地球物理学必备-应用地球物理学原理(不看后悔)

1、二、岩石和矿石二、岩石和矿石 利用岩石和矿石的利用岩石和矿石的电化学活动性电化学活动性 一般情况下物质都是电中性的，即正，一般情况下物质都是电中性的，即正，负电荷保持平衡。负电荷保持平衡。 但是，某些岩石和矿石在但是，某些岩石和矿石在特定的自然条特定的自然条件件下，在岩石中产生的各种下，在岩石中产生的各种物理化学物理化学过过程作用下，岩石可以形成程作用下，岩石可以形成面电荷面电荷和和体电体电荷荷。岩石的这一性质称为岩石极化。岩石的这一性质称为岩石极化。 岩石极化分为两种类型：岩石极化分为两种类型： 1 1、自然极化、自然极化，是由不同地质体接触处的，是由不同地质体接触处的电荷自然产生的电荷自然

2、产生的( (表面极化表面极化) )或由岩石的或由岩石的固相骨架与充满空隙空间的液相接触处固相骨架与充满空隙空间的液相接触处的电荷自然产生的的电荷自然产生的( (两相介质的体极化两相介质的体极化) )； 2 2、激发极化、激发极化，是在人工电场作用下产生，是在人工电场作用下产生的极化。的极化。 由岩石自然极化和人工极化产生的面电由岩石自然极化和人工极化产生的面电荷和体电荷形成自然电场或激发极化电荷和体电荷形成自然电场或激发极化电场。场。 ( (一一) )岩石和矿石的自然极化特性岩石和矿石的自然极化特性 1 1电子导体的自然极化电子导体的自然极化 当电子导体和溶液接触时，由于热运动，当电子导体和溶

3、液接触时，由于热运动，导体的金属离子或电子可能具有足够大导体的金属离子或电子可能具有足够大的能量，的能量， 以致克服晶格间的结合力越出以致克服晶格间的结合力越出金属进入溶液中。金属进入溶液中。 从而破坏了导体与溶液的电中性，使金从而破坏了导体与溶液的电中性，使金属带负电，溶液带正电。属带负电，溶液带正电。 金属上的负电荷吸引溶液中过剩的阳离金属上的负电荷吸引溶液中过剩的阳离子，使之分布于界面附近，形成子，使之分布于界面附近，形成双电层双电层，产生一定的电位差。产生一定的电位差。 此电位差产生此电位差产生反向电场反向电场，阻碍金属离，阻碍金属离子或电子继续进入溶液。子或电子继续进入溶液。 当进入

4、溶液的金属离子达到一定数量后，当进入溶液的金属离子达到一定数量后，便达到平衡，此时，双电层的电位差为便达到平衡，此时，双电层的电位差为该金属在该溶液中的平衡电极电位。该金属在该溶液中的平衡电极电位。 它与导体和溶液的性质有关。它与导体和溶液的性质有关。 若导体和溶液都是均若导体和溶液都是均 匀的，则界面上的匀的，则界面上的双电层也是均匀的，这种均匀、封闭的双电层也是均匀的，这种均匀、封闭的双电层不产生外电场。双电层不产生外电场。 如果导体或如果导体或 溶液是不均匀的，则界面上溶液是不均匀的，则界面上的双电层呈不均匀分布，产生极化，并在的双电层呈不均匀分布，产生极化，并在导体内、外产生电场，引起

5、自然电流。导体内、外产生电场，引起自然电流。 这种极化所引起电流的趋势是减少造成极这种极化所引起电流的趋势是减少造成极化的导体或溶液的不均匀性。化的导体或溶液的不均匀性。 所以所以 ，如果不能继续保持原有的导体或，如果不能继续保持原有的导体或溶液的不均匀性，则因极化引起的自然电溶液的不均匀性，则因极化引起的自然电流会随时间逐渐减小，以至最终消失。流会随时间逐渐减小，以至最终消失。 因此，电子导体周围产生稳定电流场的因此，电子导体周围产生稳定电流场的条件必须是：条件必须是： 导体或溶液的不均匀性，并有某种外界导体或溶液的不均匀性，并有某种外界作用保持这种不均匀性，使之不因极化作用保持这种不均匀性

6、，使之不因极化放电而减弱。放电而减弱。 如图如图1.3-41.3-4所示，赋存于地下的所示，赋存于地下的电子导电电子导电矿体矿体，当其被，当其被地下潜水面地下潜水面切过时，往往切过时，往往在其周围形成在其周围形成稳定的自然电流场稳定的自然电流场。 我们知道，潜水面以上为我们知道，潜水面以上为渗透带渗透带，由于，由于靠近地表而富含靠近地表而富含氧气氧气，使潜水面以上的，使潜水面以上的溶液氧化性较强溶液氧化性较强； 相反，潜水面以下相反，潜水面以下含氧较少含氧较少，那里的水，那里的水溶液相对来说是溶液相对来说是还原性还原性的。的。 潜水面上、下水溶液潜水面上、下水溶液化学性质的差异化学性质的差异通

7、通过自然界大气降水的循环总能长期保持。过自然界大气降水的循环总能长期保持。 这样，这样， 电子导体的电子导体的上、下部分上、下部分总是总是分别分别处于性质不同的溶液处于性质不同的溶液之中，在之中，在导体和溶导体和溶液之间形成了不均匀的双电层液之间形成了不均匀的双电层，产生自，产生自然极化，并形成自然极化电流场，然极化，并形成自然极化电流场，简称简称自然电场。自然电场。 在上述特定自然条件下，导体上部处于在上述特定自然条件下，导体上部处于氧化性质溶液中，其电极电位较高，氧化性质溶液中，其电极电位较高，导导体带正电，其周围溶液带负电；体带正电，其周围溶液带负电； 导体下部处于还原性质溶液中，电极电

