电场和电磁场

1、地球物理学概论地球物理学概论地电场和电法勘探地电场和电法勘探中国地质大学（武汉）中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院地球物理与空间信息学院 它是以岩、矿石的它是以岩、矿石的电学性质（如导电性）差异为基为基础，通过观测和研究与这些电性差异有关的（天然或础，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，称为有用矿产的一种物探方法，称为“电法电法”。什么是电法勘探：什么是电法勘探：电法勘探的特点：可用电法勘探的特点：可用“三多三多”、“两广两广”来慨括来慨括三多：三多：导电性（ 或

2、）电化学活动性（）介电性（）导磁性（）可利用的物可利用的物性参数多性参数多利用场源多利用场源多人工场源天然场源直流电（稳定场）交电流（交变场）传导类电法勘探（直传导类电法勘探（直流电法）研究稳定电流电法）研究稳定电流场流场感应类电法勘探（交感应类电法勘探（交流电法）研究交变电流电法）研究交变电流场流场电阻率法电阻率法*充电法充电法自然电场法自然电场法激发极化法激发极化法方法方法种类多种类多低频电磁法低频电磁法频率测深法频率测深法甚低频法甚低频法电磁波法电磁波法大地电磁法大地电磁法两广两广应用空间广应用空间广应用范围广应用范围广航空航空地面地面海洋海洋井中井中金属和非金属矿金属和非金属矿油气勘探

3、油气勘探地质填图地质填图水文与工程水文与工程深部构造（地壳、地幔）深部构造（地壳、地幔）电法勘探的应用 各种电法勘探方法是适应不同地质任务的需要而各种电法勘探方法是适应不同地质任务的需要而发展起来的。它们广泛地应用于各种地质工作中，发展起来的。它们广泛地应用于各种地质工作中，不仅可以不仅可以寻找金属及非金属矿产寻找金属及非金属矿产，还可以进行地，还可以进行地质填图，质填图，查明地下地质构造、寻找油气田、煤田查明地下地质构造、寻找油气田、煤田和地下水和地下水等。此外，电法勘探还用于地壳及上地等。此外，电法勘探还用于地壳及上地幔的研究之中。近年来，一些建立在电法勘探基幔的研究之中。近年来，一些建立

4、在电法勘探基本原理基础之上的新方法如本原理基础之上的新方法如管线探测管线探测、探地雷达、探地雷达等广泛用于等广泛用于城市工程勘查城市工程勘查，它们在，它们在管线勘查、路管线勘查、路基、高层建筑地基及大型水电站、水库坝基勘查基、高层建筑地基及大型水电站、水库坝基勘查方面发挥了重要作用。方面发挥了重要作用。 第一节第一节 电阻率法电阻率法什么是电阻率法：什么是电阻率法：电阻率法是电阻率法是传导类传导类电法勘探方法之一。建立电法勘探方法之一。建立在地壳中各种岩矿石具有各种在地壳中各种岩矿石具有各种导电性差异导电性差异的的基础上，通过观测和研究与这些差异有关的基础上，通过观测和研究与这些差异有关的天然

5、电场或人工电场的分布规律，从而达到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。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一、电阻率法的理论基础（一）岩、矿石的电阻率（一）岩、矿石的电阻率1、电阻率基本公式、电阻率基本公式IsllsRslR2、电阻率单位、电阻率单位SI制中制中电阻电阻R（）长度（长度（m）截面积（截面积（m2）电阻率电阻率（m）3、导电机制、导电机制（1）溶液：带电离子）溶液：带电离子（2）金属导体：自由电子，）金属导体：自由电子，如自然铜、金、银和石墨，电阻率低如自然铜、金、银和石墨，电阻率低（3）半导体：）半导体：“空穴空穴”导

6、电，导电，大多数金属硫化物，金属氧化物体，电阻率较低大多数金属硫化物，金属氧化物体，电阻率较低（4）固体电解质：离子导电，绝大多数造岩矿物，）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、主要岩矿石电阻率及其变化范围 细脉状细脉状（2）岩矿石的孔隙度、湿度）岩矿石的孔隙度、湿度孔隙度孔隙度，含水量，含水量，电阻率，电阻率风化带、破碎带，含水量风化带、破碎带，含水量，电阻率，电阻率（3）水溶液矿化度）水溶液矿化度矿化度矿化度，电阻率，电阻率 （4）温度）温度温度温度T ，溶解度，溶解度，离子活

7、性，离子活性，电阻率，电阻率结冰时，电阻率结冰时，电阻率（5）压力）压力压力压力，孔隙度，孔隙度，电阻率，电阻率超过压力极限，岩石破碎，电阻率超过压力极限，岩石破碎，电阻率（6）构造层的影响）构造层的影响1 2 n t这种层状构造岩石的电阻率，这种层状构造岩石的电阻率，则具有非各向同性，即沿层理则具有非各向同性，即沿层理方向的电阻率小于垂直沿层理方向的电阻率小于垂直沿层理方向的电阻率方向的电阻率（二）均匀各向同性半空间点电源的电场（二）均匀各向同性半空间点电源的电场 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均匀各向同性半空间匀各

8、向同性半空间。即：。即：地面空气空气0 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： dv=-Edr ，E=j 地面空气空气0AB 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“供电供电电极电极”。 当供电电极供电电极的大小比它们与关测点的距离小得多时，可把两个供电电极供电电极看成两个“点点”，故又将它们称为“点电源点电源”P1、一个点电源的电场、一个点电源的电场地面空气空气AB Mr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。地下距A为的点M处的电流密度为：)(2

