1、第四章第四章 電法勘探電法勘探 電法勘探：電法勘探：是根據(jù)巖石及礦石的導電性、電是根據(jù)巖石及礦石的導電性、電化學活動性、介電性等電學性質差異，借助化學活動性、介電性等電學性質差異，借助專門的儀器設備觀測和研究地球物理場的變專門的儀器設備觀測和研究地球物理場的變化及分布規(guī)律，來找礦和研究地質結構的一化及分布規(guī)律，來找礦和研究地質結構的一種地球物理勘探方法。種地球物理勘探方法。電法勘探的種類很多，可對其進行分類：電法勘探的種類很多，可對其進行分類：按觀測的場所分：按觀測的場所分：航空電法、地面電法、海洋電法、地下或井中電法；按地質目標體分：按地質目標體分：金屬電法、石油電法、煤田電法、水（文）工（

2、程）電法；按使用和觀測電場的時間特性分：按使用和觀測電場的時間特性分：直流電法、交流電法、過渡過程場法（瞬變）； 直到目前為止，還沒有一個公認的和統(tǒng)一的分類方案，因為各種電法之間，既有不同的方面，又有相同的方面，因此很難作出一個標準化的固定分類方案。根據(jù)本專業(yè)當前電法的發(fā)展現(xiàn)狀，可將其簡化的分為兩大兩大類：類：（1）傳導類電法勘探）傳導類電法勘探 以利用地中的傳導電流（交流的或直流的；天以利用地中的傳導電流（交流的或直流的；天然的或人工的）為主。利用然的或人工的）為主。利用導電性、激電性導電性、激電性、導磁、導磁性；目前主要有五種方法：性；目前主要有五種方法： 中間梯度法；中間梯度法； 電測剖

3、面法；電測剖面法； 電測深法；電測深法； 充電法；充電法； 自然電場法；自然電場法； 激發(fā)極化法；激發(fā)極化法；（2）感應類電法勘探）感應類電法勘探 以利用地中渦旋感應電流為主。以利用地中渦旋感應電流為主。第一節(jié) 電阻率法的理論基礎).)(/()/(/mLsIULsRn 電阻率()單位是歐姆米，記作m。n 用電導率表示時，其單位為西門子每米，記作sm。 n 電導率和電阻率互為倒數(shù)，成反比性。 在電法勘探中，用來表征巖、礦石導電性好壞的參數(shù)為在電法勘探中，用來表征巖、礦石導電性好壞的參數(shù)為電電阻率阻率()或電導率或電導率(=1/)。從物理學中已知，當電流垂直流過。從物理學中已知，當電流垂直流過單位

4、長度、單位截面積的體積時，該體積中物質所呈現(xiàn)的電阻單位長度、單位截面積的體積時，該體積中物質所呈現(xiàn)的電阻值即為該物質的電阻率。值即為該物質的電阻率。 計算公式如下：計算公式如下：注一、巖石的電阻率及影響因素一、巖石的電阻率及影響因素1、金屬元素及常見礦物的電阻率、金屬元素及常見礦物的電阻率金屬金屬 導體導體半半 導導 體體 固體電解質固體電解質 各種天然金屬均屬于金屬導體各種天然金屬均屬于金屬導體較重要的天然金屬有自然金和較重要的天然金屬有自然金和自然銅，其電阻率值均很低自然銅，其電阻率值均很低大多數(shù)金屬礦物均屬于半導體大多數(shù)金屬礦物均屬于半導體 固體礦固體礦物按導物按導電機理電機理分為：分為

5、： 絕大多數(shù)造巖礦物（如輝石、絕大多數(shù)造巖礦物（如輝石、 石英、云母、方解石石英、云母、方解石 ）金屬良導性礦物中等導電性礦物劣導電性礦物10-810-7 10-610-310-31103103103106金鐵石墨方鉛礦黑鎢礦褐鐵礦石英銀錫斑銅礦赤鐵礦長石銅鉛銅藍黃鐵礦軟錫礦蛇紋石云母鎳銻磁黃鐵礦輝銅礦菱鐵礦角閃石鋁汞磁鐵礦黃銅礦鉻鐵礦方解石金屬元素及常見礦物的電阻率、巖石的電阻率、巖石的電阻率v礦物電阻率：礦物電阻率：是在一定范圍內(nèi)變化的，同種礦物可是在一定范圍內(nèi)變化的，同種礦物可有不同的電阻率值，不同礦物也可有相同的電阻率有不同的電阻率值，不同礦物也可有相同的電阻率值。因此，由礦物組成的巖

