电法勘探5充电法

严家斌地球科学与信息物理学院物探所CSPYRY@CSU.EDU.C学楼215#电法勘探原理第五章充电法P294理解理想导体、等位体及近似理想导体的含义；掌握充电法应用的前提条件；掌握等位体、非等位体充电电场的分布规律及特征；掌握充电法主要应用范围及观测方式的；了解规则板体激发极化充电法的特征充电法是在金属矿详查和勘探阶段以及在水文地质调查中应用较多的一种人工直流电法.是一种向矿体充电,然后通过观测其充电场的空间分布来了解矿体规模大小和赋存状态的电法勘探方法.研究对象:相对围岩为良导体或导电性较好的地质体目的:查明充电体的空间分布状态,产状,延伸等充电法及等位体的含义充电法——是一种向良导电体（或矿体）供电，通过观测其电场的空间分布来了解矿体规模大小和赋存状态的电类勘探方法。理想导体/等位体——电阻率为零的导体。许多金属矿体及某些高矿化度的地下水，相对其周围岩石而言，电阻率很低，可以近似看成是理想导体。当理想导体位于一般导电介质中时，向其供电后，电流垂直于导体流向周围介质，并在理想导体中流过时，不产生电位降，导体内电位处处相等，所以又称理想导体为等位体特点:理想导体的充电电场与充电点的位置无关，仅与充电电流、等位体空间形状及围岩的电性有关。若围岩为均匀电性介质，其空间等位面分布与充电导体形状相似；其相似程度与相距充电体的距离成反比。对有限三度体不论其外形如何，若相距充分大的条件下，其电位等值面趋于球形分布实际工作中可在钻井、槽探、坑道等人工揭露的或天然露头上接入供电极A，另一电极B远离充电体。第一节充电法典型充电电场（1）充电球体电场（A）球体半径为r0，中心埋深为h0，球心地面投影点为坐标原点。

由于球体的对称性，其充电电流场的球体外分布与位于球心的点电流场没有区别（条件r0/h0<0.5）。利用简单加倍法，地表电位及沿X方向的电位梯度表达式：地面等位线为以球心在地面投影点为中心的同心圆圈，中心点为极大值（B）在主剖面上（Y=0），电位曲线成轴对称正异常，球心投影点处为极大值，两侧电位对称减小；电位梯度曲线成左正右负点对称异常,球心投影点处为零，两侧电位梯度绝对值对称减小趋于零；旁侧剖面上，其电位和电位梯度的分布与主剖面相似，但其强度减弱，范围变大。（C）利用主剖面上的电位曲线的半极值弦长q和电位梯度曲线的极值点水平间距p，估算球体中心埋深：注意：当导电球体的规模很大或埋深很浅时，地表对球体充电电场的畸变使之完全不同于地下点电源场。计算表明当r0/h0<0.5，可用点电源场代替球体的充电电场。（2）充电椭球体充电电场改变椭球的三个轴的相对大小，可以模型多种形体。如设三轴半径分别为：a，b，c。若:a=b=c，为球体；a>>b=c，为圆柱体；a>>b≠c，为脉（板）状体。设坐标原点位于椭球体的中心，x，y，z坐标轴分别与3个半径重合。椭球体表面方程为:求解椭球坐标系的拉普拉斯方程，得出球外任一点电位：t0为M点的椭球坐标，若M的笛卡尔坐标（x，y，z），则t0为下述方程的最大实根由电位式可知：t0=常数，则U=常数。故等位面方程为：

t0=常数地表电位等值线呈同心椭圆曲线。在椭球体附近，椭圆曲线的长、短轴之比和椭圆率分别为：随着远离椭球体，等位线的长、短轴比值及椭圆率皆减小，分别趋于1和0。远离充电体，等位线形状趋于圆形，类似于点电源电场。若充电椭球体在地下成轴对称分布，则主剖面上，电位曲线成轴对称正异常分布，椭球体的中心投影点处为极大值，两侧对称减小趋于零。水平椭球体的异常范围比直立椭球体的异常范围大。电位梯度异常呈点对称分布.极值点位于椭球体边界外侧附近。对倾斜分布的充电椭球体，其电位异常呈现非对称分布，倾斜一侧异常曲线变缓，电位梯度曲线在倾斜一侧异常极值幅度变小。

