普通物探_第3-2節(jié)_電法勘探之激發(fā)極化法

1、（華東）3.2 激發(fā)極化法 電阻率法測量時，穩(wěn)定場的建立需要一個過程： 通電后，可觀測到測量電極間的電位差隨時間而變化（一般是變大），并經(jīng)過相當(dāng)長的時間（通常是幾分鐘）后趨于某一穩(wěn)定的飽和值； 斷電后，測量電極間的電位差在最初的瞬間很快下降，而后隨時間相對緩慢地衰減，并在相當(dāng)長的時間(也是幾分鐘)后接近于零。 這種現(xiàn)象表明，巖（礦）石在外電流（一次場）激發(fā)作用下產(chǎn)生了二次（極化）電場。充電和放電曲線（華東）激發(fā)極化法 這種在充電和放電過程中產(chǎn)生的隨時間緩慢變化的附加電場現(xiàn)象稱為激發(fā)極化效應(yīng)，簡稱激電效應(yīng)，它是巖（礦）石及其所含水溶液在電流作用下所發(fā)生的復(fù)雜電化學(xué)過程的結(jié)果。 激發(fā)極化法（簡稱激

2、電法）就是以不同巖（礦）石激電效應(yīng)的差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究大地激電效應(yīng)，用于探查地下地質(zhì)情況的電法分支方法。 進(jìn)行激電法測量，可以用直流電激發(fā)激電場，在時間域進(jìn)行觀測，稱為直流（時間域）激電法，也可以用超低頻交流電激發(fā)激電場，在頻率域觀測，稱為交流（頻率域）激電法。（華東）激發(fā)極化法 激電法是重要的金屬礦電法勘探方法之一，最初主要用于勘探浸染狀的銅、鈾等金屬礦床。 激電法的應(yīng)用范圍很廣，在金屬與非金屬固體礦產(chǎn)的勘查、尋找地下水資源、油氣礦藏和地?zé)崽锏确矫娑极@得了成功的應(yīng)用。不同巖石礦物結(jié)構(gòu)（華東）激發(fā)極化法 AAA 主要內(nèi)容 3.2.1 激發(fā)極化法的理論基礎(chǔ) 3.2.2 激電測深曲線的特點(diǎn)

3、 3.2.3 激電測深法的方法技術(shù) 3.2.4 激電測深法在油氣勘探中的應(yīng)用 （華東）3.2.1 激發(fā)極化法的理論基礎(chǔ) A 主要內(nèi)容 1. 巖（礦）石的激發(fā)極化機(jī)理 2. 測量巖（礦）石激電特性的裝置 3. 穩(wěn)定電流場中巖（礦）石的激電特性（華東）1. 巖（礦）石的激發(fā)極化機(jī)理 實(shí)驗(yàn)研究表明，電子導(dǎo)體（包括大多數(shù)金屬礦和石墨及其礦化巖石）的激發(fā)極化機(jī)理與電化學(xué)中供電電極的電解極化相同，是電子導(dǎo)體與其周圍溶液的界面上發(fā)生過電位（Overvoltage）的結(jié)果。 一般造巖礦物為固體電解質(zhì)，屬離子導(dǎo)體，在野外和室內(nèi)也能觀測到較明顯的激電效應(yīng)。關(guān)于離子導(dǎo)體的激發(fā)極化，一般都認(rèn)為與巖石顆粒和周圍溶液界面

4、上的雙電層有關(guān)。（華東）（1）電子導(dǎo)體的激發(fā)極化機(jī)理 在一定的外電流作用下，電極和溶液界面上的雙電層電位差相對于平衡電極電位的變化，在電化學(xué)中稱為過電位或超電壓。過電位的產(chǎn)生與電流流過電極-溶液界面相伴隨的一系列電化學(xué)反應(yīng)（簡稱電極過程）的遲緩性有關(guān)。 在電子導(dǎo)體與溶液的界面上自然形成雙電層電位差（電極電位），稱為平衡電極電位，如圖（a）所示。電子導(dǎo)體的激發(fā)極化過程 （華東）電子導(dǎo)體的激發(fā)極化機(jī)理 當(dāng)有電流流過上述電子導(dǎo)體-溶液系統(tǒng)時，在電場的作用下，電子導(dǎo)體內(nèi)部的電荷將重新分布，自由電子在電流流入端相對聚集，形成“陰極”，電流流出端則形成“陽極”；外電層也發(fā)生相應(yīng)的變化，在電子導(dǎo)體的“陰極”

