電法勘探基本理論-電阻率法

《地球物理探測(cè)新進(jìn)展》

第二章電法勘探基本理論安全工程學(xué)院楊武洋第一節(jié)電阻率法第二節(jié)充電法和自然電場(chǎng)法第三節(jié)激發(fā)極化法第四節(jié)電磁法第三章電法勘探第五節(jié)瞬變電磁法

第六節(jié)甚低頻法第七節(jié)可控源音頻大地電磁法第八節(jié)探地雷達(dá)√√√√√

電法勘探

以巖、礦石的電學(xué)性質(zhì)（如導(dǎo)電性）差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和研究與這些電性差異有關(guān)的（天然或人工)電場(chǎng)或電磁場(chǎng)分布規(guī)律來(lái)查明地下地質(zhì)構(gòu)造及有用礦產(chǎn)的一種物探方法，簡(jiǎn)稱“電法”。第二部分電法勘探電法勘探的特點(diǎn)：

①可利用的物性參性多導(dǎo)電性（電阻率ρ或電導(dǎo)率σ[σ=1/ρ]

）電化學(xué)活動(dòng)性（η）介電性（ε）導(dǎo)磁性（μ）②利用場(chǎng)源多人工場(chǎng)源天然場(chǎng)源直流電（穩(wěn)定場(chǎng)）交流電（交變場(chǎng)）第二部分電法勘探傳導(dǎo)類電法勘探（直流電法）研究穩(wěn)定電流場(chǎng)感應(yīng)類電法勘探（交流電法）研究交變電流場(chǎng)電阻率法充電法自然電場(chǎng)法激發(fā)極化法低頻電磁法頻率測(cè)深法甚低頻法電磁波法大地電磁法③方法種類多第二部分電法勘探第一節(jié)電阻率法電阻率法的理論基礎(chǔ)1電阻率法的儀器和裝備2345電剖面法電測(cè)深法高密度電阻率法第一節(jié)電阻率法電阻率法是傳導(dǎo)類電法勘探方法之一。建立在地殼中各種巖礦石具有各種導(dǎo)電性差異的基礎(chǔ)上，通過(guò)觀測(cè)和研究與這些差異有關(guān)的天然電場(chǎng)或人工電場(chǎng)的分布規(guī)律，從而達(dá)到查明地下構(gòu)造或者尋找有用礦產(chǎn)的目的。電阻R（Ω）長(zhǎng)度（m）截面積（m2）電阻率ρ(

Ω·m)S一、電阻率法的理論基礎(chǔ)（一）巖、礦石的電阻率1.電阻率基本公式2.電阻率單位SI制中第一節(jié)電阻率法3.主要巖礦石電阻率及其變化范圍ρ沉＜ρ變＜ρ火沉積巖：10～102Ω·ｍ火成巖：102

～

105Ω·ｍ變質(zhì)巖：介于兩者之間第一節(jié)電阻率法4.影響巖石電阻率的主要因素⑴礦物成分、含量及結(jié)構(gòu)

