应用地电学B课件：第1章-岩矿石电学性质

岩矿石的电学性质应用地电学B岩矿石的电学性质应用地电学B为什么要学习岩矿石的电学性质？地电学是以岩（矿）石间电磁学及电化学性质的差异作为基础的利用不同电性参数，可以使用不同的地电学方法测量地下介质的性质和分布，从而解决地质问题所利用的主要电性参数有：

电阻率（ρ）resistivity

极化率（η）polarizability

磁导率（μ）magneticpermeability

介电常数（ε）permittivity/capacitivity压电常数（d）piezoelectricity2为什么要学习岩矿石的电学性质？地电学是以岩（矿）石间电磁学及本章主要内容1.岩矿石的导电性2.岩矿石的介电性3.岩矿石的导磁性4.岩矿石的自然极化性质5.岩矿石的激发极化性质6.岩矿石的压电性与震电性3本章主要内容1.岩矿石的导电性3岩矿石的导电性电阻率ρ(Resistivity)描述介质的导电性，是地电学中最重要的物理参数在电法勘探中，电阻率ρ的单位以欧姆·米表示，记作Ω·m。有时也用电导率σ(Conductivity)表示物质的导电性，其单位为西门子每米，记作S/m。电导率和电阻率互为倒数。物质的电阻率越低、电导率越大，其导电性越好；反之，导电性越差。4岩矿石的导电性电阻率ρ(Resistivity)描述介质的导1.1矿物的电阻率岩石和矿石都是由矿物组成的，按导电机制不同，固体矿物可分三种类型，即金属导体、半导体和固体电解质。在讨论岩、矿石电阻率之前，先介绍一下常见固体矿物的导电性。岩矿石的导电性1.1矿物的电阻率岩矿石的导电性（1）金属导体（电子导体）

各种天然金属均属于金属导体。较重要的自然金属有自然金和自然铜，其电阻率值均很低，自然金的电阻率约为2×10-8欧姆·米，自然铜的电阻率约为1.2×10-8~3×10-7欧姆·米。

此外，石墨这种具有某些特殊的电子导体性质的非金属也具有很低的电阻率，其值小于10-6欧姆·米。岩矿石的导电性（1）金属导体（电子导体）岩矿石的导电性（2）半导体（电子导体）

大多数金属矿物均属于半导体。其电阻率值都高于金属导体，并有较大的变化范围（10-6~106欧姆·米）。

大多数常见的金属硫化物（如黄铜矿、黄铁矿、方铅矿）和某些氧化矿物（如磁铁矿），其电阻率值均较低，具有良好的导电性。岩矿石的导电性（2）半导体（电子导体）岩矿石的导电性

而少部分的金属硫化矿物和多数氧化矿物，如辉锑矿、闪锌矿、软锰矿、铬铁矿和赤铁矿等，它们的电阻率值均较高。

上述金属导体和半导体的导电作用都是通过其中某些电子在外电场作用下的定向运动来实现的，它们均为电子导体。岩矿石的导电性 而少部分的金属硫化矿物和多数氧化矿物，如辉锑矿、闪锌矿、常见半导体矿物的电阻率范围岩矿石的导电性常见半导体矿物的电阻率范围岩矿石的导电性（3）固体电解质（离子导体）绝大多数造岩矿物（如辉石、长石、石英、云母和方解石等），均属于固体电解质，其电阻率值都很高（大于106欧姆·米），在干燥情况下可视为绝缘体。固体电解质导电载流子为填隙离子或空格点，它们属于离子导电。岩矿石的导电性（3）固体电解质（离子导体）岩矿石的导电性岩矿石的导电性

需要注意的是，矿物电阻率值并不是一成不变，而是在一定范围内变化的，同种矿物可有不同的电阻率值，不同矿物也可有相同的电阻率值。11岩矿石的导电性 需要注意的是，矿物电阻率值并不是一成不变，1.2影响岩矿石电阻率的因素

天然状态下，岩矿石的电阻率除了和其组份（矿物）有关外，还和其它因素有关，如岩石的结构、孔隙度，含水性及温度，压力等。

因此，不仅矿物组分不同的岩石会有不同的电阻率，既使矿物组份相同的岩石，也会由于上述条件的不同而使其电阻率在很大的范围内变化。影响岩矿石电阻率的因素1.2影响岩矿石电阻率的因素影响岩矿石电阻率的因素常见岩石电阻率值的分布范围曲线常见岩石电阻率值的分布范围曲线

由图可见，一般而言，火成岩与变质岩的电阻率值一般较高，通常在102~105欧姆·米；

而沉积岩电阻率值一般较低，如粘土的电阻率约为100~101欧姆·米，砂岩的电阻率约为102~103欧姆·米，多孔灰岩的电阻率较低，而致密灰岩的电阻率则较高些。影响岩矿石电阻率的因素 由图可见，一般而言，火成岩与变质岩的电阻率值一般较高，通(1)电阻率与矿物成份、结构的关系

岩、矿石的组成可以大致分为两部分，即胶结物，其电阻率设为ρ1，及矿物颗粒，其电阻率设为ρ2，矿物颗粒的百分含量设为V。15影响岩矿石电阻率的因素矿物颗粒胶结物

在岩石物理中，为简单起见，一般可以将矿物颗粒的形状简化为简单的几何形体，如球体，针状体，片状体等(1)电阻率与矿物成份、结构的关系15影响岩矿石电阻率的因素对于球形颗粒而言，其总体电阻率可以表示为对于针状颗粒而言，其总体电阻率可以近似为拉长的旋转椭球体形式：16影响岩矿石电阻率的因素垂直于颗粒方向平行于颗粒方向对于球形颗粒而言，其总体电阻率可以表示为16影响岩矿石电阻率影响岩矿石电阻率的因素17对于圆片状颗粒而言，其总体电阻率可以近似为压扁的旋转椭球体形式：显然，岩矿石的电阻率与矿物电阻率，胶结物电阻率，以及矿物的含量百分比V都具有相关性垂直于颗粒方向平行于颗粒方向影响岩矿石电阻率的因素17对于圆片状颗粒而言，其总体电阻率可影响岩矿石电阻率的因素讨论：1）岩矿石矿物和胶结物的电阻率固定时，岩矿石电阻率受矿物电阻率ρ2的影响一般不大

一般情况下，V＜60%时，ρ2的影响可以忽略；只有V＞80%时，ρ2有明显作用。2）胶结物和矿物的电阻率与比例（V）均相同，但结构不同时：①球状结构：ρ无方向性；②针、片状结构：ρ有方向性，ρn>ρt；18影响岩矿石电阻率的因素讨论：18

天然状态下的岩矿石一般含有孔隙水，在地电学中，一般可以近似地把含水的岩石模型看成是由两相介质构成的，即由矿物骨架（固相）和流体（液相）所构成。

在物理学中，一般利用

阿尔奇公式来描述两相介质

中的电阻率与空隙度及物质

组分之间的关系影响岩矿石电阻率的因素tenGrotenhuisetal.,2005 天然状态下的岩矿石一般含有孔隙水，在地电学中，一般可以近影响岩矿石电阻率的因素根据前人对大量岩石电阻率的测定，岩石物理学统计得出的阿尔奇公式(Archie’slaw)可以表示为：其中ρ为岩石的电阻率，ρ0为流体的电阻率，Ф为孔隙度，S为饱和度，n为饱和度指数，m为孔隙度指数。a为比例系数因此，可以利用阿尔奇公式来获得岩石电阻率与孔隙度或流体电阻率之间的关系。20影响岩矿石电阻率的因素根据前人对大量岩石电阻率的测定，岩石物主要的造岩矿物如长石、石英、云母等电阻率均相当高。然而，由于天然状态下的岩石在长期的地质历史过程中，受到地质作用而出现裂隙，以及裂隙中含流体等原因，一般岩石的电阻率要低于其所含矿物的电阻率。(2)电阻率与岩石孔隙度的关系影响岩矿石电阻率的因素主要的造岩矿物如长石、石英、云母等电阻率均相当高。影响岩矿石电阻率的因素不难理解，一般比较致密的岩石，孔隙度较小，所含水分也较少，因而电阻率较高；结构比较疏松的岩石，孔隙度较大，所含水分也较多，因而电阻率较低。根据阿尔奇公式：显然孔隙度Ф与饱和度S越大，岩石的电阻率越低22影响岩矿石电阻率的因素不难理解，一般比较致密的岩石，孔隙度较