5、和“陽極”分別形成陽離子和陰離子的堆積，如圖（b）所示。在供電瞬間，過電位迅速建立并急劇增大，隨供電時間的延續(xù)，其增長變緩并趨于飽和。電子導(dǎo)體的激發(fā)極化過程 （華東）電子導(dǎo)體的激發(fā)極化機(jī)理 外電流斷開后，維持過電位的能源已不存在，堆積在界面兩側(cè)的異性電荷將通過界面本身、電子導(dǎo)體內(nèi)部及周圍的溶液放電，如圖（c）所示，使界面上的電荷分布逐漸恢復(fù)到正常的雙電層；與此同時，過電位亦隨時間逐漸減少，直至最后消失。這就是過電位的放電過程。電子導(dǎo)體的激發(fā)極化過程 （華東）（2）離子導(dǎo)體的激發(fā)極化機(jī)理 由于陽離子的交換特性，在巖石顆粒和周圍溶液得分界面上形成雙電層：靠近界面的部分，陽離子被固相表面的異性電荷吸

6、引，不能自由活動，形成緊密層；稍微遠(yuǎn)離界面，吸引力減弱，陽離子可以在一定范圍內(nèi)平行巖石顆粒表面移動，形成分散層。巖石顆粒-溶液界面上的雙電層結(jié)構(gòu)（華東）離子導(dǎo)體的激發(fā)極化機(jī)理 在外電場作用下，溶液離子在巖石孔隙通道中移動，在毛細(xì)管的電流流出端形成離子的堆積，而在電流的流入端則出現(xiàn)離子的不足，濃度差異使離子往濃度小的方向擴(kuò)散，產(chǎn)生擴(kuò)散起因的二次電場。二次電場阻礙離子濃度的進(jìn)一步增長，使?jié)舛炔町惡投坞妶鲭S時間的增大而趨于飽和。巖石顆粒-溶液界面上的雙電層結(jié)構(gòu)（華東）離子導(dǎo)體的激發(fā)極化機(jī)理 外電場斷開后，離子通過擴(kuò)散而逐漸恢復(fù)原來的狀態(tài)，二次電場隨時間衰減，最后消失。 離子導(dǎo)體巖石的激電特性決定于

7、離子擴(kuò)散的路徑，即孔隙的構(gòu)造，如顆粒和孔隙的大小等。巖石顆粒-溶液界面上的雙電層結(jié)構(gòu)（華東）2. 測量巖（礦）石激電特性的裝置 將待測標(biāo)本置于絕緣的、不透水的長方形小盒內(nèi)，標(biāo)本與盒底、盒邊之間用熔融的石蠟或橡皮泥密封，使標(biāo)本兩側(cè)溶液互不流通； 兩側(cè)溶液的液面高度相同，略低于標(biāo)本頂面； 在小盒的兩端各放一塊銅板作供電電極A和B，在盒內(nèi)溶液中產(chǎn)生均勻電場； 在標(biāo)本兩側(cè)各放置一個不極化電極作為測量電極M和N。測量巖（礦）石標(biāo)本激電特性的裝置簡圖（華東）3. 穩(wěn)定電流場中巖（礦）石的激電特性 主要內(nèi)容： （1）激電場的時間特性 （2）激電效應(yīng)與供電電流密度的關(guān)系 （3）描述激電特性強(qiáng)度的參數(shù) （4）不

8、同巖（礦）石的極化率 （5）等效電阻率（華東）（1）激電場的時間特性 圖中所示為黃鐵礦化巖石標(biāo)本上測得的電位差隨供電時間和斷電時間的變化曲線，該曲線表示了激電場的時間特性。 接通電源的瞬間（t = 0），測到的是一次場電位差，此后，電位差隨時間的增大開始迅速增大，然后增長變緩，最后趨于某一飽和值。供電時的總場電位差是一次場電位差和二次場電位差之和，即：122( )( ) (0)( )U tUUtUUt 黃鐵礦化巖石標(biāo)本上的激電場測量結(jié)果 a: 實(shí)測的U(t)充電曲線 b: 換算的U2(t)充電曲線 c: 實(shí)測的U2(t)放電曲線（華東）激電場的時間特性 總場電位差的變化曲線稱為充電曲線，它反映