9、2MArrrrIjM指向由电场强度为：rrrIjEM22电位为： rIV22、两个异性点电源的电场、两个异性点电源的电场在任意点在任意点M处的，可按场的叠加原理知：处的，可按场的叠加原理知：)11(2)11(2)1-1(22222BMMBBMAMMAAMIEBMMBBMAMMAAMIjjjBMAMIVVVMBMAMMBMAMM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；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。而在两极中央地段，场的分布较均匀，变化较平缓。在在AB的中点，的中点，V=0，中点左边，中点左边V为正，右边为负；为正

10、，右边为负；（三）地下电流沿深度的分布规律（三）地下电流沿深度的分布规律A(I)B(-I)MhOLLAMjhjBMjBMAMhjjjBMAhjhLIj)(2222/322)(cos2hLLIjjAhhjh 的方向平行于地表的方向平行于地表上式表明，上式表明，AB中垂线上任意一点中垂线上任意一点M处处 j 的大小，除与的大小，除与I 有关外，有关外，还与还与M点的深度（点的深度（h）及电极距大小有关）及电极距大小有关当当 h， jh 0当当 h0，2001LIjjhh令令即当 （或者 ）时， h深度的电流密度最大，该供电电极距称为“最佳电极距最佳电极距”。例如：要使100m深处的电流密度最大，则

11、AB应大于或等于140m。0)(22/52222LhLhILjh2/hL hAB2h 不变不变2/320)/(1 (1LhjjhL 不变不变（四）电阻率公式及视电阻率（四）电阻率公式及视电阻率1、（均匀大地）电阻率公式、（均匀大地）电阻率公式地面空气空气ABMNM、N处的电位为：)1-1(2)1-1(2BNANIUBMAMIUNM式中AM、BM、AN、BN分别A、B与M、N间的距离。上两式相减可得M、N两点间的电位差：则IUBNBMANAMMN11-1-12)11-1-1(2-BNANBMAMIUUUNMMN令则 均匀大地电阻率公式IUkMN式中的式中的 k称为称为装置系数装置系数（或布极常数

12、），单位为（或布极常数），单位为“米米”。 由于地下为均匀各向同性介质，故由于地下为均匀各向同性介质，故与与k、I的值无关。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。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形亦不是水平的，因此有必要进一步讨论非均匀条件下非均匀条件下地中地中电流场分布的情况。电流场分布的情况。BNBMANAMk11-1-122、非均匀介质中的地下电流场及视电阻率、非均匀介质中的地下电流场及视电阻率

13、地电断面地电断面：根据地下地质体电阻率的差异电阻率的差异而划分界线划分界线的断面的断面。（1）非均匀介质中的地下电流场）非均匀介质中的地下电流场 由图可见：由图可见：高阻体高阻体具有向周围具有向周围排斥电流排斥电流的作用。的作用。低阻体低阻体具有向其内部具有向其内部吸引电流吸引电流的作用。的作用。（2）视电阻率）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测量方式，仍由前述的公式计算“电阻率值电阻率值

14、”，不过，这时计，不过，这时计算出的算出的“电阻率值电阻率值”，既不是，既不是1 ，也不是，也不是2和和3，而是与三者，而是与三者都有关的一个量，称为都有关的一个量，称为“视电阻率视电阻率”，用符号，用符号s表示，即表示，即IUkMNs视电阻率视电阻率 ： 在电场有效作用范围内各种地质体在电场有效作用范围内各种地质体电阻率的综合影响值。电阻率的综合影响值。231电极装置电极装置供电电极（供电电极（A、B）及测量电极（）及测量电极（M、N）的）的排排列形式和移动方式列形式和移动方式 电极装置类型及电极距的大小电极装置类型及电极距的大小 测点相对于地质体的位置；测点相对于地质体的位置； 电场有效作

15、用范围内各种地质体的真电阻率；电场有效作用范围内各种地质体的真电阻率； 地质体的分布状态（形状、大小、埋深及相对位置）地质体的分布状态（形状、大小、埋深及相对位置） （3）影响视电阻率的因素）影响视电阻率的因素3、视电阻率的定性分析公式、视电阻率的定性分析公式视电阻率与电流密度的关系式，即视电阻率与电流密度的关系式，即MNMNsjj0式中式中 测量电极测量电极 M、N 间任意点的电流密度和介质的间任意点的电流密度和介质的真电阻率。真电阻率。 j0 为各向同性均匀介质中为各向同性均匀介质中 M、N 间的电流密度。间的电流密度。MNMNj,上式表明，上式表明，s 与与M、N间的介质的电阻率间的介质

16、的电阻率 MN 和电流密度和电流密度 jMN 成正比。成正比。12345670MNsMNjjs 剖面曲线的变化曲线的变化能清楚地反映出地下导电性不均匀体的位置导电性不均匀体的位置及电阻率的电阻率的相对高低相对高低。0MNsMNjj3、视电阻率的定性分析公式、视电阻率的定性分析公式第一节第一节 电阻率法电阻率法二、电阻率法的仪器和装备二、电阻率法的仪器和装备由视电阻率的计算公式由视电阻率的计算公式 可知，其仪器可知，其仪器功能就是测量出供电电流功能就是测量出供电电流I及测量电极及测量电极M、N间的电位差间的电位差UMN即可。即可。除仪器外，其它装备还有：除仪器外，其它装备还有：供电电极供电电极铁

17、棒或铜棒铁棒或铜棒测量电极测量电极铜棒、导线及供电电源铜棒、导线及供电电源。IUkMNs电阻率法的仪器种类很多，右图是电阻率法的仪器种类很多，右图是DZD4多功能直流电法仪，它具有如下功能多功能直流电法仪，它具有如下功能:（1）高密度电阻率法测量）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）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）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。）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电阻率法的常用电极装置类型 在电法勘查中，为了解决不

