电法勘探基础综述

•电法勘探的理论基础第五章电法勘探电法勘探是以岩矿石的电磁学性质和电化学特性的差异为基础的勘探方法。借助专门仪器，观测和研究这些差异引起的电(磁)场在空间或时间上的分布特点或变化规律，并据此解决地质问题。导电性、导磁性、介电性自然场、激发场主动源～人工场源法被动源～天然场源法航空、海洋、地面、地下直流电法～时间域交流电法～频率域过渡电场法～瞬态场联合剖面、对称四极、中间梯度、偶极、等以场源的性质分以工作的场所分以电磁场的时间特性分以电极的排列分其它•电法勘探的分类一、岩矿石的电阻率1、电阻率的概念电阻率ρ的定义是描述岩矿石导电性的物理参数ρ的表达式§1电阻率法的基础知识金

属良导性矿物中等导性矿物劣导性矿物10-810-710-6--10-310-3--11—103103—106＞106金铁石墨方铅矿黑钨矿褐铁矿石英银锡斑铜矿辉铜矿赤铁矿赤铁矿长石铜铅铜蓝黄铁矿软锡矿蛇纹石云母镍锑磁黄铁矿黄铜矿菱铁矿角闪石铝汞磁铁矿铬铁矿方解石金属元素及常见矿物的电阻率(Ω.m)名称ρ(Ω.m)名称ρ(Ω.m)黄土层0--200纯水2.5×10⁵粘土1--200雨水＞10³含水砂卵石层50--500河水10--100隔水粘土层5--30海水0.1--100火成岩10²--10⁶潜水＜100变质岩10--10⁶砂岩100--10³沉积岩1--10灰岩100--10⁵常见浮土岩石和地表水的电阻率（Ω.m）二、影响电阻率的因素1、介质的矿物成分•造岩矿物石英、云母、长石等如：沉积岩、岩浆岩、变质岩ρ

≈10⁶Ω.m•良导矿物金属矿体（矿脉）ρ

＜102

Ω.m介质的•矿物成分•结构•含水性

•温度•人为因素2、介质的结构•浸染状•网脉状有较高电阻率有较低电阻率•层状具有各向异性h1ρ1h2ρ2h3ρ3横向电阻率→ρt纵向电阻率为每层ρi的串联为每层ρi的并联I↑I→T～横向电阻S～纵向

电导•一般岩石孔隙越发育、含水量越大、水的矿化度越

高，岩石的电阻率越低。•在第四系沉积层中，浅水面以下的高阻异常多反映

粗颗粒砂砾石的存在；这往往是含水层；而低阻异

常则往往是黏土隔水层的反映。•在坚硬致密的岩浆岩、化学沉积岩和某些变质岩地

区，高阻异常多反映岩溶空洞的存在；而低阻异常

则往往是充填有矿化水的裂隙、破碎带。3、介质的含水性岩石孔隙中的水溶液，随着温度的升高，使其黏滞性减小、溶解度增大、矿化度升高，使离子迁移率增高、岩石导电性增强、电阻率下降。4、温度的影响是指野外工作中：诸如电极的埋设和连接、导线的绝缘程度、测量数据的精度等等都是人为的影响电阻率的因素。5、人为因素§2大地电阻率的测定•稳定电流场的基本定律•均匀半无限介质点电源电场•大地电阻率的测量1、微观形式的欧姆定律公式描述了电流密度与电场强度的关系2、基尔霍夫定律

divJ=0即通过任何封闭面电流密度的通量等于零；或电场中任意点电流密度的散度为零。一、稳定电流场的基本定律欧姆定律稳定电流场中任一点的电位只与该点至场源的距离r有关，单位距离上电位的变化等于该点的电场强度，电压降的方向就是场强的正方向。直角坐标系极坐标形式ru3、势场性A场源4、稳定电流场的拉普拉斯方程5、稳定电流场的边界条件•在接近场源处(r→0)•在无限远处(r→∞)•在两种介质分界面处①电位连续、有限；U1=U2②电流密度的法向分量连续：𝐣1n=𝐣2n

切向分量不连续：𝐣1t≠𝐣2t

③电场强度的切线分量连续：E1t

=E₂t

法线分量不连续：

E₁n≠E₂n它们是证明界面处存在积累电荷现象的理论依据。M二、均匀半无限介质点电源电场3、M点处的电位1、M点处的电流密度2、M点处的电场强度电流I

在半球面上的分布公式证明剖面图平面图4、两个异性点电源电场等电位线电流线两个异性点源场分析由叠加原理①电位②电场强度三、大地电阻率的测量电极排列系数由得问题：对某一均匀地电断面采用不同排列的电极

装置观测电阻率时，其结果有无变化？§3电阻率法的物理实质•视电阻率及其定性分析方法•镜像法求解垂直界面两边电场的分布•供电电流随深度的变化规律•电流密度与供电电流的关系•在地下均匀半空间电流密度的分布特点•地下不均匀体对电流密度的影响•积累电荷的概念及电阻率法的物理实质1、岩石露头电阻率当岩石体积相对于测量装置的电极距足够大时，可以认为该岩石是半空间无限大均匀介质，采用小四极排列露头法就可得到岩石的真电阻率ρ。2、非均匀地层电阻率一、视电阻率及其定性分析方法真电阻率～ρ视电阻率～ρs用四极装置在大地上所测定的电阻率并不是某一岩层或某一非均匀体的真电阻率，而是该电场分布区域内各种介质电阻率综合影响的结果，称之视电阻率ρs。3、视电阻率的影响因素∵△UMN∝I；∴它们不是ρs的影响因素。