9、了激電效應(yīng)在供電后的充電過程。 供電時的二次場電位差U2(t)可由總場電位差減去一次場電位差求得，如圖中曲線b所示。 斷電后測到的僅為二次場的變化，斷電瞬間的二次場電位差等于供電過程末尾的二次場電位差，其后隨斷電時間 t 的增大而衰減，直到最后消失，該曲線稱為放電曲線。 黃鐵礦化巖石標(biāo)本上的激電場測量結(jié)果 a: 實(shí)測的U(t)充電曲線 b: 換算的U2(t)充電曲線 c: 實(shí)測的U2(t)放電曲線（華東）激電場的時間特性 激電場的時間特性主要決定于極化類型和巖（礦）石的結(jié)構(gòu)。主要由電子導(dǎo)體產(chǎn)生的激電場一般充、放電較慢，其中致密金屬礦最慢，浸染金屬礦及礦化次之；離子導(dǎo)體的激電場般充、放電速度最快

10、，其中，顆粒細(xì)小的又比顆粒粗的快；此外，實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際測量結(jié)果還表明，含鹽水的巖層要比含淡水的巖層充、放電速度快。 激電效應(yīng)的時間特性對評價激電異常和利用激電法找水均有實(shí)際意義。黃鐵礦化巖石標(biāo)本上的激電場測量結(jié)果 a: 實(shí)測的U(t)充電曲線 b: 換算的U2(t)充電曲線 c: 實(shí)測的U2(t)充電曲線（華東）（2）激電效應(yīng)與供電電流密度的關(guān)系 理論研究和標(biāo)本測定均表明，在實(shí)際測量的電流密度下（如 ），一般巖石的激電效應(yīng)與供電電流密度間都存在線性關(guān)系，即二次場電位差與電流密度成正比。 對于線性介質(zhì)，供長直流脈沖電流時的時間響應(yīng) U(T) 與瞬變響應(yīng) U2(t) 之間有如下關(guān)系： 即長時間供電

11、達(dá)到飽和時的總場電位差，減去供電某一時刻 T 的總場電位差，等于斷電后 t=T 時的二次場電位差。20mA/m10j2( )( )( )UtUU T （華東）激電效應(yīng)與供電電流密度的關(guān)系 激發(fā)電流密度較大時（對黃鐵礦 ），不同電流密度的歸一化電位充、放電曲線互不重疊，并且陰極和陽極過電位曲線也彼此分開，表現(xiàn)出明顯的非線性和陰極或陽極優(yōu)勢。20mA/m500j（華東）（3）描述激電特性強(qiáng)度的參數(shù) 在激電效應(yīng)與供電電流密度質(zhì)間呈線性關(guān)系的條件下，引入極化率參數(shù)以表征巖（礦）石激電特性的強(qiáng)弱： 式中U2(t) 為斷電后某一時刻 t（延遲時間）測量的二次場電位差；U(T)為斷電前測量的總場電位差； 極

12、化率 為無量綱參數(shù)，通常用百分?jǐn)?shù)表示。)()(),(2TUtUtT( , )T t（華東）描述激電特性強(qiáng)度的參數(shù) 許多儀器測量的是斷電后某一段時間內(nèi)的二次場電位差的積分值，用參數(shù)： 表征巖（礦）石的激電特性強(qiáng)度，稱為充電率，單位為毫秒（ms）。 充電率也可以用積分區(qū)間歸一化，記為： 稱為歸一化充電率，無量綱，通常表示為百分?jǐn)?shù)，它實(shí)際上是積分區(qū)間內(nèi)極化率的平均值。)()(212TUdttUmtt)()()(122021TUttdttUmtt（華東）（4）不同巖（礦）石的極化率 根據(jù)標(biāo)本研究和野外參數(shù)測量結(jié)果做出的巖（礦）石極化率綜合圖表。 供電時間為2分，延遲時間為0.5秒。（梯形下底角位置對應(yīng)

13、于極化率的最小值和最大值， 上頂角位置是不同作者得到的極化率平均值范圍） 1. 無電子導(dǎo)電礦物浸染的巖石；2. 含硫化物浸染的巖石；3. 石墨化巖石；4. 浸染狀硫化礦石；5. 致密硫化礦石（華東）不同巖（礦）石的極化率 根據(jù)該綜合圖表可知： 明顯不含電子導(dǎo)電礦物的巖石極化率一般不超過1-2%； 含有浸染狀電子導(dǎo)電礦物的巖石極化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于離子導(dǎo)電巖石極化率的極限值，可以達(dá)到5-10%； 金屬硫化礦石的極化率明顯高于一般巖石及礦化巖石的極化率，其中致密礦石的極化率最高； 石墨化巖石的極化率變化范圍很大，可以從一般離子導(dǎo)電巖石的低值變化到浸染硫化礦石的高值。（華東）不同巖（礦）石的極化率 離子導(dǎo)電