岩矿石的电阻率与其水溶液矿化度也有着密切的关系。地下水的矿化度变化范围很大，淡水的矿化度约为10-1g/L，咸水的矿化度则可能高达10g/L，相差两个数量级，而矿化度与电阻率有着直接联系。

由于水溶液是离子导电，显然，岩石中所含水溶液的矿化度越高，其流体电阻率就越低(3)电阻率与水溶液矿化度的关系影响岩矿石电阻率的因素 岩矿石的电阻率与其水溶液矿化度也有着密切的关系。地下水的影响岩矿石电阻率的因素根据阿尔奇公式：显然，流体电阻率ρ0越低，岩石的电阻率也就越低->水溶液矿化度越高，电阻率越低影响岩矿石电阻率的因素根据阿尔奇公式：孔隙度大而渗透性强的岩层如砂层、砾石层，当饱含矿化度高的地下水时，电阻率可能只有几十至几个欧姆·米；当其位于潜水面以上含水条件较差时，其电阻率可高达几百至几千欧姆·米。因此，利用地下介质的电阻率分布，可能对地下的潜水面位置进行判断25影响岩矿石电阻率的因素孔隙度大而渗透性强的岩层如砂层、砾石层，当饱含矿化度高的地下26影响岩矿石电阻率的因素流体互相连通流体互相不连通(4)电阻率与流体连通性的关系

即使矿物组分，矿石孔隙度与流体电阻率均相同，矿石的电阻率仍可能由于流体的连通性的区别而发生较大的变化，如下图所示10%10%26影响岩矿石电阻率的因素流体互相连通流体互相不连通(4)

由于温度的变化将引起水溶液中离子活动性的变化，所以岩石中水溶液的电阻率也将随温度的升高而降低。在地热勘探中，正是利用这一特性来圈定地热异常的。

相反在冰冻条件下，地下岩石中的水溶液将由于结冻，使岩土呈现出极高的电阻率。这对于我国冰冻时间较长地区，冬季施工时将产生影响。(5)电阻率与温度的关系影响岩矿石电阻率的因素 由于温度的变化将引起水溶液中离子活动性的变化，所以岩石中含水砂岩电阻率随温度变化的试验曲线砂岩孔隙度为12%；湿度ω=1.5%影响岩矿石电阻率的因素含水砂岩电阻率随温度变化的试验曲线影响岩矿石电阻率的因素中国地质大学（北京）地信学院电法组制作(6)高温高压下的岩石电阻率地球深部岩石的电阻率受高温、高压的影响，岩石电导率随温度增加按指数增大（电阻率减小）岩石电导率随压力增加也会相应增大（电阻率减小），但并不如温度变化敏感。在浅部地区可以认为岩石电阻率随压力不发生变化影响岩矿石电阻率的因素中国地质大学（北京）地信学院电法组制作(6)高温高压下的岩石岩石原生结构破坏是压力作用下岩石性质变化的主要原因。根据压力特征，这种破坏可能是岩石的压实，孔隙收缩，颗粒接触面积的增大，形成裂隙组，或是个别区域之间粘结性减小等等。静水压力对岩石的压实作用最大，往往随压力的增大，干燥或者稍许含水岩石的电阻率减小，这是由于孔隙度降低、颗粒间接触良好的原因。对于大多数岩石，当单轴压力由10Mpa增加到60Mpa时，可观测到岩石电阻率的剧烈变化。但是，某些粘土或高含水岩石在压力作用下，由于孔隙中的水分被挤出，含水孔隙通道的截面缩小，从而使其电阻率增大。30影响岩矿石电阻率的因素岩石原生结构破坏是压力作用下岩石性质变化的主要原因。根据压力影响岩矿石电阻率的因素(7)岩矿石电阻率与测量频率的关系

我们知道，在直流电场情况下，介质的导电性质只与传导电流有关

而在交变电场情况下，电性除显示出与电阻率有关的传导电流外，还显示出与岩、矿石介电常数（）有关的“位移电流”。31影响岩矿石电阻率的因素(7)岩矿石电阻率与测量频率的关系3在导电介质中总电流密度j为传导电流密度和位移电流密度的和：在电磁场理论中，传导电流密度和位移电流密度的比值称为介质的电磁系数m当m>>1时，介质中传导电流起主要作用，此时可忽略位移电流作用；反之，当m<<1时，主要由位移电流起作用，可忽略传导电流作用。32影响岩矿石电阻率的因素在导电介质中总电流密度j为传导电流密度和位移电流密度的和：3中国地质大学（北京）地信学院电法组制作

考虑到野外实际情况，图中取r为5～50。由图可见，对于频率小于数千Hz及介质电阻率小于105范围内皆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过该值。故在低频感应法中不考虑位移电流影响，即视岩石导电性不随频率改变。

只是在频率超过106Hz的高频电磁法（如探地雷达法）中才考虑位移电流作用。中国地质大学（北京）地信学院电法组制作考虑到野外实际1.3岩矿石电阻率的各向异性纵向电阻率与横向电阻率

大部分沉积岩都具有层理结构，从其电性上来看，它们可以大致看作是由各种不同电阻率的地层组成的。

这样的地层其电阻率与通过其中电流的方向有关，呈现出各向异性。岩矿石电阻率的各向异性1.3岩矿石电阻率的各向异性岩矿石电阻率的各向异性层状结构岩石模型（a）实际岩石（b）等效模型L1L2层状结构岩石模型L1L2垂直层理方向：平行层理方向：（参考电阻的串联与并联）垂直层理方向：平行层理方向：（参考电阻的串联与并联）

对于各向异性介质而言，当电流垂直层理方向流过时所测得的电阻率称为横向电阻率，我们用符号ρn来表示；电流平行层理方向流过时所测得的电阻率称为纵向电阻率，我们用符号ρt来表示。岩矿石电阻率的各向异性对于各向异性介质而言，当电流垂直岩矿石电阻率的各向岩石名称λ岩石名称λ层状粘土层状砂岩石灰岩02~1.051~1.61~1.3泥质板岩泥质页岩无烟煤1~1.5941~1.251.5~2.5

一般情况下，岩层的横向电阻率均大于其纵向电阻率，并用“各向异性系数”来表示岩层的各向异性程度。由于ρn>ρt，所以各向异性系数λ总是大于1的,油储与煤藏一般呈较高各向异性的特征。岩石名称λ岩石名称λ层状粘土02~1.05泥质板岩1~1.5思考：电法勘探相对于其他方法的优势？探测对象与围岩间的物性差异是地球物理方法的应用前提重力勘探：物性差异<101磁法勘探：物性差异<103地震勘探：物性差异<101电法勘探：物性差异<1010物性的巨大差异有助于电法勘探发现地下岩矿石的异常思考：电法勘探相对于其他方法的优势？应用地电学B课件：第1章-岩矿石电学性质本章主要内容1.岩矿石的导电性2.岩矿石的介电性3.岩矿石的导磁性4.岩矿石的自然极化性质5.岩矿石的激发极化性质6.岩矿石的压电性与震电性41本章主要内容1.岩矿石的导电性41*岩矿石的介电性42无极分子有极分子无外加电场无极分子有极分子有外加电场E电介质的极化现象