金屬礦物含量↑，電阻率↓結(jié)構(gòu)：侵染狀＞細(xì)脈狀⑵巖礦石的孔隙度、濕度

孔隙度↑，含水量↑，電阻率↓風(fēng)化帶、破碎帶，含水量↑，電阻率↓⑶水溶液礦化度

礦化度↑，電阻率↓第一節(jié)電阻率法⑷溫度溫度T↑，溶解度↑，離子活性↑，電阻率↓

結(jié)冰時(shí)，電阻率↑⑸壓力壓力↑，孔隙度↓，電阻率↑超過(guò)壓力極限，巖石破碎，電阻率↓⑹構(gòu)造層這種層狀構(gòu)造巖石的電阻率，則具有各向異性，即沿層理方向的電阻率小于垂直層理方向的電阻率。第一節(jié)電阻率法地下水及其他天然水的電阻率均較低，通常小于100Ω.m，并且含鹽分越多，電阻率值越低。巖、礦石中所含水分的多少(或濕度大小)對(duì)其電阻率值有較大影響。一般含水量大的巖石電阻率較低，而含水量小或干燥巖石的電阻率較高。巖石含水量的大小，主要決定于巖石本身的孔隙度及當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件。在潛水面以下，巖石孔隙通常被地下水所充滿，此時(shí)，巖石的濕度便等于其孔隙度。第一節(jié)電阻率法巖（礦）石的電阻率與所含水分的關(guān)系（二）、均勻各向同性半空間點(diǎn)電源的電場(chǎng)為了研究地下電流場(chǎng)地分布規(guī)律，設(shè)大地是水平的，與不導(dǎo)電的空氣接觸，介質(zhì)充滿整個(gè)地下半空間，且電阻率在介質(zhì)中處處相等，稱這樣的介質(zhì)模型為均勻各向同性半空間。即第一節(jié)電阻率法地面為了建立地下電場(chǎng)，總是用兩個(gè)電極（例如A、B）向地下供電。這兩個(gè)接地的電極（A、B）稱為“供電電極”。

第一節(jié)電阻率法任意四裝極置示意圖兩個(gè)異性點(diǎn)電源的電場(chǎng)第一節(jié)電阻率法在任意的M處的，可按場(chǎng)的疊加原理知：AB地面ρ空氣ρρρAMBMM（三）、電阻率公式及視電阻率

1.（均勻大地）電阻率公式第一節(jié)電阻率法MNAB地面ρ空氣ρρρ第一節(jié)電阻率法則→均勻大地電阻率公式裝置系數(shù)第一節(jié)電阻率法上面所討論的情況是在地形水平、地下僅有單一的均勻各向同性介質(zhì)。然而實(shí)際中，地下巖石的導(dǎo)電性往往是不均勻的、且地形亦不是水平的，因此有必要進(jìn)一步討論非均勻條件下地中電流場(chǎng)分布的情況。2.非均勻介質(zhì)中的地下電流場(chǎng)及視電阻率（1）非均勻介質(zhì)中的地下電流場(chǎng)（a）均勻巖石；（b）圍巖中賦存良導(dǎo)礦體；（c）圍巖中賦存高阻巖體（2）視電阻率當(dāng)?shù)乇聿凰交蛘叩叵码娮杪史植疾痪鶆驎r(shí)（存在兩種或者兩種以上介質(zhì)），仍然采用前述均勻介質(zhì)中的供電方式及測(cè)量方式，仍由前述的公式計(jì)算“電阻率值”，不過(guò)這時(shí)計(jì)算出的“電阻率值”，既不是ρ1，也不是ρ2和ρ3，而是三者都有關(guān)的一個(gè)量，稱為“視電阻率”，用符號(hào)ρs表示，即※視電阻率——在電場(chǎng)有效作用范圍內(nèi)各種地質(zhì)體電阻率的綜合影響值。第一節(jié)電阻率法第一節(jié)電阻率法A(+I)B(-I)X(a)(b)地電斷面？？電阻率不均勻時(shí)地下電流分布示意圖地電斷面的概念MNV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。由視電阻率的計(jì)算公式可知，其儀器功能就是測(cè)量出供電電流I及測(cè)量電極M、N間的電位差△UMN即可。除儀器外，其它裝備還有：供電電極——鐵棒或銅棒測(cè)量電極——銅棒、導(dǎo)線及供電電源。第一節(jié)電阻率法（四）、電阻率法的儀器和裝備重慶地質(zhì)儀器廠在電法勘查中，為了解決不同的地質(zhì)問(wèn)題，常采用不同的裝置。目前，我國(guó)采用的電阻率裝置類型有電剖面法、中間梯度法和電測(cè)深法。電阻率剖面法簡(jiǎn)稱電剖面法。它包括許多分支裝置：二級(jí)裝置、三級(jí)裝置、聯(lián)合剖面裝置、對(duì)稱四級(jí)裝置和偶極裝置等。第一節(jié)電阻率法（五）、電阻率法的常用電極裝置類型第一節(jié)電阻率法二級(jí)裝置（AM）三級(jí)裝置（AMN）聯(lián)合三級(jí)裝置（AMN∞MNB）對(duì)稱四級(jí)裝置（AMNB）偶極裝置（ABMN）中間梯度裝置（AMNB）思考題什么是電法勘探？電法勘探的類型？影響巖石電阻率的因素有哪些？解釋下列名詞：均勻各向同性半空間；裝置系數(shù)；地電斷面；視電阻率；掌握均勻大地電阻率公式。第一節(jié)電阻率法二、電剖面法方法特點(diǎn)：研究地電斷面橫向變化的一類方法——采用固定的電極距，沿剖面移動(dòng)電極裝置，觀測(cè)一定深度范圍內(nèi)視電阻率沿剖面的變化。解決主要地質(zhì)問(wèn)題：探測(cè)產(chǎn)狀陡立的高、低阻體，如劃分不同巖性接觸帶、追索斷層及構(gòu)造破碎帶。第一節(jié)電阻率法裝置特點(diǎn)：各電極間距離保持不變，使整個(gè)或部分裝置沿著測(cè)線移動(dòng)，逐個(gè)測(cè)量視電阻率的值，探測(cè)深度保持在同一范圍內(nèi)。所得到的ρs曲線是反映測(cè)線下某一深度范圍內(nèi)不同電性物質(zhì)沿水平方向的分布情況。分類：電阻率法聯(lián)合剖面法中間梯度法對(duì)稱剖面法偶極剖面法1.裝置特點(diǎn)及ρs公式AO=BOMO=NOOC>5AO（AMN∞）（∞MNB

