电法勘探基础综述

1、电法勘探的理论基础电法勘探的理论基础电法勘探是以岩矿石的电法勘探是以岩矿石的电磁学电磁学性质和性质和电化学电化学特特性的性的差异差异为基础的勘探方法。为基础的勘探方法。借助专门仪器，观测和研究这些借助专门仪器，观测和研究这些差异差异引起引起的电的电( (磁磁) )场在空间或时间上的场在空间或时间上的分布特点或分布特点或变化规律变化规律，并据此解决地质问题。，并据此解决地质问题。导电性、导磁性、介电性导电性、导磁性、介电性自然场、激发场自然场、激发场主动源人工场源法主动源人工场源法被动源天然场源法被动源天然场源法航空、海洋、地面、地下航空、海洋、地面、地下直流电法时间域直流电法时间域交流电法频率

2、域交流电法频率域 过渡电场法瞬态场过渡电场法瞬态场联合剖面、对称四极、联合剖面、对称四极、中间梯度、偶极、等中间梯度、偶极、等以场源的性质分以场源的性质分以工作的场所分以工作的场所分以电磁场的时间特性分以电磁场的时间特性分以电极的排列分以电极的排列分其它其它电法勘探的分类电法勘探的分类一、岩矿石的电阻率一、岩矿石的电阻率1 1、电阻率的概念、电阻率的概念电阻率电阻率 的定义的定义是描述岩矿石导电性的物理参数是描述岩矿石导电性的物理参数的表达式的表达式金金 属属良导性矿物良导性矿物中等导性矿物中等导性矿物劣导性劣导性矿物矿物10-810-710-6-10-310-3-11103103106106

3、金金铁铁石墨石墨方铅矿方铅矿 黑钨矿黑钨矿 褐铁矿褐铁矿石英石英银银锡锡斑铜矿斑铜矿 辉铜矿辉铜矿 赤铁矿赤铁矿 赤铁矿赤铁矿长石长石铜铜铅铅铜蓝铜蓝黄铁矿黄铁矿 软锡矿软锡矿 蛇纹石蛇纹石云母云母镍镍锑锑磁黄铁矿磁黄铁矿黄铜矿黄铜矿 菱铁矿菱铁矿角闪石角闪石铝铝汞汞磁铁矿磁铁矿铬铁矿铬铁矿方解石方解石金属元素及常见矿物的电阻率金属元素及常见矿物的电阻率( (.m).m)名称名称(.m)名称名称(.m)黄土层黄土层0-200纯水纯水2.510粘土粘土1-200雨水雨水10含水砂卵石层含水砂卵石层50-500河水河水10-100隔水粘土层隔水粘土层5-30海水海水0.1-100火成岩火成岩10-

4、10潜水潜水100变质岩变质岩10-10砂岩砂岩100-10沉积岩沉积岩1-10灰岩灰岩100-10常见浮土岩石和地表水的电阻率（常见浮土岩石和地表水的电阻率（.m）二、影响电阻率的因素二、影响电阻率的因素1 1、介质的矿物成分、介质的矿物成分造岩矿物造岩矿物石英石英、云母、长石、云母、长石等等如：沉积岩如：沉积岩、岩浆岩、变质岩、岩浆岩、变质岩 10 .m 良良导矿物导矿物金属金属矿体（矿脉）矿体（矿脉） 102 .m 介质的介质的矿物成分矿物成分 结构结构 含水性含水性 温度温度 人为因素人为因素2 2、介质的结构、介质的结构浸染浸染状状网网脉状脉状有有较高电阻率较高电阻率有有较低电阻率较

5、低电阻率层状层状具有各向异性具有各向异性h11h22h33横向电阻率横向电阻率t纵向电阻率纵向电阻率为每层为每层i的串联的串联为每层为每层i的并联的并联IIT横向电阻横向电阻S纵向纵向 电导电导 一般岩石孔隙越发育、含水量越大、水的矿化度越一般岩石孔隙越发育、含水量越大、水的矿化度越 高，岩石的电阻率越低。高，岩石的电阻率越低。 在第四系沉积层中，浅水面以下的高阻异常多反映在第四系沉积层中，浅水面以下的高阻异常多反映 粗颗粒砂砾石的粗颗粒砂砾石的存在；这往往存在；这往往是是含水层；而含水层；而低阻异低阻异 常则往往是黏土隔水层的反映。常则往往是黏土隔水层的反映。 在坚硬致密的岩浆岩、化学沉积岩

