1-1電與電磁法原理第一章01

1、電電(磁磁)法勘探原理法勘探原理 李振宇李振宇 張勝業(yè)張勝業(yè)2010年年9月月 教材及主要參考書：教材及主要參考書： 教材：張勝業(yè)、潘玉玲主編應用地球物理學教材：張勝業(yè)、潘玉玲主編應用地球物理學 原理，原理，2004年地大出版社出版年地大出版社出版 參考書：參考書： 傅良魁主編，應用地球物理教程傅良魁主編，應用地球物理教程電法，放電法，放 射性，地熱，地質出版社，射性，地熱，地質出版社，1991.41991.4 李金銘李金銘 地電場與電法勘探地電場與電法勘探 地質出版社地質出版社 2005.72005.7 傅良魁主編，傅良魁主編， 電法勘探教程電法勘探教程 地質出版社

2、，地質出版社， 1983.51983.5 成績 平時：30% 考試：70% 第一章第一章 緒言（緒言（IntroductionIntroduction） 1.11.1地球物理學（地球物理學（Geophysics） 1.21.2應用地球物理學應用地球物理學(Applied Geophysics) 1.31.3電法勘探定義電法勘探定義 1.41.4電法勘探研究對象和基礎電法勘探研究對象和基礎 1.51.5電法勘探分類與內容電法勘探分類與內容 1.61.6電法勘探歷史簡介電法勘探歷史簡介 1.11.1地球物理學地球物理學 什么是地球物理學？什么是地球物理學？ 地球物理學定義地球物理學定義 地球物理學

3、是以地球為研究對象的一門應用物理學地球物理學是以地球為研究對象的一門應用物理學 Geophysics, a major discipline of the Earth sciences, is the study of the Earth by the quantitative observation of its physical properties, especially by seismic, electromagnetic, radioactivity, galvanic (electrical) and potential field (such as gravity and ma

4、gnetism) methods. Geophysics can therefore be seen as the intersection of geology and physics. 可知：可知： 地球物理學的地球物理學的研究對象研究對象地球地球。 地球物理學的地球物理學的理論基礎理論基礎物理學物理學。 地球物理學可分為兩個大的方面：地球物理學可分為兩個大的方面： 研究大尺度和一般原理的，叫研究大尺度和一般原理的，叫理論地球物理學（或普理論地球物理學（或普 通地球物理學）；通地球物理學）； 勘察石油、金屬、非金屬礦或解決其它工程和地質問勘察石油、金屬、非金屬礦或解決其它工程和地質問 題

5、的 ， 叫題 的 ， 叫 應 用 地 球 物 理 學 或 勘 探 地 球 物 理 學應 用 地 球 物 理 學 或 勘 探 地 球 物 理 學 （Exploration Geophysics） The development of geophysics has been motivated by many theoretical and practical issues. The term of geophysics was probably first used in Germany, where it appeared in scientific writings of the mid-1

6、9th century. The word geophysics was first used by Frbel as geophysik in 1834. 1.21.2應用地球物理學應用地球物理學 Applied or Exploration Geophysics 物質基礎物質基礎：應用地球物理是以巖、礦石應用地球物理是以巖、礦石( (或地層或地層) ) 與其圍巖的與其圍巖的物理性質差異物理性質差異為為物質基礎物質基礎 理論基礎：物理學理論基礎：物理學 數學數學 利用物理學的利用物理學的電學、磁學、熱學、運動學電學、磁學、熱學、運動學 和動力學和動力學等方面的原理和方法等方面的原理和方法 研

7、究對象與手段：研究對象與手段：用專用的儀器設備觀測和研究用專用的儀器設備觀測和研究 天然存在或人工形成的天然存在或人工形成的地球物理場地球物理場的變化規(guī)律。的變化規(guī)律。 目的：目的：達到查明地質構造、尋找礦產資源達到查明地質構造、尋找礦產資源 和解決工程地質、水文地質以及環(huán)境監(jiān)測和解決工程地質、水文地質以及環(huán)境監(jiān)測 等問題的目的。等問題的目的。 應用非常廣泛并且在不斷擴大其應用領域應用非常廣泛并且在不斷擴大其應用領域 是一門正在迅速發(fā)展的學科是一門正在迅速發(fā)展的學科 主要應用地球物理方法有哪些？主要應用地球物理方法有哪些？ 能做些什么？能做些什么？ 常用的應用地球物理方法（常用的應用地球物理方

8、法（ Applied Geophysics ） 重力（重力（Gravity Method） 磁法（磁法（Magnetic Method ） 電法（電磁法）（電法（電磁法）（Electric and Electromagnetic Methods ） 地震（地震（Seismic methods ） 測井、地熱、放射性等測井、地熱、放射性等 1.31.3電法勘探定義電法勘探定義 電法勘探是根據地殼中不同巖層之間，巖石電法勘探是根據地殼中不同巖層之間，巖石 和礦石之間存在的電和礦石之間存在的電磁磁性質性質差異差異，通過，通過觀測觀測 天然存在的或由人工建立的地球電場、電磁天然存在的或由人工建立的地球

9、電場、電磁 場分布，來研究地質構造、尋找礦產資源，場分布，來研究地質構造、尋找礦產資源， 解決解決工程、環(huán)境、災害等地質工程、環(huán)境、災害等地質問題問題的的一類一類地地 球物理勘探方法。球物理勘探方法。 1.41.4電法勘探研究對象和基礎電法勘探研究對象和基礎 研究對象研究對象 地球地球 理論基礎理論基礎 數學、電磁學、電磁場理論數學、電磁學、電磁場理論 物質基礎物質基礎 物理性質（導電性、導磁性、介物理性質（導電性、導磁性、介 電性、激發(fā)極化性、自然極化性、壓電性和電性、激發(fā)極化性、自然極化性、壓電性和 震電性等）差異震電性等）差異 1.51.5電法勘探分類與內容電法勘探分類與內容 電法方法電

10、法方法種類很多種類很多，分類方法不盡相同，分類方法不盡相同 傳導類和感應類、傳導類和感應類、E and EM 電阻率法、激發(fā)極化法、自然電場法、電阻率法、激發(fā)極化法、自然電場法、 充電法、電磁感應法等充電法、電磁感應法等 主動源電法和被動源電法主動源電法和被動源電法 1.61.6電法勘探歷史簡介電法勘探歷史簡介 電法勘探的歷史并不長，真正利用地電場進行電法勘探的歷史并不長，真正利用地電場進行 電法勘探的時間大致始于電法勘探的時間大致始于1919世紀末期和世紀末期和2020世紀世紀 初初 天然場源天然場源： 18331833年英國學者年英國學者R.W.Fox R.W.Fox 首先利用自然電場法首

11、先利用自然電場法 發(fā)現了一個硫化礦床；發(fā)現了一個硫化礦床； 2020世紀初大地電流法用于礦產資源勘探；世紀初大地電流法用于礦產資源勘探； 2020世紀世紀5050年代前蘇聯學者吉洪諾夫和法國學者年代前蘇聯學者吉洪諾夫和法國學者 卡尼亞（卡尼亞（L.CaniandL.Caniand）建立了探測地球內部結）建立了探測地球內部結 構的大地電磁測深法（構的大地電磁測深法（MTMT） 人工場源法：人工場源法： 1919世紀末提出電阻率法到世紀末提出電阻率法到2020世紀初已趨成熟；世紀初已趨成熟； 19201920年法國學者年法國學者C.Schlumberger C.Schlumberger 發(fā)現激電效

12、應發(fā)現激電效應 ，后經過各國學者的深入研究于，后經過各國學者的深入研究于2020世紀世紀5050年代年代 形成了激發(fā)極化法形成了激發(fā)極化法(IP)(IP)，其中加拿大學者塞吉，其中加拿大學者塞吉 爾（爾（H.O.SegelH.O.Segel）、皮爾頓（）、皮爾頓（W.H.PeltonW.H.Pelton）、前）、前 蘇聯學者科馬洛夫和美國學者宗吉（蘇聯學者科馬洛夫和美國學者宗吉（K.L.ZongeK.L.Zonge ）等。做出了重要貢獻；）等。做出了重要貢獻； 電磁剖面法始于電磁剖面法始于19171917年，年，19231923年首次獲得找礦年首次獲得找礦 效果；效果； 2020世紀世紀808

13、0年代以來，隨著經濟建設的迅猛發(fā)展和科年代以來，隨著經濟建設的迅猛發(fā)展和科 學技術的不斷進步，人工場源頻率電磁測深學技術的不斷進步，人工場源頻率電磁測深(CSEM)(CSEM) 和瞬變電磁測深法和瞬變電磁測深法(TEM)(TEM)在前蘇聯學者考夫曼（在前蘇聯學者考夫曼（ A.A.KofmanA.A.Kofman）和美國學者凱樂（）和美國學者凱樂（G.V.KellerG.V.Keller）共同）共同 創(chuàng)立的理論基礎上發(fā)展較快，與此同時由加拿大學創(chuàng)立的理論基礎上發(fā)展較快，與此同時由加拿大學 者者D.W.StrengwayD.W.Strengway和和M.A.Goldstein M.A.Goldst

14、ein 提出的可控源音提出的可控源音 頻大地電磁測深頻大地電磁測深(CSAMT)(CSAMT)以及德國最早提出的探地雷以及德國最早提出的探地雷 達達(GPR)(GPR)和由日本率先提出的高密度電法和由日本率先提出的高密度電法(?)(?)等方法等方法 在資源、工程、環(huán)境等方面都得到迅速發(fā)展和應用在資源、工程、環(huán)境等方面都得到迅速發(fā)展和應用 。 此外，由前蘇聯學者與此外，由前蘇聯學者與2020世紀世紀70-8070-80年代研究提出的年代研究提出的 壓電法和震電法，近年來已獲得一定進展，有望能壓電法和震電法，近年來已獲得一定進展，有望能 用于礦產資源勘察和地質災害預報中。用于礦產資源勘察和地質災害

15、預報中。 1830年年，在在Cornwall康沃爾康沃爾(英格蘭郡名英格蘭郡名,加拿加拿 大城市名大城市名)地區(qū)，地區(qū)，Rober （羅伯特）（羅伯特） W Fox發(fā)發(fā) 現自然電位與含銅礦脈有關，從而開創(chuàng)了電法現自然電位與含銅礦脈有關，從而開創(chuàng)了電法 勘探找礦的先河?？碧秸业V的先河。 到到1835年，年，RoberW Fox發(fā)現在銅礦上有由于發(fā)現在銅礦上有由于 化學反應產生的電流。這實際是自然電位。根化學反應產生的電流。這實際是自然電位。根 據據Kelly的描述，的描述，“是他第一個用電法勘探方法是他第一個用電法勘探方法 發(fā)現硫化礦體的發(fā)現硫化礦體的”。 其后其后1882年，年，Carl(卡爾

16、卡爾) Barus在在Nevada(內內 華達州）的華達州）的Comstock Lode開展了一系列的實開展了一系列的實 驗，發(fā)現自然電位法可以用于隱伏硫化礦體的驗，發(fā)現自然電位法可以用于隱伏硫化礦體的 勘探工作。勘探工作。Barus的最大貢獻是他在電法勘探的最大貢獻是他在電法勘探 工作中首先使用工作中首先使用不極化不極化電極進行電位測量。電極進行電位測量。 FredII Brown（佛瑞德布朗）在（佛瑞德布朗）在1883到到1891年年 間、間、Alfred Williams和和Leo Daft在在1897年，都年，都 設法測量了不同礦體的電阻率差異，他們的測設法測量了不同礦體的電阻率差異，

17、他們的測 量方法還申請了專利。量方法還申請了專利。 1900年年，N S Osborne(奧斯本奧斯本)在同一個地區(qū)在同一個地區(qū) 進行了等位線測量工作。但第一個采用主動源進行了等位線測量工作。但第一個采用主動源 工作（通過可控源激發(fā)大地，然后測量人工電工作（通過可控源激發(fā)大地，然后測量人工電 場）的電法勘探方法是由場）的電法勘探方法是由Schlumberger于于 1912年完成。但他那時實際開展的是直流等位年完成。但他那時實際開展的是直流等位 線技術。線技術。 1912年年，Schlumberger首先將電法勘探用首先將電法勘探用 于商業(yè)性勘探中。于商業(yè)性勘探中。1913年年他又繪制了第一張