）（一）聯(lián)合剖面法在測(cè)量時(shí)，C極固定不動(dòng)，AMNB間保持距離不變，四個(gè)極沿測(cè)線同時(shí)移動(dòng)，逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)為M、N的中點(diǎn)O。每個(gè)點(diǎn)測(cè)量?jī)纱?，得到兩個(gè)ρs值由于C極為無(wú)窮遠(yuǎn)極，它在M、N處產(chǎn)生的電位很小，故可忽略不計(jì)，因此，聯(lián)合剖面法的電場(chǎng)可視為一個(gè)“點(diǎn)電源”的電場(chǎng)。第一節(jié)電阻率法C2.聯(lián)合剖面法ρs曲線特征分析直立良導(dǎo)薄脈上的聯(lián)合剖面曲線的分析1—正交點(diǎn)；2—良導(dǎo)薄脈；3—A電極的電流線(示意圖)直立低阻薄脈上聯(lián)合剖面法ρs曲線特征由圖可見(jiàn)：①在直立良導(dǎo)薄脈頂部上方，與相交，且（圍巖）②交點(diǎn)左側(cè)交點(diǎn)右側(cè)，此交點(diǎn)稱為聯(lián)合剖面法的“正交點(diǎn)”（或低阻交點(diǎn)）；③與曲線對(duì)稱，交點(diǎn)兩側(cè)，兩條曲線明顯張開(kāi)。第一節(jié)電阻率法當(dāng)薄脈為直立高阻脈時(shí)：聯(lián)合剖面法曲線ρs曲線右圖。兩條曲線也有一交點(diǎn)，但交點(diǎn)左側(cè)，交點(diǎn)右側(cè)，此交點(diǎn)稱為聯(lián)合剖面法的“反交點(diǎn)”；且反交點(diǎn)不明顯，而且兩條曲線近于重合。第一節(jié)電阻率法當(dāng)薄脈傾斜時(shí)：

曲線不對(duì)稱，交點(diǎn)兩側(cè)兩條曲線所圍的面積不相等。薄脈向兩條曲線所圍面積較大的一側(cè)傾斜。第一節(jié)電阻率法

在實(shí)際工作中，常采用不同極距的聯(lián)合剖面曲線交點(diǎn)的位移來(lái)判斷脈狀體的傾向。第一節(jié)電阻率法(二)中間梯度法采用四極AMNB裝置，A、B供電，M、N兩電極測(cè)量，供電電極距AB很大，工作時(shí)，A、B固定不動(dòng)，M、N在AB中部（1/2～1/3）AB范圍內(nèi)同時(shí)移動(dòng)，逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)為

