电法勘探基本原理、常用方法及发展简介资料

电法勘探基本原理、常用方法及发展简介周韬2011年7月电法勘探•根据地壳中各类岩石或矿体的电磁学性质（如导电性、导磁性、介电性）和电化学特性的差异，通过对人工或天然电场、电磁场或电化学场的空间分布规律和时间特性的观测和研究，寻找不同类型有用矿床和查明地质构造及解决地质问题的地球物理勘探方法。地壳是由不同的岩石、矿体和各种地质构造所组成，它们具有不同的导电性、导磁性、介电性和电化学性质。根据这些性质及其空间分布规律和时间特性，人们可以推断矿体或地质构造的赋存状态（形状、大小、位置、产状和埋藏深度）和物性参数等，从而达到勘探的目的。电法勘探具有利用物性参数多，场源、装置形式多，观测内容或测量要素多及应用范围广等特点。电法勘探利用岩石、矿石的物理参数，主要有电阻率（ρ）、导磁率（μ）、极化特性（人工体极化率η和面极化系数λ、自然极化的电位跃变Δε）和介电常数（ε）。1、岩土介质的电阻率).)(/()/(/mLsIULsR电阻率(ρ)单位是欧姆·米，记作Ω·m。用电导率σ表示时，其单位为西门子每米，记作s／m。电导率和电阻率互为倒数，成反比性。在电法勘探中，用来表征岩、矿石导电性好坏的参数为电阻率(ρ)或电导率(σ=1/ρ)。从物理学中已知，当电流垂直流过单位长度、单位截面积的体积时，该体积中物质所呈现的电阻值即为该物质的电阻率。计算公式如下：注电阻率法的基础知识a、矿物的电阻率金属导体半导体固体电解质各种天然金属均属于金属导体较重要的天然金属有自然金和自然铜，其电阻率值均很低大多数金属矿物均属于半导体固体矿物按导电机理分为：绝大多数造岩矿物（如辉石、氏石、石英、云母、方解石）矿物名称电阻率值矿物名称电阻率值斑铜矿赤铁矿磁铁矿锡石磁黄铁矿辉锑矿黄铜矿软锰矿黄铁矿菱铁矿方铅矿鉻铁矿辉铜矿闪锌矿辉铅矿钛铁矿).(m5610~102610~102510~100310~100310~100810~100810~106310~102010~108010~103010~106010~105310~105310~100810~100310~10).(m常见半导体矿物的电阻率值b、岩、矿石的电阻率矿物电阻率值是在一定范围内变化的，同种矿物可有不同的电阻率值，不同矿物也可有相同的电阻率值。因此，由矿物组成的岩石和矿石的电阻率也必然有较大的变化范围。岩矿石电阻率而言，也有类似的情况。其电阻率值除与组成矿石的矿物成分、含量有关外，更主要地乃由矿物颗粒的结构构造所决定。几种岩石电阻率的分布范围曲线火成岩变质岩粘土软页岩硬页岩砂砂岩多孔石灰岩致密石灰岩110102103104105106)(mc、影响岩、矿石电阻率的因素导电矿物含量岩、矿石的结构、构造、孔隙度岩矿石的含水量及含水矿化度温度、压力视电阻率的概念及分析方法地面水平，地下为均匀、无限、各向同性介质。实际工作中常常不能满足这些条件，地形往往起伏不平，地下介质也不均匀，各种岩石相互重叠，断层裂隙纵横交错，或者有矿体充填其中。MNUKIA(+I)B(-I)XS1123(a)(b)地电断面？？电阻率不均匀时地下电流分布示意图视电阻率的概念及分析方法在自然界中，地下地质情况是复杂的，各种不同岩(矿)石分布是不均匀的。在电法勘探中，常把按电阻率划分的地质断面称为地电断面。MNVMNUKIMNU电法勘探的方法按场源性质可分为人工场法（主动源法）、天然场法（被动源法）；按观测空间可分为航空电法、地面电法、地下电法；按电磁场的时间特性可分为直流电法（时间域电法）、交流电法（频率域电法）、过渡过程法（脉冲瞬变场法）；按产生异常电磁场的原因可分为传导类电法、感应类电法；按观测内容可分为纯异常场法、总合场法等。中国常用的电法勘探方法有电阻率法、充电法、激发极化法、自然电场法、大地电磁测深法和电磁感应法等。