普通物探_第3-2节_电法勘探之激发极化法

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（1）电子导体的激发极化机理
• 在一定的外电流作用下，电极和溶液界面上的双电层 电位差相对于平衡电极电位的变化，在电化学中称为 过电位或超电压。过电位的产生与电流流过电极-溶液 界面相伴随的一系列电化学反应（简称电极过程）的 迟缓性有关。 • 在电子导体与溶液的界面上自然形成双电层电位差 （电极电位），称为平衡电极电位，如图（a）所示。
测量岩（矿）石标本 激电特性的装置简图
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3. 稳定电流场中岩（矿）石的激电特性
• 主要内容：
– （1）激电场的时间特性 – （2）激电效应与供电பைடு நூலகம்流密度的关系
– （3）描述激电特性强度的参数
– （4）不同岩（矿）石的极化率 – （5）等效电阻率
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（1）激电场的时间特性
• 图中所示为黄铁矿化岩石标本上测得的电位差随供电 时间和断电时间的变化曲线，该曲线表示了激电场的 时间特性。 • 接通电源的瞬间（t = 0），测到的是一次场电位差， 此后，电位差随时间的增 大开始迅速增大，然后增 长变缓，最后趋于某一饱 和值。供电时的总场电位 差是一次场电位差和二次 场电位差之和，即：
• 进行激电法测量，可以用直流电激发激电场，在时 间域进行观测，称为直流（时间域）激电法，也可 以用超低频交流电激发激电场，在频率域观测，称 为交流（频率域）激电法。
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激发极化法
• 激电法是重要的金属矿电法勘探方法之一，最初主 要用于勘探浸染状的铜、铀等金属矿床。
• 激电法的应用范围很广，在金属与非金属固体矿产 的勘查、寻找地下水资源、油气矿藏和地热田等方 面都获得了成功的应用。
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激发极化法
• 这种在充电和放电过程中产生的随时间缓慢变化的 附加电场现象称为激发极化效应，简称激电效应， 它是岩（矿）石及其所含水溶液在电流作用下所发 生的复杂电化学过程的结果。 • 激发极化法（简称激电法）就是以不同岩（矿）石 激电效应的差异为基础，通过观测和研究大地激电 效应，用于探查地下地质情况的电法分支方法。
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离子导体的激发极化机理
• 在外电场作用下，溶液离子在岩 石孔隙通道中移动，在毛细管的 电流流出端形成离子的堆积，而 在电流的流入端则出现离子的不 足，浓度差异使离子往浓度小的 方向扩散，产生扩散起因的二次 电场。二次电场阻碍离子浓度的 进一步增长，使浓度差异和二次 电场随时间的增大而趋于饱和。
U (t ) U1 U 2 (t ) U (0) U 2 (t )
黄铁矿化岩石标本上的激电场测量结果
a: 实测的ΔU(t)充电曲线 b: 换算的ΔU2(t)充电曲线 c: 实测的ΔU2’(t)放电曲线
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激电场的时间特性
• 总场电位差的变化曲线称为充电曲线，它反映了激电 效应在供电后的充电过程。
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激电场的时间特性
• 激电场的时间特性主要决定于极化类型和岩（矿）石 的结构。主要由电子导体产生的激电场一般充、放电 较慢，其中致密金属矿最慢，浸染金属矿及矿化次 之；离子导体的激电场般充、放电速度最快，其中， 颗粒细小的又比颗粒粗的 快；此外，实验研究和实 际测量结果还表明，含盐 水的岩层要比含淡水的岩 层充、放电速度快。 • 激电效应的时间特性对评 价激电异常和利用激电法 黄铁矿化岩石标本上的激电场测量结果 a: 实测的ΔU(t)充电曲线 找水均有实际意义。
b: 换算的ΔU2(t)充电曲线 c: 实测的ΔU2’(t)充电曲线
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（2）激电效应与供电电流密度的关系
• 理论研究和标本测定均表明，在实际测量的电流密 度下（如 j0 10mA/m2 ），一般岩石的激电效应与 供电电流密度间都存在线性关系，即二次场电位差 与电流密度成正比。 • 对于线性介质，供长直流脉冲电流时的时间响应 ΔU(T) 与瞬变响应 ΔU2(t) 之间有如下关系：
电子导体的激发极化过程
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电子导体的激发极化机理
• 当有电流流过上述电子导体-溶液系统时，在电场的作 用下，电子导体内部的电荷将重新分布，自由电子在 电流流入端相对聚集，形成“阴极”，电流流出端则 形成“阳极”；外电层也发生相应的变化，在电子导 体的“阴极”和“阳极”分别形成阳离子和阴离子的 堆积，如图（b）所示。在供电瞬间，过电位迅速建立 并急剧增大，随供电时间的延续，其增长变缓并趋于 饱和。
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激电测深曲线的特点
• 激电测深曲线的横轴（AB/2）采用对数坐标，纵 轴（a /1 或 Pa / P ）可以采用对数坐标，也可以采 1 用算术坐标。激电测深曲线的形状取决于相邻层激 电强度参数值（ 、P 等）的相对大小，并据此划 分曲线类型。
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岩石颗粒 - 溶液界面上 的双电层结构
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离子导体的激发极化机理
