第四章电法勘探

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY第四章电法勘探电法勘探是以岩(矿)石之间的电性差异为基础，通过观测和研究天然及人工电场或电磁场的分布特点和变化规律，来查明地下地质构造或寻找矿产资源的一类地球物理勘探方法。在电法勘探中利用的有岩矿石的导电性、电化学活动性、介电性及导磁性等。电法勘探不仅利用地下天然存在的电场或电磁场，还能通过人工方法在地下建立电场或电磁场。就场本身的性质，可将电法勘探分为两大类：传导类电法勘探和感应类电法勘探。根据观测的空间，可将电法勘探分为航空电法、地面电法和井中电法三类。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY寻找金属及非金属矿产，还可以进行地质填图，查明地下地质构造、寻找油气田、煤田和地下水等。此外，电法勘探还用于地壳及上地幔的研究之中。近年来，一些建立在电法勘探基本原理基础之上的新方法如管线探测、探地雷达等广泛用于城市工程勘查，它们在管线勘查、路基、高层建筑地基及大型水电站、水库坝基勘查方面发挥了重要作用。各种电法勘探方法是适应不同地质任务的需要而发展起来的。它们广泛地应用于各种地质工作中，不仅可以ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY电阻率法是传导类电法勘探方法之一。它建立在地壳中各种岩(矿)石之间具有导电性差异的基础上，通过观测和研究与这些差异有关的天然电场或人工电场的分布规律，达到查明地下地质构造或寻找矿产资源之目的。§4.1电阻率法一、理论基础1.电场与电位j=I/2πr2E=ρI/2πr2U=ρI/2πrECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGYECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY2.真电阻率和视电阻率当电场控制范围内仅有一种岩石并且它的导电性是均匀时候测得的电阻率就是岩石的真电阻率。在实际情况下，测量电场控制范围内各种岩石综合影响结果而得到的电阻率称为视电阻率。影响视电阻率的因素有：（1）电场作用范围内地电断面——根据地下地质体电阻率的差异而划分界线的断面——本身的电阻率分布，如断面中各地层或地质体的电阻率、形状、规模、厚度、埋深等；（2）电极装置的类型、电极距的大小、测点位置、电场有效作用范围等。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY3.电阻率法的物理实质地下电阻率为均匀的介质电阻率均匀介质中存在一个高阻体电阻率均匀介质中存在一个低阻体ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY二、电剖面法人工建立地下稳定直流或脉动电场，采用不变的供电极距，使整个或部分装置沿观测剖面移动，逐点测量视电阻率ρ的值。电剖面法所了解的是沿剖面方向地下某一深度范围内不同电性物质的分布情况。由于供电电极及测量电极排列方式不同，可分为联合剖面法、中间梯度法和对称四极法。1.联合剖面法装置形式ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY联合剖面曲线分析主要用于寻找产状陡倾的层状或脉状低阻体或断裂破碎带。在直立良导薄脉顶部上方，ρsA和ρsB曲线相交，且交点左侧ρsAρsB，右侧ρsAρsB，此交点为联合剖面曲线的“正交点”。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY直立高阻薄脉联合剖面试验曲线不同倾角良导薄脉联合剖面ρs曲线ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY不同极距ρs对比曲线同构造倾向的关系示意图ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY2.中间梯度法“一线布置，多线观测”电极装置曲线特征主要用于寻找产状陡倾的高阻薄脉，通过低阻薄脉时，异常不明显。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY我国东北某铅锌矿区使用中间梯度法所得的ρs剖面平面图。该区铅锌矿产在倾角接近70°的高阻石英脉中。图中两条连续的ρs高峰值带由含矿石英脉引起。右边1号矿脉是已知的，左边2号矿脉是根据中间梯度法的ρs曲线形态，与1号矿脉的ρs曲线对比而圈定的。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY三、电测深法1．概述电测深法是探测电性不同的岩层沿垂向分布情况的电阻率方法。该方法采用在同一测点上多次加大供电极距的方式，逐次测量视电阻率ρs的变化。电测深法适宜于划分水平的或倾角不大(20°)的岩层，在电性层数目较少的情况下，可进行定量解释。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY电测深工作原理图ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY2.电测深曲线类型ρ2相对ρ1为无限大，二层曲线尾部呈斜线上升，在对数坐标上，其渐近线与横轴成45°相交。二层断面ρ1ρ2为G型曲线ρ1ρ2为D型曲线ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY三层断面H型对应于ρ1ρ2ρ3的地电断面A型对应于ρ1ρ2ρ3的三层断面K型对应于ρ1ρ2ρ3的三层断面Q型对应于ρ1ρ2ρ3的三层断面ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY多层断面由四个电性层组成的地电断面，按相邻各层电阻率之间的组合关系，其测深曲线可以有八种类型。每种类型的电测深曲线用两个字母表示。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY四、高密度电阻率法它采用了多电极高密度一次布极并实现了跑极和数据采集的自动化，因此相对常规电阻率法来说，它具有许多优点：(1)由于电极的布设是一次完成的，测量过程中无须跑极，因此可防止因电极移动而引起的故障和干扰；(2)一条观测剖面上，通过电极变换和数据转换可获得多种装置的断面等值线图；(3)可进行资料的现场实时处理与成图解释；(4)成本低，效率高。20世纪80年代初由日本学者提出，经国内对方法、仪器的研制开发与生产，很快在水、工、环等领域中得到了推广。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY1.