8、导体下部处于还原性质溶液中，电极电位较低，位较低，导体带负电，周围溶液带正电导体带负电，周围溶液带正电。 这种因极化形成的电流，在导体内部自这种因极化形成的电流，在导体内部自上而下；上而下； 而在导体外部是自下而上，如图而在导体外部是自下而上，如图1.3-41.3-4中中的电流线。的电流线。 从地平面看，自然电流是从四面八方流从地平面看，自然电流是从四面八方流向导体，因此，沿剖面观测自然电位向导体，因此，沿剖面观测自然电位 时，时，离矿体愈近，电位愈低，离矿体愈近，电位愈低，在导体正上方在导体正上方电位最低，称为自然电位负心。电位最低，称为自然电位负心。 通常，在硫化金属矿上可观测到几十到通常

9、，在硫化金属矿上可观测到几十到几百毫伏的自然电位负异常。几百毫伏的自然电位负异常。 顺便指出：在化学性能十分稳定的石墨顺便指出：在化学性能十分稳定的石墨矿或石墨化程度较高的地层上，自然电矿或石墨化程度较高的地层上，自然电位负异常的幅位负异常的幅 度可达度可达800800900900mVmV，甚至甚至10001000mVmV以上。以上。 2 2离子导体的自然极化离子导体的自然极化 在离子导电的岩石上所观测到的自然电场在离子导电的岩石上所观测到的自然电场主要是由于动电效应所产生的流动电位所主要是由于动电效应所产生的流动电位所引起。引起。 (1)(1)过滤电场过滤电场 当地下水流过多孔岩石时，在地表

10、就可以当地下水流过多孔岩石时，在地表就可以观测到过滤电场。观测到过滤电场。 溶液能平行于孔壁自由流动，而溶液能平行于孔壁自由流动，而把正离把正离子带走子带走 在在水流的上游负离子过多水流的上游负离子过多， 而而 在水流下游正离子过多在水流下游正离子过多，形成了，形成了过滤过滤电场电场。 地壳中自然形成的地壳中自然形成的过滤电场过滤电场主要包括主要包括裂裂隙电场隙电场、上升泉电场上升泉电场、山地电场山地电场和和河流河流电场等。电场等。 例如例如 ：地下的喀斯特溶洞、断层、破碎：地下的喀斯特溶洞、断层、破碎带或其它岩石裂隙带，常成为地下水的带或其它岩石裂隙带，常成为地下水的通道。通道。 当地下水向

11、下渗漏时，上部岩石吸附负当地下水向下渗漏时，上部岩石吸附负离子，下部岩石出现多余的正离子，这离子，下部岩石出现多余的正离子，这就形成裂隙电场就形成裂隙电场( (见图见图1.3-61.3-6，a)a)。 与以上的情况相反，当地下水通过裂隙与以上的情况相反，当地下水通过裂隙带向上涌出形成上升泉时，由于过滤作带向上涌出形成上升泉时，由于过滤作用，在泉水出露处呈现过剩的正电荷，用，在泉水出露处呈现过剩的正电荷，而在地下水深处留下过多的负电荷，于而在地下水深处留下过多的负电荷，于是形成是形成上升泉电场上升泉电场( (见图见图1.3-61.3-6，b)b)。 此外，由于河水和地下水之间的相互补此外，由于河

12、水和地下水之间的相互补给形成的地下水流产生的给形成的地下水流产生的 过滤电场为过滤电场为河河流电场流电场( (见图见图1.3-7)1.3-7)。 山地电场常常是雨水渗入多孔的山顶岩山地电场常常是雨水渗入多孔的山顶岩层向山脚流动形成的。层向山脚流动形成的。 山地电场总是山顶电位为负，山脚电位山地电场总是山顶电位为负，山脚电位为正，电场的分布与地形成镜象关系为正，电场的分布与地形成镜象关系( (见见图图1.3-8)1.3-8)。 (2)(2)扩散扩散吸附电场吸附电场 当当两种浓度不同的溶液两种浓度不同的溶液相接触时，会产生相接触时，会产生扩散现象。扩散现象。 溶质由溶质由浓度大的溶液移向浓度小浓度

13、大的溶液移向浓度小的溶液的溶液 里，以达到里，以达到浓度平衡浓度平衡。 正、负离子将随着溶质移动，但因岩石颗正、负离子将随着溶质移动，但因岩石颗粒的吸附作用，正、负离子粒的吸附作用，正、负离子 的扩散速度的扩散速度不同，使不同，使两种不同离子浓度的岩石分界面两种不同离子浓度的岩石分界面上分别含有过量的正离子或负离子，形上分别含有过量的正离子或负离子，形 成电位差，这种电场称为扩散成电位差，这种电场称为扩散吸附电场吸附电场。 扩散扩散吸附电场强度较小吸附电场强度较小 例如在地面观测到的河水与地下水接触例如在地面观测到的河水与地下水接触处由于离子浓度差别形成处由于离子浓度差别形成 的扩散的扩散吸附