• 外电场断开后，离子通过扩散而 逐渐恢复原来的状态，二次电场 随时间衰减，最后消失。 • 离子导体岩石的激电特性决定于 离子扩散的路径，即孔隙的构造， 如颗粒和孔隙的大小等。
岩石颗粒 - 溶液界面上 的双电层结构
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2. 测量岩（矿）石激电特性的装置
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等效电阻率
• 因为：
U 1 U (T ) 1 (T ,0)
所以，直流等效电阻率与电阻率之间的关系为：
1
*
式中 * 为断电前瞬间的等效电阻率， 为介质的电 阻率， 为延时为零时测量得到的极化率。
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§3.2.2 激电测深曲线的特点
• 激电测深法最常用的是对称四极装臵，根据水平层 状大地上的视电阻率公式，利用等效电阻率法，可 以得到水平层状极化大地上对称四极激电测深的视 激电参数的解析表达式。这样便可以计算层状介质 上的激电测深曲线，构组量板。 • 因为增加了激电参数，计算理论曲线和制作理论量 板的难度都较大，量板解释也不方便。目前一般采 用最优化法进行解释。 • 具体的正反演理论（略）
§3.2 激发极化法
• 电阻率法测量时，稳定场的建立需要一个过程： – 通电后，可观测到测量电极间的电位差随时间而 变化（一般是变大），并经过相当长的时间（通 常是几分钟）后趋于某一稳定的饱和值； – 断电后，测量电极间的电位差在最初的瞬间很快 下降，而后随时间相对缓慢 地衰减，并在相当长的时间 (也是几分钟)后接近于零。 • 这种现象表明，岩（矿）石在 外电流（一次场）激发作用下 产生了二次（极化）电场。 充电和放电曲线
• 供电时的二次场电位差ΔU2(t)可由总场电位差减去一 次场电位差求得，如图中曲线b所示。 • 断电后测到的仅为二次场 的变化，断电瞬间的二次 场电位差等于供电过程末 尾的二次场电位差，其后 随断电时间 t 的增大而衰 减，直到最后消失，该曲 线称为放电曲线。 黄铁矿化岩石标本上的激电场测量结果
a: 实测的ΔU(t)充电曲线 b: 换算的ΔU2(t)充电曲线 c: 实测的ΔU2’(t)放电曲线
1. 无电子导电矿物浸染的岩石； 2. 含硫化物浸染的岩石； 3. 石墨化岩石； 4. 浸染状硫化矿石； 5. 致密硫化矿石
（梯形下底角位臵对应于极化率的最小值和最大值， 上顶角位臵是不同作者得到的极化率平均值范围）
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不同岩（矿）石的极化率
• 根据该综合图表可知：
– 明显不含电子导电矿物的岩石极化率一般不超过12%； – 含有浸染状电子导电矿物的岩石极化率远远高于离 子导电岩石极化率的极限值，可以达到5-10%； – 金属硫化矿石的极化率明显高于一般岩石及矿化岩 石的极化率，其中致密矿石的极化率最高；
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（3）描述激电特性强度的参数
• 在激电效应与供电电流密度质间呈线性关系的条件 下，引入极化率参数以表征岩（矿）石激电特性的 强弱：
U 2 (t ) (T , t ) U (T )
式中ΔU2(t) 为断电后某一时刻 t（延迟时间）测量 的二次场电位差；ΔU(T)为断电前测量的总场电位 差；
不同岩石矿物结构
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激发极化法
• AAA • 主要内容
– §3.2.1 激发极化法的理论基础 – §3.2.2 激电测深曲线的特点
– §3.2.3 激电测深法的方法技术
– §3.2.4 激电测深法在油气勘探中的应用
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§3.2.1 激发极化法的理论基础
• A • 主要内容
– 1. 岩（矿）石的激发极化机理 – 2. 测量岩（矿）石激电特性的装臵 – 3. 稳定电流场中岩（矿）石的激电特性
– 石墨化岩石的极化率变化范围很大，可以从一般离 子导电岩石的低值变化到浸染硫化矿石的高值。
（华东）
不同岩（矿）石的极化率
• 离子导电岩石一般不引起激电异常，其极化率为背 景值；
• 实际观测到的激电异常往往都和电子导电矿物的明 显存在有关； • 即使是与围岩没有明显导电性差异的浸染状硫化金 属矿也能取得明显的激电异常；
电子导体的激发极化过程
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（2）离子导体的激发极化机理
• 由于阳离子的交换特性，在岩石 颗粒和周围溶液得分界面上形成 双电层：靠近界面的部分，阳离 子被固相表面的异性电荷吸引， 不能自由活动，形成紧密层；稍 微远离界面，吸引力减弱，阳离 子可以在一定范围内平行岩石颗 粒表面移动，形成分散层。
岩石颗粒 - 溶液界面上 的双电层结构
电子导体的激发极化过程
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电子导体的激发极化机理
• 外电流断开后，维持过电位的能源已不存在，堆积 在界面两侧的异性电荷将通过界面本身、电子导体 内部及周围的溶液放电，如图（c）所示，使界面 上的电荷分布逐渐恢复到正常的双电层；与此同时， 过电位亦随时间逐渐减少，直至最后消失。这就是 过电位的放电过程。
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1. 岩（矿）石的激发极化机理
• 实验研究表明，电子导体（包括大多数金属矿和石 墨及其矿化岩石）的激发极化机理与电化学中供电 电极的电解极化相同，是电子导体与其周围溶液的 界面上发生过电位（Overvoltage）的结果。 • 一般造岩矿物为固体电解质，属离子导体，在野外 和室内也能观测到较明显的激电效应。关于离子导 体的激发极化，一般都认为与岩石颗粒和周围溶液 界面上的双电层有关。