地球物理勘探电法基础知识

地球物理勘探张立-mail:328403063@2012-2013第I学期电法勘探

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：电磁法等研究对象：人工、直流、电阻率勘探方法----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(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ρ表示，单位：欧姆·米（Ω·m）

ρ：表征物质导电性的基本参数，间接导电率：ν=1/ρ，

直接表征岩石导电性能。二者关系：ν∝1/ρ

2常见岩土介质的电阻率自然状态下，岩土的ρ

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ρ石墨、片岩

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,ρ高）+

水（液相，ρ低）

2)结构:

良导性矿物含量+结构——ρ

浸染状、细脉状、成层状

层状介质：ρ与I方向有关

（黑色：良导矿物）

3)构造地质构造运动、风化、溶蚀---裂隙—如充水，ρ降低，反之,…4)孔隙度及含水性（湿度）：孔隙度大+含水多，则ρ降低，反之，则ρ高如：砂卵石层：饱含矿化度高的水时，ρ为几十Ω·m

在潜水面以上时，ρ为几百~几千Ω·m

致密石灰岩的ρ很高，有溶洞且充填矿化度高的水时，ρ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

4层状介质的电阻率

ρ与Ｉ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)

Ｉ⊥层理方向(串联)

流过时所测电阻率称为横向

Ｉ∥层理方向(并联)

流过时所测电阻率称为纵向

各向异性系数：>1

2)横向电阻Ｔ＠

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Ｔ(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=νh(v=1/ρ)（h电性层的厚度）=/=/S二.电阻率法的基本理论电法勘探中:

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ρ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)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

<<AB间距一个点电源：将其中一个电极(A或B)置于∞远如图，无限半空间ρ的地表，点电源A（+I）。则距电源A(I)为r处M点的电位：对于均匀无限半空间地表，点电源场U

：

a.

U∝1/r

b.U等位面是以点源为中心的一系列同心圆。A(-I)？,全空间？2）

两个异性点电源的电场根据电场叠加原理，两个异性点电源在M点处的电位表达式：M点处的场强（矢量）：

U和E

的分布规律：

AB附近

U变化大，E大；AB中部，U变化小，E小且较均匀。

UE>0

UE>0

U|E<0|

U|E<0|

U>0U<0电流线等位面3.大地电阻率的测定（均匀介质）假设:

各向同性的均匀半无限空间地表，大地电阻率测定，可采用任意电极排列，

AB供电,MN测量电位差，根据两个异性点电源电场中电位公式：均匀大地电阻率公式:装置系数4.电流折射定律（非均匀介质）

地电体：ρ不均匀体地电断面：根据地质体ρ差异

划分界面的断面边界上连续条件：微观欧姆定律：高阻低阻低阻->高阻：集中--排斥高阻->低阻：发散--吸引高阻排斥、低阻吸引I?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、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）

Ｉ直达+

[反射(积累电荷)Ｉ’镜像]

无源介质中点M2:（2）

{Ｉ入射+(-反射)(积累电荷)}镜像

K12反射系数1-K12透射系数K12=?

I’=？Ｉ’’=？界面上r1=r2=r3UM1=UM2（3）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><低阻吸引j高阻排斥j6.视电阻率及其定性分析公式均匀介质中真电阻率ρ

：均匀介质所测为ρ

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:

∝ρ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

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）

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。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Ｈ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=0AB连线的中点O处，j：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9.电流密度j与电源功率V关系

一个点源为例，极距Ｌ处，地表上ｊ0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Ｌ，会使ｊ0减小，读数不准。∴要想增大勘探深度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。

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ΔUMN及电流I，然后利用