地球的物理勘探电法基础知识

1、关于地球物理勘探电法基础知识第1页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四 电 法 勘 探 分 类【物性基础：电性性质差异】 【理论基础：电场理论】传导类：电阻率法、充电法、自然电场、激发极化 等感应类：电磁法（剖面、测深）等 电场产生的原因 场源性质 天然场（被动源）：自然电场法、大地电磁法人工场（主动源）：电阻率法、充电法、激发极化、电磁法等 观测和研究人工建立各种电场的分布规律找矿或解决某些地质问题目的电场的时间特性 直流电法：电阻率法（剖面、测深）、充电法、自然电场 等交流电法：电磁法等 第2页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四研究对象：人工、直流、电

2、阻率 勘探方法-通常所指的 电法观测和研究人工建立稳定电流场的分布规律达到找矿或解决某些地质问题目的 分类： 电（阻率）剖面 电（阻率）测深 物性基础：导电性差异 普遍存在 电阻率法广泛应用 第3页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四(直流)电(阻率)法 勘 探 基 础 知 识一.岩土介质的电阻率 1. 电阻率概念 概念 : 电流 通过该物质所组成的边长为1m的立方体时呈现的电阻 用表示， 单位：欧姆米（m） ：表征物质导电性的基本参数，间接 导电率：=1/ ， 直接 表征岩石导电性能。二者关系： 1/第4页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四 2 常见岩土

3、介质的 电阻率自然状态下，岩土的 与 众多因素有关 -普遍存在差异， 具有一定的变化范围如 常见的几种岩石、土、 水的石墨、片岩第5页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四 3 影响电阻率的因素 自然状态下，岩土的电阻率和岩石的组份、结构、构造、孔隙度、 含水性、温度等有关。 1) 组 分: 主要造岩矿物： 长石、石英、云母 矿物骨架（造岩矿物，固相,高） + 水（液相，低） 2) 结 构: 良导性矿物含量+ 结构 浸染状、细脉状、成层状 层状介质：与I方向有关 （黑色：良导矿物） 第6页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四3) 构 造 地质构造运动、风化、溶

4、蚀-裂隙如充水，降低，反之,4) 孔隙度及含水性（湿度）： 孔隙度大+含水多，则降低，反之，则高 如：砂卵石层：饱含矿化度高的水时，为 几十 m 在潜水面以上时， 为几百几千m 致密石灰岩的很高，有溶洞且充填矿化度高的水时，较低5) 水溶液的矿化度 纯水 - 一般 潜水 - 海水 如：划分咸淡水的层位6) 温 度 冰 常温 水 热水 如，地热异常的圈定； 温泉， 冻土层界面划分第7页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四 4 层状介质的电阻率 与方向是否有关: 各向异性介质、各向同性介质 1) 纵向 与横向 (计算公式见下页) 层理方向 (串联) 流过时所测电阻率称为 横向 层

5、理方向 (并联) 流过时所测电阻率称为 纵向 各向异性系数：1第8页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四 2) 横向电阻 纵向电导S 如在层状介质中取底面积为 1平米、厚度为h的六面岩柱体。横向电阻(串联)：当 I 岩柱体底面 流过时 所测得的电阻。 a. 均质 b. 层状纵向电导S (并联)：当 I 岩柱体底面流过时， 所测得的电导。 a. 均质 b. 层状对于电性不同层状介质来说，T和S 两者的综合影响决定岩层对电场的畸变作用。 S=h (v=1/)（h电性层的厚度）= /= /S第9页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四二. 电阻率法的基本理论 电法勘

6、探中 : 内在依据：物性基础 外在条件：人工电流场 + 探测技术 推测 地下介质分布 观测 介质的变化 建立 人工(直流)电场 理论基础(正演)：已知电性介质分布，研究电场分布。 研究场与场源的关系(正演)-电法勘探出发点勘探目的(反演)：通过观测电性参数特征，推断电性介质的分布 稳定电流场 ( U(t)特性 ) 第10页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四1. 稳定电流场的基本规律（基本方程+边界条件） 1） 微观欧姆定律（适用于均质和非均质）：j与E关系方程 2）克希霍夫定律（电流是处处是连续的）: 连续性方程 3）稳定电流场的势场性（U与r有关）：电位性质 4）稳定电流

7、场的基本方程（拉普拉斯方程式）（综上） 5）边界条件： 求解出 U，及 E、j 分布规律第11页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四2. 点电源电场 (均匀介质) 地下介质为：各向同性、均匀半无限空间1） 一个点电源的电场 （半空间）点电源：供电电极A、B本身的大小 0 U E0 U|E0| U|E 0U 高阻：集中-排斥高阻-低阻：发散-吸引 高阻排斥、低阻吸引I ?第15页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四5. 镜像法 （电像法，非均匀介质）非均匀时，求解电场基本方程困难根据稳定电流场解的唯一性，边界条件一定时，任何方法所求解唯一。适合 : 全 空 间