14、吸附电场，电场，一般约一般约10102020mVmV。 扩散扩散吸附电场更多的是用在电测井工吸附电场更多的是用在电测井工作中。作中。 以上各种原因产生的自然电场不是孤立以上各种原因产生的自然电场不是孤立存在的。存在的。 应用自然电场找矿时，主要研究电子导应用自然电场找矿时，主要研究电子导体周围的电化学电场，而把河流电场、体周围的电化学电场，而把河流电场、裂隙电场视为找矿的干扰；裂隙电场视为找矿的干扰； 应用自然电场解决水文地质问题时，将应用自然电场解决水文地质问题时，将矿体周围的电场视为干扰。矿体周围的电场视为干扰。 ( (二二) )岩石和矿石的人工极化成因岩石和矿石的人工极化成因 1 1电子

15、导体的人工极化成因电子导体的人工极化成因 在讨论电了导体的自然极化时，我们已在讨论电了导体的自然极化时，我们已经知道：浸沉于同种化学性质溶液中的经知道：浸沉于同种化学性质溶液中的单一电子导体表面形成的双电层为一封单一电子导体表面形成的双电层为一封闭系统，它不显示电性，也不形成外电闭系统，它不显示电性，也不形成外电场场( (见图见图1.3-91.3-9，a)a)。 这种自然状态下的这种自然状态下的双电层电位差是导体双电层电位差是导体与溶液接触时的电极电位，又称平衡电与溶液接触时的电极电位，又称平衡电极电位。极电位。 当有电流当有电流 通过上述系统时，导体内部的通过上述系统时，导体内部的电荷将重新

16、分布：自由电子逆着电场方电荷将重新分布：自由电子逆着电场方向移向电流流入端，使向移向电流流入端，使 这里相当于等效这里相当于等效电解电池的电解电池的“阴极阴极”； 而在电流流出端呈现出相对增多的正电而在电流流出端呈现出相对增多的正电荷，相当于荷，相当于 等效电解电池的等效电解电池的“阳极阳极”。 与此同时，溶液中的带电离子也在电场与此同时，溶液中的带电离子也在电场作用下发生相应的运动，分别在作用下发生相应的运动，分别在“阴极阴极”和和“阳极阳极”处形成正离子和负离处形成正离子和负离 子的堆子的堆积积( (图图1.3-91.3-9，b)b)。 使通电前的正常双电层发生了变化：使通电前的正常双电层

17、发生了变化： “阴极阴极”处，导体带负电，处，导体带负电， 围岩带正电；围岩带正电； 而而“阳极阳极”处，导体带正电，围岩带负处，导体带正电，围岩带负电。电。 在电流作用下，导体的在电流作用下，导体的“阴极阴极”和和 “ “阳阳极极”处双电层电位差相对于平衡电极电处双电层电位差相对于平衡电极电位的变化值称为超电压。位的变化值称为超电压。 超电压的形成过程即是电极极化过程。超电压的形成过程即是电极极化过程。 不难理解，随供电时间的延长，导体界不难理解，随供电时间的延长，导体界面两侧堆积异性的电荷逐渐增多，超面两侧堆积异性的电荷逐渐增多，超 电电压值随之增大，最后达到饱和状态。压值随之增大，最后达

18、到饱和状态。 断去供电电流断去供电电流之后，界面两侧堆积的异之后，界面两侧堆积的异性电荷通过界面本身，导体内部和周围性电荷通过界面本身，导体内部和周围溶液溶液放电放电，使，使整个系统逐渐恢复到供电整个系统逐渐恢复到供电之前的均匀双电层状态之前的均匀双电层状态，超电压也随时，超电压也随时间的延续逐渐减小，最后消失间的延续逐渐减小，最后消失( (图图1.3-91.3-9，c)c)。 介绍两个重要概念：介绍两个重要概念： 面极化和体极化面极化和体极化 在激电法的理论和实践中，为使问题简在激电法的理论和实践中，为使问题简化，将岩、矿石的激发极化分为理想的化，将岩、矿石的激发极化分为理想的两类。两类。

19、第一类第一类 是是“面极化面极化”，其特点是，其特点是激发极激发极化均发生在极化体与围岩溶液的界面上，化均发生在极化体与围岩溶液的界面上，如致密的金属矿或石墨矿属于此类。如致密的金属矿或石墨矿属于此类。 第二类是第二类是“体极化体极化”，其，其特点是极化单特点是极化单元元( (指微小的金属矿物、石墨或岩指微小的金属矿物、石墨或岩 石颗石颗粒粒) )呈体分布于整个极化体内，呈体分布于整个极化体内，如浸染状如浸染状金属矿石和矿化、石墨化岩石以及离子金属矿石和矿化、石墨化岩石以及离子导电岩石均属这一类。导电岩石均属这一类。 虽然每个小颗粒与虽然每个小颗粒与 围岩围岩( (胶结物胶结物) )的接触的接

20、触面很小，但它们的面很小，但它们的接触面积的总和却是接触面积的总和却是很可观的。很可观的。 所以，所以，尽管浸染状矿尽管浸染状矿 体与围岩的电阻率体与围岩的电阻率差异很小，仍然可以产生明显的激发极差异很小，仍然可以产生明显的激发极化效应，化效应，这就是激发极化法能够成功地这就是激发极化法能够成功地寻找浸染状矿体的基本原因。寻找浸染状矿体的基本原因。 应该指出，应该指出，面极化和体极化的差别只具面极化和体极化的差别只具有相对意义有相对意义。 严格说来，所有激发极化都是面极化的严格说来，所有激发极化都是面极化的 ，因为从微观来看，体极化中每一个极化因为从微观来看，体极化中每一个极化单元的激发极化也