18、同的地质问题，常采用不在电法勘查中，为了解决不同的地质问题，常采用不同的装置。同的装置。 目前，我国常用的电阻率装置类型有电剖面法、中间目前，我国常用的电阻率装置类型有电剖面法、中间梯度法和电测深法。梯度法和电测深法。 电阻率剖面法简称为电剖面法。它包括许多分支装置：电阻率剖面法简称为电剖面法。它包括许多分支装置：二极装置、三极装置、联合剖面装置二极装置、三极装置、联合剖面装置 对称四极装置和对称四极装置和偶极装置等。偶极装置等。第一节第一节 电阻率法电阻率法三、电剖面法三、电剖面法装置特点装置特点：各电极间距离保持不变，使整个或部分装置沿着测线移动，逐点测量视电阻率的值。所得到的s曲线是反映

19、测线下某一深度范围内不同电性物质沿水平方向的分布情况。电阻率法电阻率法联合剖面法联合剖面法中间梯度法中间梯度法对称剖面法对称剖面法分类：分类：偶极剖面法偶极剖面法（一）联合剖面法（一）联合剖面法1、装置特点及 s 公式ABCMNO(I)(-I)AO=BO MO=NO OC 5AO在测量时，在测量时，C极固定不动，极固定不动，A、M、N、B间保持距离不变，四个间保持距离不变，四个极沿测线同时移动，逐点进行测量，测点为极沿测线同时移动，逐点进行测量，测点为M、N的中点的中点O。每。每个点测量两次，得两个个点测量两次，得两个s值值)()(MNBIUkAMNIUkBBMNBBsAAMNAAsMNANA

20、MkkBA2由于由于C极为无穷远极，它在极为无穷远极，它在M、N处产生的电位很小，故可忽略处产生的电位很小，故可忽略不计，因此，联合剖面法的电场可视为一个不计，因此，联合剖面法的电场可视为一个“点电源点电源”的电场。的电场。2、联合剖面法、联合剖面法 s 曲线特征分析曲线特征分析 讨论直立低阻薄脉上联合剖面法直立低阻薄脉上联合剖面法s 曲线特征曲线特征：MNMNsjj0由图可见：由图可见： 在直立良导薄脉顶部上方，在直立良导薄脉顶部上方， sA与与sB相交，且交点相交，且交点s sB相交相交,交点右侧交点右侧 sAsB，此交点称为联合剖面法的，此交点称为联合剖面法的“正交点正交点”（或低阻交点

21、）；（或低阻交点）； sA与与sB相交相交曲线对称，交点两侧，曲线对称，交点两侧，两条曲线明显张开。两条曲线明显张开。2 sA，交点右侧，交点右侧sBA B 该装置称为该装置称为“复合对称四极剖面法复合对称四极剖面法”。 利用该装置可以了解利用该装置可以了解同一剖面上同一剖面上两种深度范围内导电性两种深度范围内导电性有差异的地质体的分布情况有差异的地质体的分布情况。 根据场的叠加原理，易证明对称剖面法的根据场的叠加原理，易证明对称剖面法的 为联合剖面法为联合剖面法两个视电阻率（两个视电阻率（ 和和 ）值的平均值，即：）值的平均值，即： )(21BsAsABsAsBsABs对称剖面法与中间梯度法

22、都属于对称剖面法与中间梯度法都属于两个异性点电源的场两个异性点电源的场，测量电极都为于剖面的中部，属均匀场，测量电极都为于剖面的中部，属均匀场，s 异常曲线的特点异常曲线的特点与中间梯度法类似。但与中间梯度法类似。但s曲线比中间梯度的曲线比中间梯度的s曲线复杂、生产曲线复杂、生产效率低些。效率低些。 因此，一般能用中间梯度法解决的问题，就不用对称四极因此，一般能用中间梯度法解决的问题，就不用对称四极剖面法。剖面法。 从场的特点场的特点看： 由图可见：显然低阻薄脉上的对称剖面法由图可见：显然低阻薄脉上的对称剖面法s异常不如联合剖面异常不如联合剖面法的异常反映明显。法的异常反映明显。因此，一般不用

23、对称四极剖面法寻找低阻的因此，一般不用对称四极剖面法寻找低阻的薄脉状地质体薄脉状地质体。在探测基岩起伏探测基岩起伏以及地下只有一个电性界面的背斜或向斜构背斜或向斜构造造时，往往在不同的地质情况下得到类似类似的对称四极剖面法s曲线。高阻向斜（基岩凹陷）高阻向斜（基岩凹陷）低阻背斜（基岩隆起）低阻背斜（基岩隆起）对称剖面法的 s 曲线（1）判断基岩相对覆盖层是高阻还是低阻）判断基岩相对覆盖层是高阻还是低阻（2）根据大极距曲线形态勾画基岩起伏）根据大极距曲线形态勾画基岩起伏ABsBAsssBAsABs12211221|AB|=60m|AB|=30m2、对称四极剖面法的实际应用、对称四极剖面法的实际应

24、用 用用“对称剖面法对称剖面法”研究研究覆盖层下的覆盖层下的基岩起伏基岩起伏（向斜或背（向斜或背斜）和对水文、工程地质提供有关斜）和对水文、工程地质提供有关疏松层中电性不均匀体的疏松层中电性不均匀体的分布分布以及以及疏松层下的地质构造疏松层下的地质构造、划分、划分接触带、接触带、寻找寻找厚岩层厚岩层（矿体）（矿体）等。等。应用实例应用实例例1：用对称四极剖面法寻找地下古河道 某古河道两侧以及下部岩石由砂粘土组成，电阻率较低。而古河床中充填的砂卵石则为高阻。第一节第一节 电阻率法电阻率法四、电测深法四、电测深法前述的前述的电剖面法电剖面法是在测量过程中保持是在测量过程中保持AB不变，使整个或不变

25、，使整个或部分装置沿测线移动，逐点观测，以了解某一深度范围内不同部分装置沿测线移动，逐点观测，以了解某一深度范围内不同电性体电性体沿水平方向沿水平方向的分布。的分布。而而电测深法电测深法是在是在同一点上同一点上逐次扩大供电电极距，使探测逐次扩大供电电极距，使探测深度逐渐增大，以此来得到观测点处深度逐渐增大，以此来得到观测点处沿垂直方向沿垂直方向上由浅到深的上由浅到深的s变化情况。变化情况。（一）电测深法概述（一）电测深法概述最佳电极距最佳电极距地下电流沿深度的分布规律地下电流沿深度的分布规律BMAMhjjjBMAhjhLIj)(2222/322)(hLLIjh2/hL 1、电测深法的原理、电测

26、深法的原理（1）什么是电测深法：）什么是电测深法：简称电测深，又名电阻率垂向测深电阻率垂向测深。是利用岩矿石的导电性差异为基础，分析电性不同的岩层沿垂向分布沿垂向分布情况的一种电阻率方法。（2）特点：）特点：采用在同一测点上逐次扩大供电极距，使探测深度逐渐加大，从而得到观测点处视电阻率s沿垂直方向沿垂直方向上的变化情况电测深法主要用于探测水平（或倾角不超过电测深法主要用于探测水平（或倾角不超过20）产状的不同产状的不同电性层的分布（如断裂带、含水破碎带等）电性层的分布（如断裂带、含水破碎带等）2、装置形式及视电阻率公式、装置形式及视电阻率公式OABMNIUkMNsMNANAMkk随电极距的逐次

27、扩大而改变。通常采用对称四级装置AO=BO; MO=NO3、电测深曲线、电测深曲线视电阻率视电阻率s随着供电极距（随着供电极距（AB/2）变化的曲线，称为电测深曲）变化的曲线，称为电测深曲线。线。电测深曲线的特点：电测深曲线的特点：（1）每个电测深点均可以得到一条电测深曲线）每个电测深点均可以得到一条电测深曲线（2）该曲线通常以）该曲线通常以AB/2为横坐标，以为横坐标，以s为纵坐标，绘制在模为纵坐标，绘制在模数为数为6.25cm的双对数坐标纸上。的双对数坐标纸上。3、电测深曲线（二）电测深曲线的类型（二）电测深曲线的类型1、二层断面的电测深曲线类型、二层断面的电测深曲线类型（二）电测深曲线的

28、类型（二）电测深曲线的类型1、二层断面的电测深曲线类型、二层断面的电测深曲线类型水平二层断面与二层电测深曲线水平二层断面与二层电测深曲线 底层电阻率底层电阻率2的水平二层电测深曲线的水平二层电测深曲线 G型型D型型2、三层断面的电测深曲线类型、三层断面的电测深曲线类型H型型A型型K型型Q型型3、四层、四层水平水平断面的电测深曲线类型断面的电测深曲线类型H型型A型型K型型Q型型地电断面的电性层很多（例如：大于三层）时，每增加一地电断面的电性层很多（例如：大于三层）时，每增加一层，则表示电测深曲线类型的字母就增加一个。如层，则表示电测深曲线类型的字母就增加一个。如“五层五层”则用则用“三个字母三个

29、字母”来表示，例如：来表示，例如：HKH、HKQ等。等。更多的层则以此类推。当为更多的层则以此类推。当为n层时，则电测深曲线类型数为：层时，则电测深曲线类型数为：N=2n-1（如如n=4, N=8; n=5, N=16 )注意，只要地电断面中底层的电阻率相当大（注意，只要地电断面中底层的电阻率相当大（底底），），则电测深曲线尾部的渐近线总是与横轴相交成则电测深曲线尾部的渐近线总是与横轴相交成454、水平多层地电断面的电测深曲线类型、水平多层地电断面的电测深曲线类型 四层断面就是在厚度为无限大的基底层四层断面就是在厚度为无限大的基底层上面包含厚度有限的三个电性层。显然，上面包含厚度有限的三个电性

30、层。显然，在这种情况在这种情况 下，根据各层电阻率关系，下，根据各层电阻率关系，该断面类型有八种：该断面类型有八种： AAAA型型； AKAK型型； HAHA型型； HKHK型型； KQKQ型型； QQQQ型型； KHKH型型； QHQH型型。 不难看出，随着断面中层数不难看出，随着断面中层数n n的增加，断的增加，断面的类型数按面的类型数按 2 2成比例增加。成比例增加。 实际上，在建立所有电法勘查的理论基实际上，在建立所有电法勘查的理论基础时，都利用上面描述的水平均匀层状础时，都利用上面描述的水平均匀层状断面模型。断面模型。 但但 是，实际的大地地电断面电阻率是，实际的大地地电断面电阻率

31、的分布特点往往呈横向的分布特点往往呈横向( (水平水平) )不均匀性。不均匀性。把电阻率水把电阻率水 平分布不均匀的地电断面模平分布不均匀的地电断面模型分为两种类型：二维模型和三维模型。型分为两种类型：二维模型和三维模型。 大地电阻率是横坐标大地电阻率是横坐标x x和纵坐标和纵坐标z z 的函数，的函数，而与横坐标而与横坐标y y无关。无关。 实际上，在有限延伸地电构造的地区二实际上，在有限延伸地电构造的地区二维地电断面是常遇到的。在此类地区，维地电断面是常遇到的。在此类地区，在构造走向轴线方向上在构造走向轴线方向上( (我们使我们使y y轴与走轴与走向重合向重合) )岩石性质变化不大，其主要

