物探电法勘探

1、第一章 电法勘探电法勘探的分类（1）电法勘探的分类方法分类（2）： 天然场源法：自然电位法、大地电流法、大地电磁法等。 人工场源法：电阻率法、激发极化法、电磁法等。 电法勘探的分类方法分类（3）：传导类电法：电阻率法、充电法、自然电场法、激发极化法等。 电阻率法：剖面法（二、三极剖面、联合剖 面等）、测深法感应类电法：电磁剖面法（偶极剖面、航空电磁法等） 电磁测深法（大地电磁测深、频率测深等） 实质：实质：以岩、矿石之间电磁学性质及电化学性质以岩、矿石之间电磁学性质及电化学性质 差异为基础，通过观测和研究电差异为基础，通过观测和研究电(磁磁)场在地场在地 下的分布规律，探查地质构造和矿产资源下

2、的分布规律，探查地质构造和矿产资源 主要用途：主要用途：探查深部和区域地质构造、寻找油气探查深部和区域地质构造、寻找油气 田和煤田、金属非金属矿产、地下水、田和煤田、金属非金属矿产、地下水、 工程地质和环境勘察等。工程地质和环境勘察等。第一节 电法勘探基础知识 一、岩层的电阻率1、电阻率的概念 由均匀材料制成的具有一定横截面积的导体，其电阻R与长度L成正比，与横截面积S成反比，即 式中，为比例系数，称为物体的电阻率。电阻率仅与导体材料的性质有关，它是衡量物质导电能力的物理量。不同岩石的电阻率变化范围很大，常温下可从10-8m变化到1015m，与岩石的导电方式不同有关。 SLR电阻率电阻率是电法

3、中最重要的物理参数，电法的是电法中最重要的物理参数，电法的许多方法技术都与岩石和矿物的电阻率许多方法技术都与岩石和矿物的电阻率 （或其倒数（或其倒数- 电导率）有关。电导率）有关。 岩石的导电方式大致可分为以下三种： 金属导电和半导体导电、溶液离子导电、固体电解质导电 岩石的电阻率由组成岩石的矿物成分决定 岩石和矿物的导电性或电阻率岩石和矿物的导电性或电阻率 ：取决于物质中电荷取决于物质中电荷 运移的难易程度。运移的难易程度。 矿物的电阻率矿物的电阻率 ： 金属导体：金属导体：电阻率电阻率 很小，很小，例如：金的例如：金的电阻电阻 率率 为为2 10-8 m，铜的电阻率，铜的电阻率 为为1.2

4、30 10-8 m。 半导体：半导体：大多数大多数硫化矿物硫化矿物如黄铜矿、黄铁如黄铜矿、黄铁 矿、方铅矿等矿、方铅矿等电阻率电阻率 小于小于1 m。 氧化矿物氧化矿物如铬铁矿、赤铁矿、软锰如铬铁矿、赤铁矿、软锰 矿等电阻率矿等电阻率 大于大于1 m。固体电解质：固体电解质：造岩矿物造岩矿物如长石、石英、辉如长石、石英、辉 石、云母、方解石等石、云母、方解石等电阻率大电阻率大， 大于大于106 m。岩石的电阻率岩石的电阻率 ：火成岩和变质岩火成岩和变质岩：电阻率电阻率很大，很大，电阻率电阻率 变化范围变化范围102 105 m。沉积岩：沉积岩：电阻率较小。电阻率较小。例如：粘土的例如：粘土的电

5、阻率电阻率 变化范围变化范围100101 m， 砂岩的砂岩的电阻率电阻率 变化范围变化范围102 103 m。2、影响电阻率的因素（1） 岩石电阻率与矿物成分的关系 岩石电阻率与组成岩石的矿物的电阻率、矿物的含量和矿物的分布有关。当岩石中含有良导电矿物时，矿物导电性能能否对岩石电阻率的大小产生影响取决于良导矿物的分布状态和含量。如果岩石中的良导矿物颗粒彼此隔离地分布着，且良导矿物的体积含量不大，那么岩石的电阻率基本上与所含的良导矿物无关，只有当良导矿物的体积含量较大时（大于30%），岩石的电阻率才会随良导矿物的体积含量的增大而逐渐降低。但是，如果良导矿物的电连通性较好，即使它们的体积含量并不大

6、，岩石的电阻率也会随良导矿物含量的增加而急剧减小。（2） 岩石电阻率与其含水性的关系 沉积岩主要依靠孔隙水溶液来传导电流，因此岩层中水的导电性质将直接影响沉积岩的电阻率。在其他条件相同的情况下，岩层电阻率与岩层中水的电阻率成正比。影响水的导电性的主要因素是水中离子的浓度和水的温度。常见的岩层水一般含低或中等浓度的离子，岩层中水的含盐浓度增大，离子数量随之增多，溶液导电性将变好。同时岩层中水的导电性还与温度有关，它的电阻率将随温度的升高而降低。这是因为，一方面水中盐类的溶解度随温度的升高而增大，致使溶液中离子数量增多；另一方面，温度的升高还会降低溶液粘度，加快离子的迁移速度。（3）岩石电阻率与层

7、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可 用各向异性系数来表示，定义为 式中，n代表垂直层理方向上的平均电阻率，称为横向电阻率；t代表沿层理方向的平均电阻率，称为纵向电阻率。tn层状结构岩石模型（4）岩石电阻率与温度的关系 岩石电阻率随温度的变化遵循导电理论的有关定理。电介质中离子的能动性随温度升高而增大，其运动能量积累到一定值时，很容易脱离晶格，因此导电性增强。半导体的温度升高时，导电区电子