电法勘探分类电测深电剖面电阻率法充电法人工场自然电场法天然场直流电法电测深电剖面剖面图(多测道/复合剖面)断面图电法勘探分类甚低频法变频电磁测深法无线电波透视法人工场大地电磁场法天然场交流电法交变场高密度电法高密度电法实际上是集中了电剖面法和电测深法，其原理与普通电阻率法相同，所不同的是在观测中设置了高密度的观测点，是一种阵列勘探方法。关于阵列电法勘探的思想源于20世纪70年代末期，英国人设计的电测深偏置系统就是高密度电法的最初模式，20世纪80年代中期日本借助电极转换板实现了野外高密度电法的数据采集。我国是从20世纪末期开始研究高密度电法及其应用技术，从理论方法和实际应用的角度进行了探讨并完善，现有中国地质大学、原长春地质学院、重庆的有关仪器厂家研制成了几种类型的仪器。高密度电法野外测量时将全部电极（几十至上百根）置于剖面上，利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现剖面中不同电极距、不同电极排列方式的数据快速自动采集。与常规电阻率法相比，高密度电法具有以下优点：１、电极布置一次性完成，不仅减少了因电极设置引起的故障和干扰，并且提高了效率；２、能够选用多种电极排列方式进行测量，可以获得丰富的有关地电断面的信息；３、野外数据采集实现了自动化或半自动化，提高了数据采集速度，避免了手工误操作。此外，随着地球物理反演方法的发展，高密度电法资料的电阻率成像技术也从一维和二维发展到三维，极大地提高了地电资料的解释精度。高密度电阻率法的基本原理和工作方法1.主机2.转换开关3.电池4.电极5.电缆线工作装置示意图nananananananananananaB极接无穷远nanaA极接无穷远naB、N极接无穷远naB极接无穷远aanaN极接无穷远anaa温纳装置AMNB偶极装置ABMN微分装置AMBN联剖正装置AMN联剖反装置MNB二极装置AM三极装置AMN三极装置ABM偶极装置ABMN固定断面扫面测量装置变断面扫描测量装置固定断面扫描测量数据点分布示意图电极N=1N=2N=3N=4N=16aAMNB滚动断面扫描测量数据点分布示意图N=1N=2N=3N=4N=5N=6N=7N=8N=9N=10N=11N=12滚动线号电极AMaA：供电电极M：测量电极a：点距N：剖面号高密度电法应用领域高密度电法应用领域比较广，尤其在水文和工程地质勘查方面，主要有：水库大坝的坝体稳定性评价、坝基渗漏勘查、堤坝裂缝检测上；高速公路高架桥、高层建筑选址、机场跑道的地基勘探中；探测防空洞、涵洞、溶洞、地下局部不明障碍物等物理性质有别于周围介质的地下有形体；机场扩建工程中的岩土工程勘察问题，查明古河道、墓穴和洞穴的分布及埋深，利用土层的剪切波速划分场地类别；寻找地下水、管线探测、查明采空区、调查岩溶及地质灾害等。(c)非均匀初始模型的反演结果595615635655675695715735755775795815835855桩号(m)-80-70-60-50-40-30-20-100Depth(m)(a)实测视电阻率断面595615635655675695715735755775795815835855桩号(m)-95-85-75-65-55-45-35-25-15-AB/2(m)（4）实例一：岩溶勘查在730号点经钻孔验证：0－9.8m为粘土；9.8－15.2m为白云质灰岩；15.2－18.6m为含砾粘土，18.6－72.8m为白云质灰岩，其中67.3－73.6m为溶洞。5152535455565758595105115-45-40-35-30-25-20-15-10-50Depth(m)111011201130114011501160117011801190120012101220-45-40-35-30-25-20-15-10-5-AB/2(m)(a)原始视电阻率数据等值线图(b)反演电阻率数据等值线图（7）实例二：温纳装置（路基勘查）激发极化法在电法勘探中，当电极排列向大地供入或切断电流的瞬间，在测量电极之间总能观测到随时间缓慢变化的附加电场，称为激发极化效应。