21、都是发生在颗粒与其单元的激发极化也都是发生在颗粒与其周围溶液的周围溶液的 界面上。界面上。 然而，实践中应用激电法又都是宏观地然而，实践中应用激电法又都是宏观地研究矿体、矿带或地层等大极化体的激研究矿体、矿带或地层等大极化体的激电效电效 应。应。 故在此讨论体极化体的激发极化特性。故在此讨论体极化体的激发极化特性。 2 2离子导体的激发极化成因离子导体的激发极化成因 一般造岩矿物为固体电解质，属离子导一般造岩矿物为固体电解质，属离子导体。体。 野外和室内观测资料表明，不含电子导野外和室内观测资料表明，不含电子导体的一般体的一般 岩石，也能产生明显的激电效岩石，也能产生明显的激电效应。应。 关于

22、离子导体的激发极化机理，所提出关于离子导体的激发极化机理，所提出的假说和争论均较的假说和争论均较 电子导体的多，电子导体的多，但大但大多认为岩石的激电效应与岩石颗粒和周多认为岩石的激电效应与岩石颗粒和周围溶液界面上的双电层结构有关围溶液界面上的双电层结构有关 ( (见图见图1.3-101.3-10，a)a)。 主要假说都是基于岩石颗粒主要假说都是基于岩石颗粒溶液界面溶液界面上双电层分散结构和分散区内存在可以上双电层分散结构和分散区内存在可以沿界面移动的阳离子这一特点提出来的。沿界面移动的阳离子这一特点提出来的。 其有代表性的假说是双电层形变说。其有代表性的假说是双电层形变说。 现简述如下：现简

23、述如下： 在外电流作用下，岩石颗粒表面双电层在外电流作用下，岩石颗粒表面双电层分散区之阳离子发生位移，形成双电层分散区之阳离子发生位移，形成双电层形变形变 ( (图图1.3-101.3-10，b)b)； 当外电流断开后，堆积的离子放电，恢当外电流断开后，堆积的离子放电，恢复平衡状态复平衡状态( (图图1.3-101.3-10，c)c)， 从而可以从而可以观测到激发极化电场。观测到激发极化电场。 双电层形变形成激发极化的速度和放电双电层形变形成激发极化的速度和放电的快慢，决定于离子沿颗粒表面移动的的快慢，决定于离子沿颗粒表面移动的速度和路径的长短，速度和路径的长短，因而较大的岩石颗因而较大的岩石

24、颗粒将有较大的时间常数粒将有较大的时间常数( (即充电和放电时即充电和放电时间长间长) )，这是用激电法寻找，这是用激电法寻找 地下含水层地下含水层的物性基础。的物性基础。 ( (三三) )岩石和矿石的激发极化特性岩石和矿石的激发极化特性 1 1、时间特性、时间特性 (1)(1)矿化岩石的激发极化特性矿化岩石的激发极化特性 细粒浸染状矿石或矿化岩石的激发极化细粒浸染状矿石或矿化岩石的激发极化( (体极化体极化) )是其中许多细小颗粒极化效应是其中许多细小颗粒极化效应的总和，为了考察体极化岩、矿石的激的总和，为了考察体极化岩、矿石的激电效应，通常采用图电效应，通常采用图1.3-111.3-11，

25、a a所示的封所示的封闭装置。闭装置。 将待测的体将待测的体 极化岩、矿石标本置于盛有极化岩、矿石标本置于盛有水溶液的长方形容器中，使其露出水面。水溶液的长方形容器中，使其露出水面。标本与容器壁之间的空隙用石蜡或橡皮标本与容器壁之间的空隙用石蜡或橡皮泥等绝缘材料封严，使标本两侧的水溶泥等绝缘材料封严，使标本两侧的水溶液不相连通。液不相连通。 在容器两端各放一块长在容器两端各放一块长 方形铜片方形铜片A A和和B B，作供电电极作供电电极，借以向容器内供入稳定电，借以向容器内供入稳定电流。流。 在标本两侧水溶液中紧靠标本处在标本两侧水溶液中紧靠标本处 ，安置，安置测量电极测量电极M M和和N N

26、，用毫伏计测量其间的电用毫伏计测量其间的电位差位差。 图图1.3-111.3-11，b b是用上述装置对黄铁矿化岩是用上述装置对黄铁矿化岩石标本测得的电位差随时间变化曲线。石标本测得的电位差随时间变化曲线。 电位差电位差 随时间的变化是因为激发极化效随时间的变化是因为激发极化效应产生的电位差应产生的电位差( (简称二次场电位差，在简称二次场电位差，在供电时记为供电时记为（）（），断电后记为，断电后记为（t)t)） 在供电后从零开始逐渐增大在供电后从零开始逐渐增大( (充电过程充电过程) )， 而在断电后逐渐衰减为零而在断电后逐渐衰减为零( (放电过程放电过程) )。 在无激电效应时，电流通过标

27、本由于电在无激电效应时，电流通过标本由于电阻电压降所形阻电压降所形 成的电位差为一次场电位成的电位差为一次场电位差差。在稳定电流条件下，。在稳定电流条件下， 不随时间而变不随时间而变 。 可见，标本被激发极化后，供电时间可见，标本被激发极化后，供电时间T T时观测到的电位差时观测到的电位差（）为（）为 和和2 2 （）之和，称之为总场电位差，（）之和，称之为总场电位差，它随供电时间它随供电时间T T而变化，并有关系：而变化，并有关系：)()(21TUUTU 由于刚供电时由于刚供电时( (T=0)T=0)二次场电位差为二次场电位差为零，即零，即（）（），故由上式，故由上式得：得： 于是于是 (