8、浓度增大，导电性也相应增大。如前所述，在低温条件下，含水岩石中水溶液的导电性随温度的升高而增大，这是由于温度升高导致水溶液浓度增大和粘滞度降低，水溶液中离子数量增多、活动性增强的缘故；当温度继续升高时，因水分蒸发，岩石电阻率略有增加，只有温度继续升高时，电阻率才开始减小。例如，对油页岩进行加温实验时，温度升高到50100时，试样的电阻率减小；温度继续升高至200时，试样电阻率增大；温度继续升高超过200时，试样电阻率急剧下降；当温度超过600后，试样电阻率又呈回升趋势。（5）岩石电阻率与压力的关系 岩石原生结构破坏是压力作用下岩石性质变化的主要原因。根据压力特征，这种破坏可能是岩石的压实，孔隙

9、收缩，颗粒接触面积的增大，形成裂隙组，或是个别区域之间粘结性减小等等。 静水压力对岩石的压实作用最大，在静水压力作用下，岩石内出现残余变形，从而使孔隙度降低。此时压力对岩石电阻率的影响与岩石内液体和气体的含量有关，往往随压力的增大，干燥或者稍许含水岩石的电阻率减小，这是由于孔隙度降低、颗粒间接触良好的原因。 除此之外，岩石中孤立的含水孔隙在压力作用下闭合并形成连续的导电通路，也会使其电阻率减小。对于大多数岩石，当单轴压力由10Mpa增加到60Mpa时，可观测到岩石电阻率的剧烈变化。但是，某些粘土在压力作用下，由于孔隙中的水分被挤出，含水孔隙通道的截面缩小，从而使其电阻率增大。 相反，在应力弱化

10、作用下，岩石颗粒之间内部粘结性降低，致使岩石强度变小，岩石可碎性增强。当岩石内部裂隙发育但裂隙不充水时，岩石电阻率会增大，若裂隙充水，岩石电阻率会显著减小。二 、地下人工电场的建立1、点电源的电场、点电源的电场 电阻率电阻率的半无限空间，地表有一点电源的半无限空间，地表有一点电源A，电流强度电流强度I，距点电源，距点电源A为为rAM的的M点的电流密度：点的电流密度：由欧姆定律的微分形式，得：由欧姆定律的微分形式，得： rrrIjAM22rrrIEAM22 稳定电流场中，单位距离的电位变化等于稳定电流场中，单位距离的电位变化等于 该点的该点的点电场强度：点电场强度：drdUErdrrIdrEdU

11、r22两边积分：两边积分：由于由于r无穷远时，无穷远时，U=0，所以积分常数，所以积分常数c=0结论：电阻率均匀、各向同性的半无限空间，地结论：电阻率均匀、各向同性的半无限空间，地 表点电源场的电位与表点电源场的电位与r成反比，等位面是以成反比，等位面是以 点源为中心的同心圆。点源为中心的同心圆。crIU2rIU2两个点电源的电场：两个点电源的电场： 根据电场叠加原理，当地表由两个异性根据电场叠加原理，当地表由两个异性 点电点电源源A（+I）、）、B（-I）供电时，地表测点）供电时，地表测点M处的位：处的位：)11(222BMAMIrIrIUUUBMAMBMAMM两个点电源的等位线和电流线两个

12、点电源的等位线和电流线 (a)平面图平面图 (b)剖面图剖面图 (c)地表电位剖面地表电位剖面2、电流在地下的分布规律jAB10.80.60.40.20123j /jh0hLAOBh0hjhjhj电流密度随深度的变化hI /I三 、电阻率法的基本原理1、岩、矿石电阻率的测定、岩、矿石电阻率的测定岩、矿石电阻率的测定：岩、矿石电阻率的测定：由电阻定义及欧姆定律，得：由电阻定义及欧姆定律，得：均匀大地电阻率的测定：均匀大地电阻率的测定： 当地表由两个异性点电源当地表由两个异性点电源A（+I）、）、B（-I）供电时，地表测点）供电时，地表测点M、N处的电位：处的电位：LSIULRSMN)()11(2

13、)11(2BNANIUBMAMIUNMM、N两点的电位差：两点的电位差： 令：令：则均匀大地电阻率为：则均匀大地电阻率为：式中，式中，K为装置系数为装置系数。)1111(2BNBMANAMIUUUNMMNBNBMANAMK11112IUKMN 2、视电阻率、视电阻率 若进行测量的地段地下岩石电性分布不均匀时，若进行测量的地段地下岩石电性分布不均匀时，上式计算出的电阻率称为视电阻率，它不是岩上式计算出的电阻率称为视电阻率，它不是岩石的真电阻率，是地下岩石电性不均匀体的综石的真电阻率，是地下岩石电性不均匀体的综合反映，通常以合反映，通常以 s s表示：表示：IUKMNs视电阻率视电阻率 s s的微

14、分表示：的微分表示：由欧姆定律微分形式和电由欧姆定律微分形式和电 场强度定义，得场强度定义，得 则测量电极则测量电极M、N间视电阻率间视电阻率 s s为：为： MNMNMNMNsdljIKIUKdrdUEEjr 当当M、N间距离很小时，可以认为电流密度间距离很小时，可以认为电流密度jMN、岩石电阻率岩石电阻率 MNMN为常量，则：为常量，则：当当地下岩石电性均匀时：地下岩石电性均匀时：所以：所以：MNMNMNMNMNsjIMNKdljIK001,jIMNKjjMNMNsMNMNMNMNsjjjIMNK0视电阻率与地电断面性质的关系视电阻率与地电断面性质的关系(a)均匀介质均匀介质 (b)围岩中