6、石和礦石的電阻率也必值。因此，由礦物組成的巖石和礦石的電阻率也必然有較大的變化范圍。然有較大的變化范圍。 v巖礦石電阻率：巖礦石電阻率：也有類似礦物電阻率值變化的規(guī)律。也有類似礦物電阻率值變化的規(guī)律。其電阻率值除與組成巖礦石的礦物成分、含量有關其電阻率值除與組成巖礦石的礦物成分、含量有關外，更主要地乃由礦物顆粒的結構構造所決定。外，更主要地乃由礦物顆粒的結構構造所決定。大致規(guī)律是電阻率值：沉積巖變質巖巖漿巖。下面是幾種常見巖石的電阻率值： . .水的電阻率水的電阻率食鹽溶液電阻率與濃度的關系食鹽溶液電阻率與濃度的關系地下水的礦化度變化范圍很大，地下水的礦化度變化范圍很大，淡水為淡水為0.1g/

7、L0.1g/L，咸水可高達，咸水可高達10g/L10g/L。在巖性條件變化不大的前提下，在巖性條件變化不大的前提下，可以在地面或鉆孔中應用電阻可以在地面或鉆孔中應用電阻率的差異來劃分咸淡水層位以率的差異來劃分咸淡水層位以及海水入侵部位界限，也可以及海水入侵部位界限，也可以用電阻率判斷純凈水的優(yōu)劣。用電阻率判斷純凈水的優(yōu)劣。說明：水的電阻率也受溫度控制，即水溶液的電阻率隨溫度升高而降低。因為，溫度控制水的活性，溫度變化會引起水溶液中鹽離子活動性，而鹽離子的移動速度隨溫度升高而加快，所以導電性增強，電阻率降低。所以，利用上述特性，可以用電阻率法圈定地熱異常區(qū)。當溫度過低使水凍結時，離子無法遷移，會

8、使冰的電阻率劇增至105m。4、影響巖、礦石電阻率的因素、影響巖、礦石電阻率的因素 介質的礦物成分介質的礦物成分介質的結構介質的結構含水性含水性溫度溫度巖（礦）石電阻率巖（礦）石電阻率 與成分和結構的關系與成分和結構的關系 導電礦物含量相當大導電礦物含量相當大(60)時，時，對巖石電阻率才有明顯作用。對巖石電阻率才有明顯作用。主要決定于它們的連通情況，主要決定于它們的連通情況，連通者起的作用大，連通者起的作用大，孤立者起的作用小。孤立者起的作用小。巖、礦石的電阻率巖、礦石的電阻率與導電礦物的含量與導電礦物的含量導電礦物對巖、礦石導電礦物對巖、礦石整體電阻率影響整體電阻率影響（a） （b） （c

9、） 巖礦石不同結構的示意圖 層狀結構巖石模型 （a）實際巖石 (b).等效模型attaz(b)（a）121h2h 兩種電阻率分別為1和2的薄層巖石交替成層，它們的總厚度分別為h1和h2，則可按電阻并聯(lián)和串聯(lián)的關系，不難得到沿層理方向和垂直層理方向的電阻率表達式： 121212hhthh212211hhhhn(1)(2)巖（礦）石的電阻率巖（礦）石的電阻率 與所含水分的關系與所含水分的關系 地下水及其他天然水地下水及其他天然水的電阻率均較的電阻率均較低低，通常小于，通常小于100.M.M，并且含鹽分越多，電阻率值越低。巖、礦石中，并且含鹽分越多，電阻率值越低。巖、礦石中所含水分的多少所含水分的多

10、少(或濕度大小或濕度大小)對其電阻率值有較大影響。對其電阻率值有較大影響。 一般一般含水量大的巖石含水量大的巖石電阻率較電阻率較低低，而含水量小或干燥，而含水量小或干燥巖石的電阻率較高。巖石含水量的大小，主要決定于巖石巖石的電阻率較高。巖石含水量的大小，主要決定于巖石本身的本身的孔隙度及當?shù)氐乃牡刭|條件孔隙度及當?shù)氐乃牡刭|條件。在潛水面以下，巖。在潛水面以下，巖石孔隙通常被地下水所充滿，此時，巖石的濕度便等于其石孔隙通常被地下水所充滿，此時，巖石的濕度便等于其孔隙度?？紫抖取?v巖石濕度的大小，主要決定于巖石的孔隙度巖石濕度的大小，主要決定于巖石的孔隙度及當?shù)氐乃牡刭|條件。在潛水面以下，