不论是对称分布的、还是倾斜分布的充电椭球体，其剖面异常的电位异常曲线的拐点和电位梯度曲线的极值点基本上反映了地下充电体的地面水平投影边界H=0.3p2a=p-h≈p（3）薄板充电电场（4）非等位导体的充电电场非等位导体：是指充电导体电阻非零（非理想导体），被充电后，导体内有电位降，产生电位差，导致导体上各点的电位并非都相等。不等位体的充电电场除受围岩介质电性、充电体形状、产状、大小、及充电流强度等因素影响外，还与充电体的电阻率和充电点位置有关主剖面上的异常特征：（1）充电点在地表投影点偏板体中心侧，为电位曲线极大与电位梯度零值点处；（2）充电点不对称导体几何形状，非对称导体电位和电位梯度在充电点处强度最强，随着远离充电点其强度减弱。在充电点外侧电位曲线变化陡，相应位置处电位梯度曲线出现极大值；内侧电位曲线相对较缓，电位梯度曲线有两个极小值，最外侧的极小值和零点外侧极大值分别大致为充电体的边部地面投影位置。（3）充电体对称，充电位置对称于导体的几何形状充电电流场呈对称分布，并与理想导体条件的电流场分布相近，电位梯度变化最大处对应导体的边缘，电位梯度曲线比电位曲线的分辨能力强。

（5）倾斜非等位导体的充电电场第二节充电法的应用P298（1）应用范围与条件确定已揭露矿体隐伏部分的规模（范围）、形状、产状、平面分布位置及深度（产状及埋深）；确定已知相邻矿体之间的连接关系；在已知矿附近寻找盲矿；利用单井测定地下水流速和流向以及油田注水井压裂方位的确定；研究滑坡及追踪地下金属管线。研究物体有充电揭露或出露点，以便设置充电点；充电体视为良导体，电阻率对比度一般为200浅埋、规模大，则效果好，一般勘探深度为充电体延伸长度的一半；地形起伏小，围岩较均一，各向同性。（2）充电法的观测方式电位测量法、电位梯度法和直接追踪等位线法。观测参数有：ΔUMN、UM、I电位法：将一个测量电极N固定在远离测区处，作为零电位点，另一个电极M则沿测线逐点移动，观测相对于N极的电位差与电流I。计算参数：U/I电位梯度法：测量电极M和N保持一定距离沿测线一起移动，逐点观测ΔU和电流I，计算参数：ΔU/（MN·I）（3）资料处理与解释（A）计算参数：ΔUMN/（MN.I）、UM/I绘制剖面图，平剖图，平面等值图（B）由平面等值图的密集带、剖面图的拐点划定充电体的分布范围利用剖面异常特征点，求取埋深。如梯度曲线：球体：h0≈0.7qh0≈2.6m水平柱体：

h0≈0.5qh0≈2.0mm为异常曲线弦切距；q为半极值点水平间距（4）应用事例（A）确定已被部分揭露矿体的地下伸布范围，形状，埋深和产状（B）确定相邻矿体的连通性及发现已知矿旁的盲矿体第三节激发极化充电法P300