MN的中點(diǎn)。也可以在AB連線兩側(cè)1/6AB范圍內(nèi)的測(cè)線上布置MN進(jìn)行測(cè)量?！耙痪€布極，多線測(cè)量”AB=(70～80)HH浮土厚MN=(1/30～1/50)AB1.裝置特點(diǎn)及ρs公式：K不是恒定的，而是逐點(diǎn)變化的第一節(jié)電阻率法ρs第一節(jié)電阻率法由圖可見(jiàn)：中間梯度法主要用來(lái)尋找陡傾的高阻薄脈（如石英脈、偉晶巖脈等）；原因：在均勻場(chǎng)中，高阻體的屏蔽作用比較明顯，排斥電流使其匯聚于地表附近，使jMN急劇增加，致使ρs曲線上升，形成突出的高峰。而低阻薄脈易于讓電流垂直通過(guò)，只使jMN發(fā)生很小的變化，故ρs異常不明顯

。A、B、M、N四個(gè)電極排列在一條直線上，并且相對(duì)于MN的中點(diǎn)O對(duì)稱分布，AO=BO,NO=MO,AMNB又稱為“對(duì)稱四極剖面法”

（三）對(duì)稱剖面法第一節(jié)電阻率法1.裝置形式及ρs公式對(duì)稱剖面法與中間梯度法都屬于兩個(gè)異性點(diǎn)電源的場(chǎng)，測(cè)量電極都位于剖面的中部，屬均勻場(chǎng)，ρs異常曲線的特點(diǎn)與中間梯度法類似，但ρs曲線比中間梯度的ρs曲線復(fù)雜、生產(chǎn)效率低些。※因此，一般能用中間梯度法解決的問(wèn)題，就不用對(duì)稱四級(jí)剖面法。根據(jù)場(chǎng)的疊加原理，易證明對(duì)稱剖面法的ρSAB

為聯(lián)合剖面法兩個(gè)視電阻率（ρSA

和ρSB

）值的平均值，即：第一節(jié)電阻率法由圖可見(jiàn)：顯然低阻薄脈上的對(duì)稱剖面法ρｓ異常不如聯(lián)合剖面法的異常反應(yīng)明顯。因此，一般不用對(duì)稱四極剖面法尋找低阻的薄脈狀地質(zhì)體。第一節(jié)電阻率法AB過(guò)大AB過(guò)小ρ0<ρ1<ρ2第一節(jié)電阻率法例1:用對(duì)稱四極剖面法尋找地下古河道。某古河道兩側(cè)以及下部巖石由砂粘土組成，電阻率較低。而古河床中充填的沙卵石則為高阻。應(yīng)用實(shí)例11.電測(cè)深法概念

電測(cè)深法是在同一點(diǎn)上逐次擴(kuò)大供電電極距，使探測(cè)深度逐漸增大，以此來(lái)得到觀測(cè)點(diǎn)處沿垂直方向上由淺到深的ρs變化情況。第一節(jié)電阻率法三、電測(cè)深法電測(cè)深法主要用于探測(cè)水平產(chǎn)狀（或傾角不超過(guò)20°）的不同電性層的分布（如斷裂帶，含水破碎帶等）2.裝置形式及視電阻率公式有四極、三級(jí)、偶極等形式，通常采用對(duì)稱四級(jí)裝置AO=BO;MO=NOk－隨電極距地逐次擴(kuò)大而改變。第一節(jié)電阻率法3.電測(cè)深曲線視電阻率ρs隨著供電極距（AB/2）變化的曲線，稱之為電測(cè)深曲線。電測(cè)深曲線的特點(diǎn)：（1）每個(gè)電測(cè)深點(diǎn)均可以得到一條電測(cè)深曲線（2）該曲線通常以AB/2為橫坐標(biāo)，以ρs為縱坐標(biāo)，繪制在模數(shù)為6.25cm的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上。第一節(jié)電阻率法第一節(jié)電阻率法電測(cè)深曲線電測(cè)深曲線類型AB/2AB/2AB/2AB/2AB/2AB/2AB/2G型D型H型K型A型Q型HA型KH型AA型QQ型HK型KQ型AK型QH型二層曲線三層曲線四層曲線第一節(jié)電阻率法電測(cè)深法主要圖件：視電阻率斷面圖（剖面和平面等值線圖）電測(cè)深曲線類型圖（分為剖面上和平面上）注意曲線類型的變化，一般反應(yīng)了電性層的變化，如構(gòu)造接觸帶、地層尖滅、基底起伏等。第一節(jié)電阻率法（一）高密度電法概述(二)高密度電阻率法常用裝置（三）三電位電極系視參數(shù)及特點(diǎn)四、高密度電阻率法第一節(jié)電阻率法（四）高密度電阻率法的實(shí)際應(yīng)用電剖面法測(cè)量示意圖電測(cè)深法測(cè)量示意圖AMNBAMNB(一)高密度電阻率法概況高密度電阻率法電測(cè)剖面法電測(cè)深法第一節(jié)電阻率法高密度電阻率法高密度電阻率法測(cè)量?jī)x器1.主機(jī)2.轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)3.電池4.電極5.電纜線第一節(jié)電阻率法高密度電阻率法第一節(jié)電阻率法高密度電阻率法實(shí)踐證明，高密度電阻率法是一種多快好省的勘探方法，目前在地基勘查、壩基選址、水庫(kù)或堤壩查漏、地裂縫探測(cè)、巖溶塌陷及煤礦采空區(qū)調(diào)查等方面得到了廣泛的應(yīng)用，解決了諸多實(shí)際問(wèn)題。第一節(jié)電阻率法高密度電阻率法1)．高密度電阻率法的裝置形式