高密度电阻率法的观测系统三电位观测系统双边三极观测系统ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY2.仪器及实际应用仪器设备为实现跑极和数据采集自动化，除测量主机和电极外，还需要配有多道电极转换器、多心电缆和微处理机。应用实例ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY§4.2充电法和自然电场法一、充电法1.基本原理与电源正极的供电电极A同良导体露头接触，接触点称为充电点。与电源负极供电电极B布置在充电点远处，整个良导体就相当于一个大供电电极。导体内部及表面各点的电位都相等，等位线在导体边缘附近最密集。利用在地面上观测的等电位线形状和分布，可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，可判定充电导体的顶部和边界位置。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY不等位充电导体的模型实验曲线2.装置及工作方法（1）电位观测法将测量电极N置于距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的电位差值，这个差值即作为该点电位值V。（2）电位梯度观测法将测量电极M、N置于同一测线的两相邻测点上，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ΔＶＭＮ，便可算出M、N中点处的电位梯度值ΔＶＭＮ/MN。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGYECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY充电法的主要成果图件有：电位剖面图、电位剖面平面图、电位等值线平面图；电位梯度剖面图、电位梯度剖面平面图等。3.充电法资料的解释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。若梯度曲线不对称，则导体向两个极值中幅度较小且平缓的一方倾斜。对电位梯度剖面平面图，可由零值点的连线判定导体的走向，由各剖面的极值点位置圈定导体的大致位置。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY4.充电法的应用某硫化铜镍矿体上充电法等位线平面图及地质剖面电位梯度曲线及推断结果ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY二、自然电场法在自然条件下，无须向地下供电，地面任意两点间总能观测到一定大小的电位差，称为自然电场。常见自然电场有两类：一类是呈区域性分布的不稳定电场，称为大地电磁场，其分布特点与地壳表层构造有关。另一类是分布范围限于局部地区的稳定电场，它的存在往往与某些金属矿床或地下水运动有关。1.自然电场的成因(1)电子导体与围岩溶液间的电化学作用ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY(2)岩石中地下水运移的电动效应(3)岩石中不同浓度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。2.自然电场法的装备及工作方法不需要电源和供电电极，使用不极化电极减小两电极间的极差。测量电极N位于测区边缘为电位基点。电极M沿测线逐点观测相对于N的电位差值。观测数据可绘制自然电位剖面图，平面等值线图。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY3.自然电场法的应用及实例主要用于勘查埋藏不深的金属硫化物矿床和部分金属氧化物矿床，寻找石墨和无烟煤，确定断层位置，以及解决寻找含水破碎带，确定地下水流向等水文地质问题。青海某铜矿区自由、地质综合剖面图ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY该地区矿体产于凝灰岩和粗面岩中。走向北东，向下延深达100m以上，顶部氧化深度达50～60m。围岩的电阻率比黄铁矿大1000倍。自然电场法普查后发现了三个局部异常，最小的负极值为-360mV。B异常达-160mV，梯度变化西北侧较东南侧略陡。经ZK41孔资料证实，异常由向西北倾斜的矿体引起。C异常达-190mV，经ZK12孔资料证实，它是由近于平卧的扁豆状矿体引起。某地区自然电位异常等值线图ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY§4.3激发极化法以地下岩、矿石在人工电场作用下发生的物理和电化学效应(激发极化效应)的差异为基础的一种电法勘探方法。直流(时间域)激发极化法和交流(频率域)激发极化法两种。激发极化法优点：发现致密状金属矿体，寻找其它电法难以发现的浸染状矿体；根据异常的明显程度，区分异常是电子导体还是离子导体引起；受地形的影响较其它方法小。激发极化法存在问题：不易区分有工业意义的矿异常与无工业价值的黄铁矿化、磁铁矿化、以及炭质岩层、石墨化岩层等引起的非矿异常；交流激发极化法还不可避免地受到电磁耦合的干扰。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY一、理论基础电法工作是通过两个供电电极向地下供电的，如果保持供电电流不变，随着供电时间的延长，测量电极M、N之间的电位差逐渐增大，最后达到某一饱和值。当断开供电电流时，测量电极间的电位差随时间延续而逐渐衰减至零。在充、放电过程中产生的随时间变化的附加电场现象称为激发极化效应。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY二、岩、矿石激发极化的时间和频率特性一次电场E1激发极化场或二次场E2总场EE=E1+E2ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY三、激化体的激电异常良导高极化球体上的E2x，ηs，ρs曲线不同倾角铜板上中间梯度装置曲线ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY四、激发极化法的应用某铜矿床12号异常综合剖面图1-第四系浮土2-云母石英片岩3-硅化石墨大理岩4-变粒岩5-铜矿体6-ηs曲线7-ρs曲线ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY某铜矿床上的交流激电ρs曲线ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLO