即电场强度（现在该装置 被称为被称为Schlumberger装置）。装置）。 据据 S u m n e r ( 1 9 7 6 ) 考 证 ，考 证 ， C o n r a d Schlumberger是第一个描述激发极化的人，是第一个描述激发极化的人， 时间大概在时间大概在1920年，尽管宁愿将其称为自然电年，尽管宁愿将其称为自然电 位法。位法。 Harry W ConklinHarry W Conklin是一位美国矿业工程师，他是一位美国矿业工程师，他 19171917年申请了第一个电磁法勘探方法的

21、专利。年申请了第一个电磁法勘探方法的专利。 19251925年，年，SundgergSundgerg电磁法勘探方法成功应用于实电磁法勘探方法成功应用于实 际勘探，从而成为利用水平线圈进行电磁法勘探际勘探，从而成为利用水平线圈进行电磁法勘探 的先驱。这样在由瑞典人的先驱。这样在由瑞典人LundbergLundberg和和SundbergSundberg培培 育起来的电磁法走在了前面。接着，育起来的电磁法走在了前面。接着，19311931年，年， Bieler-WatsonBieler-Watson提出了测量靠近水平大发射回线提出了测量靠近水平大发射回线 附近磁场椭圆极化的方法。附近磁场椭圆极化的

22、方法。 在在1920-19301920-1930年间，电法勘探发展迅速。但其后年间，电法勘探发展迅速。但其后 ，却进步缓慢。在二次世界大战后，电法勘探取，却进步缓慢。在二次世界大战后，电法勘探取 得较大的发展。然而，整个电法勘探的数据解释得较大的发展。然而，整个电法勘探的数据解释 方法一直却比较落后，直到上个世纪方法一直却比较落后，直到上个世纪8080年代，计年代，计 算机用于二维和三维电磁边值问题的正演和反演算机用于二维和三维电磁边值问题的正演和反演 ，这种状况才有所改观，这种状况才有所改观 上面的工作地球物理中电法勘探理论与应用的基础。上面的工作地球物理中电法勘探理论与应用的基础。 在在其其后的数十年中，大量的专著和文献进一步加强了后的数十年中，大量的专著和文献进一步加强了 这一基础。其中最重要的有这一基础。其中最重要的有AmbronnAmbronn、EveEve和和KeysKeys、 Broughton EdgeBroughto