5电法勘探4自然电位法与自电法

4充电法和自然电场法充电法属于人工场法自然电场法属于天然场法4.1充电法充电法是对地面上、坑道内或钻孔中已经揭露的良导体直接充电，以解决某些地质问题的一种电法勘探方法（1）充电法的基本原理将与电源正极连接的供电电极A通良导体（矿体、含水体等）露头接触，其接触点称为充电点。与电源负极连接的供电电极B布设为无穷远极，以至它在导体附近产生的电场可以忽略不计。此时，整个良导体相当于一个大的供电电极21A在理想条件下，即导体的电阻率ρ2＝0，或导体电阻率与围岩电阻率比较，满足ρ2＜＜ρ1时，无论将导体内哪一点作为充电点，由于导体内没有电阻（或电阻趋于零），将不会产生电位降（或电位降可以忽略），因此，导体内部及其表面各点的电位都相等，整个导体实际上是一个“等位体”。假定围岩的电性是均匀的，则进入围岩的电流将与导体表面垂直21剖面图A一般形状的导体，周围有很多等电位面。在导体表面附近，由于电流刚流出导体，电流密度大，电位降落快，因此等未免十分密集。并且，越靠近导体，等位面的形状与导体形状越一致。远离导体，电流密度逐渐减小，电位降落逐渐减弱，等电位面越来越稀，形状逐渐趋于圆形。如果用仪器在地面追索，可获得若干等位线。等位线在导体边缘附近最密集，形状接近与导体在地面的投影轮廓平面图A下图是理想充电良导球体的电位平剖图和电位梯度平剖图。在球心正上方的主测线上，电位曲线在球心正上方有极大值，两侧电位值轴对称减小，直到无穷远处趋近于零；电位梯度曲线在球心正上方过零值点，两侧电位梯度值呈点对称。旁测线曲线形态与主测线相似，只是远离充电体，曲线幅值减小，范围变宽主测线主测线等位脉体的电位U为一对称曲线。脉体水平时，在导体顶部上方获得宽缓的极大值；在顶部边缘或略想外移动的地方，电位降落最快；而在远离顶部边缘的位置，电位下降逐渐变缓，最后趋近于零。等位导体的电位梯度△U/△x曲线则为一反对称曲线，在充电导体顶部，电位梯度为零，其正负极值对应与电位降落最快的边缘部位xUUxOUUxxUUxOUUx脉体直立时，在脉体顶部正上方对应出现电位的极大值，电位曲线左右对称；等位脉体的电位梯度△U/△x曲线则为一反对称曲线，在充电导体顶部，电位梯度为零，在脉体左侧出现正的极大值，在脉体右侧出现负的极小值xUUxOUUx脉体倾斜时，显然，电位曲线与电位梯度曲线均不对称，电位曲线的极大值点与电位梯度曲线的零值点均向脉体左侧发生位移。在脉体倾向一侧（右侧），电位曲线变缓，电位梯度曲线极小值幅值变小；在反倾向一侧（左侧），电位曲线变陡，电位梯度曲线极大值幅值变大由此可见，利用在地面观测到的等位线的形状和分布情况，可以判定充电导体的形状和范围；利用剖面电位曲线和电位梯度曲线，还可以判定充电导体的顶部和边界位置实际工作中，一般的地质体都不是等位体，因此，离开充电点稍远，即使在充电导体内部，电位也要发生下降。且地质体电阻率ρ2越大，电位下降越快。充电曲线和充电点的位置有关所以，充电法的应用要求有一定的地质与地球物理条件：地质体与围岩要有一定的导电性差异，并且这种导电性要足够大下图a是充电点位于导体边缘时的曲线。电位曲线的极大值点出现在充电点附近，且偏向导体右侧，曲线从极大值缓慢下降到导体的另一端；而在充电点左侧，电位曲线离开极大值后便迅速下降，整条曲线呈现出明显的不对称形态。电位梯度曲线的零点在充电点附近，稍移向导体右侧，零点左侧曲线较陡，正极值大；而零点右侧幅值较小，且都为负值左下图是充电点位于导体边缘时的曲线。电位曲线的极大值点出现在充电点附近，且偏向导体右侧，曲线从极大值缓慢下降到导体的另一端；而在充电点左侧，电位曲线离开极大值后便迅速下降，整条曲线呈现出明显的不对称形态。电位梯度曲线的零点在充电点附近，稍移向导体右侧，零点左侧曲线较陡，正极值大；而零点右侧幅值较小，且都为负值右下图是充电点位于导体中心时的曲线。此时，电位曲线和电位梯度曲线均对称分布，很难与等位体的曲线进行区分。