15、赋存良导矿体围岩中赋存良导矿体 (c)围岩中赋存高阻岩体围岩中赋存高阻岩体第二节 电测深法一、地电断面的概念 由不同电性层所构成的断面。二、电测深法装置二极装置（二极装置（AM）：）： 特点：将特点：将B、N极置于极置于“无穷远无穷远”处接地。取处接地。取AM中中 点为记录点。点为记录点。IUKAMKMAMsAM2三极装置（三极装置（AMN）：）： 特点：只将特点：只将B极置于极置于“无穷远无穷远”处接地，取处接地，取MN中点为记录点。中点为记录点。IUKMNANAMKMNAMNsAMN2对称四极装置对称四极装置（AMNB）：）： 特点：特点：AM=BN，取，取MN中点为记录点。中点为记录点。

16、IUKMNANAMKMNABABsAB偶极装置偶极装置（ABMN）：）： 特点：特点：AB、MN为分开的偶极，取为分开的偶极，取OO中点为记录点。中点为记录点。IUKBNBMANAMMNBNBMANAMKMNoooosoo)(2二、电测深法电阻率测深法：电阻率测深法：测量电极测量电极MN固定，不断增大供电固定，不断增大供电 电极电极AB电极距，逐次观测。电极距，逐次观测。特点：特点：随供电电极距的加大，逐次观测的视电阻率随供电电极距的加大，逐次观测的视电阻率 反映了地下电性层随深度增大变化的分布特反映了地下电性层随深度增大变化的分布特 征。但在实际测量中，征。但在实际测量中， AB极距不断加大

17、，极距不断加大， 测测 量电极量电极MN固定不变，固定不变，UMN 将逐渐小到不可测，将逐渐小到不可测， 通常要求：通常要求：ABMNAB301311、电阻率测深法的实质、电阻率测深法的实质电阻率测深大多采用电阻率测深大多采用对称四极装置对称四极装置IUKMNANAMKMNABABsAB特点：特点：AM=BN，取，取MN中点为记录点中点为记录点双对数坐标纸 8 976543218 976543218 976543218 976543218 976543218 976543218 976543218 976543212345678912345678912345678912345678912345

18、67891234567892、电测深曲线、电测深曲线水平二层电测深曲线类型水平二层电测深曲线类型 G G型：型： D D型：型：212121水平三层电测深曲线类型图水平三层电测深曲线类型图H H型型: Q: Q型型: : A A型型: K: K型型: :321321321321水平二层电测深曲线量板水平二层电测深曲线量板及其使用及其使用水平水平三三层电测深曲线量板层电测深曲线量板3、电测深曲线的解释、电测深曲线的解释（1）电测深曲线类型分析）电测深曲线类型分析（2）电测深曲线特征研究）电测深曲线特征研究（3）断层在电测深曲线上的反映）断层在电测深曲线上的反映（4）电测深曲线的定量解释）电测深曲

19、线的定量解释4、电测深定性图件的绘制及解释、电测深定性图件的绘制及解释（1）曲线类型图）曲线类型图（2）等视电阻率断面图）等视电阻率断面图（3）等视电阻率平面图）等视电阻率平面图5、电测深法的应用、电测深法的应用电阻率测深的应用电阻率测深的应用 电阻率测深断面图电阻率测深断面图 1-1-粘土；粘土；2-2-泥灰岩；泥灰岩；3-3-岩溶泥灰岩岩溶泥灰岩 4-4-砂层；砂层；5-5-粘土；粘土； 6-6-电阻率等值线电阻率等值线 7-7-断层；断层；8-8-煤层煤层第三节 电剖面法一、电剖面法装置 包括多种装置类型，如二极装置、包括多种装置类型，如二极装置、 三极装置、三极装置、联合装置、对称四极

20、联合装置、对称四极 装置、偶极装置等。装置、偶极装置等。特点：特点：各电极之间保持一定距离，同时沿测线移各电极之间保持一定距离，同时沿测线移 动，逐点观测动，逐点观测UMN 、 I、 计算测线之下地电计算测线之下地电 断面断面视电阻率视电阻率 s s沿测线方向的沿测线方向的综合综合变化。变化。二极装置（二极装置（AM）：）： 特点：将特点：将B、N极置于极置于“无穷无穷远远”处接地。取处接地。取AM中中 点为记录点。点为记录点。IUKAMKMAMsAM2三极装置（三极装置（AMN）：）： 特点：只将特点：只将B极置于极置于“无穷远无穷远”处接地，将处接地，将AMN沿测沿测线线 排列逐点观测。排

21、列逐点观测。 取取MN中点为记录点。中点为记录点。IUKMNANAMKMNAMNsAMN2联合剖面装置联合剖面装置（AMN&MNB）：）： 特点：两个三极装置特点：两个三极装置 联合，联合，C极为极为“无穷远无穷远”。MN中点为记录中点为记录点。点。BMNBBBsAMNAAAsBAIUKIUKMNANAMKK,2对称四极装置对称四极装置（AMNB）：）： 特点：特点：AM=BN，取，取MN中点为记录点。中点为记录点。IUKMNANAMKMNABABsAB偶极装置偶极装置（ABMN）：）： 特点：特点：AB、MN为分开的偶极，取为分开的偶极，取OO中点为记录点。中点为记录点。IUKBNBMANA

22、MMNBNBMANAMKMNoooosoo)(2中间梯度法中间梯度法：供电电极：供电电极A、B相距很远且固定，测相距很远且固定，测 量电极量电极MN在在AB中段中段1/3范围内逐范围内逐点点 特点：特点：半无限介质条件下，半无限介质条件下，AB中部电场中部电场 近似均匀，近似均匀，AB固定不动，固定不动，MN沿剖沿剖 面移动，逐点观测面移动，逐点观测UMN 、 I，计算，计算视视 电阻率电阻率 s s ，得地电断面沿水平方，得地电断面沿水平方 向的变化曲线。向的变化曲线。中间梯度装置中间梯度装置主测线上装置系数主测线上装置系数K和和视电阻率视电阻率 s s ：IUKBNBMANAMMNBNBM

23、ANAMKMNMNMNsMN)(2二、四极对称电剖面法对称四极装置对称四极装置（AMNB）：）： 特点：特点：AM=BN，取，取MN中点为记录点中点为记录点IUKMNANAMKMNABABsAB三、联合剖面法联合剖面装置联合剖面装置（AMN&MNB）：）：特点：两个三极装置特点：两个三极装置 联合，联合，C极为极为“无无 穷穷 远远”。MN中点为记录点。中点为记录点。BMNBBBsAMNAAAsBAIUKIUKMNANAMKK,2良导球体上联合剖面视电阻率剖面图良导球体上联合剖面视电阻率剖面图 第四节 高密度电阻率法1、 基本原理 高密度电阻率法是二十世纪八十年代才发展起来的一种新型阵列勘探方

24、法，是基于静电场理论，以探测目标体的电性差异为前提进行的。该方法采集数据信息量大，可进行层析成象计算，成图直观，可视性强，采集装置种类多，仪器轻便。该方法在不同领域受到广泛的应用。山东科技大学第四节 高密度电阻率法/2uas/3uas山东科技大学 /6uas 第四节 高密度电阻率法第四节 高密度电阻率法 山东科技大学第四节 高密度电阻率法第四节 高密度电阻率法2、工作方法技术 具体测量方法为：首先以固定点距沿井下巷道测线布置一系列电极，电极通过多芯电缆经转换开关接到仪器上，通过转换开关改变装置类型，一次完成该测点上各种装置形式的观测，一个测点观测完后，通过开关转换到下一相邻测点对应的电极，以相

25、同方法进行该点观测，直到某一电极间距的整条剖面观测完为止。改变电极间距，重复以下观测，直到有所不同电极间距的剖面观测完为止。 点距的选择主要依据探测精度要求，精度要求越高应越小。最大电极距大小，决定于预期探测深度，探测深度越深，要求越大，但一般隔离系数 最大值不超过15为好，当然，由于一条剖面测点总数是固定的，因此当极距扩大时，反映不同勘探深度的测点数将依次减少。第四节 高密度电阻率法 山东科技大学 3、资料处理和正演模拟4、高密度电阻率资料的反演 （图见下页） 第四节 高密度电阻率法 山东科技大学井下巷道超前探测简介在桩号1030米位置为低阻显示，说明该位置顶板三灰富水，这也与该位置顶板淋水

26、一致；巷道迎头位置以及前方80米范围为高阻显示，说明该地段地层富水性差；迎头出水估计与后方的1030米位置富水区有关，在迎头位置右侧电阻率有相对低阻显示，说明迎头出水通过该位置与后方的1030米位置富水区联系；巷道迎头前方80米以远为低阻显示，说明迎头前方80米以远地层富水性强 。-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050607080-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050607080102030102030井下巷道超前探测简介-90-80-70-60-50-40-30-20-100102030405060708090100

27、110-90-80-70-60-50-40-30-20-100102030405060708090100110102030102030井下三维电法勘探简介井下三维电法勘探简介 山东科技大学井下三维电法勘探简介 山东科技大学第五节第五节 激发极化法、充电法、自然电场法激发极化法、充电法、自然电场法1、激发极化法、激发极化法 激发极化效应（激电效应）：激发极化效应（激电效应）：在充电和放电在充电和放电 过程中产生随时间缓慢变化的附加电场现过程中产生随时间缓慢变化的附加电场现象。象。一次电位差：一次电位差：无激电效应时稳定电流形成的电位差无激电效应时稳定电流形成的电位差U1。 不随时间变化。不随时间

28、变化。二次电位差：二次电位差：激发极化产生电位差激发极化产生电位差U2（T）。随时间非线性）。随时间非线性 变化，充电时从零逐渐增大，放电时逐渐减为变化，充电时从零逐渐增大，放电时逐渐减为零。零。总场电位差：总场电位差：一次电位差和二次电位差的和一次电位差和二次电位差的和 U（T）= U1+ U2（T） U2（T）= U（T）- U（0）极化率极化率：表征体极化介质的激电性质，与电流无关，表征体极化介质的激电性质，与电流无关， 与供电时间与供电时间T和测量延迟时间和测量延迟时间t有关。有关。 极化率是百分数表示的无量纲参数。提到极化极化率是百分数表示的无量纲参数。提到极化率时必须指出其供电时间

29、率时必须指出其供电时间T T和测量时间和测量时间t t。 岩矿石极化率主要取决于所含电子导电矿物岩矿石极化率主要取决于所含电子导电矿物的体积百分含量，含量增高激电效应增强。的体积百分含量，含量增高激电效应增强。%100)(),(),(2TUtTUtT2、充电法、充电法 当理想导体被充电后，不产生电位降，导体当理想导体被充电后，不产生电位降，导体内电位处处相等。内电位处处相等。许多金属矿体、高矿化度的地下许多金属矿体、高矿化度的地下水等，电阻率较低，可以看作为理想导体。当它们局部水等，电阻率较低，可以看作为理想导体。当它们局部出露时，如果向露头充电，观测其充电电场，便可以推出露时，如果向露头充电