电介质的分子分为无极分子和有极分子。在无外加电场作用时，分子无取向不规则排列，宏观上不显示出电性。

在电场作用下，介质中无极分子的束缚电荷发生位移，有极分子的固有电偶极矩的取向趋于电场方向，这种现象称为电介质的极化。*岩矿石的介电性42无极分子岩矿石的介电性43

电位移矢量和电场强度

之间的关系由电介质的物理性质决定，对于线性各向同性介质，与之间存在简单的线性关系：其中称为介质的介电常数，Permittibility，称为介质的相对介电常数（无量纲），可以表征岩矿石的极化性质。岩矿石的介电性43电位移矢量和电场强度岩矿石的介电性介电常数为表征物质介电性的参数

ε--Permittivity/capacitivity在高频电磁法勘探中有重要作用,介电常数与物质成分、结构、湿度以及外加电磁场的频率有关大多数造岩矿物的相对介电常数很小，变化不大（4-12），金属矿物较大，而纯水最大44岩矿石的介电性介电常数为表征物质介电性的参数44岩矿石的介电性45一般火成岩的相对介电常数很小，变化不大（2-6左右），而沉积岩的相对介电常数要大一些，达到（3-15）左右而纯水最大，达到80左右，因此一般含水的岩石比干燥岩石的介电常数要大不少岩矿石的介电性45一般火成岩的相对介电常数很小，变化不大（2影响岩矿石介电性的因素（1）湿度（含水量）湿度越大，介电常数越大（越接近于水）46影响岩矿石介电性的因素（1）湿度（含水量）46影响岩矿石介电性的因素（2）频率

介电常数随频率增大而减小，但在超过106Hz的高频段内，可以认为介电常数与频率无关。47影响岩矿石介电性的因素（2）频率47本章主要内容1.岩矿石的导电性2.岩矿石的介电性3.岩矿石的导磁性4.岩矿石的自然极化性质5.岩矿石的激发极化性质6.岩矿石的压电性与震电性48本章主要内容1.岩矿石的导电性4849磁介质的磁化现象

介质中分子或原子内的电子运动形成分子电流，形成分子/原子磁矩无外加磁场外加磁场B

在外磁场作用下，分子磁矩定向排列，宏观上显示出磁性，这种现象称为磁介质的磁化。

无外磁场作用时，分子磁矩不规则排列，宏观上不显磁性。*岩矿石的导磁性49磁介质的磁化现象介质中分子或原子内的电子运动形成*岩矿石的导磁性50其中称为介质的磁导率，magneticconductivity，称为介质的相对磁导率（无量纲），可以表征岩矿石的导磁性，除少数铁磁性矿物外，一般矿物的绝对磁导率都接近于真空导磁率（相对磁导率=1），只有含大量铁磁矿物时，其相对导磁率才明显大于1

磁感应强度

和磁场强度

之间的关系由磁介质的物理性质决定，对于线性各向同性介质，与之间存在简单的线性关系：*岩矿石的导磁性50其中称岩矿石的导磁性影响岩矿石导磁性的因素（1）所含铁磁性矿物多少（2）频率（类似于介电常数）

由于绝大多数造岩矿物的相对磁导率均非常接近于1，利用导磁性寻找磁性铁矿或评价异常时，其所受干扰比导电参数小51岩矿石的导磁性影响岩矿石导磁性的因素51本章主要内容1.岩矿石的导电性2.岩矿石的介电性3.岩矿石的导磁性4.岩矿石的自然极化性质5.岩矿石的激发极化性质6.岩矿石的压电性与震电性52本章主要内容1.岩矿石的导电性52岩矿石的自然极化性质自然极化的概念：一般情况下物质都是电中性的，即正、负电荷保持平衡。但在一定条件下，某些物质或某个系统的正、负电荷会彼此分离，偏离平衡状态，通常称这种现象为“极化”。某些岩石和矿石在特定的自然条件下，不经外加电压即可呈现出极化状态，并在其周围形成自然电场，这便是岩、矿石的自然极化现象。53岩矿石的自然极化性质自然极化的概念：53岩矿石的自然极化性质4.1、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，导体的金属离子或自由电子可能有足够大的能量，以致克服晶格间的结合力而进入溶液中。从而破坏了导体与溶液的电中性，分别带异性电荷，并在分界面附近形成双电层。

此双电层的电位差称为电子导体在该溶液中的电极电位。它与导体和溶液的性质有关。若导体及其周围的溶液都是均匀的，则界面上的双电层也是均匀的，这种均匀、封闭的双电层不会产生外电场。54岩矿石的自然极化性质4.1、电子导体的自然极化5455但如果导体或溶液是不均匀的，则界面上的双电层呈不均匀分布，而产生极化现象，并在导体内、外产生电场，引起自然电流。如图所示，赋存于地下的电子导电矿体，当其被地下潜水面截过时，往往在其周围形成稳定的自然电场。其原因是，潜水面以上为渗透带，由于靠近地表而富含氧气，使那里的（附着水）溶液氧化性较强；相反，潜水面以下含氧气较少，使那里的水溶液相对来说是还原性的。55但如果导体或溶液是不均匀的，则界面上的双电层呈不均匀分布56由于导体上部处于氧化性质溶液中，电极电位较高，导体相对带正电，而周围溶液带负电；而导体下部处于还原性溶液中，电极电位较低，导体相对带负电，周围溶液带正电。由此形成的电流在导体内部自上而下；而在导体外自下而上。从地面看，自然电流由四面八方流向导体，因此离导体越近，电位越低。在导体正上方电位最低。通常，在硫化金属矿上可观测到几十到五百毫伏伪自然电位负异常；而在石墨化程度较高的地层或石墨矿上，自电负异常的幅度可达-800一-900mV，甚至更大。56由于导体上部处于氧化性质溶液中，电极电位较高，导体相对带574.2、离子导体的自然极化当离子导体和地下溶液接触时，也可能产生自然极化作用，大致可分为两种不同的电化学作用：即过滤作用与扩散作用岩矿石的自然极化性质4.2.1、过滤作用

地面电法勘探在离子导电的岩石中观测到的自然电场主要是由动电效应所产生的流动电位所引起的。一般岩石颗粒与其周围溶液之间形成的离子双电层，靠岩石颗粒一边带阴离子，而溶液一侧为阳离子。离子导电岩石表面的双电层574.2、离子导体的自然极化岩矿石的自然极化性质4.2.158而当地下水在岩石中流过时，将带走双电层溶液一侧（扩散区中）的部分阳离子。于是，在水流的上游会留下多余的负电荷（阴离子），而下游有多余的正电荷（阳离子）．因而破坏了正、负电荷的平衡，形成极化。这种极化的结果，将沿水流方向产生电位差，这在电化学上叫做流动电位。58而当地下水在岩石中流过时，将带走双电层溶液一侧（扩散区中59在此种极化机理中，好似水流过岩石时，岩石颗粒“过滤”掉了部分阴离子．故在电法勘探中形象地称由此形成的自然极化电流场为过滤电场。地壳中的过滤电场主要有裂隙渗漏电场、上升泉电场、山地电场和河流电场等。这类自然电场都与地下水的流动有关，基于对它们的观测和研究，有可能解决某些水文地质和工程地质问题，例如，确定地下水流向及地下水与地表水补给关系，寻找水库漏水带或构造破碎带及上升泉等。然而，对寻找金属矿（电子导体极化）来说，各种过滤电场则是一种干扰59在此种极化机理中，好似水流过岩石时，岩石颗粒“过滤”掉了604.2.2、扩散作用