因此，在进行自电法资料解释工作时，必须考虑到充电体本身的电阻率ρ2与围岩电阻率ρ1之间的差异，以及充电点的位置，这样才能对充电导体的形状和范围做出较为可靠的推断（2）充电法的装备及工作方法充电法所使用的装备和电阻率法相同在地面观测电场分布，常用以下两种方法：①电位观测②电位梯度观测将测量电极N置于距离导体足够远的某一固定基点上接地。另一测量电极M沿测线逐点移动，观测各测点相对于固定基点N的电位差。把这个差值作为该测点的电位值U把测量电极MN置于同一测线的两个相邻测点上，保持其相对位置和间距不变，沿测线逐点移动，观测各相邻测点间的电位差△UMN，便可推算MN中点处的电位梯度（△UMN/MN）为消除供电电流I的变化对观测结果的影响，整理资料时，通常把电位U换算成U/I，电位梯度△UMN/MN换算成△UMN/MN*I100测线00测线200测线300测线400测线5AMN电位梯度观测布置图充电法的主要成果图件和电阻率法类似，包括：电位剖面图、电位平面剖面图、电位等值线图；电位梯度剖面图、电位梯度平面剖面图等（3）充电法资料解释解释电位等值线平面图时，可由等电位线的形状和密集程度推断导体在地面的投影和走向，并初步圈定其边界。另外，还可以从等位线分布的不对称性判断导体倾向。等位线较稀的一侧为导体倾斜方向，因为在该方向上电位下降较为缓慢，所以等位线变稀。解释电位剖面图时，可利用其极值点、拐点以及对称性，大致推断充电导体在剖面上的中心位置、边界和倾斜方向解释电位梯度剖面图时，可认为曲线零值点位置反映了充电导体的顶部位置，极值点位置大致是导体的边界。如果电位梯度曲线不对称，则导体向两个极值中幅值较小且平缓的一方倾斜。解释电位梯度平面剖面图时，可由零值点的连线判断导体走向，由各剖面线极值点的位置圈定导体的大致位置应当注意的是，只有在充电导体近似等电位体时，上述特征才表现明显。不等位体、围岩电性不均匀或地形起伏，都会使充电法的电位曲线和电位梯度曲线发生畸变，在解释时应充分考虑利用充电法曲线还可以进行定量解释。如，根据电位梯度曲线的参数p和m，可以计算充电导体的埋深。p为梯度曲线极大值点和极小值点之间的水平距离；m为通过曲线拐点和极大值点分别作切线，这两条切线交点的横坐标与梯度曲线零值点横坐标间的距离，称为弦切距pm计算球状充电导体球心埋深：0.72.6hphm计算水平线状充电导体埋深：0.52.0hphm充电法的应用范围和应用条件充电法可以用来解决如下地质问题：1.确定已揭露（或出露）地质体隐伏部分的形状、产状、规模等2.确定已知相邻地质体之间的连接关系3.利用单井测定地下水流量和流速4.研究滑坡，以及追踪地下金属管线等充电法的应用条件：1.被研究对象（充电体）至少有一处被揭露，以便设置充电点2.充电体相对与围岩，应为良导体3.充电体规模越大，埋藏越浅，充电法效果越好。充电法的最大研究深度一般仅为充电体延伸长度的一半充电法探测地质体是否相连：一般在两个露头分别充电，并在通过它们的同一测线上依次观测。如果获得的两次电位梯度曲线相同或相似，可以认为两地质体是连通的；如果两条曲线相差悬殊，则表明它们是不连通的左中图a是根据钻孔资料编制而成，它与充电法的观测结果（左上图）有很大的矛盾。左上图中1号电位梯度曲线是在钻孔ZK11中A点充电得到，2号电位梯度曲线是在钻孔ZK58中B点充电得到，两曲线形态基本一致，推断地质体Ⅱ和地质体Ⅴ是连通的。而不是像钻孔地质图那样推断为不连通A加密ZK59前CB5811加密ZK59后595811ⅡⅤⅤⅡACB4141在钻孔11中C点应用充电法得到电位梯度曲线3，在钻孔41中D点应用充电法得到电位梯度曲线4，曲线3、4形态相近，但与曲线1、2有很大的区别，推断C、D两点所在地质体，不是A、B两点所在的地质体。根据上述推测，绘制了电法推断的地质图（左下图）为进一步验证电法解释成果，在钻孔ZK58和钻孔ZK11间，加密了ZK59。