30、，观测其充电电场，便可以推断整个地下良导电地质体的电性分布，解决地质问题。断整个地下良导电地质体的电性分布，解决地质问题。 充电电场与充电点位置无关，只决定于充充电电场与充电点位置无关，只决定于充电电流大小、充电导体形状、产状、大小及周围电电流大小、充电导体形状、产状、大小及周围介质的电性分布。介质的电性分布。 理想导电椭球体充电电场是与该椭球体表理想导电椭球体充电电场是与该椭球体表面共焦的椭球面簇。面共焦的椭球面簇。3、自然电位法（自然电场法）、自然电位法（自然电场法） 岩石和矿石的自然极化：岩石和矿石的自然极化：破坏电中性、正负破坏电中性、正负电子彼此分离、极化、形成自然电场。电子彼此分离

31、、极化、形成自然电场。 电子导体的自然极化：电子导体的自然极化：导体或溶液具有不均导体或溶液具有不均 性，形成氧化性，形成氧化-还原电还原电 场。场。 离子导体的自然极化离子导体的自然极化：动电效应产生的流动电动电效应产生的流动电 位。过位。过 滤电场。与地下水流向和地滤电场。与地下水流向和地 下水下水-地表水补给有关。地表水补给有关。 多孔介质岩石中，过滤电场电位异常的估算式多孔介质岩石中，过滤电场电位异常的估算式： 式中式中:w为地下水电阻率，为地下水电阻率，P地下水流的水压差（地下水流的水压差（kPa）。）。PUw77max第六节地磁感应类电法：电磁剖面法、电磁测深第六节地磁感应类电法：

32、电磁剖面法、电磁测深法法1、电磁法理论基础、电磁法理论基础 交变电磁场中岩矿石电磁学性质：交变电磁场中岩矿石电磁学性质：传导电流：与电阻率传导电流：与电阻率有关。有关。位移电流：与介电常数位移电流：与介电常数有关。有关。介电常数介电常数：真空中：真空中8.85 10-12F/m磁导率磁导率: 真空中真空中4 10-7H/mEDHBtEEjjjD 均匀交变电磁场在导电介质中的传播均匀交变电磁场在导电介质中的传播:麦克斯韦方程组：麦克斯韦方程组： 式中：式中：H为磁场强度，为磁场强度，E为电场强度，为电场强度，D为电位移，为电位移，B为磁为磁 感应强度，感应强度，j为传导电流密度，为传导电流密度，

33、q为自由电荷，为自由电荷， dD/dt为位移电流密度。为位移电流密度。qDBtBEtDjH0EDHBEj 在电法勘探中，导电介质内：在电法勘探中，导电介质内：可得电极方程：可得电极方程：高频场、高阻介质，上式右端第一项可忽略。这时方程变高频场、高阻介质，上式右端第一项可忽略。这时方程变为纯波动型的。为纯波动型的。低频场、良导介质，上式右端第二项可忽略，方程变为热低频场、良导介质，上式右端第二项可忽略，方程变为热传导型的（或扩散性的）传导型的（或扩散性的）。0 D222222tEtEEtHtHH由此可见，在导电的强吸收介质中，电磁扰动的传播是不由此可见，在导电的强吸收介质中，电磁扰动的传播是不按

34、波动规律的，而是按着扩散规律传播的。按波动规律的，而是按着扩散规律传播的。 2、地下交变电磁场的结构特点、地下交变电磁场的结构特点 a、谐变场的传播：、谐变场的传播： 谐变场的结构特点：谐变场的结构特点：谐变场是频率域法中谐变场是频率域法中常用的波场。其中场强、电流密度以及其它量常用的波场。其中场强、电流密度以及其它量均按余弦或正弦规律变化。均按余弦或正弦规律变化。titieEEeHH00谐变场的传播：谐变场的传播：其微分方程其微分方程亥姆霍兹齐次方程亥姆霍兹齐次方程 式中式中k称为波数（或传播系数）。称为波数（或传播系数）。 在导电介质中忽略位移电流时：在导电介质中忽略位移电流时：EkEHk

35、H2222iiqk22在不同介质的分界面上，即在在不同介质的分界面上，即在 或或 出现不连续出现不连续处，满足边界条件：处，满足边界条件： 脚标脚标 t 表示切向分量，表示切向分量，n 表示法分量。表示法分量。nnnnttttBBEDHHEE21212121 谐变场的激发：谐变场的激发：借肋于交流电的发射装置，如振荡器、借肋于交流电的发射装置，如振荡器、 发电机等，在地中及空气中建立谐变场。激发方式一发电机等，在地中及空气中建立谐变场。激发方式一般为接地式的和感应式。般为接地式的和感应式。接地式：与直流电法一样利用接地式：与直流电法一样利用A、B供电电极将交流电源供电电极将交流电源 直接接到大

36、地，激发出交变电磁场。直接接到大地，激发出交变电磁场。感应式：在地表敷设通有交变电流的不接地回线或者多匝感应式：在地表敷设通有交变电流的不接地回线或者多匝 的小型发射线圈的小型发射线圈磁偶极子，激发出交变电磁偶极子，激发出交变电 磁场。磁场。谐变场激发方式谐变场激发方式 均匀大地表面上谐变偶极子场源的电磁场：均匀大地表面上谐变偶极子场源的电磁场：x、y轴轴位于水平面内，位于水平面内，z轴向下，在电阻率为轴向下，在电阻率为的均匀大地表面上：的均匀大地表面上： 式中式中I0、K0、I1、K1为贝塞尔函数，为贝塞尔函数，r为收为收-发距，发距，k为传播系数，为传播系数，PE为电偶极距，为电偶极距，

