第五讲：激电法

激发极化法复习：几个基本概念方法

利用的物性电阻率法导电性充电法导电性自然电场法导电性和电化学活动性激发极化法导电性和电化学活动性（直流激电和谱激电法）电磁法导电性和导磁性（频率域电磁法和时间域电磁法）常用的电法勘查方法及利用的物性一、基本原理1.什么是极化效应2.激发极化效应产生机制3.岩矿石的激发极化特性二、激发极化法的工作方法三、规则异常体上方激电异常曲线四、激电法的应用1.极化效应在实际工作中，当采用某一电极排列向大地供入或切断电流的瞬间，在测量电极之间总能观测到电位差随时间的变化，在这种类似充、放电的过程中，由于电化学作用所引起的随时间缓慢变化的附加电场的现象称之为激发极化效应，简称激电效应。（1）电子导体的激发极化成因在讨论电子导体的自然极化时，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，也不形成外电场。这种自然状态下的双电层电位差是导体与溶液接触时的电极电位，又称平衡电极电位。2.激发极化效应产生机制一般造岩矿物为固体电解质，属离子导体。野外和室内观测资料表明，不含电子导体的一般岩石，也能产生明显的激电效应。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。（2）离子导体的激发极化成因双电层结构是指由于阳离子的交换特性，而在岩石颗粒和周围溶液接触面上形成的正负离子层：在岩石内部靠近边缘处为一层固定在岩石颗粒表面的负电荷；在溶液中，由于静电力和离子热运动的影响使得靠近界面部分，正离子被岩石表面的异性电荷紧紧吸引不能自由移动而被称为“紧密层”；稍远离界面处，异性电荷的这种吸引作用减弱，正离子可以在一定的范围内做平行于岩石表面的运动，这一区域被称为“分散层”；再之外就是正常溶液。主要假说都是基于岩石颗粒—溶液界面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。其有代表性的假说是双电层形变说。现简述如下：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，形成双电层形变；面极化和体极化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两类。第一类是“面极化”，其特点是激发极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。介绍两个重要概念：第二类是“体极化”，其特点是极化单元(指微小的金属矿物、石墨或岩石颗粒)呈体分布于整个极化体内，如浸染状金属矿石和矿化、石墨化岩石以及离子导电岩石均属这一类。虽然每个小颗粒与围岩(胶结物)的接触面很小，但它们的接触面积的总和却是很可观的。所以，尽管浸染状矿体与围岩的电阻率差异很小，仍然可以产生明显的激发极化效应，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。应该指出，面极化和体极化的差别只具有相对意义。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单元的激发极化也都是发生在颗粒与其周围溶液的界面上。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电效应。因此，在此讨论体极化体的激发极化特性。1、时间特性(1)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(体极化)是其中许多细小颗粒极化效应的总和，通常实验室中应用固定的装置观测体极化岩、矿石的激电效应。3.岩石和矿石的激发极化特性观测步骤将待测的体极化岩、矿石标本置于盛有水溶液的长方形容器中，使其露出水面。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，使标本两侧的水溶液不相连通。在容器两端各放一块长方形铜片A和B，作供电电极，借以向容器内供入稳定电流。在标本两侧水溶液中紧靠标本处，安置测量电极M和N，用毫伏计测量其间的电位差ΔＵｍｎ。电位差随时间的变化是因为激发极化效应产生的电位差(简称二次场电位差，在供电时记为ΔＵ２（Ｔ），断电后记为ΔＵ２（t)）在供电后从零开始逐渐增大(充电过程)，而在断电后逐渐衰减为零(放电过程)。在无激电效应时，电流通过标本由于电阻电压降所形成的电位差为一次场电位差ΔＵ１。在稳定电流条件下，ΔＵ１不随时间而变。可见，标本被激发极化后，供电时间T时观测到的电位差ΔＵ（Ｔ）为ΔＵ１和ΔＵ2（Ｔ）之和，称之为总场电位差，它随供电时间T而变化，并有关系：由于刚供电时(T=0)二次场电位差为零，即ΔＵ２（０）＝０，故由上式得：于是：ΔＵ２(Ｔ)＝ΔＵ(Ｔ)－ΔＵ(０)