11、巖及當?shù)氐乃牡刭|條件。在潛水面以下，巖石孔隙通常被地下水所充滿，此時，石孔隙通常被地下水所充滿，此時，巖石的巖石的濕度便等于其孔隙度。濕度便等于其孔隙度。下表給出了幾種常見下表給出了幾種常見巖石孔隙度的測定結果，它可作為估計潛水巖石孔隙度的測定結果，它可作為估計潛水面以下巖石濕度的一個參考資料。面以下巖石濕度的一個參考資料。幾種常見巖石的空隙度 分類巖石名稱空隙度/分類巖石名稱空隙度/沉積巖土壤20.069.4火成巖玄武巖18.7砂15.063.2安山巖6.0粘土 10.162.9輝長巖0.41.9礫石20.237.7花崗巖0.44.1頁巖1.544.8輝綠巖0.55.1砂巖2.018.4閃

12、長巖0.44.0灰?guī)r0.710正長巖0.92.9變質巖結晶石灰?guī)r0.98.6注：帶有喀斯特溶洞的灰?guī)r空隙度可達n10%片麻巖0.47.5大理巖0.12.1v現(xiàn)以孔隙中充滿水分的石英砂巖為例，確定濕現(xiàn)以孔隙中充滿水分的石英砂巖為例，確定濕度對巖石電阻率影響的近似數(shù)量關系。由于水度對巖石電阻率影響的近似數(shù)量關系。由于水的電阻率的電阻率水水較砂粒的電阻率較砂粒的電阻率2低得多（低得多（水水2），），考慮到巖石中體積含水量或濕考慮到巖石中體積含水量或濕度度 ，故代入上式可得巖石的電阻率為故代入上式可得巖石的電阻率為v處于潛水面以上的巖石，因大氣中的水分通過處于潛水面以上的巖石，因大氣中的水分通過降雨、

13、雪可滲入地下，也并非完全干燥。在滲降雨、雪可滲入地下，也并非完全干燥。在滲透過程中，由于巖石顆粒對水的吸附作用，巖透過程中，由于巖石顆粒對水的吸附作用，巖石孔隙中能保存一部分水分。石孔隙中能保存一部分水分。一般孔隙直徑越一般孔隙直徑越小，吸水性越強，巖石的濕度便越大，故粘土小，吸水性越強，巖石的濕度便越大，故粘土的電阻率較低。的電阻率較低。 1 V 23 水式中式中為巖石的濕度，并有為巖石的濕度，并有=1V，式中，式中V為為礦物顆粒的百分體積含量。礦物顆粒的百分體積含量。22(1)VV水（3）巖（礦）石電阻率）巖（礦）石電阻率 與溫度的關系與溫度的關系 含水砂巖電阻率隨溫度變化的實驗曲線含水砂

14、巖電阻率隨溫度變化的實驗曲線砂巖孔隙度為砂巖孔隙度為12%；濕度；濕度=1.5%隨溫度的增高，電阻率下降隨溫度的增高，電阻率下降北京地區(qū)花崗巖的北京地區(qū)花崗巖的 t曲線曲線 巖石電阻率與溫度的關系 -40 -20 0 20 40 t/C1001011/ 電子導體礦物、礦石的電阻率隨溫度增高而變大離子導電巖石的電阻率隨溫度的增高而變小v綜上所述綜上所述v影響巖、礦石電阻率的因素是多方面的。影響巖、礦石電阻率的因素是多方面的。在金屬礦產(chǎn)普查和勘探中，巖、礦石中良導電礦物的含量及結構是主要影響因素。在水文、工程地質調(diào)查和沉積區(qū)構造普查、勘探中，巖石的孔隙度、含水飽和度及礦化度等成了決定性因素。在地熱