18、他又繪制了第一張 金屬礦勘探的自然電位平面等值線圖，并于金屬礦勘探的自然電位平面等值線圖，并于 1918年發(fā)表。該圖描繪出法國年發(fā)表。該圖描繪出法國Sain-Bel礦區(qū)礦區(qū) 的硫黃鐵礦的形態(tài)。的硫黃鐵礦的形態(tài)。 1914年，美國地質調查局的年，美國地質調查局的Roger C Wells( 羅杰羅杰)首先解釋了自然電位現象產生的化學機首先解釋了自然電位現象產生的化學機 理。但至到理。但至到1924年年，kelly才將自然電位方法才將自然電位方法 引入加拿大和美國。引入加拿大和美國。 視電阻率的概念是由美國標準化局的視電阻率的概念是由美國標準化局的Wenner 和和Schlumberger于于19

19、15年左右同時提出的年左右同時提出的 。 1917年年，Harry W Conklin在世界上擁有電磁在世界上擁有電磁 法勘探的第一個專利，從而揭開了電磁法勘探法勘探的第一個專利，從而揭開了電磁法勘探 的漫漫發(fā)展歷程。的漫漫發(fā)展歷程。 這些開端，揭開了電阻率法、激發(fā)極化法、大這些開端，揭開了電阻率法、激發(fā)極化法、大 地電磁測深法和瞬變電磁法的發(fā)展之路。地電磁測深法和瞬變電磁法的發(fā)展之路。 Wenner采用的是等間距的電極排列（現在被稱采用的是等間距的電極排列（現在被稱 為為Wenner裝置），而裝置），而Schlumberger采用的裝采用的裝 置中電位電極間距非常小從而可以測量出供電置中電位

20、電極間距非常小從而可以測量出供電 電極中點的電位梯度即電場強度（現在該裝置電極中點的電位梯度即電場強度（現在該裝置 被稱為被稱為Schlumberger裝置）。裝置）。 據據 S u m n e r ( 1 9 7 6 ) 考 證 ，考 證 ， C o n r a d Schlumberger是第一個描述激發(fā)極化的人，是第一個描述激發(fā)極化的人， 時間大概在時間大概在1920年，盡管寧愿將其稱為自然電年，盡管寧愿將其稱為自然電 位法。位法。 Harry W ConklinHarry W Conklin是一位美國礦業(yè)工程師，他是一位美國礦業(yè)工程師，他 19171917年申請了第一個電磁法勘探方法的

21、專利。年申請了第一個電磁法勘探方法的專利。 19251925年，年，SundgergSundgerg電磁法勘探方法成功應用于實電磁法勘探方法成功應用于實 際勘探，從而成為利用水平線圈進行電磁法勘探際勘探，從而成為利用水平線圈進行電磁法勘探 的先驅。這樣在由瑞典人的先驅。這樣在由瑞典人LundbergLundberg和和SundbergSundberg培培 育起來的電磁法走在了前面。接著，育起來的電磁法走在了前面。接著，19311931年，年， Bieler-WatsonBieler-Watson提出了測量靠近水平大發(fā)射回線提出了測量靠近水平大發(fā)射回線 附近磁場橢圓極化的方法。附近磁場橢圓極化的

22、方法。 在在1920-19301920-1930年間，電法勘探發(fā)展迅速。但其后年間，電法勘探發(fā)展迅速。但其后 ，卻進步緩慢。在二次世界大戰(zhàn)后，電法勘探取，卻進步緩慢。在二次世界大戰(zhàn)后，電法勘探取 得較大的發(fā)展。然而，整個電法勘探的數據解釋得較大的發(fā)展。然而，整個電法勘探的數據解釋 方法一直卻比較落后，直到上個世紀方法一直卻比較落后，直到上個世紀8080年代，計年代，計 算機用于二維和三維電磁邊值問題的正演和反演算機用于二維和三維電磁邊值問題的正演和反演 ，這種狀況才有所改觀，這種狀況才有所改觀 上面的工作地球物理中電法勘探理論與應用的基礎。上面的工作地球物理中電法勘探理論與應用的基礎。 在在其其后的數十年中，大量的專著和文獻進一步加強了后的數十年中，大量的專著和文獻進一步加強了 這一基礎。其中最重要的有這一基礎。其中最重要的有AmbronnAmbronn、EveEve和和KeysKeys、 Broughton EdgeBroughto