37、为为r方向与方向与x轴的夹角。轴的夹角。3)33(1sin2)(sin2)sin41(2)(8cossin40cossin23)1 (2cos3222240110211220110113323krEzEyExzEykrExerkkrkrPHKIKIkrKIrPHKIKIkrKIrPHErPEekrrPE b、平面电磁波的传播：、平面电磁波的传播： 平面电磁波的结构特点：平面电磁波的结构特点：在无限均匀介质中，在无限均匀介质中，同一相位面为平面的电磁波称为平面电磁波。若同一相位面为平面的电磁波称为平面电磁波。若在这一平面上场振幅为常数，则称为均匀平面电在这一平面上场振幅为常数，则称为均匀平面电磁

38、波，否则为非均匀平面电磁波。磁波，否则为非均匀平面电磁波。 平面电磁波的传播：平面电磁波的传播：在电阻率为在电阻率为的均匀介质中选的均匀介质中选择择X和和Y轴位于波的极化平面上，轴位于波的极化平面上，Z轴位于波的传播方向轴位于波的传播方向上，则电磁场的分量为：上，则电磁场的分量为：上式为复数式，且沿上式为复数式，且沿z轴的正方向按指数规律衰减轴的正方向按指数规律衰减.) 1)(1(21) 1)(1(210,0,221111111iiabkEeCiEeCiEHekCHekCHZzkyyzkxxZzkxyzkyxEx分量振幅和相位分别为：分量振幅和相位分别为： b为振幅衰减系数，为振幅衰减系数，a

39、为相位系数。为相位系数。 电场沿电场沿Z轴方向前进轴方向前进1/b距离时，振幅衰减为距离时，振幅衰减为1/e倍。倍。习惯上将距离习惯上将距离1/b称为电磁波的趋肤深度。称为电磁波的趋肤深度。2)()2(aztteCEeeCEbzxxzatibzxx趋肤深度亦可写为：趋肤深度亦可写为： 电磁波的趋肤深度随电阻率的增加和频率的降低电磁波的趋肤深度随电阻率的增加和频率的降低而增大。所以，为了进行深部地质调查应采用较低的而增大。所以，为了进行深部地质调查应采用较低的工作频率。工作频率。 mfHzm503 平面电磁波传播中的波阻抗平面电磁波传播中的波阻抗Z： 在均匀介质中电场在相位上落后于磁场在均匀介质

40、中电场在相位上落后于磁场/4。这是通。这是通过测量相互正交的电场和磁场分量确定介质电阻率的计算过测量相互正交的电场和磁场分量确定介质电阻率的计算公式。如果介质为非均匀的，则计算的电阻率为视电阻率公式。如果介质为非均匀的，则计算的电阻率为视电阻率。如果介质电阻率为已知，则可确定介质的磁导率。如果介质电阻率为已知，则可确定介质的磁导率。2241;1ZZeZiiiZi c、瞬变场的传播：、瞬变场的传播： 瞬变场的结构特点：瞬变场的结构特点：瞬变场是指那些在阶跃电流瞬变场是指那些在阶跃电流 源作用下，地中产生的过渡源作用下，地中产生的过渡 过程感应电磁场。因为这一过程感应电磁场。因为这一 过渡过程的场

41、具有瞬时变化过渡过程的场具有瞬时变化 的特点，故取名为瞬变场。的特点，故取名为瞬变场。 瞬变场的激发：瞬变场的激发：与谐变场情况一样，其激发方向也有与谐变场情况一样，其激发方向也有 接地式和感应式两种。在阶跃电流接地式和感应式两种。在阶跃电流 （通电或断电）的强大变化磁场作（通电或断电）的强大变化磁场作 用下，良导介质内产生涡旋的交变用下，良导介质内产生涡旋的交变 电磁电磁 场，其结构和频谱在时间与空场，其结构和频谱在时间与空 间上均连续地变化。间上均连续地变化。谐变场和瞬变场涡旋电流结构谐变场和瞬变场涡旋电流结构 瞬变场的参数：瞬变场的参数：瞬变电磁场状态的基本参数是时间。瞬变电磁场状态的基

42、本参数是时间。 这一时间依赖于岩石的导电性和收这一时间依赖于岩石的导电性和收 发距。研究瞬变电磁场随时间的发距。研究瞬变电磁场随时间的 变化规律，可探测具有不同导电性变化规律，可探测具有不同导电性 的地层分布纵向电导。也可以发现的地层分布纵向电导。也可以发现 地下赋存的较大的良导矿体。地下赋存的较大的良导矿体。 在频率域中电场强度按指数规律衰减。在频率域中电场强度按指数规律衰减。均匀大地表面上阶跃偶极子场源的电磁场均匀大地表面上阶跃偶极子场源的电磁场（瞬变电磁法的理论基础）（瞬变电磁法的理论基础）远区（早期）的瞬变电场规律：波区范围内电场强度与介远区（早期）的瞬变电场规律：波区范围内电场强度与