28、() )( () )( () ) 1)0(UU 体极化比面极化的充、放电速度快得多，体极化比面极化的充、放电速度快得多，这是体极化与面极化的一个重要不同之这是体极化与面极化的一个重要不同之处。处。 对星散浸染状矿石或矿化、石墨化标本对星散浸染状矿石或矿化、石墨化标本的实验观测结果表明：的实验观测结果表明： 若在相当大范围内改变供电电流若在相当大范围内改变供电电流I I，直到直到测量电极处的电流密度高达测量电极处的电流密度高达n n时，时，二次场二次场 电位差总是与电位差总是与供电电流成正比，且其比值与供电方向供电电流成正比，且其比值与供电方向无关。无关。 因此，在地面电法通常所能达到因此，在地

29、面电法通常所能达到 的电流的电流密度范围内，密度范围内，星散浸染状岩、矿石的激星散浸染状岩、矿石的激电效应没有明显的非线性和正、负极极电效应没有明显的非线性和正、负极极化的差化的差 异。异。 这是体极化和面极化的又一重要区别。这是体极化和面极化的又一重要区别。 (2)(2)描述稳定电流场激发极化效应的参数描述稳定电流场激发极化效应的参数 上已述及，在二次场与电流成线性关系上已述及，在二次场与电流成线性关系的条件下，引入表征体极化岩、矿石的的条件下，引入表征体极化岩、矿石的激电性质参数激电性质参数 极化率极化率( ()，其值按下其值按下式计算：式计算： 极化率为用百分数表示的无量纲参数极化率为用

30、百分数表示的无量纲参数 00100)(2),( TUtUtT 由于二次场和总场均与供电电流成正比，由于二次场和总场均与供电电流成正比，故故极化率是与电流无关的常数极化率是与电流无关的常数。 但但极化率极化率与与供电时间供电时间 T T 和和放电时间放电时间 t t有关，必须予以特别说明。有关，必须予以特别说明。 为简单起见，我们将为简单起见，我们将长时间供电长时间供电( (T T ，即充电达饱和即充电达饱和) )和和断电瞬间断电瞬间( (t0)t0)测得测得的饱和极化率的饱和极化率（，），）定义为极化定义为极化率率 ，记为，记为。 体极化岩、矿石的极化率除了与观测时体极化岩、矿石的极化率除了与

31、观测时的的充放电时间充放电时间有关外，还和岩、矿石的有关外，还和岩、矿石的成分成分、含含 量量、结构结构及及含水性含水性等多种因素等多种因素有关。有关。 我国物探工作者对大量矿化岩、矿石标我国物探工作者对大量矿化岩、矿石标本作了系统观测本作了系统观测 ，研究了多种因素对岩、，研究了多种因素对岩、矿石极化率的影响规律，研究结果表明，矿石极化率的影响规律，研究结果表明，在上述诸多因素中，影响在上述诸多因素中，影响 岩、矿石极化岩、矿石极化率的主要因素是率的主要因素是电子导电矿物的含量和电子导电矿物的含量和岩、矿石的结构、构造。岩、矿石的结构、构造。 (3) (3) 非矿化岩石的激发极化效应非矿化岩

32、石的激发极化效应 不含电子导电矿物的非矿化岩石，属纯离不含电子导电矿物的非矿化岩石，属纯离子导体，在电流激发下的激发极化都发生子导体，在电流激发下的激发极化都发生在细小岩在细小岩 石颗粒与周围溶液的界面上，石颗粒与周围溶液的界面上，也是体极化。也是体极化。 但其激电性质又与矿化岩石不同：但其激电性质又与矿化岩石不同： 岩石的极化率通常很低，一般不超过岩石的极化率通常很低，一般不超过1 12%2%，少数能达到，少数能达到4 45%5%。 表表1.3-51.3-5列举了一些岩列举了一些岩 石石 和矿石极化率和矿石极化率的实测数据的统计结果，它表明了一般情的实测数据的统计结果，它表明了一般情况下，岩

33、、矿石极化率的数量概念。况下，岩、矿石极化率的数量概念。 非矿化岩石的充电和放电速度比矿化岩非矿化岩石的充电和放电速度比矿化岩石更快。石更快。 其中，矿物颗粒小其中，矿物颗粒小( (例如由粘土矿物组成例如由粘土矿物组成) ) 的岩石，充放电速度尤其快；的岩石，充放电速度尤其快； 而颗粒较粗而颗粒较粗( (如砂或砂粒组成如砂或砂粒组成) )的岩石之充、的岩石之充、放电速度则较慢。放电速度则较慢。 岩石激电效应的这种时间特性，对评价激岩石激电效应的这种时间特性，对评价激电异常和应用激电法找水均有实际意义。电异常和应用激电法找水均有实际意义。 2 2频率特性频率特性 (1)(1)在超低频交变电流场中

34、岩、矿石的激在超低频交变电流场中岩、矿石的激电现象电现象 前面所讨论的激电效应是在稳定电流激前面所讨论的激电效应是在稳定电流激发下，根据电场随时间的变化发下，根据电场随时间的变化( (充、放电充、放电过程过程) )来研究来研究 激发极化效应激发极化效应( (即时间域激即时间域激电法电法) )。 实践表明，实践表明，激电效应也可在交变电场激激电效应也可在交变电场激发下，根据电场随发下，根据电场随 频率的变化频率的变化( (频率特频率特性性) )观测到激电效应观测到激电效应( (即频率域激电法即频率域激电法) )。 为了认识交变电流激发下的激电为了认识交变电流激发下的激电 效应，效应，我们考察下述