6、和某些变质岩地在坚硬致密的岩浆岩、化学沉积岩和某些变质岩地 区，高阻异常多反映岩溶空洞的区，高阻异常多反映岩溶空洞的存在；而存在；而低阻异常低阻异常 则往往是充填有矿化水的裂隙、破碎带。则往往是充填有矿化水的裂隙、破碎带。3 3、介质的含水、介质的含水性性岩石岩石孔隙中的水溶液，孔隙中的水溶液，随着温度随着温度的的升高，使其黏升高，使其黏滞滞性减小、溶解度增大、矿化度升高，使离子迁移率性减小、溶解度增大、矿化度升高，使离子迁移率增高、岩石导电性增强、电阻率下降。增高、岩石导电性增强、电阻率下降。4 4、温度的影响、温度的影响是是指野外工作指野外工作中：诸如中：诸如电极的埋设和连接、导线电极的埋

7、设和连接、导线的绝缘程度、测量数据的精度等等的绝缘程度、测量数据的精度等等都是人为的影都是人为的影响响电阻率电阻率的因素的因素。5 5、人为因素、人为因素稳定稳定电流场的基本定律电流场的基本定律均匀均匀半无限介质点电源电场半无限介质点电源电场大地电阻率大地电阻率的测量的测量1 1、微观形式的欧姆定律、微观形式的欧姆定律 公式描述了电流密度与电场强度的公式描述了电流密度与电场强度的关系关系2 2、基尔霍夫定律、基尔霍夫定律 div J = 0即即通过任何封闭面电流密度的通量通过任何封闭面电流密度的通量等于零；等于零；或电场或电场中任意点电流密度的散度为零。中任意点电流密度的散度为零。一、稳定电流

8、场的基本定律一、稳定电流场的基本定律欧姆定律欧姆定律稳定稳定电流场中任一点的电流场中任一点的电位电位只与该只与该点至场源的点至场源的距离距离 r 有关有关，单位距离，单位距离上电位的变化等于该点的电场强度，上电位的变化等于该点的电场强度，电压降的方向就是场强的正方向。电压降的方向就是场强的正方向。直角坐标系直角坐标系极坐标形式极坐标形式ru3 3、势场性、势场性A场源场源4 4、稳定电流场的拉普拉斯方程、稳定电流场的拉普拉斯方程5 5、稳定电流场的边界条件、稳定电流场的边界条件在在接近场源接近场源处处( (r r0 0) )在在无限无限远处远处( (r r) )在在两种介质分界面两种介质分界面

9、处处电位连续、有限；电位连续、有限；U1=U2 电流密度的法向分量电流密度的法向分量连续：连续：1n1n = 2n2n 切切向分量向分量不连续：不连续：1t1t 2t2t 电场强度的切线分量电场强度的切线分量连续：连续：E1t = Et 法线法线分量分量不连续：不连续： En En它们是证明界面处存在积累电荷现象的理论依据。它们是证明界面处存在积累电荷现象的理论依据。M二、均匀半无限介质点电源电场二、均匀半无限介质点电源电场3 3、M M点处的点处的电位电位1 1、M M点处点处的的电流密度电流密度2 2、M M点处点处的的电场强度电场强度电流电流 I 在半球面上的在半球面上的分布分布公式公式

10、证明证明剖面图剖面图平面图平面图4 4、两个异性点电源电场、两个异性点电源电场等电位线等电位线电流线电流线两个异性点源场两个异性点源场分析分析由叠加原理由叠加原理电位电位电场强度电场强度三、大地电阻率的测量三、大地电阻率的测量电极排电极排列系数列系数由由得得问题问题：对某一均匀地电断面采用不同排列的电极：对某一均匀地电断面采用不同排列的电极 装置观测电阻率时，其结果有无变化？装置观测电阻率时，其结果有无变化？视电阻率视电阻率及其定性分析方法及其定性分析方法镜像法求解镜像法求解垂直界面两边电场的分布垂直界面两边电场的分布供电电流供电电流随深度的随深度的变化规律变化规律电流密度电流密度与与供电电流

11、的供电电流的关系关系在地下均匀半空间电流密度的分布特点在地下均匀半空间电流密度的分布特点地下不均匀体对电流密度的影响地下不均匀体对电流密度的影响积累电荷的概念及电阻率法的物理实质积累电荷的概念及电阻率法的物理实质1 1、岩石露头、岩石露头电阻率电阻率当当岩石体积相对于测量岩石体积相对于测量装置的电装置的电极距足够大极距足够大时，时，可以可以认为该岩石是半空间无限大均匀介质，采用认为该岩石是半空间无限大均匀介质，采用小四极排列露头法就可得到岩石的真小四极排列露头法就可得到岩石的真电阻率电阻率。2 2、非均匀地层、非均匀地层电阻率电阻率一、视电阻率及其定性分析方法一、视电阻率及其定性分析方法真电阻

12、率真电阻率 视电阻率视电阻率s用四极装置在大地上所测定的电阻率并不是某一用四极装置在大地上所测定的电阻率并不是某一岩层或某一非均匀体的真电阻率，而是该电场分岩层或某一非均匀体的真电阻率，而是该电场分布区域内各种介质电阻率综合影响的结果，称之布区域内各种介质电阻率综合影响的结果，称之视电阻率视电阻率s。3 3、视电阻率的、视电阻率的影响因素影响因素UMN I ；它们不是它们不是s的的影响因素。影响因素。 但它们影响观测精度。但它们影响观测精度。 K值装置值装置排列的类型、大小；排列的类型、大小；装置相对不均匀体的位置；装置相对不均匀体的位置；地形和地下介质的不均匀性；地形和地下介质的不均匀性；s

13、的影响因素的影响因素证证得得当地下是当地下是均匀介质时均匀介质时将将其其代代入入4 4、视电阻率的微分公式视电阻率的微分公式 的证明的证明j0地下为均匀介质时地下为均匀介质时MNMN间的电流密度间的电流密度定性分定性分析公式析公式 jMNMN、 MNMN测点测点MNMN间的电流密度间的电流密度 和电阻率和电阻率 5 5、视电阻率与电流密度的、视电阻率与电流密度的关系关系当地当地下是均匀介质时下是均匀介质时，jMN= =j0； S S= = MNMN= = 0 0； 沿剖面观测沿剖面观测到的到的S是一条直线。是一条直线。当地当地下有高阻体时，下有高阻体时， jMNj0； S S MNMN 0 0

14、； 在高阻在高阻体上方出现体上方出现S0的的异常；异常；反之反之有有S0的异常。的异常。 S的大小的大小与与I 无关无关；由视电阻率定性分析由视电阻率定性分析公式公式 可知：可知：由于由于地形对地表电流地形对地表电流 jMN 的分布会有影响，的分布会有影响，所以对视电阻率所以对视电阻率 MNMN也有影响。也有影响。因此因此，在资料解释，在资料解释前要首先进行前要首先进行地形改正地形改正，这是提高解释准确性的重要措施。这是提高解释准确性的重要措施。6 6、视电阻率视电阻率与地形的关系与地形的关系二、积累电荷的概念及电阻率法的物理实质二、积累电荷的概念及电阻率法的物理实质1 1、积累电荷的产生、积

15、累电荷的产生( (证明见证明见P108P108) )在非均匀导电介质中，当不同的地质界面上有电流在非均匀导电介质中，当不同的地质界面上有电流通过时，界面上就会有电荷积累下来。通过时，界面上就会有电荷积累下来。当电流由低阻介质流向高阻介质时，界面上将有正当电流由低阻介质流向高阻介质时，界面上将有正电荷积累，当电流由高阻介质流向低阻介质时，界电荷积累，当电流由高阻介质流向低阻介质时，界面上会有负电荷积累。面上会有负电荷积累。2 2、电阻率法的物理实质、电阻率法的物理实质当我们向地下供电时，地下不均匀当我们向地下供电时，地下不均匀体界面上的积累电荷就会形成电阻体界面上的积累电荷就会形成电阻率法勘探中

