電法勘探基本原理、常用方法及發(fā)展簡介

電法勘探基本原理、常用方法及發(fā)展簡介周韜2011年7月電法勘探根據(jù)地殼中各類巖石或礦體的電磁學(xué)性質(zhì)（如導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、介電性）和電化學(xué)特性的差異，通過對人工或天然電場、電磁場或電化學(xué)場的空間分布規(guī)律和時間特性的觀測和研究，尋找不同類型有用礦床和查明地質(zhì)構(gòu)造及解決地質(zhì)問題的地球物理勘探方法。地殼是由不同的巖石、礦體和各種地質(zhì)構(gòu)造所組成，它們具有不同的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、介電性和電化學(xué)性質(zhì)。根據(jù)這些性質(zhì)及其空間分布規(guī)律和時間特性，人們可以推斷礦體或地質(zhì)構(gòu)造的賦存狀態(tài)（形狀、大小、位置、產(chǎn)狀和埋藏深度）和物性參數(shù)等，從而達到勘探的目的。電法勘探具有利用物性參數(shù)多，場源、裝置形式多，觀測內(nèi)容或測量要素多及應(yīng)用范圍廣等特點。電法勘探利用巖石、礦石的物理參數(shù)，主要有電阻率（ρ）、導(dǎo)磁率（μ）、極化特性（人工體極化率η和面極化系數(shù)λ、自然極化的電位躍變Δε）和介電常數(shù)（ε）。

1、巖土介質(zhì)的電阻率

電阻率(ρ)單位是歐姆·米，記作Ω·m。用電導(dǎo)率σ表示時，其單位為西門子每米，記作s／m。電導(dǎo)率和電阻率互為倒數(shù)，成反比性。在電法勘探中，用來表征巖、礦石導(dǎo)電性好壞的參數(shù)為電阻率(ρ)或電導(dǎo)率(σ=1/ρ)。從物理學(xué)中已知，當(dāng)電流垂直流過單位長度、單位截面積的體積時，該體積中物質(zhì)所呈現(xiàn)的電阻值即為該物質(zhì)的電阻率。

計算公式如下：注電阻率法的基礎(chǔ)知識a、礦物的電阻率金屬導(dǎo)體半導(dǎo)體固體電解質(zhì)各種天然金屬均屬于金屬導(dǎo)體較重要的天然金屬有自然金和自然銅，其電阻率值均很低大多數(shù)金屬礦物均屬于半導(dǎo)體固體礦物按導(dǎo)電機理分為：

絕大多數(shù)造巖礦物（如輝石、氏石、石英、云母、方解石）礦物名稱電阻率值礦物名稱電阻率值斑銅礦赤鐵礦磁鐵礦錫石磁黃鐵礦輝銻礦黃銅礦軟錳礦黃鐵礦菱鐵礦方鉛礦鉻鐵礦輝銅礦閃鋅礦輝鉛礦鈦鐵礦常見半導(dǎo)體礦物的電阻率值b、巖、礦石的電阻率礦物電阻率值是在一定范圍內(nèi)變化的，同種礦物可有不同的電阻率值，不同礦物也可有相同的電阻率值。因此，由礦物組成的巖石和礦石的電阻率也必然有較大的變化范圍。巖礦石電阻率而言，也有類似的情況。其電阻率值除與組成礦石的礦物成分、含量有關(guān)外，更主要地乃由礦物顆粒的結(jié)構(gòu)構(gòu)造所決定。幾種巖石電阻率的分布范圍曲線火成巖變質(zhì)巖粘土軟頁巖硬頁巖砂砂巖多孔石灰?guī)r致密石灰?guī)r110102103104105106c、影響巖、礦石電阻率的因素

影響因素導(dǎo)電礦物含量巖、礦石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、孔隙度巖礦石的含水量及含水礦化度溫度、壓力視電阻率的概念及分析方法地面水平，地下為均勻、無限、各向同性介質(zhì)。

均勻大地大地電阻率的應(yīng)用條件

實際工作中常常不能滿足這些條件，地形往往起伏不平，地下介質(zhì)也不均勻，各種巖石相互重疊，斷層裂隙縱橫交錯，或者有礦體充填其中。A(+I)B(-I)X(a)(b)地電斷面？？電阻率不均勻時地下電流分布示意圖例如視電阻率的概念及分析方法