32、变化岩石性质变化不大，其主要变化是发生在垂直走向是发生在垂直走向(x(x轴轴) )和深度和深度(z(z轴轴) ) 地电断面的三维模型描述的是在电法勘地电断面的三维模型描述的是在电法勘查工作中遇到的最普遍的地质情况，无查工作中遇到的最普遍的地质情况，无明显走向的地明显走向的地 质体均属此种模型。质体均属此种模型。 在此指出，三维构造上电磁资料解释是最在此指出，三维构造上电磁资料解释是最复杂同时又是目前电法勘查中复杂同时又是目前电法勘查中 研究的最研究的最少的问题之一。少的问题之一。 ( (二二) )视电阻率的概念及电阻率法的实质视电阻率的概念及电阻率法的实质 1 1、均匀大地电阻率的测定、均匀大

33、地电阻率的测定 在地表水平、地下半空间被导电性均匀、在地表水平、地下半空间被导电性均匀、各向同性的岩石所充满的特定条件下，若各向同性的岩石所充满的特定条件下，若通过地面通过地面 的点电流源的点电流源A(+)A(+)和和B(-)B(-)向地向地下供入电流强度下供入电流强度I I时，根据点源电场的时，根据点源电场的基本公式，很容易写出地面任意两点基本公式，很容易写出地面任意两点M M和和N N处的电位处的电位（三）电测深的工作方法及资料整理（三）电测深的工作方法及资料整理1、在实际工作中，、在实际工作中，AB逐渐增大，会使逐渐增大，会使M、N间的电位差逐渐间的电位差逐渐减小，为了取得可靠的电位差，

34、减小，为了取得可靠的电位差，MN也应按一定的比例关也应按一定的比例关系增大。系增大。2、电测深、电测深s曲线绘制在模数为曲线绘制在模数为6.25cm的双对数坐标纸。横坐的双对数坐标纸。横坐标为标为AB/2，纵坐标为，纵坐标为s3、井旁电测深曲线：从已知区推广到未知区、井旁电测深曲线：从已知区推广到未知区4、十字测深：了解地层横向上的变化情况、十字测深：了解地层横向上的变化情况 在模数为在模数为6.25cm的双对数坐标纸上，以的双对数坐标纸上，以AB/2为横坐标、以为横坐标、以s为为纵坐标，将同一测点上不同纵坐标，将同一测点上不同AB极距所对应的极距所对应的s标上并连成曲线，标上并连成曲线，就构

35、成了一条电测深实测曲线。见下图。就构成了一条电测深实测曲线。见下图。（四）电测深资料的解释（四）电测深资料的解释解释分为：定性与定量解释。1、定性解释、定性解释目的：通过定性解释可以了解工作的区的地电断面的类型及地电断面的类型及变化情况变化情况。（1）单独一条电测深曲线的解释：）单独一条电测深曲线的解释：电性层的数目；各层电阻率的相对大小；估计第一层和底层的电阻率值。（2）面积性电测深资料的定性解释）面积性电测深资料的定性解释需要绘制各种图件，以此来反映测区内不同电性层的分布及变化情况，从而了解工区的地质构造或电性层的形态。电测深法图件分类：（1）视电阻率断面图视电阻率断面图（剖面和平面等值线

36、图）（2）电测深曲线类型图电测深曲线类型图（分为剖面上和平面上）注意曲线类型的变化，一般反映了电性层的变化，如构造接触带、地层尖灭、基底起伏等。（3）等等AB/2视电阻率剖面图视电阻率剖面图（4）等等AB/2视电阻率平面等值线图视电阻率平面等值线图（5）纵向电导剖面图纵向电导剖面图（6）纵向电导平面等值线图纵向电导平面等值线图（7）不同极距不同极距s剖面图剖面图（相当于复合对称四级电阻率法）电测深曲线类型图视电阻率断面等值线图视电阻率断面等值线图AB / 2测深点AB / 2AB / 2以三层地电断面为例，来阐明纵向电导的含义。以三层地电断面为例，来阐明纵向电导的含义。设第一层的电阻率为1、厚

37、度为h1，第二层为2、h2，当第三层电阻率 3 时，则电流线分布下图（a）所示。在测点附近取长、宽各为1米、厚度H=h1+ h2 的体积单元。见图（b）。由于电流平行层面流动，故1层和2层呈并联关系。21111RRR按照关系 知： SLR222111hRhR令22111,1,1RGRGRGG称为总纵向电导，G1、G2分别为第一、二层的纵向电导，有：221121hhGGG同理，对于n 的n层地电断面，有现在把第一层至第n-1层视为统一的电性层，其厚度为H，纵向电阻率为L，则有1111niiiniihGGLLniiniLiHhhG1111总纵向电导的实质上表示的是电流水平地流过顶面为1m、高度为H

38、（m）的方柱体侧面时，该柱体的电导。G的单位为 S（西门子），1S=1/（1/欧姆）。 由由 G=H/L式可见，若工区内式可见，若工区内L值基本稳定，则值基本稳定，则G与基底埋与基底埋深深H成正比成正比。AB / 211s521010GG 可根据各测深点的电测深曲线（见右图）求得。由G值可绘出G剖面图或G等值线平面图。G值小，说明基底埋藏深度小；反之，说明基底埋藏深度大。从而可清楚地显示出高阻基底的起伏情况。见下图。纵向电导平面等值线图纵向电导平面等值线图2、定量解释（1）量板法（2）计算机自动解释法（3）图解法（四）电测深资料的解释（四）电测深资料的解释用二层量板解释二层电测深曲线用二层量板

39、解释二层电测深曲线二层曲线的形状决定于二层曲线的形状决定于2/ 1 ，位置决，位置决定于第一层特征点（定于第一层特征点（h1, 1）。）。 用二层量板和三层量板解释三层曲线用二层量板和三层量板解释三层曲线（a）用二层量板解释三层曲线首支；（）用二层量板解释三层曲线首支；（b）用三层量板解释曲线尾支）用三层量板解释曲线尾支 应用条件： 地层应基本水平（地层倾角小于20）； 各层间有较明显的电阻率差异； 地形起伏不大。（五）电测深法的应用（五）电测深法的应用第二节第二节 充电法和自然电场法充电法和自然电场法一、充电法一、充电法什么是充电法：什么是充电法：对地面上、坑道内或者钻孔中已经揭露的对地面上

40、、坑道内或者钻孔中已经揭露的良导体良导体直接充电，直接充电，以解决某些地质问题的一种电法勘探方法。以解决某些地质问题的一种电法勘探方法。充电法的提出：充电法的提出：详查及勘探阶段，详查及勘探阶段，良导性良导性地质体地质体有露头但不知道其分布情况有露头但不知道其分布情况，如矿体是否相连；矿体走向、产状；盲矿；地下水流速、流向；如矿体是否相连；矿体走向、产状；盲矿；地下水流速、流向；滑坡滑坡（一）充电法的基本原理（一）充电法的基本原理 对钻井、坑道等人工揭露或对钻井、坑道等人工揭露或天然露头的良导体上接一供天然露头的良导体上接一供电电极（电电极（A），另一供电电），另一供电电极（极（B）置于离充电

41、体很远）置于离充电体很远的地方（称为无穷远极），的地方（称为无穷远极），对充电体进行充电。进而查对充电体进行充电。进而查明充电体的明充电体的空间分布形态、空间分布形态、产状及延伸产状及延伸。1、理想条件下（即、理想条件下（即0 =0或或0 )，将不产生电位降，电位在将不产生电位降，电位在导体内及表面处处相等，故导体为一个导体内及表面处处相等，故导体为一个“等位体等位体”，其表面为，其表面为“等电位面等电位面”。v在充电体表面附近，电位面的形状与充电体的形状一致。远离充电在充电体表面附近，电位面的形状与充电体的形状一致。远离充电体，等位面趋于圆形。体，等位面趋于圆形。v电位电位V为对称曲线；电位

42、梯度为对称曲线；电位梯度V /X为反对称曲线，即在充电体顶为反对称曲线，即在充电体顶部中心，电位梯度为零，其正、负极值对应于充电体边缘部分。部中心，电位梯度为零，其正、负极值对应于充电体边缘部分。电位曲线的电位曲线的极大点极大点与电位梯度的与电位梯度的零零值点值点均向倾斜方向位移。电位曲线均向倾斜方向位移。电位曲线在倾斜一边曲线平缓，在倾斜相反在倾斜一边曲线平缓，在倾斜相反方向曲线较陡；电位梯度曲线在倾方向曲线较陡；电位梯度曲线在倾斜一边曲线平缓，梯度绝对值小；斜一边曲线平缓，梯度绝对值小；在倾斜相反方向曲线陡，梯度绝对在倾斜相反方向曲线陡，梯度绝对值大。值大。2、脉状体倾斜、脉状体倾斜时，电

43、位曲线电位曲线及及电位梯度电位梯度曲线曲线均不对称3、自然界中，导体都不是等位体（即、自然界中，导体都不是等位体（即0 0），），对其充电后，对其充电后，充电体上各点的电位并非都相等。充电体上各点的电位并非都相等。（1）当充电点位于不等位体边缘时，电位及电位梯度曲线都不对称；）当充电点位于不等位体边缘时，电位及电位梯度曲线都不对称；（2）当充电点位于不等位体的中心时，电位及电位梯度曲线均成对称分布）当充电点位于不等位体的中心时，电位及电位梯度曲线均成对称分布（很难与等位体区分开来）（很难与等位体区分开来） 因此，在解释中，必须充分考虑到：因此，在解释中，必须充分考虑到： 充电导体自身的电阻率（

44、是否满足理想导体的条件）充电导体自身的电阻率（是否满足理想导体的条件） 充电体与围岩电阻率差异（是否满足充电体与围岩电阻率差异（是否满足0 围围 ）；）； 充电点的位置。充电点的位置。（二）充电法的装备及工作方法（二）充电法的装备及工作方法1、装备装备与电阻率法相同与电阻率法相同2、工作方法工作方法（1） 电位观测法电位观测法：N极置极置于距充电体足够远的某一固于距充电体足够远的某一固定基点上。定基点上。M极沿测线逐点极沿测线逐点移动，观测各测点相对于固移动，观测各测点相对于固定基点的电位差，即为该点定基点的电位差，即为该点的电位值）的电位值）V。（2）电位梯度观测法电位梯度观测法：MN置于同

45、一测线上，保持相对位置置于同一测线上，保持相对位置和间距不变，沿测线逐点移动，计算电位梯度和间距不变，沿测线逐点移动，计算电位梯度v /x = vMN /MN充电法电位梯度法观测布置图充电法电位梯度法观测布置图 将充电法的测量结果绘制成如下将充电法的测量结果绘制成如下图件图件：1、电位剖面图、电位剖面图2、电位剖面平面图、电位剖面平面图3、电位平面等值线图、电位平面等值线图4、电位梯度剖面图、电位梯度剖面图5、电位梯度剖面平面图、电位梯度剖面平面图6、电位梯度平面等值线图。、电位梯度平面等值线图。（三）充电法资料的解释（三）充电法资料的解释根据等电位线的根据等电位线的形状及密集带形状及密集带，

46、可判定充电体在地面上投影，可判定充电体在地面上投影的的形状和走向，并初步圈定其边界形状和走向，并初步圈定其边界；根据剖面电位曲线：剖面电位曲线：利用其极值点推断充电体的利用其极值点推断充电体的顶部位置；顶部位置；利用其拐点推断充利用其拐点推断充电体的电体的边界位置；边界位置；利用其对称性推断充电体的利用其对称性推断充电体的倾向。倾向。根据电位梯度曲线：电位梯度曲线：利用曲线零值点推断充电体的利用曲线零值点推断充电体的顶部位置；顶部位置；根据根据正、负极值正、负极值点的位置确定点的位置确定充电体的充电体的边界位置；边界位置；若梯度曲线不对称，则若梯度曲线不对称，则充电体向极值的绝对值小、且曲线缓