在钻孔ZK59中E点的充电电位梯度曲线和1、2类似，而钻孔ZK59中F点的充电电位梯度曲线和3、4类似，说明A、B、C三点同属地质体Ⅱ，而D、E、F三点同属地质体Ⅴ，从而证明了各地质体的连通关系A加密ZK59前CB5811加密ZK59后595811ⅡⅤⅤⅡACB4141DDEF4.2自然电场法在自然条件下，无须向地下供电，在地面任意两点总能观测到一定大小的电位差。这表明地下存在天然的电流场，称为“自然电场”常见的自然电场有两类：1.呈区域性分布的不稳定电场，称为“大地电磁场”，其分布特点与地壳构造有关2.分别范围较小，仅限于某个局部地区的电场，它的存在往往与某些金属地质体或地下水运动有关本节只讨论第二种自然电场（1）自然电场的成因目前，对产生自然电场的原因，比较一致的认识有三种：1.电子导体与围岩溶液间的电化学作用电化学理论指出，电子导体与离子导电的水溶液（盐溶液）接触时，在它们的接触面上将产生“双电层”：如果电子导体成分单一，且全部沉浸在化学性质均匀的盐溶液中，则导体表面将形成均匀、封闭的双电层。由于双电层中正、负电荷相互平衡，故导体周围不会出现电场。但是，如果电子导体的成分发生变化，或盐溶液性质不均匀，则双电层的分布不再呈均匀状态，产生“极化”，在导体内和盐溶液中就会产生电流，从而形成电场导体盐溶液-+++++++++++++++++++-------------当良导体埋藏于潜水面附近时，在潜水面以上的围岩中，由于靠近地表，加上地表水向下淋滤渗透，近地表围岩富含氧气，使近地表围岩溶液具有氧化性质。因此，导体中的电子被围岩溶液夺取呈现正极性，而溶液因含有较多电子呈负极性。随着深度的增加，岩石孔隙中所含氧气量逐渐减小，到潜水面以下后，围岩溶液因缺氧而具有较多的还原性质。这时，导体呈现负极性而溶液带正电。于是，由地表至地层深处，在导体与围岩溶液的界面上，形成了不均匀的双电层，导体处于“极化”状态潜水面导体+++---盐溶液（富氧）盐溶液（缺氧）溶液的电性具有保持“中性”的趋势。导体上半部富氧盐溶液中具有的负电荷需要移去，或用一定数量的正离子去平衡。导体下半部则相反，缺氧盐溶液需要移去正电荷或增加一定数量的负离子。这样，盐溶液中下部的正离子向上运动，而上部的负离子向下运动，在围岩盐溶液中形成由下向上的电流。在导体内部，电子由下部移向上部，形成由上向下的电流。于是，在导体及其周围盐溶液中形成了“自然电场”。导体顶部上方电位最低，形成负电位中心，通常据此可发现良导体潜水面导体-++++++-----盐溶液（富氧）盐溶液（缺氧）正离子溶液电流负离子氧化区还原区2.岩石中地下水运移的电动效应岩石颗粒与周围溶液间存在双电层，双电层靠近岩石颗粒的一侧带负电，双电层靠近溶液的一侧带正电，整个系统呈电性平衡。当地下水在多孔隙岩石汇总流动时，将带走溶液中的部分正离子，并使之聚集在水流方向上。在水流的反方向上，则滞留负离子。于是，水的流动破坏了电性平衡，产生极化，并沿水流方向形成电位差。电动效应引起的自然电场，称为“过滤电场”。这种电场一般出现在起伏不平的地形上，水流的终点处显示正电位，水流的起点处显示负电位。因此，可以发现山顶电位比山脚低的现象导体盐溶液-+++++++++++++++++++-------------++++++++++++++++++++++--------------------------------溶液流动方向吸附面吸附面静止的溶液静止的溶液流动的溶液3.岩石中不同浓度溶液离子的扩散作用自然界中岩石所含水溶液的浓度不尽相同，当不同浓度的两种水溶液接触时，会产生离子扩散现象。浓度高的溶液中的离子向浓度低的溶液扩散。在扩散过程中，由于正负离子迁移率不同，浓度低的溶液获得与迁移率较大的离子极性相同的电位，而浓度高的电位则获得极性相反的电位，因而，在溶液中形成电位差。这种由扩散所引起的自然电场，称为“扩散电场”地下水中通常含有氯化钠（NaCl），且氯离子（Cl-）的迁移率比钠离子（Na+）大，因此浓度较低的水