35、实验：在图我们考察下述实验：在图1.3-111.3-11，a a所示所示的装置中，将直流电源改为超低频信号发的装置中，将直流电源改为超低频信号发生器，向水中供以超低频交变电流生器，向水中供以超低频交变电流I I； 在供电时，用交流毫伏计测量在供电时，用交流毫伏计测量M M、N N间间 的的交流电位差交流电位差。 当保持交变电流的幅值当保持交变电流的幅值I I不变，不变， 而逐渐而逐渐改变频率改变频率f f时，人们发现电位差时，人们发现电位差将将随之而变。随之而变。 这种在这种在超低频段上超低频段上( (f = nf = n- - ) )电场随频率变化电场随频率变化的现象，的现象，与与介电极化和

36、电磁耦合效应无关，而是介电极化和电磁耦合效应无关，而是岩、矿石激发极化的结果。岩、矿石激发极化的结果。 实验证明，在地面电法野外工作通常所实验证明，在地面电法野外工作通常所能达到的电流密度条件下，以上实验中能达到的电流密度条件下，以上实验中的的与与 I I 成线性关系。成线性关系。 在此情况下，可将在此情况下，可将对对I I和装置进和装置进行归一化，按下式计算交流电阻率行归一化，按下式计算交流电阻率 由于激发极化作用，由于激发极化作用，通常是频率的复变通常是频率的复变函数，即函数，即为复量，一般为复量，一般U相对于相对于I I有有相位移相位移。 复电阻复电阻 率率随频率的变化乃是交流随频率的变

37、化乃是交流电位差电位差U随频率变化的结果，这正随频率变化的结果，这正是激电效应的是激电效应的“频率特性频率特性”。 图图1.3-121.3-12是在一块黄铁矿标本上实测的是在一块黄铁矿标本上实测的激电效应频率特性曲线。激电效应频率特性曲线。IUK 这一结果与稳定电场激发下激电效应的这一结果与稳定电场激发下激电效应的时间特性有很明显的对应关系：时间特性有很明显的对应关系： 在时间域里，激电作用随充电时间延长在时间域里，激电作用随充电时间延长从零逐渐增大，并当充电时间相当长时从零逐渐增大，并当充电时间相当长时趋于饱和值。趋于饱和值。 在频率在频率 域中，随着供电电流频率从高到域中，随着供电电流频率

38、从高到低，对应的单向供电时间低，对应的单向供电时间T T从零增大，从零增大，激电效应增强，激电效应增强， 总电场总电场( (电阻率幅值电阻率幅值) )随随之变大；之变大； 当频率趋于零时，单向供电持续时间当频率趋于零时，单向供电持续时间TT，激电效应激电效应 最大，因而总场趋最大，因而总场趋于饱和值。于饱和值。 图图1.3-121.3-12中还给出了实测的激电效应中还给出了实测的激电效应相相频特性曲线频特性曲线( (相位相位随频率的变化曲线随频率的变化曲线) )。 由图可见，在各个频率上，相位皆为负由图可见，在各个频率上，相位皆为负值：当频率很低或很高时，相位皆趋于值：当频率很低或很高时，相位

39、皆趋于零，于中间某零，于中间某 个频率上，相位取得负极个频率上，相位取得负极值。值。 将图中的相频和幅频特性曲线对比可看将图中的相频和幅频特性曲线对比可看到，相位值与幅频特性到，相位值与幅频特性 曲线的斜率约成曲线的斜率约成正比；正比； 振幅值随频率增大而下降的愈陡，相位振幅值随频率增大而下降的愈陡，相位值负得愈大；值负得愈大； 幅频曲线的拐点约与相频曲线的极值点幅频曲线的拐点约与相频曲线的极值点对应。对应。 相频特性曲线的特点，也可对照稳定电相频特性曲线的特点，也可对照稳定电流激发下的时间特性进行解释：流激发下的时间特性进行解释： 如在频率很高如在频率很高( (f f ) )时，因二次时，因

40、二次场趋于零，总场等于一次场，故无相移；场趋于零，总场等于一次场，故无相移； 而频率很低而频率很低( (ff) )时，相当时，相当 于长于长时间单向供电时间单向供电( (T)T)激发极化达饱激发极化达饱和的情况，这时二次场虽最大，但其与和的情况，这时二次场虽最大，但其与电流同电流同 步步( (即二次场无相位差即二次场无相位差) )，故总场，故总场相位也为零。相位也为零。 此外，不难证明，若已知直流激电效应此外，不难证明，若已知直流激电效应的时间特性，便可换算出交流激电效应的时间特性，便可换算出交流激电效应的频率特性；的频率特性； 反之，也一样。反之，也一样。 这说明直流激电这说明直流激电( (

41、时间域时间域) )的观测与交流的观测与交流激电激电( (频率域频率域) )的观测，本质上是一致的，的观测，本质上是一致的，在数学意义上是等效的；在数学意义上是等效的； 其间的差别主要在于观测的方法技术。其间的差别主要在于观测的方法技术。 (2)(2)描写交流激发极化效应的参数描写交流激发极化效应的参数 既然交变电流场中的激电效应以总场既然交变电流场中的激电效应以总场( (或或交流电阻率交流电阻率) )的频率特性为标志，并且与的频率特性为标志，并且与稳定电流场中激电效应的时间特性有对稳定电流场中激电效应的时间特性有对应关系，故可仿照直流激电特性参数应关系，故可仿照直流激电特性参数极化率的表示式极

