电法勘探基本理论-电阻率法

《地球物理探测新进展》

第二章电法勘探基本理论安全工程学院杨武洋第一节电阻率法第二节充电法和自然电场法第三节激发极化法第四节电磁法第三章电法勘探第五节瞬变电磁法

第六节甚低频法第七节可控源音频大地电磁法第八节探地雷达√√√√√

电法勘探

以岩、矿石的电学性质（如导电性）差异为基础，通过观测和研究与这些电性差异有关的（天然或人工)电场或电磁场分布规律来查明地下地质构造及有用矿产的一种物探方法，简称“电法”。第二部分电法勘探电法勘探的特点：

①可利用的物性参性多导电性（电阻率ρ或电导率σ[σ=1/ρ]

）电化学活动性（η）介电性（ε）导磁性（μ）②利用场源多人工场源天然场源直流电（稳定场）交流电（交变场）第二部分电法勘探传导类电法勘探（直流电法）研究稳定电流场感应类电法勘探（交流电法）研究交变电流场电阻率法充电法自然电场法激发极化法低频电磁法频率测深法甚低频法电磁波法大地电磁法③方法种类多第二部分电法勘探第一节电阻率法电阻率法的理论基础1电阻率法的仪器和装备2345电剖面法电测深法高密度电阻率法第一节电阻率法电阻率法是传导类电法勘探方法之一。建立在地壳中各种岩矿石具有各种导电性差异的基础上，通过观测和研究与这些差异有关的天然电场或人工电场的分布规律，从而达到查明地下构造或者寻找有用矿产的目的。电阻R（Ω）长度（m）截面积（m²）电阻率ρ(

Ω·m)S一、电阻率法的理论基础（一）岩、矿石的电阻率1.电阻率基本公式2.电阻率单位SI制中第一节电阻率法3.主要岩矿石电阻率及其变化范围ρ沉＜ρ变＜ρ火沉积岩：10～102Ω·ｍ火成岩：102

～

105Ω·ｍ变质岩：介于两者之间第一节电阻率法4.影响岩石电阻率的主要因素⑴矿物成分、含量及结构

金属矿物含量↑，电阻率↓结构：侵染状＞细脉状⑵岩矿石的孔隙度、湿度

孔隙度↑，含水量↑，电阻率↓风化带、破碎带，含水量↑，电阻率↓⑶水溶液矿化度

矿化度↑，电阻率↓第一节电阻率法⑷温度温度T↑，溶解度↑，离子活性↑，电阻率↓

结冰时，电阻率↑⑸压力压力↑，孔隙度↓，电阻率↑超过压力极限，岩石破碎，电阻率↓⑹构造层这种层状构造岩石的电阻率，则具有各向异性，即沿层理方向的电阻率小于垂直层理方向的电阻率。第一节电阻率法地下水及其他天然水的电阻率均较低，通常小于100Ω.m，并且含盐分越多，电阻率值越低。岩、矿石中所含水分的多少(或湿度大小)对其电阻率值有较大影响。一般含水量大的岩石电阻率较低，而含水量小或干燥岩石的电阻率较高。岩石含水量的大小，主要决定于岩石本身的孔隙度及当地的水文地质条件。在潜水面以下，岩石孔隙通常被地下水所充满，此时，岩石的湿度便等于其孔隙度。第一节电阻率法岩（矿）石的电阻率与所含水分的关系（二）、均匀各向同性半空间点电源的电场为了研究地下电流场地分布规律，设大地是水平的，与不导电的空气接触，介质充满整个地下半空间，且电阻率在介质中处处相等，称这样的介质模型为均匀各向同性半空间。即第一节电阻率法地面为了建立地下电场，总是用两个电极（例如A、B）向地下供电。这两个接地的电极（A、B）称为“供电电极”。