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处。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：若在相当大范围内改变供电电流I，直到测量电极处的电流密度高达n×１０２μＡ／ｃｍ２时，二次场电位差总是与供电电流成正比，且其比值与供电方向无关。因此，在地面电法通常所能达到的电流密度范围内，星散浸染状岩、矿石的激电效应没有明显的非线性和正、负极极化的差异。这是体极化和面极化的又一重要区别。(2)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的条件下，引入表征体极化岩、矿石的激电性质参数－极化率(η)，其值按下式计算：极化率为用百分数表示的无量纲参数由于二次场和总场均与供电电流成正比，故极化率是与电流无关的常数。但极化率与供电时间T和放电时间t有关，必须予以特别说明。为简单起见，我们将长时间供电(T→∞，即充电达饱和)和断电瞬间(t→0)测得的饱和极化率η（∞，０）定义为极化率，记为η。体极化岩、矿石的极化率除了与观测时的充放电时间有关外，还和岩、矿石的成分、含量、结构及含水性等多种因素有关。我国物探工作者对大量矿化岩、矿石标本作了系统观测，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，在上述诸多因素中，影响岩、矿石极化率的主要因素是电子导电矿物的含量和岩、矿石的结构、构造。(3)非矿化岩石的激发极化效应不含电子导电矿物的非矿化岩石，属纯离子导体，在电流激发下的激发极化都发生在细小岩石颗粒与周围溶液的界面上，也是体极化。但其激电性质又与矿化岩石不同：①岩石的极化率通常很低，一般不超过1～2%，少数能达到4～5%。下面列举了一些岩石和矿石极化率的实测数据的统计结果，它表明了一般情况下，岩、矿石极化率的数量概念。②非矿化岩石的充电和放电速度比矿化岩石更快。其中，矿物颗粒小(例如由粘土矿物组成)的岩石，充放电速度尤其快；而颗粒较粗(如砂或砂粒组成)的岩石之充、放电速度则较慢。

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。(1)在超低频交变电流场中岩、矿石的激电现象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(充、放电过程)来研究激发极化效应(即时间域激电法)。实践表明，激电效应也可在交变电场激发下，根据电场随频率的变化(频率特性)观测到激电效应(即频率域激电法)。2、频率特性为了认识交变电流激发下的激电效应，我们考察下述实验：在图1.3-11，a所示的装置中，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I；在供电时，用交流毫伏计测量M、N间的交流电位差ΔＵ。当保持交变电流的幅值Iｆ不变，而逐渐改变频率f时，人们发现电位差ΔＵ将随之而变。这种在超低频段上(f=n×１０-２～

ｎ×１０２Ｈｚ)电场随频率变化的现象，与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。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，以上实验中的ΔＵ与I成线性关系。在此情况下，可将ΔＵ对I和装置进行归一化，按下式计算交流电阻率由于激发极化作用，ρ通常是频率的复变函数，即ρ为复量，一般ΔU相对于I有相位移φ。复电阻率ρ随频率的变化乃是交流电位差ΔU随频率变化的结果，这正是激电效应的“频率特性”。(2)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(或交流电阻率)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应关系，故可仿照直流激电特性参数——极化率的表示式，定义下列参数以描述交流激电特性式中ΔＵｆＤ和ΔＵｆＧ分别表示在两个频率(低频fＤ和高频fＧ)时测得的总场电位差幅值。参数P(fＤ，fＧ）为电场幅值在该两频率间的相对变化，称为频散率。频散率也以百分数表示，故西方国家称其为“百分频率效应”。各种交流激电参数和直流激电参数均可相互联系起来，即相位和频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。研究其中某种参数的性质便可代表其余参数的有关特征。以上讨论的全是纯粹反映激电效应的参数。在激电法实际工作中，有时还采用某些综合反映岩、矿石激电性和导电性的参数。半衰时放电二次场由断电时的最大值衰减到一半时所用的时间，通常用St/2表示。二次场衰减快，半衰时小；二次场衰减慢，半衰时大。衰减度其中为供电30s断电0.25s时的二次场电位差，为断电0.25s至5.25s内二次电位差的平均值D值作为二次场放电快慢的参数，D值小说明放电快，D值大说明放电慢激发比通常在含水层上极化率和衰减度均较高，因此激发比有放大异常的作用；同时，它所表示的为一段时间内的平均极化率，因此，也具有反映二次场衰减快慢的作用二、激发极化法的工作方法采用不极化电极