充电激发极化法:利用充电装置进行激电测量方法，又称近矿围岩充电的间接充电方法。通常常用于矿体无露头或被钻探、坑探等工程遗漏矿体的勘查与探测。近矿围岩充电法可由于充电点靠近极化体所以又被称为强极化法。（1）直立铜板端外地面充电实验（1）二次场梯度曲线对称且为单峰；（2）平剖图上的极值点连线反映了极化体在地面的投影点位置和走向；（3）平剖图上正负极值的转换反映了极化体的端点位置及延伸长度（2）铜板端点地面充电（1）铜板范围内极大值为单峰；（2）端点两侧过零点有极小值，位置与铜板端点对应；（3）视极化率曲线具有类似特征，仅在充电点一侧曲线变化幅度较小（3）直立厚石墨地下围岩充电实验（4）组合模型上的充电实验（A）小铜板充电发现相邻大铜板的实验结果（B）近地表有干挠体时深部大铜板地下围岩石充电的实验结果第七章自然电场法P15、P55、P369基本要求：岩、矿的极化特性；自然电流场的成因；球体及板状体上的自然极化特征；自然电流场法的工作方法掌握；自然电流场法的应用范围在自然条件下,无需向地下供电,地面两点间通常能观测到一定大小的电位差,这表明地下存在着天然电流场,简称自然电场.形成主要因素:电子导电矿体的天然电化学作用地下水中电离子的过滤或扩散作用大地电流和雷雨放电等因素自然电场法：是利用岩、矿石由电化学作用在其周围产生的自然极化电场进行找矿、填图和解决水文地质问题的一种被动源直流电法勘探方法。是一种以介质发生电极化现象为物质基础，通过研究稳定自然电流场的分布规律，达到勘查某些目标物的目的一种电法勘探方法自然电场法的定义自然电场：在一定地质或地质—地下水动力条件下，不需人工向地下供电，在自然条件下，主要由电子导电矿体的天然电化学作用和地下水中电离子的过滤作用以及大地电流和雷雨放电等因素形成的电流场。按其随时间的变化规律，又可分稳定与非稳定电流场，自然电场法研究的是稳定电流场。

自然电场法主要应用在寻找电子导电型的金属与非金属矿床（如硫化矿体、石墨矿体、无烟煤等）和解决某些地质填图、水文地质调查中确定地下水流速、流向等问题第一节自然电场的成因（1）电子导体形成自然电场的原因产生稳定自然电流场的直接原因是地下介质内存在着电极化现象。所谓电极化是指呈现电中性（正负电荷保持平衡）物质或系统在一定条件下其正、负电荷（电子或离子）产生彼此分离，偏离平衡状态的现象。按其产生极化的机制，可分氧化-还原效应和过滤电动效应，前者产生电子导体自然极化，后者产生离子导体自然极化氧化还原效应——电子导体自然极化

导体与溶液接触时，由于热运动或化学反应。导体的金属离子或自由电子可能有足够的能量，以致克服晶格间的结合力束缚而越出导体进入溶液中。从而破坏了导体与溶液的电中性。分别带异性电荷，并在其界面处形成双电层，产生电极电位。若导体外溶液是均匀的——界面上的双电层也是均匀而封闭形式分布，故该系统对外仍呈电中性，而不会产生自然电场。若溶液不均匀——界面上的偶电层分布不均匀，则产生极化，系统对外将产生自然电场，在自然电场作用下的电荷流动，将导致不均匀性降低，极化消失。产生稳定自然电流场的条件是：外界条件能保持导体外溶液这种不均匀性，使之不因极化放电而减弱。地下导体产生稳定的自然电场的条件是：基于电子导体被地下潜水面截过，其潜水面上部为大气降雨的渗透带，因靠近地表而含氧量较高，其氧化性强，呈氧化性。相反，潜水面之下含氧量低，相对应那里的水溶液呈还原性。潜水面上下溶液性质的差异。通过大气降水的循环总能长期保持不断的向地下补充氧气，从而在潜水面上下不同部位的导体上形成了不均匀的双电层，产生了自然极化，在其周围空间产生了“氧化-还原”自然电场。

（2）过滤电场过滤电动效应——离子导体自然极化岩石颗粒对正、负离子的选择吸附作用，形成自然电场。岩石颗粒晶格表面有过剩离子键，它对溶液中的离子有选择吸附作用。离子导体与溶液接触后，在其表面吸附作用下形成双电层，对石英、硫化物、泥质页岩靠近离子导体之侧带阴离子，液体一侧带阳离子（注：石灰岩、白云岩吸附阳离子，液体内呈阴离子）。