43、介质电阻率成正比质电阻率成正比近区（晚期）的瞬变电场规律：近区（晚期）的瞬变电场规律： 41022rPEMt25031)(40trPEMt3、 电磁剖面电磁剖面法法电磁剖面法电磁剖面法：主要应用于矿床普查、地质填图、工程地主要应用于矿床普查、地质填图、工程地 质、水文地质调查。可分为人工主动源质、水文地质调查。可分为人工主动源 电磁剖面法和被动源方法两类：电磁剖面法和被动源方法两类： a 、人工主动源电磁剖面法人工主动源电磁剖面法： 研究深度为几十米到一、二百米。研究深度为几十米到一、二百米。 包括包括不接地回线法、电磁偶极剖面法、航空电磁法不接地回线法、电磁偶极剖面法、航空电磁法 等。等。

44、这些方法这些方法 既可在频率域中采用，也可在时间域中采用。既可在频率域中采用，也可在时间域中采用。航空电磁法航空电磁法：在实际工作中，航空电磁法不局限于直找矿，：在实际工作中，航空电磁法不局限于直找矿，应用范围较广。应用范围较广。 b、被动源电磁剖面法：主要有、被动源电磁剖面法：主要有甚低频法甚低频法和和大地电磁法大地电磁法。 甚低频法甚低频法：世界上许多国家为了潜艇通讯及导航目的，设立了：世界上许多国家为了潜艇通讯及导航目的，设立了强功率的长波电台。其发射频率在强功率的长波电台。其发射频率在1525kHz范围内，甚低频范围内，甚低频电台发射的电磁波，在远离电台地区可视为典型的电台发射的电磁波

45、，在远离电台地区可视为典型的平面波平面波。这。这种电磁波适合做电导率填图，还可用于探测大的断层、破碎带、种电磁波适合做电导率填图，还可用于探测大的断层、破碎带、石墨化地层和矿化带，在有利条件下还可探测浸染和块状硫化石墨化地层和矿化带，在有利条件下还可探测浸染和块状硫化矿。矿。 大地电磁剖面法大地电磁剖面法：研究深度可达到结晶基底，可提供研究区域的：研究深度可达到结晶基底，可提供研究区域的基础资料。基础资料。4、 电磁测深法电磁测深法：根据电磁感应原理研究天然或人工根据电磁感应原理研究天然或人工 （可控）场源在大地中激励的电磁（可控）场源在大地中激励的电磁 场场 分布，由观测到的电磁场值来研究地

46、分布，由观测到的电磁场值来研究地 电参数沿深度的变化。电参数沿深度的变化。目前常用方法包括：目前常用方法包括：天然大地电磁测深方法、人工源天然大地电磁测深方法、人工源 频率电磁测深方法（简称频率测频率电磁测深方法（简称频率测 深法）、人工源瞬变电磁测深方深法）、人工源瞬变电磁测深方 法（简称瞬变测深法）法（简称瞬变测深法）。天然大地电磁测深方法、人工源频率电磁测深方法天然大地电磁测深方法、人工源频率电磁测深方法（简称频（简称频 率测深法）、率测深法）、可控源音频大地电磁测深法可控源音频大地电磁测深法（ CSAMT）属于频率属于频率域方法，通过改变频率来控制探测深度。域方法，通过改变频率来控制探

47、测深度。人工源瞬变电磁测深方法人工源瞬变电磁测深方法（简称瞬变测深法）（简称瞬变测深法）为时间域方法。为时间域方法。应用方向：应用方向：在我国，在我国，电磁测深方法主要用于观测地壳和上地幔物电磁测深方法主要用于观测地壳和上地幔物 质结构、普查石油天然气、煤田、地热田、寻找地质结构、普查石油天然气、煤田、地热田、寻找地 下水和金属矿产过程。下水和金属矿产过程。大地电磁测深法大地电磁测深法：设平面电磁波垂直射入地面，：设平面电磁波垂直射入地面， n层水平层水平层状介质的层厚度为层状介质的层厚度为hn，电阻率，电阻率 n，界面深度，界面深度dn，每，每层波数层波数kn。对于任意层，场变量的基本方程为

48、：对于任意层，场变量的基本方程为：根据均匀场的特点，由亥姆霍兹方程得电磁场的解为：根据均匀场的特点，由亥姆霍兹方程得电磁场的解为：)(1(E;222AkAiAHAkA)()()()(kzykzyykzxkzxxkzxkzxykzykzyxebeaiEebeaiEebeakHebeakH对于任意层，阻抗为：对于任意层，阻抗为：设第推函数设第推函数Rn为：为： 则第一水平层阻抗则第一水平层阻抗Z1、电阻率、电阻率 1和地表阻抗和地表阻抗Z10关系可写为：关系可写为：nyxnHEZ )(11nnnnnnRkkarthhkthR2010111011ZRkiZ 由上式，得出大地电磁法所测得的视电阻率的模

49、或振由上式，得出大地电磁法所测得的视电阻率的模或振幅具有以下形式：幅具有以下形式：按这种方法确定的视电阻率称为按这种方法确定的视电阻率称为卡尼亚视电阻率卡尼亚视电阻率。大大地地电电磁磁测测深深两两层层曲曲线线2101ZT大大地地电电磁磁测测深深三三层层曲曲线线频率电磁测深法频率电磁测深法：采用电或磁偶极场源，：采用电或磁偶极场源，用改变频率的方用改变频率的方法来控制探测深度法来控制探测深度，而不用增加供电电极距，而不用增加供电电极距AB。对。对地层的分辩力强；勘探深度较大等。近年来，频率深地层的分辩力强；勘探深度较大等。近年来，频率深法已成为国内外应用较广的一种测深方法。法已成为国内外应用较广

