第四讲：充电法和自然电场法

1、复习：几个基本概念复习：几个基本概念 方法方法 利用的物性利用的物性电阻率法 导电性充电法 导电性自然电场法 导电性和电化学活动性激电法 导电性和电化学活动性（直流激电 和谱激电法） 电磁法 导电性和导磁性 （频率域电磁法和时间域电磁法）常用的电法勘查方法及利用的物性常用的电法勘查方法及利用的物性n基本概念及应用领域n充电法的基本原理n理想导体充电场的基本特征n充电球体的电流场n充电椭球体的电流场n充电法的应用n充电法应用的条件n充电法的野外工作方法1.充电法在测定地下水流向流速和追索地下暗河中的应用什么是充电法什么是充电法n是对地面上、坑道内或是对地面上、坑道内或者钻孔中已经揭露的者钻孔中已

2、经揭露的良良导体直接充电导体直接充电，通过观，通过观测其测其充电场充电场的空间分布的空间分布来了解矿体规模大小和来了解矿体规模大小和赋存状态的电法勘探方赋存状态的电法勘探方法。法。n属传导类、主动源直流属传导类、主动源直流电法电法n金属矿的详查及勘探阶段：查明矿体的金属矿的详查及勘探阶段：查明矿体的产状、分布及其与相邻矿体的连接情况产状、分布及其与相邻矿体的连接情况n水文、工程地质调查中：用来测定地下水文、工程地质调查中：用来测定地下水的流速、流向、追索岩溶发育区的地水的流速、流向、追索岩溶发育区的地下暗河和研究滑坡等问题下暗河和研究滑坡等问题一、充电法的基本原理一、充电法的基本原理 所谓理想

3、导体是指导体本所谓理想导体是指导体本身的电阻率为零。其特征身的电阻率为零。其特征该导体位于一般导电介质该导体位于一般导电介质中，向其导体上任何一部中，向其导体上任何一部位接通外加电源供电时位接通外加电源供电时（充电），导体均为电压（充电），导体均为电压等位体；电流遍及整个导等位体；电流遍及整个导体，无电位降，而后垂直体，无电位降，而后垂直表面流向周围介质之中。表面流向周围介质之中。 如右图所示如右图所示 充电导体附近电流线和等电位线的分布充电导体附近电流线和等电位线的分布 (a)剖面图剖面图; (b)平面图平面图; 1电流线电流线; 2等电位线等电位线n理想导体的充电场（在介质中的电流场），与

4、充电点理想导体的充电场（在介质中的电流场），与充电点的位置无关，仅与充电电流强度，理想导体的位置，的位置无关，仅与充电电流强度，理想导体的位置，形状，大小，产状及周围介质的电性分布有关。形状，大小，产状及周围介质的电性分布有关。n若围岩为均匀电性介质，其空间等位面分布与充电导若围岩为均匀电性介质，其空间等位面分布与充电导体形状相似；其相似程度与相距充电体的距离成反比。体形状相似；其相似程度与相距充电体的距离成反比。对有限三度体不论其外形如何，若距离充分大的条件对有限三度体不论其外形如何，若距离充分大的条件下，其电位等值面趋于球形分布下，其电位等值面趋于球形分布。 由于球体的对称性，由于球体的对

5、称性，其充电电场的分布与其充电电场的分布与位于球心的点电流场位于球心的点电流场极为相似，其电位等极为相似，其电位等值线的平面分布为一值线的平面分布为一簇同心圆。簇同心圆。在主剖面上，在主剖面上，电位曲线电位曲线成轴对称正异常，球心投影点处为成轴对称正异常，球心投影点处为极大值，两侧电位对称减小趋于零；极大值，两侧电位对称减小趋于零；电位梯度曲线电位梯度曲线成左正右负成左正右负点对称异常点对称异常,球心投影点处为零，两侧电位梯度绝对值对称减球心投影点处为零，两侧电位梯度绝对值对称减小趋于零；小趋于零； 旁侧剖面上，其旁侧剖面上，其电位和电位梯度电位和电位梯度的分布与主剖面相似，但的分布与主剖面相