激发极化法（或激电法）就是以岩、矿石激发极化效应的差异为基础来解决地质问题的一类勘探方法。激电法是20世纪50年代末在我国开始研究和推广的，早期是以直流（时间域）激电法为主，20世纪70年代初开始研究交流（频率域）激电法——主要是变频法，20世纪80年代初又开始对频谱激电法进行研究，也就是研究复视电阻率随频率的变化——即复视电阻率的频谱。由于该方法测量的是二次场，具有不受地形起伏和围岩电性不均匀的影响、可测量的参数多等优点。在实际地质应用方面，初期的激电法主要用于勘查硫化金属矿床，后来发展到诸多领域，如氧化矿床、非金属矿床、工程地质问题等。近年来，激电法找水效果十分显著，被誉为“找水新法”。利用激电法找水或确定地层的含水性，最好与高密度电阻率法相结合，这样可以降低地球物理解释的多解性，提高找水的成功率。高密度电阻率法在确定高阻或低阻地质体具有优越性，但低阻地质体并不代表富含地下水，可能是由于泥岩引起地层的电阻率下降。这时，可以通过使用激电法来区分含水地层和泥岩，因为激电二次场与岩石的孔隙有关，在纯粹泥岩中极化率比较小，在含水砂砾岩中极化率比较大，此外二次场的衰减速度也与孔隙的大小、形状和宽窄有关，这就是激电法找水的机理所在。1、激发极化效应的成因电子导体1、激发极化效应的成因离子导体3、激发极化法在地质勘查中的应用（1）找地下水020406080100120140160180200220240260点号(m)(c)实测电阻率反演断面-300-280-260-240-220-200-180-160-140-120-100-80-60-40-200Depth(m)020406080100120140160180200220240260点号(m)(d)实测极化率反演断面-300-280-260-240-220-200-180-160-140-120-100-80-60-40-200Depth(m)（2）找金属矿体可控源音频大地电磁法（CSAMT）可控源音频大地电磁法是在大地电磁法（MT）和音频大地电磁法（AMT）基础上发展起来的一种可控源频率测深方法。CSAMT是1975年由MyronGoldstein提出，它基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组建立了视电阻率和电场与磁场比值之间的关系，并且根据电磁波的趋肤效应理论得出电磁波的传播深度（或探测深度）与频率之间的关系，这样可以通过改变发射频率来改变探测深度，达到频率测深的目的。CSAMT采用可控制人工场源，测量由电偶极源传送到地下的电磁场分量，两个电极电源的距离为1～2km，测量是在距离场源5～10km以外的范围进行，此时场源可以近似为一个平面波。由于该方法的探测深度较大（通常可达2km），并且兼有剖面和测深双重性质，因此具有诸多优点：1、使用可控制的人工场源，测量参数为电场与磁场之比——卡尼亚电阻率，增强了抗干扰能力，并减少地形的影响。2、利用改变频率而非改变几何尺寸进行不同深度的电测深，提高了工作效率，一次发射可同时完成7个点的电磁测深。3、探测深度范围大，一般可达1～2km.4、横向分辨率高，可以灵敏地发现断层。第五，高阻屏蔽作用小，可以穿透高阻层。CSAMT法一出现就展示了比较好的应用前景，尤其是作为普通电阻率法和激发极化法的补充，可以解决深层的地质问题，如在寻找隐伏金属矿、油气构造勘查、推覆体或火山岩下找煤、地热勘查和水文工程地质勘查等方面，均取得了良好的地质效果。瞬变电磁法（TEM）瞬变电磁法是利用不接地或接地线源向地下发送一次场，在一次场的间歇期间，测量由地质体产生的感应电磁场随时间的变化。根据二次场的衰减曲线特征，就可以判断地下不同深度地质体的电性特征及规模大小等。由于该方法是观测纯二次场，消除了由一次场所产生的装置偶合噪音，具有体积效应小、横向分辨率高、探测深度深、对低阻反映灵敏、与探测地质体有最佳偶合、受旁侧地质体影响小等优点。瞬变电磁场的烟圈效应瞬变电磁法感应电磁场转换原