地球物理勘探电法电磁法

地球物理勘探电法、电磁法它是以岩、矿石的电学性质（如导电性）差异为基础，通过观测和研究与这些电性差异有关的（天然或人工）电场或电磁场分布规律来查明地下地质构造及有用矿产的一种物探方法，称为“电法”。什么是电法勘探：电法勘探的特点：可用“三多”、“两广”来慨括三多：导电性（ρ或σ）电化学活动性（η）介电性（ε）导磁性（μ）①可利用的物性参数多②利用场源多人工场源天然场源直流电（稳定场）交电流（交变场）传导类电法勘探（直流电法）研究稳定电流场感应类电法勘探（交流电法）研究交变电流场电阻率法*充电法自然电场法激发极化法③方法种类多低频电磁法频率测深法甚低频法电磁波法大地电磁法两广应用空间广应用范围广航空地面海洋井中金属和非金属矿油气勘探地质填图水文与工程深部构造（地壳、地幔）第一节电阻率法什么是电阻率法：电阻率法是传导类电法勘探方法之一。建立在地壳中各种岩矿石具有各种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，从而达到查明地下构造或者寻找有用矿产的目的。一、电阻率法的理论基础（一）岩、矿石的电阻率1、电阻率基本公式IsllsRslR2、电阻率单位SI制中电阻R（Ω）长度（m）截面积（m2）电阻率ρ（Ω·m）3、导电机制（1）溶液：带电离子（2）金属导体：自由电子，如自然铜、金、银和石墨，电阻率低（3）半导体：“空穴”导电，大多数金属硫化物，金属氧化物体，电阻率较低（4）固体电解质：离子导电，绝大多数造岩矿物，如石英、云母、方解石、长石等，电阻率高4、主要岩矿石电阻率及其变化范围●ρρρ沉变火●沉积岩：10~102Ω·m●火成岩：102~106Ω·m●变质岩：介于两者之间。5、影响电阻率的主要因素（1）矿物成分、含量及结构金属矿物含量↑，电阻率↓结构：侵染状细脉状（2）岩矿石的孔隙度、湿度孔隙度↑，含水量↑，电阻率↓风化带、破碎带，含水量↑，电阻率↓（3）水溶液矿化度矿化度↑，电阻率↓（4）温度温度T↑，溶解度↑，离子活性↑，电阻率↓结冰时，电阻率↑（5）压力压力↑，孔隙度↓，电阻率↑超过压力极限，岩石破碎，电阻率↓（6）构造层的影响这种层状构造岩石的电阻率，则具有非各向同性，即沿层理方向的电阻率小于垂直沿层理方向的电阻率ρρ12ρnρt（二）均匀各向同性半空间点电源的电场设大地是水平的，与不导电的空气接触，介质充满整个地下半空间，且电阻率在介质中处处相等，称这样的介质模型为均匀各向同性半空间。即：地面ρ空气ρ0在物理学中，恒定电场是用三个相互有联系的物理量V（电位）、E（电场强度）和j（电流密度）来描述的，其间的关系为：dv=-Edr,E=j·ρ地面ρ空气ρ0AB为了建立地下电场，总是用两个电极（例如A、B）向地下供电。这两个接地的电极（A、B）称为“供电电极”。当供电电极的大小比它们与关测点的距离小得多时，可把两个供电电极看成两个“点”，故又将它们称为“点电源”P1、一个点电源的电场地面ρ空气ρAB→∞Mr设在地面A点向地下供电，电流强度为I，地下半空间的电阻率为ρ。地下距A为的点M处的电流密度为：)(22MArrrrIjM指向由电场强度为：rrrIjEM22drrIdV22-电位为：CrIV2对上式两边积分得：当r→∞，V=0，则C=0代入上式得rIV22、两个异性点电源的电场在任意点M处的，可按场的叠加原理知：)11(2)11(2)11(22222BMMBBMAMMAAMIEBMMBBMAMMAAMIjjjBMAMIVVVMBMAMMBMAMM-地下电流场在供电电极附近分布极不均匀，其值趋于无限大；而在两极中央地段，场的分布较均匀，变化较平缓。在AB的中点，V=0，中点左边V为正，右边为负；AB的中点上，E出现极小值。