16、的异常场。率法勘探中的异常场。当当P 点位于垂直界面上时点位于垂直界面上时有有解解得得三三、镜像法求解、镜像法求解垂直界面两边电场的分布垂直界面两边电场的分布镜像镜像点源点源是是避免求解拉普拉斯方程的避免求解拉普拉斯方程的简化分析方法简化分析方法MMx xz z四四、供电电流、供电电流随深度的变化随深度的变化1 1、一个点源的场、一个点源的场一般认为一般认为 jM/jp=0.5是有效是有效工作电流；工作电流；勘探深度勘探深度是是 h=LL 一定时，一定时，jM随随h的增加而迅速的增加而迅速下降；下降；LjM( (深部电流密度增加深部电流密度增加) )勘探深度勘探深度2 2、二个点源的场、二个点

17、源的场h/L00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.03.04.0jh/j010.98 0.80 0.63 0.48 0.35 0.26 0.20 0.15 0.12 0.06 0.03 0.02h/L=0.5( (h=AB/4) )时时，电流密度是地表的，电流密度是地表的71h/L=1( ( h = AB/2) )时，电流密度是地表的时，电流密度是地表的35h/L=2( ( h = AB) )时，电流密度是地表时，电流密度是地表的的6影响深度影响深度;非可非可靠异常深度靠异常深度勘探深度勘探深度;可可靠异常深度靠异常深度由由j jh h=I/2=I/2 rr知知I I是影

18、响是影响j jh h的重要因素的重要因素I I与供电与供电电压电压; ;大地电大地电阻阻; ;供电系统供电系统电阻电阻有关有关2 2、系统、系统电阻电阻(R)(R)1 1、供电、供电电流电流( (I I) )3 3、勘探深度勘探深度(h)(h)五、电流密度与五、电流密度与供电电流的供电电流的关系关系虽然虽然h hf(jf(jh h、AB/2AB/2、U U、I)I)；但受条件所限，不能；但受条件所限，不能仅靠增加这些因素来提高勘探深度。而减小供电系仅靠增加这些因素来提高勘探深度。而减小供电系统的导线电阻、电极接地电阻也是统的导线电阻、电极接地电阻也是很重要的措施。很重要的措施。电流分布平面图电

19、流分布平面图1 1、电流主要分布在供电电极、电流主要分布在供电电极A AB B的连线附近。的连线附近。2 2、以、以O O点为中心，边长为点为中心，边长为AB/3AB/3的正方形面积和深度的正方形面积和深度为为 AB/6AB/6的体积内，电流线的分布的体积内，电流线的分布接近均匀且水平接近均匀且水平。电流分布剖面图电流分布剖面图3 3、以、以O O点为中心，点为中心，R=AB/2R=AB/2的半圆内的半圆内有总电流量的有总电流量的3030， R=ABR=AB的半圆内的半圆内有总电流量的有总电流量的5555，它们决定了它们决定了有有 效的效的勘探面积和勘探深度。勘探面积和勘探深度。六六、在地下均

20、匀半空间电流密度的分布特点、在地下均匀半空间电流密度的分布特点七、地下不均匀体对电流密度的影响七、地下不均匀体对电流密度的影响1 1、电流密度在电阻率分界面上的、电流密度在电阻率分界面上的折射折射j1n=j2nj1t=E1t/ ；j2t=E2t/又又 J=E/；E1t=E2tI I 从高阻从高阻进入低阻进入低阻I I 从低阻从低阻进入高阻进入高阻21低阻体低阻体 吸引吸引电流电流 10 AM10 AM排列系数排列系数二、常用的电极排列形式二、常用的电极排列形式2 2、三极排列三极排列单点供电、二点单点供电、二点测量测量纪录点纪录点O O为为 MN MN 的中点的中点MNMNAO/3AO/3；OB=(OB=(3 35)AO5)AO特点特点条件条件排列系数排列系数MNMNAO/3O/3温纳温纳装置装置AM=MN=NBAM=MN=NB K=2K=2 MNMN3 3、对称四极排列、对称四极排列特点特点条件条件排列系数排列系数ABAB、MN MN 始终始终对称于对称于O O点点ABAB、MN MN 始终始终对称于对称于O O点；点；相当于二个