42、化率的表示式(1.3-14)(1.3-14)，定义下列，定义下列参数以描述交流激电特性参数以描述交流激电特性fGfGfDGDUUUffP ),( 式中式中和和分别表示在分别表示在两个频率两个频率( (低频低频f f和高频和高频f f) )时时 测得的测得的总场电位差幅值。总场电位差幅值。 参数参数P(fP(f， f f）为电场幅值在该为电场幅值在该两频率间的相对变化两频率间的相对变化 ，称为，称为频散率频散率。 频散率也以百分数表示，故西方国家称频散率也以百分数表示，故西方国家称其为其为“百分频率效应百分频率效应”。 在交流激电观测中，除了在交流激电观测中，除了频散率频散率外，还外，还可观测总

43、场相对于供电电流的可观测总场相对于供电电流的相位相位。 前已述及前已述及 ，激电效应引起的相位移与幅，激电效应引起的相位移与幅频特性曲线的斜率或电场幅值随频率的频特性曲线的斜率或电场幅值随频率的变化率近似有正比关系变化率近似有正比关系 ； 另一方面，频散率另一方面，频散率P(fP(f和和f fG G) )也与幅也与幅频特性曲线在频率频特性曲线在频率 f f和和 f fG G 之间的平之间的平 均斜率约成正比。均斜率约成正比。 由于实际观测所用的两个频率由于实际观测所用的两个频率( (f fD D和和f fG G ) )一般相差不大一般相差不大( (十倍左右十倍左右) ) ，可近似认为，可近似认

44、为P(fP(fD D ， f fG G) )与在频率与在频率 上测得的上测得的激电相位成正比。激电相位成正比。 可见在某个频率可见在某个频率 f f 上测得的交流激电场上测得的交流激电场相对于供电电流的相位移相对于供电电流的相位移 ，与该频率与该频率附近测得的频散率附近测得的频散率 P P实测实测等效。等效。 因此，因此，如同如同 P P实测实测一样，有关极限极化率一样，有关极限极化率的规律，也定性地适用于激电相位的测的规律，也定性地适用于激电相位的测量结果。量结果。GDfff 综上所述，综上所述，各种交流激电参数和直流激各种交流激电参数和直流激电参数均可相互联系起来电参数均可相互联系起来，即

45、，即相位和频相位和频散率及极限极化率和实测极化率参数间，散率及极限极化率和实测极化率参数间，都近似地存在正比关系。都近似地存在正比关系。 研究其中某种参数的性质便可代表其余研究其中某种参数的性质便可代表其余 参数的有关特征。参数的有关特征。 以上讨论的全是以上讨论的全是纯粹反映激电效应纯粹反映激电效应的参的参数。数。 在激电法实际工作中，有时还采用某些在激电法实际工作中，有时还采用某些综合反映综合反映 岩、矿石激电性和导电性岩、矿石激电性和导电性的参的参数。数。 其它参数介绍其它参数介绍 在时间域中有在时间域中有金属因素金属因素)(),(),(TtTtTJ 激电率激电率 在频率域中，相对应的参

46、数为：在频率域中，相对应的参数为：)(),(),(TtTtTG )(),(),(DGDGDfffffJ )(),(),(GGDGDfffffG 显然，金属因素参数显然，金属因素参数J J有利于用来有利于用来突突出低阻极化体出低阻极化体的异常；的异常； 而激电率参数而激电率参数 G G 便于便于突出高阻极化体突出高阻极化体的异常。的异常。 (3) (3) 谱激电法的柯尔柯尔谱激电法的柯尔柯尔( (ColeColeColeCole) )模型参数模型参数 自激发极化法用于寻找矿产资源以来，自激发极化法用于寻找矿产资源以来，在一个较长的时间内，人们常用那些表在一个较长的时间内，人们常用那些表征征激电响

47、应强弱激电响应强弱的参数，主要是的参数，主要是极化率极化率（时间域）和（时间域）和频散率频散率。 但石墨化的岩石或无工业价值的矿化都但石墨化的岩石或无工业价值的矿化都会产生与矿体十分相似的激电异常。造会产生与矿体十分相似的激电异常。造成干扰成干扰 为了识别矿与非矿异常（评价激电异常为了识别矿与非矿异常（评价激电异常源），人们进行多方面的理论和实验研源），人们进行多方面的理论和实验研究。究。 其中最为突出是其中最为突出是Pelton等人（等人（1978）研制）研制的的谱激电法谱激电法。 他是用他是用柯尔柯尔模型参数柯尔柯尔模型参数描述激电谱描述激电谱特性的激发极化法。特性的激发极化法。 他们的研

48、究证实了大多数岩、矿石的激他们的研究证实了大多数岩、矿石的激电谱可以用电谱可以用4个柯尔柯尔参数很好来定个柯尔柯尔参数很好来定量地描述，并指出了可以根据岩、矿石量地描述，并指出了可以根据岩、矿石的这的这4个参数（主要是时间常数和极化率）个参数（主要是时间常数和极化率）来评价激电异常。来评价激电异常。 A、柯尔柯尔（柯尔柯尔（ColeCole）模型模型 对矿化岩石来说，可以把它的一个基本对矿化岩石来说，可以把它的一个基本结构单元简化成下图结构单元简化成下图1.314（a）所示的所示的结构，其中包括被金属硫化物阻塞的溶结构，其中包括被金属硫化物阻塞的溶液孔隙通道和未被阻塞的溶液孔隙通道。液孔隙通道