15、研究、地震地質及深部地質構造研究中，溫度及地應力變化卻成了應考慮的主要因素。二、穩(wěn)定電流場的基本規(guī)律二、穩(wěn)定電流場的基本規(guī)律 在地球表面，除了存在大地電場和自然電場外，我在地球表面，除了存在大地電場和自然電場外，我們還可以通過電極向地下供直流電以建立穩(wěn)定電流們還可以通過電極向地下供直流電以建立穩(wěn)定電流場，然后觀測、研究地下電場由于電阻率不均勻體場，然后觀測、研究地下電場由于電阻率不均勻體存在所反映的變化規(guī)律，以便達到探測地下構造、存在所反映的變化規(guī)律，以便達到探測地下構造、解決各種地質問題的目的解決各種地質問題的目的（一）為什么要引入穩(wěn)定電流場?說明：描述穩(wěn)定電流場的物理量有：電場強度E；電流

16、密度J；電位U1、電流密度EJ此式適用于任何不均勻導體的電流場2、電場強度在電場中某一點處的電場強度等于單位正電荷在那一點處所受的電力。3、電位：電位是表示將單位正電荷從無限遠處移至電場中某一點處，外力反抗電場力所做的功，它是標量，僅有大小而無方向。其數(shù)學表達式如下：4、電場強度E和電位U的關系EgradU 說明：空間某點的電場強度等于電位的負梯度，電位梯度為負值說明電位的降落方向是電場強度的正方向。（二）不同電源在不同均勻空間的電場分布 點電源在直流電法工作中，為建立地下電場，總是需要兩個接地的電極在直流電法工作中，為建立地下電場，總是需要兩個接地的電極A和和B，電流從，電流從A極輸入地下，

17、又通過極輸入地下，又通過B極從地下流出，形成閉合極從地下流出，形成閉合電路。這兩個電極稱為供電電極。當兩電極的大小比它們與觀測電路。這兩個電極稱為供電電極。當兩電極的大小比它們與觀測點的距離小得多時，可以把這兩個電極看成兩個點的距離小得多時，可以把這兩個電極看成兩個“點點”，所以它，所以它們被稱為們被稱為點電源。點電源。一個點電源的電場和兩個點電源的電場如果我們著眼于研究某一個電極周圍的電場，可將另一個電極置如果我們著眼于研究某一個電極周圍的電場，可將另一個電極置于很遠，以至在研究范圍內(nèi)其影響可忽略不計的地方，這個距離于很遠，以至在研究范圍內(nèi)其影響可忽略不計的地方，這個距離在數(shù)學上稱為無窮遠，

18、這時我們研究范圍內(nèi)的電場就是一個點電在數(shù)學上稱為無窮遠，這時我們研究范圍內(nèi)的電場就是一個點電源的電場。否則就叫兩個點電源的電場。源的電場。否則就叫兩個點電源的電場。1、一個點電源在均勻全空間的電場、一個點電源在均勻全空間的電場v問題：問題： 假設在均勻空間中有一點電流源假設在均勻空間中有一點電流源A，其電流強度為，其電流強度為I，求距離，求距離A點為點為R處處M點的電位公式。點的電位公式。v說明：說明： 此問題具有球形對稱性，故選用球坐標，把原點置于此問題具有球形對稱性，故選用球坐標，把原點置于A點。點。由于任一點的電位與方位角由于任一點的電位與方位角 和極角和極角 無關。無關。均勻空間均勻空

19、間均勻空間:是指電阻率在介質中均勻分布，且其導電性與空間方向是指電阻率在介質中均勻分布，且其導電性與空間方向無關，無關，即電阻率在介質中處處相等。即電阻率在介質中處處相等。EjU+ IrM如下圖;由球坐標的拉普拉斯方程簡化形式：0)(2rUrr對上式進行兩次積分得：211CrCU2212112122441,4-)(1)(14M00UrIErIUCrCUCCICrCrUEjrIjCr得：帶入式子：將從而知：及歐姆定律：點電流密度：另外，據(jù)，必有時，由于2、一個點電源在均勻半空間的電場分布2222;22IUUrrIUIIEJrrr或地面上一個點電源半空間的電場一個點電流源電場在任一點的電位U、電流

20、密度J和電場強度E都正比于點源的電流I。其中電位與距離r成反比，而電流密度和電場強度則與r的平方成反比。在地下半空間中等位面為一系列以點源為中心的同心半球面。J的方向與矢徑r的方向一致，處處與等位面正交。在點源附近電位衰減較快，隨著遠離源點衰減變慢。3、兩個點電源在均勻半空間的 電場分布如右圖：對于兩個異性點電流源的場，按疊加原理，任一點M處的電位應是A（+I）點和B（-I）點在該點電位的標量和，電場強度應該是A（+I）點和B（-I）點在該點電場強度的矢量和，由于單點源半空間電位與電場分別是：2222;22IUUrrIUIIEJrrr或)11(2BAMBMAM)11(2121222BMMBBM