在自然界中，地下地質(zhì)情況是復(fù)雜的，各種不同巖(礦)石分布是不均勻的。在電法勘探中，常把按電阻率劃分的地質(zhì)斷面稱為地電斷面。MNV電法勘探的方法按場源性質(zhì)可分為人工場法（主動源法）、天然場法（被動源法）；按觀測空間可分為航空電法、地面電法、地下電法；按電磁場的時間特性可分為直流電法（時間域電法）、交流電法（頻率域電法）、過渡過程法（脈沖瞬變場法）；按產(chǎn)生異常電磁場的原因可分為傳導(dǎo)類電法、感應(yīng)類電法；按觀測內(nèi)容可分為純異常場法、總合場法等。中國常用的電法勘探方法有電阻率法、充電法、激發(fā)極化法、自然電場法、大地電磁測深法和電磁感應(yīng)法等。電法勘探分類電測深電剖面剖面圖(多測道/復(fù)合剖面)斷面圖電法勘探分類高密度電法

高密度電法實際上是集中了電剖面法和電測深法，其原理與普通電阻率法相同，所不同的是在觀測中設(shè)置了高密度的觀測點，是一種陣列勘探方法。關(guān)于陣列電法勘探的思想源于20世紀(jì)70年代末期，英國人設(shè)計的電測深偏置系統(tǒng)就是高密度電法的最初模式，20世紀(jì)80年代中期日本借助電極轉(zhuǎn)換板實現(xiàn)了野外高密度電法的數(shù)據(jù)采集。我國是從20世紀(jì)末期開始研究高密度電法及其應(yīng)用技術(shù)，從理論方法和實際應(yīng)用的角度進行了探討并完善，現(xiàn)有中國地質(zhì)大學(xué)、原長春地質(zhì)學(xué)院、重慶的有關(guān)儀器廠家研制成了幾種類型的儀器。高密度電法野外測量時將全部電極（幾十至上百根）置于剖面上，利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機工程電測儀便可實現(xiàn)剖面中不同電極距、不同電極排列方式的數(shù)據(jù)快速自動采集。與常規(guī)電阻率法相比，高密度電法具有以下優(yōu)點：１、電極布置一次性完成，不僅減少了因電極設(shè)置引起的故障和干擾，并且提高了效率；２、能夠選用多種電極排列方式進行測量，可以獲得豐富的有關(guān)地電斷面的信息；３、野外數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)了自動化或半自動化，提高了數(shù)據(jù)采集速度，避免了手工誤操作。此外，隨著地球物理反演方法的發(fā)展，高密度電法資料的電阻率成像技術(shù)也從一維和二維發(fā)展到三維，極大地提高了地電資料的解釋精度。高密度電阻率法的基本原理和工作方法1.主機2.轉(zhuǎn)換開關(guān)3.電池4.電極5.電纜線工作裝置示意圖固定斷面掃描測量數(shù)據(jù)點分布示意圖

滾動斷面掃描測量數(shù)據(jù)點分布示意圖

高密度電法應(yīng)用領(lǐng)域高密度電法應(yīng)用領(lǐng)域比較廣，尤其在水文和工程地質(zhì)勘查方面，主要有：水庫大壩的壩體穩(wěn)定性評價、壩基滲漏勘查、堤壩裂縫檢測上；高速公路高架橋、高層建筑選址、機場跑道的地基勘探中；探測防空洞、涵洞、溶洞、地下局部不明障礙物等物理性質(zhì)有別于周圍介質(zhì)的地下有形體；機場擴建工程中的巖土工程勘察問題，查明古河道、墓穴和洞穴的分布及埋深，利用土層的剪切波速劃分場地類別；尋找地下水、管線探測、查明采空區(qū)、調(diào)查巖溶及地質(zhì)災(zāi)害等。（4）實例一：巖溶勘查在730號點經(jīng)鉆孔驗證：0－9.8m為粘土；9.8－15.2m為白云質(zhì)灰?guī)r；15.2－18.6m為含礫粘土，18.6－72.8m為白云質(zhì)灰?guī)r，其中67.3－73.6m為溶洞。（7）實例二：溫納裝置（路基勘查）激發(fā)極化法