第一节电阻率法任意四装极置示意图两个异性点电源的电场第一节电阻率法在任意的M处的，可按场的叠加原理知：AB地面ρ空气ρρρAMBMM（三）、电阻率公式及视电阻率

1.（均匀大地）电阻率公式第一节电阻率法MNAB地面ρ空气ρρρ第一节电阻率法则→均匀大地电阻率公式装置系数第一节电阻率法上面所讨论的情况是在地形水平、地下仅有单一的均匀各向同性介质。然而实际中，地下岩石的导电性往往是不均匀的、且地形亦不是水平的，因此有必要进一步讨论非均匀条件下地中电流场分布的情况。2.非均匀介质中的地下电流场及视电阻率（1）非均匀介质中的地下电流场（a）均匀岩石；（b）围岩中赋存良导矿体；（c）围岩中赋存高阻岩体（2）视电阻率当地表不水平或者地下电阻率分布不均匀时（存在两种或者两种以上介质），仍然采用前述均匀介质中的供电方式及测量方式，仍由前述的公式计算“电阻率值”，不过这时计算出的“电阻率值”，既不是ρ1，也不是ρ2和ρ3，而是三者都有关的一个量，称为“视电阻率”，用符号ρs表示，即※视电阻率——在电场有效作用范围内各种地质体电阻率的综合影响值。第一节电阻率法第一节电阻率法A(+I)B(-I)X(a)(b)地电断面？？电阻率不均匀时地下电流分布示意图地电断面的概念MNV在自然界中，地下地质情况是复杂的，各种不同岩(矿)石分布是不均匀的。在电法勘探中，常把按电阻率划分的地质断面称为地电断面。由视电阻率的计算公式可知，其仪器功能就是测量出供电电流I及测量电极M、N间的电位差△UMN即可。除仪器外，其它装备还有：供电电极——铁棒或铜棒测量电极——铜棒、导线及供电电源。第一节电阻率法（四）、电阻率法的仪器和装备重庆地质仪器厂在电法勘查中，为了解决不同的地质问题，常采用不同的装置。目前，我国采用的电阻率装置类型有电剖面法、中间梯度法和电测深法。电阻率剖面法简称电剖面法。它包括许多分支装置：二级装置、三级装置、联合剖面装置、对称四级装置和偶极装置等。第一节电阻率法（五）、电阻率法的常用电极装置类型第一节电阻率法二级装置（AM）三级装置（AMN）联合三级装置（AMN∞MNB）对称四级装置（AMNB）偶极装置（ABMN）中间梯度装置（AMNB）思考题什么是电法勘探？电法勘探的类型？影响岩石电阻率的因素有哪些？解释下列名词：均匀各向同性半空间；装置系数；地电断面；视电阻率；掌握均匀大地电阻率公式。第一节电阻率法二、电剖面法方法特点：研究地电断面横向变化的一类方法——采用固定的电极距，沿剖面移动电极装置，观测一定深度范围内视电阻率沿剖面的变化。解决主要地质问题：探测产状陡立的高、低阻体，如划分不同岩性接触带、追索断层及构造破碎带。第一节电阻率法装置特点：各电极间距离保持不变，使整个或部分装置沿着测线移动，逐个测量视电阻率的值，探测深度保持在同一范围内。所得到的ρs曲线是反映测线下某一深度范围内不同电性物质沿水平方向的分布情况。分类：电阻率法联合剖面法中间梯度法对称剖面法偶极剖面法1.装置特点及ρs公式AO=BOMO=NOOC>5AO（AMN∞）（∞MNB

）（一）联合剖面法在测量时，C极固定不动，AMNB间保持距离不变，四个极沿测线同时移动，逐点进行测量，测点为M、N的中点O。每个点测量两次，得到两个ρs值由于C极为无穷远极，它在M、N处产生的电位很小，故可忽略不计，因此，联合剖面法的电场可视为一个“点电源”的电场。第一节电阻率法C2.联合剖面法ρs曲线特征分析直立良导薄脉上的联合剖面曲线的分析1—正交点；2—良导薄脉；3—A电极的电流线(示意图)直立低阻薄脉上联合剖面法ρs曲线特征由图可见：①在直立良导薄脉顶部上方，与相交，且（围岩）②交点左侧交点右侧，此交点称为联合剖面法的“正交点”（或低阻交点）；③与曲线对称，交点两侧，两条曲线明显张开。第一节电阻率法当薄脉为直立高阻脉时：联合剖面法曲线ρs曲线右图。两条曲线也有一交点，但交点左侧，交点右侧，此交点称为联合剖面法的“反交点”；且反交点不明显，而且两条曲线近于重合。第一节电阻率法当薄脉倾斜时：

曲线不对称，交点两侧两条曲线所围的面积不相等。薄脉向两条曲线所围面积较大的一侧倾斜。第一节电阻率法

在实际工作中，常采用不同极距的联合剖面曲线交点的位移来判断脉状体的倾向。第一节电阻率法(二)中间梯度法采用四极AMNB装置，A、B供电，M、N两电极测量，供电电极距AB很大，工作时，A、B固定不动，M、N在AB中部（1/2～1/3）AB范围内同时移动，逐点进行测量，测点为

MN的中点。也可以在AB连线两侧1/6AB范围内的测线上布置MN进行测量。“一线布极，多线测量”AB=(70～80)HH浮土厚MN=(1/30～1/50)AB1.装置特点及ρs公式：K不是恒定的，而是逐点变化的第一节电阻率法ρs第一节电阻率法由图可见：中间梯度法主要用来寻找陡倾的高阻薄脉（如石英脉、伟晶岩脉等）；原因：在均匀场中，高阻体的屏蔽作用比较明显，排斥电流使其汇聚于地表附近，使jMN急剧增加，致使ρs曲线上升，形成突出的高峰。而低阻薄脉易于让电流垂直通过，只使jMN发生很小的变化，故ρs异常不明显

。A、B、M、N四个电极排列在一条直线上，并且相对于MN的中点O对称分布，AO=BO,NO=MO,AMNB又称为“对称四极剖面法”