47、的一侧倾斜。充电体向极值的绝对值小、且曲线缓的一侧倾斜。（四）充电法的应用（四）充电法的应用1、应用的条件应用的条件 探测对象应为探测对象应为良导体良导体 探测对象至少有一点出露。探测对象至少有一点出露。 探测对象不能埋藏太深，且有一定的规模。探测对象不能埋藏太深，且有一定的规模。 圈定矿体的范围及倾向；圈定矿体的范围及倾向； 解决相邻两露头的矿体在深部是否相连的问题；解决相邻两露头的矿体在深部是否相连的问题； 在已知矿体附近找盲矿体；在已知矿体附近找盲矿体； 在追踪地下金属管线；在追踪地下金属管线；2、应用应用充电法应用实例：判断矿体是否相连充电法应用实例：判断矿体是否相连相邻不相连导电矿脉

48、上的相邻不相连导电矿脉上的电位梯度异常曲线电位梯度异常曲线两个相邻且相连导电矿脉上的两个相邻且相连导电矿脉上的电位梯度异常曲线电位梯度异常曲线充电法判断相邻两露头充电法判断相邻两露头矿体是否相连矿体是否相连充电法电位平面等值线充电法电位平面等值线图判断矿体倾向图判断矿体倾向硫化铜镍矿体上充电法硫化铜镍矿体上充电法第二节第二节 充电法和自然电场法充电法和自然电场法 二、自然电场法二、自然电场法自然条件下，无需向地下供电自然条件下，无需向地下供电，通过一定的装置形式，地，通过一定的装置形式，地面两点间通常也能观测到一定大小的电位差，这表明地下面两点间通常也能观测到一定大小的电位差，这表明地下存在存

49、在“天然电流场天然电流场”简称简称“自然电场自然电场”。自然电场法自然电场法通过研究通过研究自然电场自然电场在地面的分布规律来解在地面的分布规律来解决地质问题的一种电法勘探方法。决地质问题的一种电法勘探方法。常见的自然电场自然电场有两类两类：呈区域性分布的不稳定的电场呈区域性分布的不稳定的电场大地电磁场大地电磁场（与地壳表层构造有关）；（与地壳表层构造有关）；呈局部性分布的稳定的电场（与地下某些金呈局部性分布的稳定的电场（与地下某些金属矿、非金属矿或地下水运动有关）。属矿、非金属矿或地下水运动有关）。（一）自然电场的成因（一）自然电场的成因1、电子导体与围岩溶液间的电化学作用、电子导体与围岩溶

50、液间的电化学作用当电子导体与溶液接触时，金属上的负电荷吸引溶液中的正离子，使之分布于界面附近，形成双电层。水溶液导体+-若导体和溶液都是均匀的，则双电层不产生外电场。当导体或溶液不均匀不均匀时，双电层呈不均匀分布，产生极极化化，并在导体内、外产生电场，引起自然电流。（一）自然电场的成因（一）自然电场的成因1、电子导体与围岩溶液间的电化学作用、电子导体与围岩溶液间的电化学作用潜水面附近的良导体：潜水面上方的氧化环境潜水面附近的良导体：潜水面上方的氧化环境和潜水面下方的还原环境，使良导体处于极化和潜水面下方的还原环境，使良导体处于极化状态，表面双电层不均匀分布，形成自然电场状态，表面双电层不均匀分

51、布，形成自然电场（一）自然电场的成因（一）自然电场的成因2、岩石中地下水运移的电动效应（过滤电场）、岩石中地下水运移的电动效应（过滤电场）由于岩石颗粒对水溶液中负离子有由于岩石颗粒对水溶液中负离子有吸附作用吸附作用，岩石颗粒与溶液间形，岩石颗粒与溶液间形成双电层。当地下水成双电层。当地下水静止静止时，整个系统呈电性平衡，不产生外电场。时，整个系统呈电性平衡，不产生外电场。地下水地下水流动流动时，带走溶液中的部分时，带走溶液中的部分正离子正离子，水流上游，水流上游有多余的有多余的“负负离子离子”，而在水流的下游，而在水流的下游有多余的有多余的“正离子正离子”，形成极化，从而形，形成极化，从而形成

52、自然电场成自然电场.。.。+-.。.。+-+ 裂隙渗透电场 上升泉电场 山地电场+-+-地下水补给河水 河水补给地下水V00000+VVVV-（一）自然电场的成因（一）自然电场的成因3、岩石中不同浓度溶液离子的扩散作用、岩石中不同浓度溶液离子的扩散作用低高+ +-Cl-Na+当两种当两种浓度不同浓度不同的溶液相互接触时，会产生扩散现象。带的溶液相互接触时，会产生扩散现象。带电离子由浓度高的溶液向浓度低的溶液里扩散。但正、负电离子由浓度高的溶液向浓度低的溶液里扩散。但正、负离子的离子的扩散速度不同扩散速度不同，使两种不同离子浓度的溶液分界面，使两种不同离子浓度的溶液分界面上分别含有过量的正离子或

53、负离子，形成电位差。这种由上分别含有过量的正离子或负离子，形成电位差。这种由扩散作用引起的自然电场称为扩散电场。扩散作用引起的自然电场称为扩散电场。（二）自然电场法的装备及工作方法（二）自然电场法的装备及工作方法 装备特点：装备特点： 工作方法：工作方法： 与充电法相同， “电位观测法电位观测法”和“电位梯度观测电位梯度观测法”。不需要电源和供电电极不需要电源和供电电极测量电极不用铜棒，而是测量电极不用铜棒，而是“不不极化电极极化电极” 。避免电极的极化作。避免电极的极化作用以及两电极间自身产生的电位用以及两电极间自身产生的电位差差将观测结果绘制成电位剖面图电位剖面图、电位剖面平面图电位剖面平