49、和未被阻塞的溶液孔隙通道。 此基本结构单元可以用图此基本结构单元可以用图1.314（b）所示的等效电路来模拟。所示的等效电路来模拟。 电阻电阻R1模拟未被阻塞的溶液孔隙通道中模拟未被阻塞的溶液孔隙通道中的溶液的电阻；的溶液的电阻； 电阻电阻R2模拟被阻塞的溶液孔隙通道中的模拟被阻塞的溶液孔隙通道中的溶液的电阻与金属颗粒的电阻的和；溶液的电阻与金属颗粒的电阻的和； 复阻抗（复阻抗（jX）C和和R3的并联组合模拟的并联组合模拟金属离子溶液界面阻抗。金属离子溶液界面阻抗。CjmZZ）（）（）（达式为：此等效电路的复阻抗表11110（1.3-28） 这一表达式称为这一表达式称为柯尔柯尔阻抗表达式柯尔柯

50、尔阻抗表达式 式中：式中： Z（0）零频率时的阻抗零频率时的阻抗； m极化率（相当于极化率（相当于）； 时间常数时间常数； c频率相关系数频率相关系数。 上述上述4个参数称为个参数称为柯尔柯尔参数柯尔柯尔参数 2、复电阻率的柯尔柯尔表达式及其频、复电阻率的柯尔柯尔表达式及其频谱特性谱特性Cjm）（）（表达式为：复电阻率的柯尔柯尔11110 式中式中0是零频率时的电阻率，其余参数是零频率时的电阻率，其余参数与上述相同。与上述相同。 用此式可计算出用柯尔柯尔表达式表用此式可计算出用柯尔柯尔表达式表示的示的复电阻率的实、虚分量和振幅、相复电阻率的实、虚分量和振幅、相位的频谱。位的频谱。 四个参数小结

51、：四个参数小结： 0和和 m表征表征导电性和激电效应强弱导电性和激电效应强弱的参的参数；数； C表征表征激电谱的陡缓激电谱的陡缓的参数；的参数； 表征表征激电谱沿频率轴或时间轴激电谱沿频率轴或时间轴的位置的的位置的参数。参数。 大量实测资料表明：大量实测资料表明： C：0.10.6； 导电矿物颗粒不均匀者导电矿物颗粒不均匀者C小；反之，小；反之，C较较大，大，常用值为常用值为0.25； 有较大的变化范围：有较大的变化范围： n10-2n 102 s （a）、）、导电矿物导电矿物颗粒大颗粒大，相互连通较好相互连通较好的稠密、浸染状、块状和细脉状，的稠密、浸染状、块状和细脉状， 值大。值大。 导电

52、矿物连通越好，导电矿物连通越好， 值越大，可达值越大，可达100s； （b）、）、无矿化的纯离子导电岩石和导电无矿化的纯离子导电岩石和导电矿物成细粒，互不相连的岩矿石，矿物成细粒，互不相连的岩矿石， 1s。 三、表征岩石和矿石介电极化的参数三、表征岩石和矿石介电极化的参数利用岩矿石的利用岩矿石的介电性介电性 在利用交变电场进行电法勘查的情况下，在利用交变电场进行电法勘查的情况下，岩石、矿石的电性除显示出与电阻率有岩石、矿石的电性除显示出与电阻率有关的传导电流外，还显示出与关的传导电流外，还显示出与岩、矿石岩、矿石介电常数介电常数有关的有关的“位移电流位移电流”。 因此，在导电介质中总因此，在导

53、电介质中总 电流密度电流密度 j j为：为：DJJJ J J 为传导电流密度为传导电流密度 J JD D 为位移电流密度为位移电流密度：为介电常数：为介电常数：为导电率：为导电率 tEtDJEEJD 1 100108 . 11 rDCDCtifJJmEiJEitDJEJeEE）（在频率域电磁法中，设在频率域电磁法中，设（1.3-39） 当当 m1m1时，介质中传导电流起主要作用时，介质中传导电流起主要作用，此时可忽略位移电流作用此时可忽略位移电流作用 ； 反之，反之，当当 m1m10m10) )和和介电体介电体( (m0.1m0.1) )的范围示于图的范围示于图1.3-241.3-24 考虑到

54、野外实际情况，考虑到野外实际情况， 图中取图中取为为5-5-5050。 由图由图1.31.32424可见，可见，对于频率对于频率f fn n1000Hz1000Hz及介质电阻率及介质电阻率10105 5范围内范围内皆皆 可忽略位移电流作用。可忽略位移电流作用。 在自然条件下，岩石电阻率一般很少超在自然条件下，岩石电阻率一般很少超过该值。过该值。故在低频电磁法中不考虑位移故在低频电磁法中不考虑位移电流影响。电流影响。 只是在只是在频率超过频率超过10106 6的高频电磁法的高频电磁法( (如探地雷达、无线电波透视法及其它电如探地雷达、无线电波透视法及其它电波法波法) )中才考虑位移电流作用。中才考虑位移电流作用。 在谐变场情况下分析麦克斯韦第一方程在谐变场情况下分析麦克斯韦第一方程时，时， 如果以复介电常数如果以复介电常数 ( (对于导电介质对于导电介质) )代替代替( (对于介电体对于介电体) )，则在导电介质和介电体中场满足同一形则在导电介质和介电体中场满足同一形式式 的方程的方程EiEtDjH 1*i 复介电常数的虚部复介电常数的虚部 对实部对实部 的比值等于的比值等于 电磁系数电磁系数，并给出由介质导，并给出由介质导电性引起的能量