14、巖石一般不引起激電異常，其極化率為背景值； 實(shí)際觀測到的激電異常往往都和電子導(dǎo)電礦物的明顯存在有關(guān)； 即使是與圍巖沒有明顯導(dǎo)電性差異的浸染狀硫化金屬礦也能取得明顯的激電異常； 礦化巖石和石墨化巖石可能產(chǎn)生明顯的激電異常，稱為激電法應(yīng)用中的干擾。（華東）（5）等效電阻率 由于激電效應(yīng)的存在，供穩(wěn)定電流時，巖（礦）石上測量得到的電位差隨供電時間延長而增加，從電子導(dǎo)體和離子導(dǎo)體激發(fā)極化現(xiàn)象的起因可以理解為二次電場阻礙電流通過的結(jié)果。 從電阻率的角度，表明巖（礦）石的激電效應(yīng)等效于介質(zhì)電阻率的增加。 為與無激電效應(yīng)時的真電阻率相區(qū)別，將有激電效應(yīng)的情況下，極化體相對于極化總場的電阻率稱為等效電阻率。（

15、華東）等效電阻率 因?yàn)椋?所以，直流等效電阻率與電阻率之間的關(guān)系為： 式中 為斷電前瞬間的等效電阻率， 為介質(zhì)的電阻率， 為延時為零時測量得到的極化率。)0 ,(1)(1TUTU1*（華東）3.2.2 激電測深曲線的特點(diǎn) 激電測深法最常用的是對稱四極裝置，根據(jù)水平層狀大地上的視電阻率公式，利用等效電阻率法，可以得到水平層狀極化大地上對稱四極激電測深的視激電參數(shù)的解析表達(dá)式。這樣便可以計算層狀介質(zhì)上的激電測深曲線，構(gòu)組量板。 因?yàn)樵黾恿思る妳?shù)，計算理論曲線和制作理論量板的難度都較大，量板解釋也不方便。目前一般采用最優(yōu)化法進(jìn)行解釋。具體的正反演理論（略）（華東）激電測深曲線的特點(diǎn) 激電測深曲線的

16、橫軸（AB/2）采用對數(shù)坐標(biāo)，縱軸（ 或 ）可以采用對數(shù)坐標(biāo)，也可以采用算術(shù)坐標(biāo)。激電測深曲線的形狀取決于相鄰層激電強(qiáng)度參數(shù)值（ 、 等）的相對大小，并據(jù)此劃分曲線類型。 1/a1/aPPP（華東）二層模型激電測深曲線 與電測深曲線相似，二層曲線有D型（ ）和G型（ ）兩類。圖中所示為 時的一組二層激電測深曲線，曲線的參數(shù)是 。 從這組曲線可以看到二層激電測深的一般特點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)注意的是， 值不同會改變激電測深曲線上升或下降的早晚或快 慢，這可以從下面列舉的三層激電測深曲線的二層部分看出。二層激電測深曲線 2112122)1/()1 (12（華東）三層模型激電測深曲線 圖中所示為三層水平極化層上的

17、激電測深曲線，其中一、三層的電阻率和極化率均相同，而且極化率值不大。 從中可以看出，它們都是 K 型曲線，中間層與頂層和底層的電阻率差異不僅影響了 曲線開始上升的早晚和快慢，而且還影響了 異常極值的大小。 水平板狀體上的激電測深曲線 ss（華東）3.2.3 激電測深的野外測量 激電法的野外測量方法與電阻率法類似，一般采用四極裝置，向地下供入的電流可以是穩(wěn)定的，也可以是交變的，據(jù)此把激電法分為直流激電法（時間域激電法）和交流激電法（頻率域激電法）兩類。 根據(jù)野外測量工作方法的不同，激電法可以分為激電剖面法和激電測深法。激電法野外測量示意圖 （華東）激電測深的野外測量 激電測深的工作方法與電阻率測

18、深法相同，保持記錄點(diǎn)不變，改變裝置的大小以實(shí)現(xiàn)測深目的。 最常用的是對稱四極裝置，裝置的A、M、N、B均對稱于記錄點(diǎn)O布置，通常 。 還有一種各相鄰電極間距離相等的對稱裝置，即AM=MN=NB=a，稱為維納（Wenner）裝置。11()35MNAB維納裝置維納裝置 AM=MN=NBBNAM對稱四極裝置對稱四極裝置 AM=NBBNAM（華東）激電測深的野外測量 近代的直流激電法儀器多采用雙向脈沖電流，方波信號的占空比（供電時間與斷電時間之比）一般為1，脈沖持續(xù)時間可選。 接收機(jī)通過M、N電極測量的物理量可以是供電一段時間后的總場電位差或自供電開始到供電一段時間內(nèi)總場電位差的平均值；斷電后測量的物

19、理量通常是某一延時后一段時間內(nèi)二次電位差的積分值，并可直讀極化率或充電率。 譜激電測量儀器可以測得二次場的瞬變特性曲線，了解二次場的衰變過程。（華東）激電測深的野外測量直流激電法的供電電流和測量電極間電位差的波形圖（華東）激電測深的野外測量 在地下為均勻介質(zhì)的情況下，野外測量得到的或通過計算得到的反映激電效應(yīng)或?qū)щ娦?yīng)的參數(shù)等于介質(zhì)的真參數(shù)。 當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)不均勻時，測量得到的參數(shù)是裝置附近各種巖（礦）石激電效應(yīng)的綜合反映，稱之為視參數(shù)，對時間域測量來說，有視極化率、視充電率和視電阻率（或等效電阻率），其值與各巖（礦）石真參數(shù)值、各巖（礦）石相對于裝置的分布等因素有關(guān)。（華東）3.2.3 激電測深

20、法在油氣勘探中的應(yīng)用 主要內(nèi)容 1. 油氣藏上激電異常的形成機(jī)理 2. 激電法的應(yīng)用實(shí)例 3. 激電法的應(yīng)用范圍（華東）1. 油氣藏上激電異常的形成機(jī)理 根據(jù)一般地球化學(xué)和地球物理理論，由于重力壓實(shí)、擴(kuò)散、毛細(xì)現(xiàn)象和油氣本身的驅(qū)動力等作用，油氣藏中的烴類物質(zhì)總要不同程度地不斷向外逸散或滲漏。油氣藏上方形成激電異常的地球化學(xué)模型（華東）激電法找油氣藏原理示意圖 烴類逸散或滲漏路徑一般是垂直向上的，也有可能沿斷層或滲透性地層進(jìn)行，最后儲集在淺部多孔隙巖石中，這些巖層中的喜氧細(xì)菌會消耗掉這些烴類物質(zhì)，同時也耗盡了氧氣，把巖層孔隙水的氧化性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原性質(zhì)，如果有足夠的硫酸根離子和有機(jī)物，硫酸鹽還原細(xì)

21、菌就會繁殖，使硫酸鹽還原成硫化物，使?jié)B漏出來的烴氧化成碳酸氫鹽。 這一反應(yīng)過程綜合為：OHHSHCOSOCH23244（華東）激電法找油氣藏原理示意圖 是高度活性的，與巖石中的氧化鐵發(fā)生反應(yīng)，最后形成黃鐵礦（ ）。碳酸氫離子（ ）可以和一些陽離子結(jié)合形成碳酸鹽膠結(jié)物（如與鈣離子結(jié)合成 ）。 該過程所形成的黃鐵礦將分布在多孔巖石的孔隙空間，形成次生黃鐵礦暈，它們是引起較強(qiáng)激電異常的原因。HS2FeS3HCO3CaCO（華東）2、激電法應(yīng)用實(shí)例 該區(qū)屬盆地北緣克拉瑪依油田范圍。開展激電法找油工作的目的是想進(jìn)一步搞清激電法找油的機(jī)理，驗(yàn)證該方法用于油氣勘探的可能性。 該區(qū)所獲B8316線剖面最為典型，在油層上方出現(xiàn)明顯的充電率（Ms）高值異常，異常峰值高出背景值兩倍以上。白堿灘地區(qū)激電法B8316測線綜合剖面（華東）激電法應(yīng)用實(shí)例 從該區(qū)激電法充電率平面圖可以看出，充電率最高值達(dá)25%，為背景值（12%）的兩倍以上。 圖中附出了各層系油層范圍，此范圍與以 Ms=15%為下限的充電率異常范圍基本吻合，在油層迭加厚度較大的部位充電率值也相對較高。準(zhǔn)葛爾盆地白堿灘