在電法勘探中，當(dāng)電極排列向大地供入或切斷電流的瞬間，在測量電極之間總能觀測到隨時間緩慢變化的附加電場，稱為激發(fā)極化效應(yīng)。激發(fā)極化法（或激電法）就是以巖、礦石激發(fā)極化效應(yīng)的差異為基礎(chǔ)來解決地質(zhì)問題的一類勘探方法。激電法是20世紀(jì)50年代末在我國開始研究和推廣的，早期是以直流（時間域）激電法為主，20世紀(jì)70年代初開始研究交流（頻率域）激電法——主要是變頻法，20世紀(jì)80年代初又開始對頻譜激電法進行研究，也就是研究復(fù)視電阻率隨頻率的變化——即復(fù)視電阻率的頻譜。由于該方法測量的是二次場，具有不受地形起伏和圍巖電性不均勻的影響、可測量的參數(shù)多等優(yōu)點。在實際地質(zhì)應(yīng)用方面，初期的激電法主要用于勘查硫化金屬礦床，后來發(fā)展到諸多領(lǐng)域，如氧化礦床、非金屬礦床、工程地質(zhì)問題等。近年來，激電法找水效果十分顯著，被譽為“找水新法”。利用激電法找水或確定地層的含水性，最好與高密度電阻率法相結(jié)合，這樣可以降低地球物理解釋的多解性，提高找水的成功率。高密度電阻率法在確定高阻或低阻地質(zhì)體具有優(yōu)越性，但低阻地質(zhì)體并不代表富含地下水，可能是由于泥巖引起地層的電阻率下降。這時，可以通過使用激電法來區(qū)分含水地層和泥巖，因為激電二次場與巖石的孔隙有關(guān)，在純粹泥巖中極化率比較小，在含水砂礫巖中極化率比較大，此外二次場的衰減速度也與孔隙的大小、形狀和寬窄有關(guān)，這就是激電法找水的機理所在。1、激發(fā)極化效應(yīng)的成因電子導(dǎo)體1、激發(fā)極化效應(yīng)的成因離子導(dǎo)體3、激發(fā)極化法在地質(zhì)勘查中的應(yīng)用（1）找地下水（2）找金屬礦體可控源音頻大地電磁法（CSAMT）

可控源音頻大地電磁法是在大地電磁法（MT）和音頻大地電磁法（AMT）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種可控源頻率測深方法。CSAMT是1975年由MyronGoldstein提出，它基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組建立了視電阻率和電場與磁場比值之間的關(guān)系，并且根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論得出電磁波的傳播深度（或探測深度）與頻率之間的關(guān)系，這樣可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測深度，達到頻率測深的目的。

CSAMT采用可控制人工場源，測量由電偶極源傳送到地下的電磁場分量，兩個電極電源的距離為1～2km，測量是在距離場源5～10km以外的范圍進行，此時場源可以近似為一個平面波。由于該方法的探測深度較大（通?？蛇_2km），并且兼有剖面和測深雙重性質(zhì)，因此具有諸多優(yōu)點：1、使用可控制的人工場源，測量參數(shù)為電場與磁場之比——卡尼亞電阻率，增強了抗干擾能力，并減少地形的影響。2、利用改變頻率而非改變幾何尺寸進行不同深度的電測深，提高了工作效率，一次發(fā)射可同時完成7個點的電磁測深。3、探測深度范圍大，一般可達1～2km.4、橫向分辨率高，可以靈敏地發(fā)現(xiàn)斷層。第五，高阻屏蔽作用小，可以穿透高阻層。CSAMT法一出現(xiàn)就展示了比較好的應(yīng)用前景，尤其是作為普通電阻率法和激發(fā)極化法的補充，可以解決深層的地質(zhì)問題，如在尋找隱伏金屬礦、油氣構(gòu)造勘查、推覆體或火山巖下找煤、地?zé)峥辈楹退墓こ痰刭|(zhì)勘查等方面，均取得了良好的地質(zhì)效果。瞬變電磁法（TEM）