原则上讲，电阻率法的各种电极装置都可用于激电法，不过，这些装置在激电法中的特点和效能各不相同，故应根据激电法的地质任务、工区地电条件和仪器、设备情况，合理选用装置类型。现对激电法中几种常用装置的特点和效能作些对比性的讨论，以供选择装置时参考。

激发极化法装置的选取（一）中间梯度装置

中梯装置的一个主要优点是，敷设一次供电导线和供电电极A、B，便能在相当大的面积上测量，特别是还能用几台接收机同时在该面积上观测，因而具有较高的生产效率。此外，它在A、B间的中间地段测量，接近水平均匀极化条件，故对各种形状、产状和相对导电性的极化体均可得到相当大的异常，而且异常形态较简单，易于解释。

中梯装置的特点是供电电极距较大(n·102—n·103m)，这导致它的两大缺点：①要求较大的供电电流强度，这使得它的装备比较笨重。②电磁耦合干扰较强，但在时间域观测中选用几百毫秒或更长的延时可有效地降低这种干扰。故在时间域激电法中，中梯装置应用最广。

（二）联合剖面装置

联剖装置能得到2条ηs曲线，将2条曲线配合起来作推断解释，能较准确确定极化体位置（根据“反交点”）和判断极化体倾向。但联剖ηs曲线较复杂，对相邻极化体的分辨能力较差，且对近地表小极化体的干扰反映较灵敏，地形对异常的畸变也较明显和复杂。

此外，从工作方法和技术看，电极距对联剖异常的影响较大，恰当地选用电极距对联剖装置很重要，有时甚至需要几种电极距作测量，这会使生产效率降低；联剖需要敷设一条“无穷远线”，这不仅使装置笨重，生产效率低，而且电磁耦合干扰问题较大。故联剖不用作普查找矿的基本装置，仅在详查中为解决特定问题（如确定极化体位置和产状等），才在少数剖面上布置激电联剖测量，而且多在时间域激电法中采用。（三）对称四极测深装置

激电法中经常遇到水平宽度和走向长度都有限的局部极化体，激电测深通常只能提供极化体埋深的资料。利用激电测深确定局部极化体的下延深度和电参数，目前尚无有效方法。当地电断面较复杂（如断面中存在两个或多个相邻近的极化体），其他装置对异常的分辨能力很差时，布置剖面性的激电测深，并绘制ηs等值线断面图，能较好地反映断面中极化体的分布和产状。

在实际生产中，一般只在已发现异常的中心布置个别激电测深点（常作十字测深，即A、B分别沿异常走向和垂直异常走向布极，作两次测深观测），主要任务是确定极化体埋深和判断极化体与围岩的相对导电性。此外，在激电找水工作中，经常使用测深装置。激电测深装置的电磁耦合干扰也比较严重，故很少用于频率域测量。

（四）偶极装置

偶极装置的激电异常幅度较大，对覆盖层的穿透能力较强。在采用多个偶极间隔系数工作时，兼有剖面法和测深法双重性质，对极化体形状和产状的分辨能力较强。此外，在各种电极装置中，这种装置的电磁耦合干扰最小。

偶极装置的缺点是：异常形状较复杂，常需用多个偶极间隔系数作测量，绘出拟断面图，异常才好解释。在用同样大的电极距工作时，它要求的供电电流较大。此外，在野外工作中，需要逐点移动供电电极A、B。这些都使偶极装置的生产效率较低和成本较高。在我国，偶极装置主要用于电磁耦合问题比较突出的频率域激电法。三、规则异常体上方激电异常曲线良