6、似，但其强度减弱，范围变大。其强度减弱，范围变大。平面分布规律平面分布规律n充电电场的地表电位等值充电电场的地表电位等值线呈同心椭圆曲线。与椭线呈同心椭圆曲线。与椭球导体的水平截面相近球导体的水平截面相近 ，电位等值线基本上反映了电位等值线基本上反映了充电椭球体的形状、产状充电椭球体的形状、产状和空间位置。和空间位置。n但随着远离充电椭球体，但随着远离充电椭球体，电位等值线趋于圆形电位等值线趋于圆形n若充电椭球体在地下成轴若充电椭球体在地下成轴对称分布，则主剖面上，对称分布，则主剖面上，电位曲线成轴对称正异常电位曲线成轴对称正异常分布，椭球体的中心投影分布，椭球体的中心投影点处为极大值，两侧对

7、称点处为极大值，两侧对称减小趋于零。水平椭球体减小趋于零。水平椭球体的异常范围比直立椭球体的异常范围比直立椭球体的异常范围大。电位梯度的异常范围大。电位梯度异常呈点对称分布，极值异常呈点对称分布，极值点位于椭球体边界外侧附点位于椭球体边界外侧附近。近。n对倾斜分布的充电椭球体，其电位异常呈现非对倾斜分布的充电椭球体，其电位异常呈现非对称分布，倾斜一侧异常曲线变缓，电位梯度对称分布，倾斜一侧异常曲线变缓，电位梯度曲线在倾斜一侧异常极值幅度变小。曲线在倾斜一侧异常极值幅度变小。n不论是对称分布的、还是倾斜分布的充电椭球不论是对称分布的、还是倾斜分布的充电椭球体，其剖面异常的电位异常曲线的拐点和电位

8、体，其剖面异常的电位异常曲线的拐点和电位梯度曲线的极值点基本上反映了地下充电体的梯度曲线的极值点基本上反映了地下充电体的地面水平投影边界。地面水平投影边界。二、充电法的实际应用二、充电法的实际应用n充电法应用的条件充电法应用的条件1、探测对象的电阻率、探测对象的电阻率1 应远远小于围岩电阻率应远远小于围岩电阻率2；2、围岩岩性比较单一，地表介质电性均匀稳定，、围岩岩性比较单一，地表介质电性均匀稳定，地形起伏不大；地形起伏不大；3、埋于地下的充电体必须有露头，或是天然露、埋于地下的充电体必须有露头，或是天然露头或是人工露头（浅井、泉眼、钻孔、坑道等）头或是人工露头（浅井、泉眼、钻孔、坑道等）n充

9、电法的野外工作方法充电法的野外工作方法1、电位法、电位法 N极置于距充电体足够远的某一固定基点上。M极沿测线逐点移动，观测各测点相对于固定基点的电位差，即为该点的电位值U，为了消除电流变化的影响对电位值进行电流归一，用U/I表示。2、电位梯度法、电位梯度法 MN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U / x = U /MN，进行电流归一后表示为U /IMNN3、追索等位线法、追索等位线法 布置充电点，以充电点为中心，布设夹角为45的辐射状测线，距充电点由近及远分别已一定间隔追索等位线。固定电极N放在某一测线的一定位置上，在相邻测线上移动M极寻找以N极点的等位点（

10、UMN=0），记录该点位置，将各等位点连接成等位线。n测量结果用等电位线平面分布图表示测定地下水流速、流向测定地下水流速、流向n布置电极：将A极至于待测含水层中部，N极固定于水流相反方向，与井口距离约为待测含水层深度；n进行正常场测量，井周围介质是均匀各项同性时等位线近似为一个圆；n将盛盐布袋悬挂于A极附近，并记下投盐时间t1；n按一定时间间隔追索等位线，记录时间t2， t3得到异常场等位线，由于含盐溶液随水流流动，等位线沿水流方向伸长，形成椭圆形状；n水流速 xm为oo的距离txtLVm2在岩溶区追索地下暗河在岩溶区追索地下暗河n测线垂直暗河可能走向布置，测线长度以反映的异常曲线是否完整是否