瞬變電磁法是利用不接地或接地線源向地下發(fā)送一次場，在一次場的間歇期間，測量由地質(zhì)體產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場隨時間的變化。根據(jù)二次場的衰減曲線特征，就可以判斷地下不同深度地質(zhì)體的電性特征及規(guī)模大小等。由于該方法是觀測純二次場，消除了由一次場所產(chǎn)生的裝置偶合噪音，具有體積效應(yīng)小、橫向分辨率高、探測深度深、對低阻反映靈敏、與探測地質(zhì)體有最佳偶合、受旁側(cè)地質(zhì)體影響小等優(yōu)點。瞬變電磁場的煙圈效應(yīng)瞬變電磁法感應(yīng)電磁場轉(zhuǎn)換原理示意圖瞬變電磁法最初是由前蘇聯(lián)學(xué)者在20世紀(jì)30年代提出用于解決地質(zhì)構(gòu)造問題，20世紀(jì)50年代用于找礦，20世紀(jì)60年代以后從方法原理到一、二維反演都得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。在我國，該方法研究始于20世紀(jì)70年代，20世紀(jì)90年代后逐步向工程檢測、環(huán)境、災(zāi)害等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。從20世紀(jì)80年代開始，原長春地質(zhì)學(xué)院、原地礦部物化探研究所、中南大學(xué)等研究機構(gòu)分別在方法理論、儀器及野外試驗、一維及二維正反演方法等方面做了大量工作，并且自行研制了幾種功率小、探測深度淺的瞬變電磁法儀器，在生產(chǎn)實際中見到了好的應(yīng)用效果。然而，大功率、探測深的瞬變電磁法儀器國內(nèi)尚在研制中，目前主要依賴進口。1、探測地下金屬礦藏經(jīng)鉆探驗證：圖中紅色區(qū)域為高品位鉛鋅礦。2、煤田含水體探測小礦采空區(qū)大礦采空區(qū)滲水區(qū)打鉆驗證推測采空區(qū)邊界誤差在1m左右，勘探效果較為理想。3、瞬變電磁勘探查找采空區(qū)4、隧道不良地質(zhì)體預(yù)測圖中藍色虛線所圈部位為推測異常部位，紅線部位驗證孔位置，在78.0m處掉鉆0.8m，79.5m至113.8m為角礫狀灰?guī)r和泥灰?guī)r，強風(fēng)化或中等風(fēng)化，具強烈溶蝕作用溶蝕蜂穴十分發(fā)育，終孔深度140.0m。

瞬變電磁法除了廣泛應(yīng)用于金屬礦產(chǎn)、石油、煤田、地?zé)嵋约皟鐾翈Ш秃Ｑ蟮刭|(zhì)等地質(zhì)勘查工作之外，在水文和工程地質(zhì)勘查中也取得了非常好的應(yīng)用效果，如查明斷層及頂板砂巖的導(dǎo)水性及富水性、勘查地下水資源及界定地下水位、評價斷層空間位置及含水性和尋找地下含水構(gòu)造；探測煤柱及圈定老窯采空區(qū)、勘察煤田礦井涌水通道；評價塌陷成因及危害性、評價防滲帷幕穩(wěn)定性、探測高層建筑地基和評價大橋橋址穩(wěn)定性；探測堤防工程隱患、勘查水庫壩址；探測公路隧道工程中的不良地質(zhì)構(gòu)造；在抗洪搶險中尋找漏水?dāng)嗔鸦蛉芏?；使用瞬變電磁法結(jié)合四極測深探測地下管網(wǎng)分布。國內(nèi)電法勘探的發(fā)展新中國的電法勘探工作起始于50年代初，主要是引進前蘇聯(lián)的方法技術(shù)，以直流電法為主；隨后又逐漸引進、發(fā)展了電化學(xué)方法，如激發(fā)極化法；到60年代，我國科研人員開始研究以絕對測量為特點的電磁感應(yīng)類方法；至70年代，則以相對測量為主，并在80年代有較大的進展。到90年代，數(shù)字化、圖形圖象化等技術(shù)的引進，使得電法勘探技術(shù)有了飛躍的發(fā)展，逐步形成了集設(shè)計、采集、處理解譯、成果提交一體化工作模式。電法是應(yīng)用地球物理學(xué)中方法種類最多、應(yīng)用面最廣、適應(yīng)性最強的一門分支學(xué)科地球電磁法研究新進展

———“第１９屆國際地球電磁感應(yīng)學(xué)術(shù)研討會”過去十多年來，大地電磁等地球電磁法在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和正反演等方面取得非常明顯的進步，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，涉及地殼上地幔結(jié)構(gòu)和動力學(xué)研究、石油和礦產(chǎn)資源以及地?zé)岷偷叵滤碧?、工程和環(huán)境應(yīng)用探查、地震等自然災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)測等各個方面．２００８年１０北京電磁研討會共設(shè)１０個專題，并首次為承辦國（中國）設(shè)置了專門的專題，它們是：（１）地球電磁