（三）对称剖面法第一节电阻率法1.装置形式及ρs公式对称剖面法与中间梯度法都属于两个异性点电源的场，测量电极都位于剖面的中部，属均匀场，ρs异常曲线的特点与中间梯度法类似，但ρs曲线比中间梯度的ρs曲线复杂、生产效率低些。※因此，一般能用中间梯度法解决的问题，就不用对称四级剖面法。根据场的叠加原理，易证明对称剖面法的ρSAB

为联合剖面法两个视电阻率（ρSA

和ρSB

）值的平均值，即：第一节电阻率法由图可见：显然低阻薄脉上的对称剖面法ρｓ异常不如联合剖面法的异常反应明显。因此，一般不用对称四极剖面法寻找低阻的薄脉状地质体。第一节电阻率法AB过大AB过小ρ0<ρ1<ρ2第一节电阻率法例1:用对称四极剖面法寻找地下古河道。某古河道两侧以及下部岩石由砂粘土组成，电阻率较低。而古河床中充填的沙卵石则为高阻。应用实例11.电测深法概念

电测深法是在同一点上逐次扩大供电电极距，使探测深度逐渐增大，以此来得到观测点处沿垂直方向上由浅到深的ρs变化情况。第一节电阻率法三、电测深法电测深法主要用于探测水平产状（或倾角不超过20°）的不同电性层的分布（如断裂带，含水破碎带等）2.装置形式及视电阻率公式有四极、三级、偶极等形式，通常采用对称四级装置AO=BO;MO=NOk－随电极距地逐次扩大而改变。第一节电阻率法3.电测深曲线视电阻率ρs随着供电极距（AB/2）变化的曲线，称之为电测深曲线。电测深曲线的特点：（1）每个电测深点均可以得到一条电测深曲线（2）该曲线通常以AB/2为横坐标，以ρs为纵坐标，绘制在模数为6.25cm的双对数坐标纸上。第一节电阻率法第一节电阻率法电测深曲线电测深曲线类型AB/2AB/2AB/2AB/2AB/2AB/2AB/2G型D型H型K型A型Q型HA型KH型AA型QQ型HK型KQ型AK型QH型二层曲线三层曲线四层曲线第一节电阻率法电测深法主要图件：视电阻率断面图（剖面和平面等值线图）电测深曲线类型图（分为剖面上和平面上）注意曲线类型的变化，一般反应了电性层的变化，如构造接触带、地层尖灭、基底起伏等。第一节电阻率法（一）高密度电法概述(二)高密度电阻率法常用装置（三）三电位电极系视参数及特点四、高密度电阻率法第一节电阻率法（四）高密度电阻率法的实际应用电剖面法测量示意图电测深法测量示意图AMNBAMNB(一)高密度电阻率法概况高密度电阻率法电测剖面法电测深法第一节电阻率法高密度电阻率法高密度电阻率法测量仪器1.主机2.转换开关3.电池4.电极5.电缆线第一节电阻率法高密度电阻率法第一节电阻率法高密度电阻率法实践证明，高密度电阻率法是一种多快好省的勘探方法，目前在地基勘查、坝基选址、水库或堤坝查漏、地裂缝探测、岩溶塌陷及煤矿采空区调查等方面得到了广泛的应用，解决了诸多实际问题。第一节电阻率法高密度电阻率法1)．高密度电阻率法的装置形式

采用三电位电极系。第一节电阻率法高密度电阻率法三电位电极系是将温纳四极、偶极及微分装置按一定方式组合后所构成的一种统一测量系统。该系统在实际测量时，只须利用电极转换开关，便可将每四个相邻电极进行一次组合。从而在一个测点便可获得多种电极排列的测量参数。施工过程为：先以固定间距x沿测线布置若干根电极，这些电极在整个测量过程中固定在原处不动；取a=nx(n=1，2，3，...)，对每一个取定的活动电极间距a，将两两相距为a的四根电极经电极转换开关连接到仪器上，一次完成各种装置形式的电阻率测量(各装置形式的记录点均选在电极排列的中点)；一个测点的全部测量完成后，将整个电极排列向前移动一个x距离，然后进行下一测点的观测，这种过程重复进行，直到活动电极间距为a的整条剖面全部测完为止。2)．高密度电阻率法的测量过程第一节电阻率法高密度电阻率法由于一条剖面地表测点总数是固定的，因此，当极距扩大时，反映不同勘探深度的测点数将依次减少。把三电位电极系的测量结果置于测点下方深度为a的点位上。于是，整条剖面的测量结果便可以表示成一种倒三角形的二维断面的电性分布。第一节电阻率法高密度电阻率法高密度电阻率法测点分布示意图第一节电阻率法高密度电阻率法①点距x的选择主要依据勘探的详细程度（1～10米）。②最大电极距的大小，取决于预期勘探深度；隔离系数n一般1～15或更大；③无穷远极C要求CO＞（3～5）AO。说明：第一节电阻率法高密度电阻率法(二)高密度电阻率法常用装置第一节电阻率法高密度电阻率法第一节电阻率法高密度电阻率法【特点】测量断面为倒梯形。【描述】测量时，AB=BM=MN=a为一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到第一条剖面线；接着AB、BM、MN增大一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右