采用三電位電極系。第一節(jié)電阻率法高密度電阻率法三電位電極系是將溫納四極、偶極及微分裝置按一定方式組合后所構(gòu)成的一種統(tǒng)一測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)量時(shí)，只須利用電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，便可將每四個(gè)相鄰電極進(jìn)行一次組合。從而在一個(gè)測(cè)點(diǎn)便可獲得多種電極排列的測(cè)量參數(shù)。施工過(guò)程為：先以固定間距x沿測(cè)線布置若干根電極，這些電極在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中固定在原處不動(dòng)；取a=nx(n=1，2，3，...)，對(duì)每一個(gè)取定的活動(dòng)電極間距a，將兩兩相距為a的四根電極經(jīng)電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)連接到儀器上，一次完成各種裝置形式的電阻率測(cè)量(各裝置形式的記錄點(diǎn)均選在電極排列的中點(diǎn))；一個(gè)測(cè)點(diǎn)的全部測(cè)量完成后，將整個(gè)電極排列向前移動(dòng)一個(gè)x距離，然后進(jìn)行下一測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)，這種過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，直到活動(dòng)電極間距為a的整條剖面全部測(cè)完為止。2)．高密度電阻率法的測(cè)量過(guò)程第一節(jié)電阻率法高密度電阻率法由于一條剖面地表測(cè)點(diǎn)總數(shù)是固定的，因此，當(dāng)極距擴(kuò)大時(shí)，反映不同勘探深度的測(cè)點(diǎn)數(shù)將依次減少。把三電位電極系的測(cè)量結(jié)果置于測(cè)點(diǎn)下方深度為a的點(diǎn)位上。于是，整條剖面的測(cè)量結(jié)果便可以表示成一種倒三角形的二維斷面的電性分布。第一節(jié)電阻率法高密度電阻率法高密度電阻率法測(cè)點(diǎn)分布示意圖第一節(jié)電阻率法高密度電阻率法①點(diǎn)距x的選擇主要依據(jù)勘探的詳細(xì)程度（1～10米）。②最大電極距的大小，取決于預(yù)期勘探深度；隔離系數(shù)n一般1～15或更大；③無(wú)窮遠(yuǎn)極C要求CO＞（3～5）AO。說(shuō)明：第一節(jié)電阻率法高密度電阻率法(二)高密度電阻率法常用裝置第一節(jié)電阻率法高密度電阻率法第一節(jié)電阻率法高密度電阻率法【特點(diǎn)】測(cè)量斷面為倒梯形?！久枋觥繙y(cè)量時(shí)，AB=BM=MN=a為一個(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到第一條剖面線；接著AB、BM、MN增大一個(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右