8、 、半 空 间光学：有源介质中点 M1 直达 + (反射 镜像)电场：有源介质中点M1 （1） 直达 + 反射(积累电荷) 镜像 无源介质中 点M2: （2） 入射+(-反射)(积累电荷) 镜像 K12 反射系数1-K12 透射系数K12=? I=？=？界面上r1=r2=r3UM1=UM2（3）第16页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四作业：什么是电阻率法什么是电阻率、横向电阻率、纵向电阻率、横向电阻、纵向电导。岩土介质的电阻率受哪些因素影响一个点电源电场的特点均匀大地电阻率计算公式推导第17页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四低阻 吸引j高阻 排斥j6

9、.视电阻率 及其 定性分析公式 均匀介质中真电阻率 ：均匀介质 所测为 影响因素（前面） 非均匀介质中，综合影响视电阻率 ： 受：不均匀体及围岩的电阻率； 分布形态； 装置形式和大小； 装置相对于不均匀体的位置 定性 分析公式 = 的微分公式: 第18页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四点点库伦欧姆守恒次一级7、积累电荷的概念及电阻率法的物理实质 积累电荷：在非均匀导电介质中，存在着电荷的体分布 电性界面上电荷的积累过程可通过：库伦定律、欧姆定律及 电荷守恒定律 进行描述。 电性界面上电荷的积累的具体过程：稳定电场第19页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期

10、四 A在电源接通的瞬间(t=0)，由电极表面的积累电荷在界面两侧无限接近的两点所产生的电场强度法分量应该相等 ： B根据欧姆定律，在相同电场作用下，在电阻率分界面的两侧，将引起不同的电流密度，如当 ， c在界面上某点作一闭合曲面，将出现流入、流出闭合曲面的电流密度不相等， ，所以在界面上形成了电荷的积累： D积累电荷又在分界面两侧引起次一级的电场 次一级的电场又引起次一级的电流密度 。于是，界面两侧总电流密度为： 界面上仍会有新的正电荷的积累。 E. 当 时，界面上便不再有新的电荷积累，这时的电场才成为稳定电场： 。（稳定电流场的边界条件）第20页，共29页，2022年，5月20日，5点38分

11、，星期四 当电流由低阻介质流向高阻介质时， 界面上积累正电荷； 当电流由高阻介质流入低阻介质时， 界面上积累负电荷。 右图表示电性界面上， 积累电荷的形成过程。第21页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四8. 电流密度 j 随深度 h 的分布 j 随 h 的分布规律 关系 电法 勘探深度 电法勘探深度与： 所选极距的大小-人为因素 所要探则地质对象的电性、产状 和 规模大小、 以及探测地段地电断面的结构等， 都有密切的关系。 均匀半无限空间中电流密度随深度的变化规律-j(h)地表 AB联线的中垂线OM方向上， j 随 h 的变化规律：1）地表 h=0 AB连线的 中点O处 ，

12、j：第22页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四2）中垂线上深度为h的M点处： 整理： 3） 关系如右图所示 h=2r=AB时，jh=8.9%jO ，主要分布在地表附近的范围内，h ，j ； r， j在深处的 相对分布百分比 最佳极距 L=r=AB/2=0.707H ；地表上 jO= 最大h=2r=2AO=AB一个点电源第23页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四9. 电流密度 j 与 电源功率V 关系 一个点源 为例，极距处，地表上0最大： 供入地下的电流 I依次为：电源内阻，导线电阻，AB电极的接地电阻过度增大 电极距，会使0 减小，读数不准。 要想 增

13、大勘探深度H，需要： 增大V 增加 j 的 绝对值， 适当增大 电极距 L 增加 j 在深处分布的 百分比0第24页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四三.电阻率法的仪器、设备简介1.电阻率法野外观测中的几个问题 1） 接地电阻 一个电极的接地电阻可以理解为电流由电极流入地下受到的阻力。 它是指从电极表面到大地无穷远处之间的大地电阻。野外测量中，希望接地电阻尽可能小，可在一定的供电V下供入较大的I 2）电极极化、极化补偿、不极化电极电极极化现象：在野外测量中，MN测量电极电极表面与毗邻的水溶液中形 成双电层，每一个金属棒打入土中就具有一定的电极电位。 因此，测量MN电极间常存

14、在一定数量的电极电位差，或称为极化电位差 -干扰电流 极化补偿：直流电法仪器中设有“极化补偿器”，在AB没有供电之前，使用 “极化补偿器” 产生与电极电位大小相等、方向相反的电位差，将 电极电位补偿掉。 第25页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四2、对电测仪器的一般要求 电阻率法的野外工作，是通过测量MN电极间的电位差UMN 及电流I，然后利用(5.3.1)式： , 计算各点 视电阻率。 因此，电阻率法的仪器在性能上必须满足野外条件下能准确测量微弱电位差和电流的要求。对仪器的具体要求如下： 1）灵敏度高 2）抗干扰能力强 3）较高的稳定性 为了达到以上要求，该类仪器一般须有较高的输入阻抗。3、电子自动补偿仪的工作原理（右图）第26页，共29页，2022年，5月20日，5点38分，星期四4、电阻率法的主要装备 电阻率法野外工作有如下设备： 测量仪器、供电电源、供电电极AB、测量电极MN、导线及线架等。供电电源：常用几块45V 乙型干电池串联和并联组成，或