在离子导体的裂（孔）隙处，双电离相互之间靠的很近，在液体流动时，扩散带阳离子将被带走。相对而言，此处出现了极化，在水流上游呈现负电位，而下游正离子相对集中呈正电位——电化学称之为流动电位。上述极化过程，如同水流过岩石，岩石颗粒滤掉阳离子，剩下阴离子—称为过滤电场。（3）扩散电场

不同浓度的溶液接触时会发生扩散现象，即溶质由浓度大的溶液向浓度低的溶液迁移直至浓度达到平衡。溶液中的正负离子将随溶质迁移，但运动速度不同，从而导致两种不同浓度的溶液中，分别含有过量的正离子或负离子，形成电动势，这种电场称为扩散电场第二节均匀极化球体的自然电场P55在均匀充满电阻率为ρ1的介质里，有一个电阻率为ρ2、半径为r0的球体。当球体被均匀极化时，球体表面形成不均匀的（异常）双电层，其电位差Δε（近似看作是偶电层的电位跃变值）随极化方向的坐标呈线性变化。均匀极化球体内、外电位U的分布以极化轴为对称轴，与方位角无关，故满足球坐标系的拉普拉斯方程（1）自然电场的计算边界条件与极限条件分离变量法求解，则解的一般形式为：应用极限条件得应用边界条件确定系数A、B（a）U与△U０，(r0)2成正比；（b）U与ρ2/ρ1成反比，故自然电场法对于寻找极化良导体有利。（2）极化球体上的自然电位异常和分布特征P369

主剖面电位表达式（Y=0）自然电场的极化源等效为位于球心的电流偶极源，其偶极子的方向与极化轴的方向一致。X方向电场表达式：电位曲线不对称，左右出现负、正极值，正负极值的连线为偶极子在地面的投影，极值点的坐标为：电场强度曲线不对称，在偶极子的右上方电流集中，出现主极值，在右侧零值点两侧有二个次极值点，它们与电流回流到地表的两个集流区对应。主剖面上不同倾角的电位曲线特征（1）垂直极化（α=90）电位曲线沿剖面呈轴对称的负异常分布，负极值位于球心在地表的投影点（x=0），其负极值为：（2）水平极化（α=0）电位极值电位以O点反对称，左右两侧分别出现负、正极值；偶极子的正上方，电流汇集，有负极值，两侧有二个次极值，在2H外电位与电场均趋于零。电位曲线仍以负为主，极小值点向倾斜反方向移动，α越小，移动距离越大。在极化轴倾斜方向伴有正异常的不对称异常，其不对称性与α成反比；零值点随α减小向倾斜轴反方向移动，零点与O点的距离为：x0=h0tga(3)U０与△U０，(r0/h0)2成正比，与ρ2/ρ1成反比。(4)利用不对称电位曲线两侧的过拐点切线的弦切距平均值，则可利用垂直极化下的球体中心埋深公式估算其近似球体中心埋值。0<α<900时第三节极化板状体上的自然电场P371均匀介质中存在一走向很长的直立厚板状极化体均匀极化，矿体与围岩接触面存在电位跳跃。（1）L、b及走向长度增大，电位异常曲线变宽；（2）L、b及走向长度较小时，电位曲线与电偶极子电位曲线基本一致；（3）当2L=5h、2b=2h板状体中心深度的近似公式：h0≈0.87mh0≈0.65q

第四节自然场法的工作方法1观测方法

电位法：将N极放置在远离矿体且电场稳定的正常场区内，M极沿测线进行电位测量

梯度法：当工作区存在游散电流干扰时可用梯度法；

电位梯度环形测量法（追索等位线法）

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仪器：具有高输入阻抗的电位计作测量仪器。测量电极则必须使用不