但它们影响观测精度。

K值～装置排列的类型、大小；装置相对不均匀体的位置；地形和地下介质的不均匀性；∴ρs的影响因素证得当地下是均匀介质时将其代入4、视电阻率的微分公式的证明j0～地下为均匀介质时MN间的电流密度定性分析公式jMN、ρMN～测点MN间的电流密度和电阻率5、视电阻率与电流密度的关系②当地下是均匀介质时，jMN=j0；ρS=ρMN=ρ0；

沿剖面观测到的ρS是一条直线。③当地下有高阻体时，

jMN>j0；ρS>ρMN>ρ0；∴在高阻体上方出现ρS>ρ0的异常；反之有ρS＜ρ0的异常。①ρS的大小与I无关；由视电阻率定性分析公式可知：由于地形对地表电流jMN的分布会有影响，所以对视电阻率ρMN也有影响。因此，在资料解释前要首先进行地形改正，这是提高解释准确性的重要措施。6、视电阻率与地形的关系二、积累电荷的概念及电阻率法的物理实质1、积累电荷的产生(证明见P108)•在非均匀导电介质中，当不同的地质界面上有电流通过时，界面上就会有电荷积累下来。•当电流由低阻介质流向高阻介质时，界面上将有正电荷积累，当电流由高阻介质流向低阻介质时，界面上会有负电荷积累。2、电阻率法的物理实质当我们向地下供电时，地下不均匀体界面上的积累电荷就会形成电阻率法勘探中的异常场。当P点位于垂直界面上时有解得三、镜像法求解垂直界面两边电场的分布镜像点源是避免求解拉普拉斯方程的简化分析方法𝐣M𝐣x𝐣z四、供电电流随深度的变化1、一个点源的场•一般认为jM/jp=0.5是有效工作电流；∴勘探深度是h=L∴•L

一定时，jM随h的增加而迅速下降；•L↑→jM↑(深部电流密度增加)→勘探深度↑2、二个点源的场h/L00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.03.04.0jh/j010.980.800.630.480.350.260.200.150.120.060.030.02h/L=0.5(h=AB/4)时，电流密度是地表的71％h/L=1(

h

=

AB/2)时，电流密度是地表的35％∴h/L=2(

h

=

AB)时，电流密度是地表的6％影响深度;非可靠异常深度勘探深度;可靠异常深度由jh=I/2πr²知I是影响jh的重要因素I与供电电压;大地电阻;供电系统电阻有关2、系统电阻(R)1、供电电流(I)3、勘探深度(h)五、电流密度与供电电流的关系虽然h∝f(jh、AB/2、U、I)；但受条件所限，不能仅靠增加这些因素来提高勘探深度。而减小供电系统的导线电阻、电极接地电阻也是很重要的措施。电流分布平面图1、电流主要分布在供电电极A～B的连线附近。2、以O点为中心，边长为AB/3的正方形面积和深度为

AB/6的体积内，电流线的分布接近均匀且水平。电流分布剖面图3、以O点为中心，R=AB/2的半圆内有总电流量的30％，

R=AB的半圆内有总电流量的55％，它们决定了有

效的勘探面积和勘探深度。六、在地下均匀半空间电流密度的分布特点七、地下不均匀体对电流密度的影响1、电流密度在电阻率分界面上的折射j1n=j2n∴j1t=E1t/ρ₁

；j2t=E2t/ρ₂又∵J=E/ρ；E1t=E2tI从高阻进入低阻I从低阻进入高阻θ2>θ1→低阻体

吸引电流θ₂<θ₁→高阻体

排斥电流ρ2＞ρ1＞ρ3I→低阻→高阻；界面积累正电荷2、用积累电荷效应解释高、低阻体对电流线的影响I→高阻→低阻；界面积累负电荷高阻体排斥电流、低阻体吸引电流3、几种地电断面的电场特征见参考书李世峰著“资源与工程地球物理勘探”

P22～图1-23断面类型均匀介质半无限介质地下倾斜界面地下直立薄脉地下水平层状地下球体地表不平§4电阻率法的仪器及电极排列一、电阻率法的仪器1、主要装备2、一般要求测量仪器、供电电源、供电电极、测量电极、导线及线架•灵敏度高～能够测准最小的△UMN•抗干扰能力强～保证有效信号的拾取•较高的稳定性～能适应复杂的工作环境1、二极排列特点单点供电、单点测量纪录点O为AM的中点条件BM>10AM排列系数二、常用的电极排列形式2、三极排列单点供电、二点测量纪录点O为MN的中点MN<AO/3；OB=(3～5)AO特点条件排列系数MN<AO/3温纳装置AM=MN=NB

K=2πMN3、对称四极排列特点条件排列系数AB、MN始终对称于O点AB、MN始终对称于O点；相当于二个三极装置的组合与三极相同与三极相同4、联合剖面排列特点条件排列系数AB=MN=a

；BM=na

(n为整数)K=

π

na(n+1)(n+2)代入对称四极排列系数∵AM=BN=a+na；AN=2a+na；MN=a证明5、偶极排列特点排列系数条件AB、MN分列记录点O两侧得A、B极距很