21、AMMAAMIEEEBMAMIUUUBMIUAMIUBABMAMABMBMAM的距離和點到分別為、式中：所以：則：由圖可見，靠近電極處電位變化快，向著A方向迅速增加，而向著B極方向電位則迅速下降。在AB中段1/21/3區(qū)間內(nèi)電位變化較慢，并且在AB中間出現(xiàn)零電位。在電極近處電位梯度大的地方電場強度的絕對值也大。AB中部電位梯度變化不大，場強值變化也不大，電流線基本平行于地表，呈現(xiàn)均勻場特點。4、地下半空間的電流分布（1）分布特點： 在地表以AB中點為中心，邊長為AB/3的正方形面積和深度為AB/6的體積內(nèi)，電流密度接近均勻且水平，越靠近電極電流密度的大小和方向變化越大。（2）定量說明： 正負兩

22、個點電源的正常場，其電流密度的分布沿AB軸線為最大，在遠離AB軸線h/L=0.32的一段范圍內(nèi)電流密度迅速減小，計算表明，集中在以AB為軸線，以半徑R=AB/2的半圓為最大截面積的半紡錘形體內(nèi)的電流，占總電流的30%，半徑R=AB時占總電流的55%。如果要求地下兩點M、N的電位差：則：1111()22()111111112/ ()MNAMANBMBNMNAMANBMBNAMANBMBNMNIUrrrrUIrrrrKrrrrUKI令：則：說明：此公式最為重要：是電法勘探中電阻率法求電阻率的基本公式（三）均勻各向同性介質電阻率的測定：M如果人為有意改變極距分布如下，則稱為溫納裝置,11AMOAOM

23、NB OMONKAMANANMNNBAMANKMN當：時：當：時：（溫納裝置）三、勘探深度與供電電極距的關系三、勘探深度與供電電極距的關系v問題：問題： 為什么要研究地下電流隨深度的分布規(guī)律？v回答：回答： 因為我們只能通過觀測地面電場的畸變規(guī)律來判斷地下具有明顯電阻率差異的地質體的賦存狀態(tài)。而地面電場與地下電流有著密切的關系，當?shù)叵码娏鞯姆植几淖儠r，地下電場將隨之改變，這些變化必將影響地面電場的分布。從這個意義上說，地下電流實際上起著傳遞深部信息的作用。流入地下深處的電流越多，反映到地面上的深部信息就越強，對探測深部地質情況就越有利。在深為在深為h的點上，由的點上，由A、B兩極形成兩極形成的

24、電流密度的垂直分量方向相反，的電流密度的垂直分量方向相反，相互抵消，而水平分量方向相同相互抵消，而水平分量方向相同.其中：2332332222coscos1cos(1) ABABAooooABABAhhhhABoABhIJJJJLIJJJJLJJhLABoABhJJ實際中：人們常拿AB/2看做電阻率的影 響深度，把AB/4作為勘探深度 對待。 由圖可見隨h/L變化的規(guī)律。可以看出，地表電流密度最大，隨深度h的增大，電流密度衰減很快，當h等于3L時，jh便只有0.032j0了。又是隨L的增大而增長的。說明加大供電極距時，地表電流密度比地下電流密度衰減快，從而起了突出地下深部信息的作用。換言之，加大供電極距可以增大探測深度。四、視電阻率及電阻率法的物理實質四、視電阻率及電阻率法的物理實質地面水平，地下地面水平，地下為均勻、無限、為均勻、無限、各向同性介質。各向同性介質。 實際工作中常常不能滿足這些條件，地形往往起伏不平，地下介質也不均勻，各種巖石相互重疊，斷層裂隙縱橫交錯，或者有礦體充填其中。MNUKI（一）視電阻率（一）視電阻率A(+I)B(-I)XS1123(a)(b)地電斷面地電斷面 ？電阻率不均勻時地下電流分布示意圖 在自然界中，地下地質情況是復雜的，各種不同巖(礦)石分布是不均勻的。在電法勘探中，常把按電阻率劃分的地質斷面稱為地電斷面。M NVM