54、面图、电位平电位平面等值线图面等值线图。电位法观测自然电场的工作布置图电位法观测自然电场的工作布置图（三）自然电场法资料解释（三）自然电场法资料解释其定性解释方法与中间梯度曲线的解释类似。其定性解释方法与中间梯度曲线的解释类似。自然电位曲线在矿体的顶部为自然电位曲线在矿体的顶部为负极小值负极小值。对于倾斜的板状。对于倾斜的板状体或脉状体或倾斜极化等轴状体，其自然电位曲线呈不对体或脉状体或倾斜极化等轴状体，其自然电位曲线呈不对称，在导体倾斜方向或极化轴倾斜方向上曲线陡，且出现称，在导体倾斜方向或极化轴倾斜方向上曲线陡，且出现很小的正值。很小的正值。+- -+ + +-1、寻找金属硫化物矿床（铜矿

55、、黄铁矿）、石墨和无烟煤；123456782、在水文地质和工程地质方面的应用 确定地下水与河水间的补给关系 确定地下水的流向（过滤电场的方向与地下水流向有关） 确定水库、堤坝的漏水点（位置） 寻找含水破碎带或确定断层位置（四）自然电场法的应用（四）自然电场法的应用我国黄河某段附近自然电场法实测结果我国黄河某段附近自然电场法实测结果“8”字形电位曲线字形电位曲线长轴方向指示了该长轴方向指示了该区地下水流的总方区地下水流的总方向为北东向。地下向为北东向。地下潜水补给黄河。潜水补给黄河。第三节第三节 激发极化法激发极化法什么是激发极化法？什么是激发极化法？激发极化法，简称激电法，是以地下岩、矿石在激

56、发极化法，简称激电法，是以地下岩、矿石在人工电场作人工电场作用下用下发生的发生的物理和电化学效应（激发极化效应）差异物理和电化学效应（激发极化效应）差异为基础为基础 的一种电法勘探方法。的一种电法勘探方法。激发极化分类：激发极化分类：（1）直流电）直流电直流（时间域）激发极化法直流（时间域）激发极化法（2）低频交流电）低频交流电交流（频率域）激发极化法交流（频率域）激发极化法与其它电法勘探方法相比：与其它电法勘探方法相比：激发极化法（激发极化法（IP）的优点：）的优点： 能寻找能寻找浸染状矿体浸染状矿体。 能区分能区分电子导体和离子导体产生的异常电子导体和离子导体产生的异常。 地形起伏不会产生

57、地形起伏不会产生假异常假异常。 激发极化法（激发极化法（IP）的缺点：）的缺点： 矿化（黄铁矿化、石墨化的岩层）岩层产生强激电异常矿化（黄铁矿化、石墨化的岩层）岩层产生强激电异常 电磁藕合干扰给交流激电法资料的解释带来困难。电磁藕合干扰给交流激电法资料的解释带来困难。ABMNEK岩矿石的激发极化现象岩矿石的激发极化现象供电时，地下电场随时间增长的过程称为供电时，地下电场随时间增长的过程称为充电过程充电过程，断电后，电场随时间衰减的过程称为断电后，电场随时间衰减的过程称为放电过程放电过程。这种在这种在充、放电充、放电过程中，由于电化学作用产生随时间过程中，由于电化学作用产生随时间变化的附加电场的

58、现象变化的附加电场的现象称为称为“激发极化效应激发极化效应”。一、激发极化法的理论基础一、激发极化法的理论基础（一）岩矿石激发极化效应的成因（一）岩矿石激发极化效应的成因 1、电子导体激发极化效应的成因、电子导体激发极化效应的成因（a） 导体表面为均匀双电层，在周围不形成电场；导体表面为均匀双电层，在周围不形成电场；（b）当有电流流过上述电子导体）当有电流流过上述电子导体溶液系统时，导体内溶液系统时，导体内部的电荷将重新分布，自然双电层发生变化，导体部的电荷将重新分布，自然双电层发生变化，导体受到极化作用，为受到极化作用，为充电过程充电过程 ；（c）断去供电电流，为）断去供电电流，为放电过程放

59、电过程（一）岩矿石激发极化效应的成因（一）岩矿石激发极化效应的成因 1、电子导体激发极化效应的成因、电子导体激发极化效应的成因在外电场作用下，“致致密块状密块状”的电子导体与溶液接触时，其激发极化效应产生在导体与溶液的接触面上接触面上称为“面极化面极化”；I-+ + + + + + + + + + +-对于“浸染状”的电子导体或矿化岩石与溶液接触时，其激发极化效应产生在每一个电子导体颗粒与溶液的接触面接触面上上称为“体极化体极化”。I- -+ + + + + + + + + + + + + + +-尽管每个小颗粒与围岩的接触面很小，但它们的接触面尽管每个小颗粒与围岩的接触面很小，但它们的接触面

60、积的总和却相当大。所以，尽管浸染状矿体与围岩的电积的总和却相当大。所以，尽管浸染状矿体与围岩的电阻率差异很小，仍然可产生明显的阻率差异很小，仍然可产生明显的激发极化效应激发极化效应。（一）岩矿石激发极化效应的成因（一）岩矿石激发极化效应的成因 2、离子导体激发极化效应的成因、离子导体激发极化效应的成因“薄膜极化薄膜极化”假说假说（a）未加电场前的孔隙通道；）未加电场前的孔隙通道；（c）加电场后的孔隙通道）加电场后的孔隙通道1离子堆积带，离子堆积带，2离子不足带离子不足带薄膜极化电场薄膜极化电场(a)未加电场前的孔隙通道；未加电场前的孔隙通道；(b)加电场后的孔隙通道加电场后的孔隙通道1离子堆积