（三）地下电流沿深度的分布规律A(I)B(-I)MhoLLAMjhjBMj=+hjAMjBMjBM22Ahj)hL(2Ij=+=2/322)(cos2hLLIjjAhhjh的方向平行于地表上式表明，AB中垂线上任意一点M处j的大小，除与I有关外，还与M点的深度（h）及电极距大小有关当h→∞，0hj→当h→0，20L1Ij•=而在即当（或者）时，h深度的电流密度最大，该供电电极距称为“最佳电极距”。例如：要使100m深处的电流密度最大，则AB应大于或等于140m。0)(22/52222LhLhILjh2/hLhAB2（四）电阻率公式及视电阻率1、（均匀大地）电阻率公式地面ρ空气ρABMNM、N处的电位为：)1-1(2)1-1(2BNANIUBMAMIUNM式中AM、BM、AN、BN分别A、B与M、N间的距离。上两式相减可得M、N两点间的电位差：则IUBN1BM1AN1AM12MN•+=--)BN1AN1BM1AM1(2IUUUNMMN+==---令则均匀大地电阻率公式IUkMN式中的k—称为装置系数（或布极常数），单位为“米”。由于地下为均匀各向同性介质，故ρ与k、I的值无关。上面所讨论的情况是在地形水平、地下仅有单一的均匀各向同性介质。然而实际中，地下岩石的导电性往往是不均匀的、且地形亦不是水平的，因此有必要进一步讨论非均匀条件下地中电流场分布的情况。BNBMANAMk11-1-122、非均匀介质中的地下电流场及视电阻率“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。（1）非均匀介质中的地下电流场由图可见：高阻体具有向周围排斥电流的作用。低阻体具有向其内部吸引电流的作用。（2）视电阻率当地表不水平或者地下电阻率分布不均匀时（存在两种或者两种以上介质），仍然采用前述均匀介质中的供电方式及测量方式，仍由前述的公式计算“电阻率值”，不过，这时计算出的“电阻率值”，既不是ρ1，也不是ρ2和ρ3，而是与三者都有关的一个量，称为“视电阻率”，用符号ρs表示，即IUkMNs※视电阻率——在电场有效作用范围内各种地质体电阻率的综合影响值。ρ2ρ3ρ1（3）影响视电阻率的因素电极装置—供电电极（A、B）及测量电极（M、N）的排列形式和移动方式①电极装置类型及电极距的大小②测点相对于地质体的位置；③电场有效作用范围内各种地质体的真电阻率；④各地质体的分布状态（即形状、大小、埋深及相对位置）3、视电阻率的定性分析公式视电阻率与电流密度的关系式，即MNMNsjj0式中测量电极M、N间任意点的电流密度和介质的真电阻率。j—为均匀各向同性介质中M、N间的电流密度。MNMNj,0上式表明，ρs与M、N间的介质的电阻率ρMN和电流密度jMN成正比。12345670MNsMNjjρ剖面曲线的变化能清楚地反映出地下导电性不均匀体的位置及电阻率的相对高低。ρs第一节电阻率法二、电阻率法的仪器和装备由视电阻率的计算公式可知，其仪器功能就是测量出供电电流I及测量电极M、N间的电位差ΔUMN即可。除仪器外，其它装备还有：供电电极—铁棒或铜棒测量电极—铜棒、导线及供电电源。IUkMNs电阻率法的仪器种类很多，右图是DZD—4多功能直流电法仪，它具有如下功能:（1）高密度电阻率法测量;（2）视电阻率法和激发极化法同时测量;（3）实时大屏幕液晶汉字显示实测曲线;（4）信号增强技术，不仅适用于野外勘查，也适用于城市勘查。•电阻率法的常用电极装置类型•在电法勘查中，为了解决不同的地质问题，常采用不同的装置。•目前，我国常用的电阻率装置类型有电剖面法、•电阻率剖面法简称为电剖面法。它包括许多分支装置：二极装置、三极装置、联合剖面装置对称四极装置和偶极装置等。第一节电阻率法三、电剖面法装置特点：各电极间距离保持不变，使整个或部分装置沿着测线移动，逐点测量视电阻率的值。所得到的ρs曲线是反映测线下某一深度范围内不同电性物质沿水平方向的分布情况。