11、延长至正常场而定n把各剖面上电位曲线的极大值点和电位梯度曲线的零值点连接起来，这个异常轴就是地下暗河在地面的投影相邻不相连导电矿脉上相邻不相连导电矿脉上的电位梯度异常曲线的电位梯度异常曲线两个相邻且相连导电矿脉两个相邻且相连导电矿脉上的电位梯度异常曲线上的电位梯度异常曲线判充电体是否相连判充电体是否相连n自然电场的成因n离子导体的自然电场成因（氧化还原作用）n电子导体的自然电场成因（过滤电场；扩散电场）n自然电场法的野外工作方法n装备特点 工作方法n自然电场法的应用n确定地下水与河水间的补给关系；n确定地下水的流向；n确定水库、堤坝的漏水点；寻找含水破碎带或确定断层位置。n它是以介质发生电极化

12、现象它是以介质发生电极化现象为物质基础，通过研究稳定为物质基础，通过研究稳定自然电流场的分布规律，达自然电流场的分布规律，达到勘查某些目标物的目的一到勘查某些目标物的目的一种电法勘探方法种电法勘探方法 。n自然电场自然电场 在一定地质或在一定地质或地质地质地下水动力条件下，地下水动力条件下，不需人工向地下供电，在自不需人工向地下供电，在自然条件下，地中存在的电流然条件下，地中存在的电流场。按其随时间的变化规律，场。按其随时间的变化规律，又可分稳定与非稳定电流场，又可分稳定与非稳定电流场，自然电场法研究的是稳定电自然电场法研究的是稳定电流场。流场。n属于传导类，被动源直流电属于传导类，被动源直流

13、电法。法。一、自然电流场的成因及分布规律一、自然电流场的成因及分布规律n地下产生稳定自然电流场的直接原因是地下介地下产生稳定自然电流场的直接原因是地下介质内存在着电极化现象。质内存在着电极化现象。n所谓电极化是指呈现电中性（正负电荷保持平所谓电极化是指呈现电中性（正负电荷保持平衡）物质或系统在一定条件下其正、负电荷衡）物质或系统在一定条件下其正、负电荷（电子或离子）产生彼此分离，偏离平衡状态（电子或离子）产生彼此分离，偏离平衡状态的现象。的现象。电子导体的电子导体的自然电场自然电场离子导体的离子导体的自然电场自然电场氧化还原电场氧化还原电场扩散电场扩散电场过滤电场过滤电场1.氧化还原电场n导体

14、与溶液接触时，由于热运动或化学反应。导体导体与溶液接触时，由于热运动或化学反应。导体的金属离子式自由电子可能有足够的能量，以致克的金属离子式自由电子可能有足够的能量，以致克服晶格间的结合力束缚而越出导体进入溶液中。从服晶格间的结合力束缚而越出导体进入溶液中。从而破坏了导体与溶液的电中性。分别带异性电荷，而破坏了导体与溶液的电中性。分别带异性电荷，并在其界面处形成双电层，产生电极电位。并在其界面处形成双电层，产生电极电位。n若导体外溶液是均匀的，则界面上的双电层也是均若导体外溶液是均匀的，则界面上的双电层也是均匀而封闭形式分布，故该系统对外仍呈电中性，而匀而封闭形式分布，故该系统对外仍呈电中性，