两种不同浓度的溶液接触，浓度大的溶液向浓度小的溶液扩散以达到平衡，这一现象被称之为物理学中的扩散现象。

岩矿石的自然极化性质604.2.2、扩散作用岩矿石的自然极化性质61而在地下介质中，正负离子随着溶液移动，但由于运动速度不同，使得溶液里分别含有过量的正离子或负离子，形成电动势，该电场称为扩散电场。61而在地下介质中，正负离子随着溶液移动，但由于运动速度不同62扩散电场是一种相对稳定电场，利用扩散电场的性质，可以圈定埋藏不深的矿化水分布区以及进行小范围地质填图。自然条件下，多孔岩石中扩散电场与过滤电场一般会同时发生，但其场强一般较小。岩矿石的自然极化性质62扩散电场是一种相对稳定电场，利用扩散电场的性质，可以圈定63岩矿石的激发极化性质5.1岩矿石的激发极化机理除去上节介绍的岩矿石在自然条件下发生的自然极化之外，在外界电场的作用下，也会发生所谓激发极化现象在向地下供入稳定电流的情况下，有时仍可观测到测量电极间的电位差随时间而变化，在一段时间后趋于某一稳定的饱和值而在断开供电电流后，测量电极间的电位差在最初一瞬间很快下降，而后便随时间相对缓慢地下降，并在一段时间后才衰减接近于零63岩矿石的激发极化性质5.1岩矿石的激发极化机理64人们发现，这类随时间变化的衰减曲线与由于瞬变电磁脉冲造成的衰减曲线并不相同64人们发现，这类随时间变化的衰减曲线与由于瞬变电磁脉冲造成65人们将这类现象称之为激发极化现象65人们将这类现象称之为激发极化现象66岩矿石的激发极化性质（一）电子导体的激发极化机理电子导体（包括大多数金属矿和石墨及其矿化岩石）的激发极化机理一般认为是由于电子导体与其周围溶液的界面上发生过电位差的结果。在一定的外电流作用下，“电极”和溶液界面上的双电层电位差相对平衡电极电位之变化，在电化学中称为“过电位”或“超电压”。平衡电极电位过电位66岩矿石的激发极化性质（一）电子导体的激发极化机理平衡电极67

过电位的产生与电流流过电极一溶液界面相伴随的一系列电化学反应（简称电极过程）的迟缓性有关。随着通电时间的延续，界面两侧堆积的异性电荷将逐渐增多，过电位随之增大；过电位的形成和增大将加速电极过程的进行，直到该过程的速度与外电流相适应，即流至界面的电流均能全部通过界面，因而不再堆积新电荷时，过电位便趋于某一个饱和值，不再继续增大。

这便是过电位的形成过程或充电过程。过电位的饱和值（以下简称过电位）与流过界面的电流密度有关，并随其增大而增大。67过电位的产生与电流流过电极一溶液界面相伴68当外电流断开后，堆积在界面两侧的异性电荷，将通过界面本身、电子导体内部和周围溶液放电，使界面上的电荷分布逐渐恢复到正常的双电层；与此同时，过电位亦随时间逐渐减小，直至最后消失。这就是过电位的放电过程。岩矿石的激发极化性质68岩矿石的激发极化性质69（二）离子导体的激发极化机理关于离子导体的激发极化机理，所提出的假说和争论均较电子导体的多，但大多数观点仍然认为其与岩石颗粒和周围溶液界面上的双电层有关。其中一个比较有代表性的假说是双电层形变假说。

岩矿石的激发极化性质69（二）离子导体的激发极化机理岩矿石的激发极化性质70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速度和路径长短，因此，一般来说较大的岩石颗粒将有较大的时间常数（即充电和放电较慢）。70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71岩矿石的激发极化性质5.2、稳定电流场中岩石和矿石的激发极化特性岩、矿石的激发极化一般可以近似分为两大类：第一类是“面极化”，如致密的金属矿或石墨矿均属此类。其特点是激发极化都发生在极化体与围岩溶液的界面上。第二类是“体极化”，如浸染状金属矿和矿化（包括石墨化）岩石及离子导电岩石的激发极化都属此类。其特点是极化单元（微小的金属矿物或岩石颗粒）体分布于整个极化体中。面极化体极化71岩矿石的激发极化性质5.2、稳定电流场中岩石和矿石的激发72面极化岩石标本激发极化性的测量标本在外电流激发下，电流流入端成为阴极，产生阴极极化；电流流出端成为阳极，产生阳极极化。在标本一端的边缘及其相邻近的水溶液中分别放置测量电极M和N，用毫伏计测量外电流场激发下标本与水溶液界面上的过电位。岩矿石的面极化72面极化岩石标本激发极化性的测量岩矿石的面极化中国地质大学（北京）地信学院电法组制作石墨（a）和黄铜矿（b）标本在不同外电流密度j0的激发下，阳极过电位（实线）和阴极过电位（虚线）随充电时间T和放电时间t的变化曲线。中国地质大学（北京）地信学院电法组制作石墨（a）和黄铜矿（b中国地质大学（北京）地信学院电法组制作标本的时间特性

石墨和黄铜矿过电位充、放电曲线的总趋势是相同的： 1.刚开始充电时，过电位随时间很快地增大（突变）；随着充电时间的延长，其增大的速度逐渐变慢，最后趋于某一饱和值。放电曲线与充电曲线成倒像相似： 2.在断电后，最初过电位随时间很快下降；随着放电时间延长，过电位衰减的速度也逐渐变慢，直到最后慢慢衰减到零。

中国地质大学（北京）地信学院电法组制作标本的时间特性753.对比图中不同电流密度j0的充、放电曲线可看到，外电场的电流密度j0越大，过电位充电达到饱和值的时间越短。对于野外工作通常采用的小电流密度（j0＜1μA/cm2），充、放电两分钟，甚至五分钟尚不能达到饱和值或使放电至零。这表明面极化的充、放电过程相对均较慢。753.对比图中不同电流密度j0的充、放电曲线可看到，外电这里负号表示过电位增高的方向与电流方向相反；系数k为单位电流密度激发下形成的过电位值，是表征面极化特性的参数，称为面极化系数。在通常采用的小电流密度（j0<=1μ

A/cm2）条件下，归一化过电位ΔΦ/j0不随电流密度大小变化，即过电位与电流成线性关系。对于一定的充、放电时间（T,t)，过电位与垂直面极化体表面的电流密度法向分量jn有如下正比关系这里负号表示过电位增高的方向与电流方向相反；系数k为77

从电学观点看，k可理解为激电效应在电子导体一溶液界面上形成的面阻抗，单位为Ω·m2。k与充、放电时间及电子导体和周围溶液的性质有关。此外，过电位也与界面溶液一侧的电场强度法向分量（En＝jn·ρ水）成正比，λ为其比例系数，它等于单位外电场激发下的过电位值，故也可作为表征面极化特性的参数，有时也称λ为面极化系数，单位为m。77从电学观点看，k可理解为激电效应在电子导体一溶78过电位与充电电流的非线性关系当激发电流密度j0较大时（对石墨j0>40μA/cm2

，对黄铜矿j0>5μ

A/cm2)，不同电流密度的归一化过电位充、放电曲线互不相重，并且阴极和阳极过电位曲线也彼此分开。这表明在大电流密度激发下，过电位与电流密度不成正比，即为非线性关系。。78过电位与充电电流的非线性关系79阳极优势与阴极优势

对石墨而言，当j0从小变大时，开始出现阳极过电位大于阴极过电位（简称阳极优势）；而当继续增大j0或当j0相当大而延长充电时间时，便逐渐变为均势，并进而变成阴极过电位大于阳极过电位（即阴极优势）。黄铜矿的情况则不同，当j0从小变大时，阴、阳极过电位的关系总是阴极优势，而且阴、阳极过电位之差，较石墨的大得多79阳极优势与阴极优势80对其它致密金属矿石标本所做的观测表明，磁铁矿和磁黄铁矿的非线性特征与石墨的相似；而方铅矿、闪锌矿和黄铁矿等硫化金属矿物的非线性特征与黄铜矿的相同。这从物性上提供了利用非线性观测区分这两类矿物的激电异常的可能性。80对其它致密金属矿石标本所做的观测表明，磁铁矿和磁81岩矿石的体极化（二）体极化特性体极化是分布于整个极化体中的许多微小极化单元的极化效应的总和。因此，无法像在面极化中的测定方法一样，利用极化单元界面上的过电位来表征其激电效应的性质。体极化因此，一般利用体极化产生的二次电位与一次电位之间的关系来表征岩矿石的激电性质，采用如下右图装置进行体极化矿石的标本测定81岩矿石的体极化（二）体极化特性体极化因此，一般利用体极化82体极化岩石标本激发极化性的测量标本在供电后的电压从零开始逐渐变大（充电过程），直至达到平衡，而断电后二次电位差∆U2(t)逐渐衰减到零（放电过程）。在无激电效应时，电流流过标本由于欧姆电压降形成的电位差，称为一次电位差∆