50、的一种测深方法。 频率测深视电阻率：频率测深视电阻率：s为接收线框面积，为接收线框面积，n为匝数。为匝数。ABnsrKMNABrKIUKIUKzxzzxxHEHHEE3243K型断面频率测深曲线型断面频率测深曲线A型断面频率测深曲线型断面频率测深曲线H型断面频率测深曲线型断面频率测深曲线可控源音频大地电磁测深法可控源音频大地电磁测深法原理 CSAMT法是可控源音频大地电磁法的简称。该方法是九十年代才兴起的一种地球物理新技术，它基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组导出了水平电偶极源在地面上的电场及磁场公式视电阻率 (s )公式 山东科技大学 2251yssHEf可控源音频大地电磁测深法 山东科技大

51、学 根据电磁波的趋肤效应理论，导出了趋肤深度公式 fH256 可控源音频大地电磁测深法从上式可见，当地表电阻率固定时，电磁波的传播深度（或探测深度）与频率成反比，高频时，探测深度浅，低频时，探测深度深。人们可以通过改变发射频率来改变探测深度，达到频率测深的目的。九十年代，加拿大凤凰公司和美国的宗吉公司根据这一理论首先研究制造了CSAMT的测量仪器系统，编制了软件，建立了野外工作方法（见下图）。 山东科技大学 可控源音频大地电磁测深法接 收 机测 量 线AB4 km2-4 km4-8 km60发 射 机TransmitterSurvey lineReceiver山东科技大学可控源音频大地电磁测深

52、法- 1 0 0 0- 9 5 0- 9 0 0- 8 5 0- 8 0 0- 7 5 0- 7 0 0- 6 5 0- 6 0 0- 5 5 0- 5 0 0- 4 5 0- 4 0 0- 3 5 0- 3 0 0- 2 5 0- 2 0 0- 1 5 0- 1 0 0- 5 00D e p t h ( m )- 1 0 0 0- 9 0 0- 8 0 0- 7 0 0- 6 0 0- 5 0 0- 4 0 0- 3 0 0- 2 0 0- 1 0 00141 01 52 03 04 05 06 08 08 59 09 51 0 01 0 51 1 01 1 51 2 01 3 01 4 0

53、1 5 06 0 7 0 8 0 9 0 1 0 06 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0山东科技大学可控源音频大地电磁测深法 CSAMT法具有如下的一些特点： （1）使用可控制的人工场源，信号强度比天然场要大得多，因此可在较强干扰区的城市及城郊开展工作。 （2）测量参数为电场与磁场之比，得出的是卡尼亚电阻率。由于是比值测量，因此可减少外来的随机干扰，并减少地形的影响。 （3）基于电磁波的趋肤深度原理，利用改变频率进行不同深度的电测深，大大提高了工作效率，减轻了劳动强度，一次发射，可同时完成七个点的电磁测深。 （4）勘探深度范围大，一般可达12Km； （5）横向分辨率高，可灵敏地发现断层；

54、 （6）由于接收机在接收电场的同时还要接收磁场，因此高阻屏蔽作用小，可穿透高阻层。 山东科技大学 瞬变电磁测深法瞬变电磁测深法 即时间域瞬变电磁测深法，是近年来发展很快的即时间域瞬变电磁测深法，是近年来发展很快的 电法勘探的分支方法电法勘探的分支方法 。应用方法：应用方法：在阶跃脉冲作用下，良导地层中产生的瞬变涡在阶跃脉冲作用下，良导地层中产生的瞬变涡 流电磁场持续时间较长，流电磁场持续时间较长，所以在沉积岩地层所以在沉积岩地层 内寻找和确定良导地层空间状态时可给出较内寻找和确定良导地层空间状态时可给出较 好的结果。因此，好的结果。因此，瞬变测深法主要用于用于瞬变测深法主要用于用于 解决油天然

55、气、煤系以及地热勘探等地质问解决油天然气、煤系以及地热勘探等地质问 题。题。水平层状大地的瞬变电磁测深法计算公式：水平层状大地的瞬变电磁测深法计算公式： 对于水平多层介质的瞬变电磁测深计算公式，多采用对于水平多层介质的瞬变电磁测深计算公式，多采用余弦变换或逆拉氏变换方法求解。余弦变换或逆拉氏变换方法求解。111121222212111111QeQeQRdieRhkhktiT三层瞬变电磁测深曲线三层瞬变电磁测深曲线(a)H型断面测深曲线型断面测深曲线;(b)K型断面测深曲线型断面测深曲线;(c)A型断面测深曲线型断面测深曲线;(d)Q型断面测深曲线型断面测深曲线瞬变电磁测深法的特点瞬变电磁测深法

56、的特点(1)由于TEM是在无一次场背景情况下观测二次场，即观测的是纯异常，自动消除了FEM中的主要噪声源装置耦合噪声，从而提高了探测精度。(2) 装置形式灵活多样，可随不同工程任务的要求和施工场地的条件来选择合适的装置。具有施工方便、测地工作简单、工作效率高及地质效果好等优点。使用同点装置工作，与欲探测的地质对象能达到最佳的耦合，取得的异常幅度强、形态简单、分层能力强，从而具有较高的探测能力，并且受到旁测地质体的影响也是最小的。(3)对于受到导电围岩及导电覆盖层等地质噪声干扰的“矿异常”的区分能力优于FEM。在高阻围岩条件下，不存在地形起伏引起的假异常；低阻围岩起伏地形引起的异常也比较容易识别。 (4)在TEM测量中，对于线框铺设的点位、方位及形状等的要求相对于FEM可以放宽，测地工作简单