电阻率法联合剖面法中间梯度法对称剖面法分类：偶极剖面法（一）联合剖面法1、装置特点及ρs公式ABC→∞MNO(I)(-I)AO=BOMO=NOOC5AO在测量时，C极固定不动，A、M、N、B间保持距离不变，四个极沿测线同时移动，逐点进行测量，测点为M、N的中点O。每个点测量两次，得两个ρs值)MNB(IUk)AMN(IUkBBMNBBsAAMNAAs==∞∞MNANAM2kkBA•==由于C极为无穷远极，它在M、N处产生的电位很小，故可忽略不计，因此，联合剖面法的电场可视为一个“点电源”的电场。2、联合剖面法ρs曲线特征分析讨论直立低阻薄脉上联合剖面法ρs曲线特征：MN0MNsjj=由图可见：①在直立良导薄脉顶部上方，与相交，且（围岩）；②交点左侧,交点右侧，此交点称为联合剖面法的“正交点”（或低阻交点）；③与曲线对称，交点两侧，两条曲线明显张开。AsBsAs1交点sBsAsBsAsBsAs当薄脉为直立高阻脉时：联合剖面法曲线右图。两条曲线也有一交点，但交点左侧,交点右侧，此交点称为联合剖面法的“反交点”；且反交点不明显，而且两条曲线近于重合。SBsBsAs当薄脉倾斜时：曲线不对称，交点两侧两条曲线所围的面积不相等。薄脉向两条曲线所围面积较大的一侧倾斜。S在实际工作中，常采用不同极距的联合剖面曲线交点的位移来判断脉状体的倾向。4、应用联合剖面法主要用于探测产状陡倾的良导薄脉（矿脉、断层、含水破碎带）及良导球状矿体。（二）中间梯度法1、装置特点及ρs公式：(1/2~1/3)AB(1/6)ABABMN采用四极AMNB装置，A、B供电，M、N两电极测量，供电电极距AB很大，MN=(1/50~1/30)AB工作时，A、B固定不动，M、N在AB中部(1/2~1/3)AB范围内同时移动，逐点进行测量，测点为MN的中点。IUkMNsBNBMANAMk11-1-12k不是恒定的，而是逐点变化的。由图可见：中间梯度法主要用来寻找陡倾的高阻薄脉（如石英脉、伟晶岩脉等）原因：在均匀场中，高阻体的屏蔽作用比较明显，排斥电流使其汇聚于地表附近，使jMN急剧增加，致使ρs曲线上升，形成突出的高峰。而低阻薄脉易于让电流垂直通过，只使jMN发生很小的变化，故ρs异常不明显。特点分析：（1）利用均匀场（2）工作效率高（一线供电，多线测量）（三）对称剖面法1、装置形式及公式SOABA'B'MNA、B、M、N四个电极排列在一条直线上，并且相对于MN的中点O对称分布，AO=BO，NO=MO，AMNB又称为“对称四极剖面法”。IUkMNsMNANAMk为了便于分析对称剖面法的ρs曲线，首先将对称四极剖面法与中间梯度法和联合剖面法作一比较。从“场的特点”看：ABMNOABA'B'MN还可以对称于“O”点再增加两个供电电极A′和B′，且ABA′B′该装置称为“复合对称四极剖面法”。利用该装置可以了解同一剖面上两种深度范围内导电性有差异的地质体的分布情况。根据场的叠加原理，易证明对称剖面法的为联合剖面法两个视电阻率（和）值的平均值，即：)(21BsAsABs+=AsBsABs对称剖面法与中间梯度法都属于两个异性点电源的场，测量电极都为于剖面的中部，属均匀场，ρs异常曲线的特点与中间梯度法类似。但ρs曲线比中间梯度的曲线复杂、生产效率低些。S※因此，一般能用中间梯度法解决的问题，就不用对称四极剖面法。由图可见：显然低阻薄脉上的对称剖面法异常不如联合剖面法的异常反映明显。因此，一般不用对称四极剖面法寻找低阻的薄脉状地质体。S在探测基岩起伏以及地下只有一个电性界面的背斜或向斜构造时，往往在不同的地质情况下得到类似的对称四极剖面法ρs曲线。ρ1ρ1ρ2ρ2ρ1ρ2ρ1ρ2ρsρsρsABρsABρsA’B’ρsA’B’高阻向斜（基岩凹陷）低阻背斜（基岩隆起）对称剖面法的ρs曲线（1）判断基岩相对覆盖层是高阻还是低阻（2）根据大极距曲线形态勾画基岩起伏利用复合对称四极剖面法有助于解决基底的起伏问题。′′