U1，它在稳定电流条件下，不随时间而变。82体极化岩石标本激发极化性的测量标本在供电后的电压从零开始中国地质大学（北京）地信学院电法组制作在标本被激发极化后，供电时间为T时观测到的电位差为∆

U1和∆

U2(T)之和，称为总场电位差。刚供电时（T＝0）二次电位差为零，图3.3-5中的虚线b，是换算出的∆

U2（T）充电曲线。对比之前面极化的图件可以看出，体极化的充、放电速度比面极化的快得多.中国地质大学（北京）地信学院电法组制作在标本被激发极化后，供对星散浸染状矿石或矿化、石墨化岩石标本的实验观测结果表明，在相当大范围内改变供电电流I时，在观测误差范围内∆U2与I成正比，且abs(∆

U2)与供电方向无关。

因此，在地面电法通常采用的电流密度范围内，体极化效应实际上是线性的。为此引入一个称为极化率η(T,t）的新参数，来表征体极化介质的激电性质:式中∆U2(T,t)是供电时间为T和断电后t时刻测得的二次电位差。极化率是用百分数表示的无量纲参数。由于∆U2(T,t)和∆U(T)均与供电电流I成正比（线性关系），极化率是与电流无关的常数。但极化率与供电时间T和测量延迟时间t有关，因此，当提到极化率时，必须指出其对应的供电和测量时间T和t。对星散浸染状矿石或矿化、石墨化岩石标本的实验观测结果中国地质大学（北京）地信学院电法组制作初始极化率:当延时t0,长时间充电情况（T∞）则有:为简单起见，如不特加说明，一般便将极化率η定义为长供电和无延时的极限极化率:中国地质大学（北京）地信学院电法组制作初始极化率:当延时t86常见岩矿石的极化率86常见岩矿石的极化率87影响岩矿石的极化率的因素1)电子导电矿物的含量

大量实测资料表明，地下体极化岩、矿石的极化率主要决定于其中所含电子导电矿物的体积百分含量。激电效应随岩、矿石中电子导电矿物含量增高而增强的特性，是激电法成功应用于金属矿普查找矿的物理-—-化学基础。5.3影响岩矿石极化率的因素：87影响岩矿石的极化率的因素1)电子导电矿物的含量5.3影中国地质大学（北京）地信学院电法组制作2）岩矿石的结构、构造

（1）电子矿物的颗粒度一般颗粒度越小，极化率越大

（2）电子导电矿物的形状和排列方向确定了激化的非各向同性性质

（3）致密程度极化率一般岩矿石的致密程度增加而增加中国地质大学（北京）地信学院电法组制作2）岩矿石的结构、构造中国地质大学（北京）地信学院电法组制作无矿化岩石的激发极化特性(1)极化率低完全不含电子导电矿物的岩石，其极化率通常很小，一般不超过1～2％，少数可达3～4％。(2)充放电速度快无矿化岩石的充电速度一般远小于矿化岩石或矿体，一般在数十ms内就可能充放电完毕中国地质大学（北京）地信学院电法组制作无矿化岩石的激发极化特90交变电流下岩矿石的极化（一）交变电流场中岩、矿石的激发极化现象

上一节中我们介绍了稳定电流下中的“时间域”激电效应，而在交变电流中，同样会出现激电效应，即“频率域”激电效应（或称之为谱激电(SIP)效应）。

在时间域激电方法中，一般采用通-断-反向通-断的供电周期，观测到的是电场随时间变化的特性。而在频率域激电方法中，一般采用方波单频“扫频”发射多个频率（或双频）的形式，观测电场随频率变化的特征。90交变电流下岩矿石的极化（一）交变电流场中岩、矿石的激发极交变电流下岩矿石的极化91???VS频率域时间域交变电流下岩矿石的极化91???VS频率域时间域交变电流下岩矿石的极化92时间域激电频率域激电ΔUΔΦ交变电流下岩矿石的极化92时间域激电频率域激电ΔUΔΦ

左图给出了矿石标本上的实测频率域激发极化频率特性曲线（亦称频谱曲线）

左图上部分即为总场电位差的幅值随频率变化的“幅值曲线”(A)，下部分为总场电位差相对供电电流滞后的相位随时间变化的“相位曲线”(φ)。

其中，总场电位差幅值随频率f的变化曲线（幅频特性）与激电时间特性有很好的对应关系。

93交变电流下岩矿石的极化 左图给出了矿石标本上的实测频率域激发极化频率特性曲线（亦称94交变电流下岩矿石的极化随着f从高到低，相应的单向供电持续时间T（即半个周期1/2f)从零增大，激电效应逐渐增强，结果总场电位差幅值随之变大。而当f0时，T∞,激电效应最强，因而趋于饱和值。

对于极限情况，时间域和频率域总场电位差之间有下列关系94交变电流下岩矿石的极化随着f从高到低，相应的单向供电持续中国地质大学（北京）地信学院电法组制作总场电位差ΔU相对于供电电流I的相位移φ随频率的变化曲线（相频曲线）的特点是在各个频率上中皆为负值，这表明激电效应引起的阻抗具有容-抗性质。

当频率很低或很高时，fi趋于零；而在某个中等频率上，相位φ取得极值。这是因为频率很高时激电效应趋于零，总场就等于一次场，故无相位移；频率很低时，相当于长时间单向供电激发极化达饱和的情况，这时二次场虽然最大，但其与电流“同步”，故总场相位移也为零。中国地质大学（北京）地信学院电法组制作总场电96虽然各种岩、矿石的幅频和相频曲线的基本性态都是一样的，但不同的岩、矿石有不同的频率特征。

在时间域中充、放电、较快的岩、矿石，在频率域中便具有高频特征——在比较高的频率上总场值才快速衰减，并取得相位极值；

反之，在时间域中充、放电、较慢的岩、矿石，在频率域中则具有低频特征——总场幅值的迅速衰减和相位极值出现在较低的频率上。96虽然各种岩、矿石的幅频和相频曲线的基本性态都是中国地质大学（北京）地信学院电法组制作式中的K为装置系数。在存在激电效应时，ΔU随频率而变化，且一般ΔU和I之间有相位移，所以，ρ是频率f（或角频率ω＝2πf）的复变函数。故常称交流电阻率ρ为复电阻率，记为ρ（iω)。显然，复电阻率的频谱与前述（电流幅值保持不变情况下）ΔU的频谱具有相同的特征。