15、而不会产生自然电场。不会产生自然电场。n若溶液不均匀，界面上的偶电层分布不均匀，则产生若溶液不均匀，界面上的偶电层分布不均匀，则产生极化，系统对外将产生自然电场，在自然电场作用下极化，系统对外将产生自然电场，在自然电场作用下的电荷流动，将导致不均匀性降低，极化消失。的电荷流动，将导致不均匀性降低，极化消失。n因此，产生稳定自然电流场的条件是：外界条件能保因此，产生稳定自然电流场的条件是：外界条件能保持导体外溶液这种不均匀性，使之不因极化放电而减持导体外溶液这种不均匀性，使之不因极化放电而减弱。弱。 n地下导体产生稳定的自然电场的条件是：基于电子导地下导体产生稳定的自然电场的条件是：基于电子导体

16、被地下潜水面截过，其潜水面上部为大气降雨的渗体被地下潜水面截过，其潜水面上部为大气降雨的渗透带，因靠近地表而含氧量较高，其氧化性强，呈氧透带，因靠近地表而含氧量较高，其氧化性强，呈氧化性。相反，潜水面之下含氧量低，相对应那里的水化性。相反，潜水面之下含氧量低，相对应那里的水溶液呈还原性。溶液呈还原性。 潜水面上下溶液性潜水面上下溶液性质的差异。通过大气降水质的差异。通过大气降水的循环总能长期保持不断的循环总能长期保持不断的向地下补充氧气，从而的向地下补充氧气，从而在潜水面上下不同部位的在潜水面上下不同部位的导体上形成了不均匀的双导体上形成了不均匀的双电层，产生了自然极化，电层，产生了自然极化，

17、在其周围空间产生了在其周围空间产生了“氧氧化化-还原还原”自然电场。自然电场。 在地表观测到的为负在地表观测到的为负自然电位异常自然电位异常 。2.过滤电场过滤电场的形成过滤电场的形成n离子导体与溶液接触后，在其表离子导体与溶液接触后，在其表面吸附作用下形成双电层，由于面吸附作用下形成双电层，由于岩石颗粒表面对地下水中不同符岩石颗粒表面对地下水中不同符号的例子具有选择性吸附作用，号的例子具有选择性吸附作用，即一般含水层中的固体颗粒（包即一般含水层中的固体颗粒（包括岩石、矿物颗粒和胶体颗粒）括岩石、矿物颗粒和胶体颗粒）大多数是吸附负离子的。因此，大多数是吸附负离子的。因此，在岩石颗粒表层吸附了固

18、定的负在岩石颗粒表层吸附了固定的负离子层，结果在地下水中集中了离子层，结果在地下水中集中了较多的正离子。（注：石灰岩、较多的正离子。（注：石灰岩、白云岩吸附阳离子，液体内呈阴白云岩吸附阳离子，液体内呈阴离子）离子）n在离子导体的裂（孔）隙处，在离子导体的裂（孔）隙处，双电离相互之间靠的很近，双电离相互之间靠的很近，在液体流动时，扩散带阳离在液体流动时，扩散带阳离子将被带走。相对而言，此子将被带走。相对而言，此处出现了极化，在水流上游处出现了极化，在水流上游呈现负电位，而下游正离子呈现负电位，而下游正离子相对集中呈正电位相对集中呈正电位电化电化学称之为学称之为流动电位流动电位。n上述极化过程，如同水流过上述极化过程，如同水流过岩石，岩石颗粒滤掉阳离子，岩石，岩石颗粒滤掉阳离子，剩下阴离子剩下阴离子称为称为过滤电场过滤电场。过滤电场的形成过滤电场的形成3.扩散电场n当两种岩层中溶液的浓度或成分有差别时，就当两种岩层中溶液的浓度或成分有差别时，就会在溶液之间形成离子的迁移，从而产生扩散会在溶液之间形成离子的迁移，从而产生扩散电位差。电位差。n溶液中当浓度大的溶液的离子向浓度小的溶液溶液中当浓度大的溶液的离子向浓度小的溶液迁移时，正负离子的迁移速度是不同的。于是迁移时，正负离子的迁移速度是不同的。于是在较稀溶液中就获得了迁移速度快了离子所带在较稀溶液中就获