频率域的实验观测同样说明，在电法勘探野外工作中通常所能达到的电流密度条件下，ΔU与I成线性关系。因此，将总场电位差ΔU对电流I和装置作归一化，可计算出与电流大小无关的交流电阻率:复电阻率中国地质大学（北京）地信学院电法组制作式中的K为装置系数。交变电流下岩矿石的极化98欲计算交流场中岩矿石的视电阻率需测量供电电流与测量到的电位差两个时间序列，由于极化（充/放电）性质的影响,这两个时间序列之间会有一定“延迟”，因此，这两者相除得到的视电阻率将会是一个复数，称为“复电阻率”交变电流下岩矿石的极化98欲计算交流场中岩矿石的视电阻率需测交变电流下岩矿石的极化99而“复电阻率”这个复数的幅值和相位就分别组成了复电阻率谱的两条曲线交变电流下岩矿石的极化99而“复电阻率”这个复数的幅值和相位（二）幅频和相频特性的关系在复变函数中，若某系统传递函数在复平面s的右半平面范围是有限且解析的，且其零点仅存在于左半平面，可称之为最小相移函数。实验表明，复电阻率即是一类最小相移函数，其实分量和虚分量频谱及幅频特性和相频特性之间，可以通过希尔特变换进行互相转换，可导出下列近似关系式。（二）幅频和相频特性的关系101实分量和虚分量频谱以及幅频特性和相频特性之间的可换算性质从理论上表明，没有必要同时观测各个分量的频谱，而且似乎观测任何一个分量的频谱都一样。

不过，各分量频谱反映激电特征参数的能力或分辨力并不一样，需要根据地质任务和实际条件选择观测适当的分量。（三）频率特性和时间特性的关系不仅各分量的频率特性之间可以互相转换，而且频率特性和时间特性之间也有一定的关系，可以互相换算。频率城激电测量和时间域激电测量在本质上是一致的，在数学意义上是等效的，差异主要在技术上。

频率域与时间域方法各有其优势。101实分量和虚分量频谱以及幅频特性和相频特性之间的可换算中国地质大学（北京）地信学院电法组制作（四）描写频率域激电效应的参数1．复电阻率频谱既然交变电流场中的激电效应以总场电位差或复电阻率的频率特性为标志，那么在激电效应出现的整个（超低频）频段上的复电阻率频谱应是最全面描写频率域激电效应的参数。

所谓复电阻率法或频谱缴电法，便是通过在相当宽的（超低频）频段上观测视复电阻率的实分量和虚分量或振幅和相位的频谱，以研究地下地质情况。这种方法的优点是能提供比较丰富的激电信息，但欲获得完整的频谱，则需要在许多频率上作观测，所以生产效率较低，故不适于用作普查找矿。中国地质大学（北京）地信学院电法组制作（四）描写频率域激电效1032．频散率根据两个频率（低频）和（高频）的总场电位差的幅值计算“频散率”表示频率域激电效应的强弱。频散率与时间域中的极化率为等效参数

3．相位前已述及，激电效应导致总场电位差相对供电电流发生相位移，它也就是复电阻率的相位φ。在其它条件相同时，激电效应越强，φ的绝对值越大。所以，相位φ也可作为描写激电效应强弱的参数。1032．频散率中国地质大学（北京）地信学院电法组制作*频率特性和时间特性的定量描述（一）面极化的时间特性和频率特性面极化的性质由面极化系数或面阻抗k来描述。

（二）体极化的时间特性和频率特性W．H．ρelton等基于对大量岩、矿石标本和露头的测量结果，指出激电效应引起的复电阻率的频谱可用下式表示，即式中，ρ0是频率为零时的电阻率；m是充电率，相当于时间域的极限极化率；c是频率相关系数，无量纲；τ是时间常数，具时间量纲。这一激电复电阻率频率特性的公式，称其为柯尔一柯尔模型。中国地质大学（北京）地信学院电法组制作*频率特性和时间特性的岩矿石的压电性和震电性1.岩矿石的导电性2.岩矿石的介电性3.岩矿石的导磁性4.岩矿石的自然极化性质5.岩矿石的激发极化性质6.岩矿石的压电性与震电性105岩矿石的压电性和震电性1.岩矿石的导电性105*岩矿石的压电性和震电性6.1.岩矿石的压电性

某些特定的晶体物质，比如石英晶体，当受到压力时将产生电极化，并在其表面出现电势差，称为压电性(Piezoelectricity)，而这种现象被称为压电效应。

表征压电性大小的参数是压电模数，单位为库/牛106*岩矿石的压电性和震电性6.1.岩矿石的压电性106107岩矿石的压电性压电模数d，可以用极化强度（P）与应力(T)来表示，一般在岩石物理中，测量压电模数时仅采用三个应力主轴上的应力和对应主轴上的极化强度进行计算(d11,d22,d33)107岩矿石的压电性压电模数d，可以用极化强度（P）与应力(岩矿石的压电性108脉石英蚀变脉石英云英化砂岩灰岩煌斑岩岩矿石的压电性108脉石英蚀变脉石英云英化砂岩灰岩煌斑岩岩矿石的震电性1096.2岩矿石的震电性

在向地下供入直流电时，如果有弹性波通过供电区，那么供电回路中的电流会产生周期性波动，这种现象称为震电效应“I”。如果在接通的不供电的两个电极所在的区域里，如果有弹性波通过，那么电极回路中就有交变电流流动，这一现象称为震电效应“E”。岩矿石的震电性1096.2岩矿石的震电性岩矿石的震电性岩矿石在地下包含的可能激发震电效应的物理现象主要有：(1)岩石破裂，摩擦生电与电磁辐射现象(2)岩石准静态变形生电现象(3)岩石的压电及电致伸缩现象(4)双电层动电现象

根据试验研究,岩石的微破裂、主破裂、磨擦、压电效应、动电效应都具有较高的震电能量转换效率,在一定条件下,动电效应震电能量转换效率最高,可达10-3mV量级110岩矿石的震电性岩矿石在地下包含的可能激发震电效应的物理现象主岩矿石的压电性和震电性（1）震电效应“Ｉ”：

震电效应I一般认为是弹性波传播引起的接地电阻的变化引起的。弹性波的传播可能会引起地温或或地下固体颗粒接触程度的变化，进而影响接地电阻的大小。

特点：与打击能量成正比，且与供电电流成正比。111岩矿石的压电性和震电性（1）震电效应“Ｉ”：111岩矿石的震电性(２)震电效应“Ｅ”：成因不十分清楚,但具有明显的方向性。但多数学者同意伊万诺夫的解释，即弹性波的传播引起孔隙介质中产生压力差，从而造成孔隙流体的流动而形成过滤电势（参见自然极化部分）112岩矿石的震电性(２)震电效应“Ｅ”：112(３)震电电磁辐射效应：某些多金属矿体在音频范围内的弹性波作用下，能产生无线电波段范围内的脉冲电磁辐射现象。特点：见p35，可用于资源勘查，地震的前兆现象(４)激发动电效应：一般推测固－液界面的双电层的存在是产生原因,可用于油气勘探，如剩余油的圈定等113岩矿石的震电性(３)震电电磁辐射效应：113岩矿石的震电性小结：岩矿石的电学性质114岩矿石的导电性表征导电性的物理参数：

电阻率ρ(Ω·m)/电导率σ(S/m)矿物的导电性金属导体，半导体，固体电解质影响岩矿石导电性的主要因素岩矿石组分，孔隙度，含水矿化度，连通性，温度，压力…岩矿石导电性的各向异性

横向电阻率，纵向电阻率，各向异性系数小结：岩矿石的电学性质114岩矿石的导电性小结：岩矿石的电学性质岩矿石的自然极化性特点：与岩矿石在自然状态下的地下水溶液环境中生成的双电层有关，因此与地下水的赋存状态有很大关系电子导体的自然极化：与穿过潜水面的矿体上下发生的氧化/还原反应相关（较强）离子导体的自然极化：与地下水的流动造成的过滤电场与扩散电场有关（较弱）115小结：岩矿石的电学性质岩矿石的自然极化性115116小结：岩矿石的电学性质岩矿石的激发极化性特点：由人工向地下进行供电产生的激发极化现象有关电子导体的激发极化：双电层产生的“过电位”离子导体的激发极化：双电层发生“形变”面极化：现象（双电层）发生在岩矿石与围岩的交界处体极化：现象（双电层）发生在整个矿体范围之内（浸染状/矿化）116小结：岩矿石的电学性质岩矿石的激发极化性小结：岩矿石的电学性质岩矿石的激发极化性时间域激发极化现象：测量极化率频率域激发极化现象：测量频散率复电阻率的概念：幅值/相位117小结：岩矿石的电学性质岩矿石的激发极化性117谢谢大家118谢谢大家118岩矿石的电学性质应用地电学B岩矿石的电学性质应用地电学B为什么要学习岩矿石的电学性质？地电学是以岩（矿）石间电磁学及电化学性质的差异作为基础的利用不同电性参数，可以使用不同的地电学方法测量地下介质的性质和分布，从而解决地质问题所利用的主要电性参数有：

电阻率（ρ）resistivity

极化率（η）polarizability

磁导率（μ）magneticpermeability

介电常数（ε）permittivity/capacitivity压电常数（d）piezoelectricity120为什么要学习岩矿石的电学性质？地电学是以岩（矿）石间电磁学及本章主要内容1.岩矿石的导电性2.岩矿石的介电性3.岩矿石的导磁性4.岩矿石的自然极化性质5.岩矿石的激发极化性质6.岩矿石的压电性与震电性121本章主要内容1.岩矿石的导电性3岩矿石的导电性电阻率ρ(Resistivity)描述介质的导电性，是地电学中最重要的物理参数在电法勘探中，电阻率ρ的单位以欧姆·米表示，记作Ω·m。有时也用电导率σ(Conductivity)表示物质的导电性，其单位为西门子每米，记作S/m。电导率和电阻率互为倒数。物质的电阻率越低、电导率越大，其导电性越好；反之，导电性越差。122岩矿石的导电性电阻率ρ(Resistivity)描述介质的导1.1矿物的电阻率岩石和矿石都是由矿物组成的，按导电机制不同，固体矿物可分三种类型，即金属导体、半导体和固体电解质。在讨论岩、矿石电阻率之前，先介绍一下常见固体矿物的导电性。岩矿石的导电性1.1矿物的电阻率岩矿石的导电性（1）金属导体（电子导体）

各种天然金属均属于金属导体。较重要的自然金属有自然金和自然铜，其电阻率值均很低，自然金的电阻率约为2×10-8欧姆·米，自然铜的电阻率约为1.2×10-8~3×10-7欧姆·米。

此外，石墨这种具有某些特殊的电子导体性质的非金属也具有很低的电阻率，其值小于10-6欧姆·米。岩矿石的导电性（1）金属导体（电子导体）岩矿石的导电性（2）半导体（电子导体）

大多数金属矿物均属于半导体。其电阻率值都高于金属导体，并有较大的变化范围（10-6~106欧姆·米）。

大多数常见的金属硫化物（如黄铜矿、黄铁矿、方铅矿）和某些氧化矿物（如磁铁矿），其电阻率值均较低，具有良好的导电性。岩矿石的导电性（2）半导体（电子导体）岩矿石的导电性

而少部分的金属硫化矿物和多数氧化矿物，如辉锑矿、闪锌矿、软锰矿、铬铁矿和赤铁矿等，它们的电阻率值均较高。

上述金属导体和半导体的导电作用都是通过其中某些电子在外电场作用下的定向运动来实现的，它们均为电子导体。岩矿石的导电性 而少部分的金属硫化矿物和多数氧化矿物，如辉锑矿、闪锌矿、常见半导体矿物的电阻率范围岩矿石的导电性常见半导体矿物的电阻率范围岩矿石的导电性（3）固体电解质（离子导体）绝大多数造岩矿物（如辉石、长石、石英、云母和方解石等），均属于固体电解质，其电阻率值都很高（大于106欧姆·米），在干燥情况下可视为绝缘体。固体电解质导电载流子为填隙离子或空格点，它们属于离子导电。岩矿石的导电性（3）固体电解质（离子导体）岩矿石的导电性岩矿石的导电性

需要注意的是，矿物电阻率值并不是一成不变，而是在一定范围内变化的，同种矿物可有不同的电阻率值，不同矿物也可有相同的电阻率值。129岩矿石的导电性 需要注意的是，矿物电阻率值并不是一成不变，1.2影响岩矿石电阻率的因素

天然状态下，岩矿石的电阻率除了和其组份（矿物）有关外，还和其它因素有关，如岩石的结构、孔隙度，含水性及温度，压力等。

因此，不仅矿物组分不同的岩石会有不同的电阻率，既使矿物组份相同的岩石，也会由于上述条件的不同而使其电阻率在很大的范围内变化。影响岩矿石电阻率的因素1.2影响岩矿石电阻率的因素影响岩矿石电阻率的因素常见岩石电阻率值的分布范围曲线常见岩石电阻率值的分布范围曲线

由图可见，一般而言，火成岩与变质岩的电阻率值一般较高，通常在102~105欧姆·米；

而沉积岩电阻率值一般较低，如粘土的电阻率约为100~101欧姆·米，砂岩的电阻率约为102~103欧姆·米，多孔灰岩的电阻率较低，而致密灰岩的电阻率则较高些。影响岩矿石电阻率的因素 由图可见，一般而言，火成岩与变质岩的电阻率值一般较高，通(1)电阻率与矿物成份、结构的关系

岩、矿石的组成可以大致分为两部分，即胶结物，其电阻率设为ρ1，及矿物颗粒，其电阻率设为ρ2，矿物颗粒的百分含量设为V。133影响岩矿石电阻率的因素矿物颗粒胶结物

在岩石物理中，为简单起见，一般可以将矿物颗粒的形状简化为简单的几何形体，如球体，针状体，片状体等(1)电阻率与矿物成份、结构的关系15影响岩矿石电阻率的因素对于球形颗粒而言，其总体电阻率可以表示为对于针状颗粒而言，其总体电阻率可以近似为拉长的旋转椭球体形式：134影响岩矿石电阻率的因素垂直于颗粒方向平行于颗粒方向对于球形颗粒而言，其总体电阻率可以表示为16影响岩矿石电阻率影响岩矿石电阻率的因素135对于圆片状颗粒而言，其总体电阻率可以近似为压扁的旋转椭球体形式：显然，岩矿石的电阻率与矿物电阻率，胶结物电阻率，以及矿物的含量百分比V都具有相关性垂直于颗粒方向平行于颗粒方向影响岩矿石电阻率的因素17对于圆片状颗粒而言，其总体电阻率可影响岩矿石电阻率的因素讨论：1）岩矿石矿物和胶结物的电阻率固定时，岩矿石电阻率受矿物电阻率ρ2的影响一般不大

一般情况下，V＜60%时，ρ2的影响可以忽略；只有V＞80%时，ρ2有明显作用。2）胶结物和矿物的电阻率与比例（V）均相同，但结构不同时：①球状结构：ρ无方向性；②针、片状结构：ρ有方向性，ρn>ρt；136影响岩矿石电阻率的因素讨论：18

天然状态下的岩矿石一般含有孔隙水，在地电学中，一般可以近似地把含水的岩石模型看成是由两相介质构成的，即由矿物骨架（固相）和流体（液相）所构成。

在物理学中，一般利用

阿尔奇公式来描述两相介质

中的电阻率与空隙度及物质

组分之间的关系影响岩矿石电阻率的因素tenGrotenhuisetal.,2005 天然状态下的岩矿石一般含有孔隙水，在地电学中，一般可以近影响岩矿石电阻率的因素根据前人对大量岩石电阻率的测定，岩石物理学统计得出的阿尔奇公式(Archie’slaw)可以表示为：其中ρ为岩石的电阻率，ρ0为流体的电阻率，Ф为孔隙度，S为饱和度，n为饱和度指数，m为孔隙度指数。a为比例系数因此，可以利用阿尔奇公式来获得岩石电阻率与孔隙度或流体电阻率之间的关系。138影响岩矿石电阻率的因素根据前人对大量岩石电阻率的测定，岩石物主要的造岩矿物如长石、石英、云母等电阻率均相当高。然而，由于天然状态下的岩石在长期的地质历史过程中，受到地质作用而出现裂隙，以及裂隙中含流体等原因，一般岩石的电阻率要低于其所含矿物的电阻率。(2)电阻率与岩石孔隙度的关系影响岩矿石电阻率的因素主要的造岩矿物如长石、石英、云母等电阻率均相当高。影响岩矿石电阻率的因素不难理解，一般比较致密的岩石，孔隙度较小，所含水分也较少，因而电阻率较高；结构比较疏松的岩石，孔隙度较大，所含水分也较多，因而电阻率较低。根据阿尔奇公式：显然孔隙度Ф与饱和度S越大，岩石的电阻率越低140影响岩矿石电阻率的因素不难理解，一般比较致密的岩石，孔隙度较

岩矿石的电阻率与其水溶液矿化度也有着密切的关系。地下水的矿化度变化范围很大，淡水的矿化度约为10-1g/L，咸水的矿化度则可能高达10g/L，相差两个数量级，而矿化度与电阻率有着直接联系。

由于水溶液是离子导电，显然，岩石中所含水溶液的矿化度越高，其流体电阻率就越低(3)电阻率与水溶液矿化度的关系影响岩矿石电阻率的因素 岩矿石的电阻率与其水溶液矿化度也有着密切的关系。地下水的影响岩矿石电阻率的因素根据阿尔奇公式：显然，流体电阻率ρ0越低，岩石的电阻率也就越低->水溶液矿化度越高，电阻率越低影响岩矿石电阻率的因素根据阿尔奇公式：孔隙度大而渗透性强的岩层如砂层、砾石层，当饱含矿化度高的地下水时，电阻率可能只有几十至几个欧姆·米；当其位于潜水面以上含水条件较差时，其电阻率可高达几百至几千欧姆·米。因此，利用地下介质的电阻率分布，可能对地下的潜水面位置进行判断143影响岩矿石电阻率的因素孔隙度大而渗透性强的岩层如砂层、砾石层，当饱含矿化度高的地下144影响岩矿石电阻率的因素流体互相连通流体互相不连通(4)电阻率与流体连通性的关系

即使矿物组分，矿石孔隙度与流体电阻率均相同，矿石的电阻率仍可能由于流体的连通性的区别而发生较大的变化，如下图所示10%10%26影响岩矿石电阻率的因素流体互相连通流体互相不连通(4)

由于温度的变化将引起水溶液中离子活动性的变化，所以岩石中水溶液的电阻率也将随温度的升高而降低。在地热勘探中，正是利用这一特性来圈定地热异常的。

相反在冰冻条件下，地下岩石中的水溶液将由于结冻，使岩土呈现出极高的电阻率。这对于我国冰冻时间较长地区，冬季施工时将产生影响。(5)电阻率与温度的关系影响岩矿石电阻率的因素 由于温度的变化将引起水溶液中离子活动性的变化，所以岩石中含水砂岩电阻率随温度变化的试验曲线砂岩孔隙度为12%；湿度ω=1.5%影响岩矿石电阻率的因素含水砂岩电阻率随温度变化的试验曲线影响岩矿石电阻率的因素中国地质大学（北京）地信学院电法组制作(6)高温高压下的岩石电阻率地球深部岩石的电阻率受高温、高压的影响，岩石电导率随温度增加按指数增大（电阻率减小）岩石电导率随压力增加也会相应增大（电阻率减小），但并不如温度变化敏感。在浅部地区可以认为岩石电阻率随压力不发生变化影响岩矿石电阻率的因素中国地质大学（北京）地信学院电法组制作(6)高温高压下的岩石岩石原生结构破坏是压力作用下岩石性质变化的主要原因。根据压力特征，这种破坏可能是岩石的压实，孔隙收缩，颗粒接触面积的增大，形成裂隙组，或是个别区域之间粘结性减小等等。静水压力对岩石的压实作用最大，往往随压力的增大，干燥或者稍许含水岩石的电阻率减小，这是由于孔隙度降低、颗粒间接触良好的原因。对于大多数岩石，当单轴压力由10Mpa增加到60Mpa时，可观测到岩石电阻率的剧烈变化。但是，某些粘土或高含水岩石在压力作用下，由于孔隙中的水分被挤出，含水孔隙通道的截面缩小，从而使其电阻率增大。148影响岩矿石电阻率的因素岩石原生结构破坏是压力作用下岩石性质变化的主要原因。根据压力影响岩矿石电阻率的因素(7)岩矿石电阻率与测量频率的关系

我们知道，在直流电场情况下，介质的导电性质只与传导电流有关

而在交变电场情况下，电性除显示出与电阻率有关的传导电流外，还显示出与岩、矿石介电常数（）有关的“位移电流”。149影响岩矿石电阻率的因素(7)岩矿石电阻率与测量频率的关系3在导电介质中总电流密度j为传导电流密度和位移电流密度的和：在电磁场理论中，传导电流密度和位移电流密度的比值称为介质的电磁系数m当m>>1时，介质中传导电流起主要作用，此时可忽略位移电流作用；反之，当m<<1时，主要由位移电流起作用，可忽略传导电流作用。150影响岩矿石电阻率的因素在导电介质中总电流密度j为传导电流密度和位移电流密度的和：3中国地质大学（北京）地信学院电法组制作

考虑到野外实际情况，图中取r为5～50。由图可见，对于频率小于数千Hz及介质电阻率小于105范围内皆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过该值。故在低频感应法中不考虑位移电流影响，即视岩石导电性不随频率改变。

只是在频率超过106Hz的高频电磁法（如探地雷达法）中才考虑位移电流作用。中国地质大学（北京）地信学院电法组制作考虑到野外实际1.3岩矿石电阻率的各向异性纵向电阻率与横向电阻率

大部分沉积岩都具有层理结构，从其电性上来看，它们可以大致看作是由各种不同电阻率的地层组成的。

这样的地层其电阻率与通过其中电流的方向有关，呈现出各向异性。岩矿石电阻率的各向异性1.3岩矿石电阻率的各向异性岩矿石电阻率的各向异性层状结构岩石模型（a）实际岩石（b）等效模型L1L2层状结构岩石模型L1L2垂直层理方向：平行层理方向：（参考电阻的串联与并联）垂直层理方向：平行层理方向：（参考电阻的串联与并联）

对于各向异性介质而言，当电流垂直层理方向流过时所测得的电阻率称为横向电阻率，我们用符号ρn来表示；电流平行层理方向流过时所测得的电阻率称为纵向电阻率，我们用符号ρt来表示。岩矿石电阻率的各向异性对于各向异性介质而言，当电流垂直岩矿石电阻率的各向岩石名称λ岩石名称λ层状粘土层状砂岩石灰岩02~1.051~1.61~1.3泥质板岩泥质页岩无烟煤1~1.5941~1.251.5~2.5

一般情况下，岩层的横向电阻率均大于其纵向电阻率，并用“各向异性系数”来表示岩层的各向异性程度。由于ρn>ρt，所以各向异性系数λ总是大于1的,油储与煤藏一般呈较高各向异性的特征。岩石名称λ岩石名称λ层状粘土02~1.05泥质板岩1~1.5思考：电法勘探相对于其他方法的优势？探测对象与围岩间的物性差异是地球物理方法的应用前提重力勘探：物性差异<101磁法勘探：物性差异<103地震勘探：物性差异<101电法勘探：物性差异<1010物性的巨大差异有助于电法勘探发现地下岩矿石的异常思考：电法勘探相对于其他方法的优势？应用地电学B课件：第1章-岩矿石电学性质本章主要内容1.岩矿石的导电性2.岩矿石的介电性3.岩矿石的导磁性4.岩矿石的自然极化性质5.岩矿石的激发极化性质6.岩矿石的压电性与震电性159本章主要内容1.岩矿石的导电性41*岩矿石的介电性160无极分子有极分子无外加电场无极分子有极分子有外加电场