(4)充电法和自然电场法

关于在电子导体与围岩中离子溶液间电化 学电场的形成原因，迄今仍然是一个需要 探讨的复杂问题，它与矿体的成分以及围 岩中离子溶液的性质等许多因素有关。以 电化学理论可知，在电子导体与围岩溶液 的交界面上存在着双电层，即电极电位。

当导体成分及围岩中离子溶液性质均匀时， 整个界面便形成均匀、封闭的双电层，正 负电荷相互平衡，系统处于中性状态，对 外不形成电场。当导体成分或溶液性质不 均匀时，在导体的不同部位便形成了不同 的电极电位，整个系统便呈现出极化状态， 并在导体及离子溶液中形成自然电场。
电场的方向将视溶液中离子的符号而定， 例如当两种岩层中含氯化钠的水溶液浓度 相差较大时，扩散电场的符号将取决于钠 离子和氯离子的迁移率，由于氯离子的迁 移率大于钠离子，因而在浓度小的溶液一 侧的含水岩层中便会获得负电位，从而形 成扩散电场。

扩散电场的数值一般比较小，因为迁移 率不同的离子之间总存在着一种吸引力， 这将使它们之间的迁移速度减小。虽然 扩散电场较小，有时还是可以利用它圈 定埋藏不深的矿化水分布区和进行小范 围内的地质填图。


在自然条件下，多孔岩石中的扩散电场与 过滤电场同时产生，即在不同浓度溶液扩 散作用发生的同时，岩石颗粒对某些离子 也将产生吸附作用，从而同时形成了过滤 电场。已如前述，除了电化学电场、过滤 电场及扩散电场外，在地表还能观测到由 其它原因所产生的自然电场，.
如大地电流场、雷雨放电电场等，这些均为 不稳定电场，在水文及工程地质调查中尚未 得到实际应用 二、自然电场法的应用 在水文与工程地质调查中，自然电场 法也是应用较为广泛的物探方法之一
梯度法是使测量电极
MN保持一定，沿 测线移动逐点观测电极间的电位差 UMN，同时记录供电电流IMN。其测量 结果为UMN/IMN.梯度法的测量结果一 般记录在MN中点。
以三轴椭球状理想导体为例来分析 一下充电电场的空间分布。 图8.1.2为充电椭球体上沿不同方 位剖面所计算的电位及梯度剖面曲线. 图8.1.2(a)表示在直立薄脉上主横剖 面充电电场的空间分布，在脉顶正上 方对应着电位的极大值，电位曲线左、 右对称。

顺便指出，过滤电场的强度在很大程度 上取决于地下水的埋藏深度以及水力坡 度的大小。当地下水位较浅，而水力坡 度较大时，才会出现明显的自然电位异 常。


在利用自然电场法找矿时，过滤电场便成 为一种干扰。但是在解决某些水文工程地 质问题时，如研究裂隙带及岩溶地区岩溶 水的渗漏以及确定地下水与地表水的补给 关系等方面，过滤电场便成了主要的观测 和研究对象。

自然电场法由于其成因关系也常用于地质填 图和解决某些专门的水文、工程地质问题。 一、自然电场的成因 1.电子导体自然电场的成因 利用自然电场法来寻找金属矿床时， 主要是基于对电子导体与围岩中离子溶液间 所产生的电化学电场的观测和研究。
实践表明，与金属矿有关的电化学电场通 常能在地表引起几十至几百毫伏的自然电 位异常。由于石墨也属于电子导体，因此 在石墨矿床或石墨化岩层上也会引起较强 的自然电位异常，这对利用自然电场法来 寻找金属矿床或解决某些水文工程地质问 题是应该特别注意的。
第八章 其它电探 方法
充电法
第八章
其它电探方法
第一节
充 电 法
充电法最初主要用于金属的详查及勘探阶段， 后来，充电法在水文、工程地质调查中也被 用来测定地下水的流速、流向，追索岩溶发 育区的地下暗河、城市管线探测等。
一、充电法的基本原理 当对具有天然或人工露头的良导地 质体进行充电时，实际上整个地质体就 相当于一个大电极，若良导地质体的电 阻率远小于围岩电阻率时，我们便可以 近似地把它看成是理想导体。

由于它所观测的是天然电场，无需人工 供电，因此，仪器设备比较简单，只需 一台电位计及相应的辅助设备便可。自 然电场法的野外工作也需首先布设测线 测网，测网比例尺应视勘探对象的大小 及研究工作的详细程度而定。
一般基线应平行地质对象的走向，测
线应垂直地质对象的走向。 野外观测有 电位法及梯度法两种:

当地质体不能被视为理想导体时， 充电电场的空间分布将随充电点位 置的不同而有较大的变化。所以， 充电法也是利用地质对象与围岩间 导电性的差异为基础，解决地质问 题的一类电探方法。
为了观测充电电场的空间分布，充电法 在野外工作中一般采用两种测量方法: 一种是电位法、 一种是梯度法。

电位法是把一个测量电极 (N)置于无穷远 处，并把该点作为电位的相对零点。另一 个测量电极 (M)沿测线逐点移动，从而观 测各点相对于“无穷远”电极间的电位差， 用电流归一。测量结果为（U/I）。

梯度曲线反对称于原点，在模型左侧
出现极大值，右侧出现极小值，充电 模型上方出现梯度曲线零值点； 图8.1.2(b)表示在水平薄脉上主纵剖 面充电电场的空间分布，。
在模型上方出现平缓的电位极大值，
在模型两侧电位曲线急剧下降，曲线 形态依然呈左右对称。 梯度曲线在模型上方出现零值，左 端为极大值，右端为极小值

为便于比较，一般在投盐前应进行正常场 测量，若围岩为均匀各向同性介质时，正 常场等位线应近似为一个圆。投盐后测量 便测得异常等位线。由于含盐水溶液沿地 下水流动方向缓慢移动，因而使等位线沿 水流方向具有拉长的形态。
显然，溶液移动了L长的距离，于是，地 下水的流速便可按下式求出 v=L/t 另外，从正常等位线的中心与异常等位 线中心的连线便可确定地下水的流向。 当含水层埋深较小、地下水流速较大、 围岩均匀且电阻率较高时，用该方法测 定地下水的流速、流向能得到较好的效 果。

为确定区域地下水的流向，自然电场 法的观测应在事先选择好的水文观测 点上进行，这些观测点应均匀分布于 全区。各测点均应布设环形测网，圆 环半径应视地下水面的深度而定，一 般应选为地下水深度的两倍。
在圆周上按一定角度 (150300)布置 测点，将MN极安放在同一直径的两个 测点上，测量MN两点间的电位差。将 各方位线上的测量值按适当的比例尺 绘出，连接各方位上的端点便构成8 字形的环形图，其长轴的正电位方向 便代表该点地下水流方向。。
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图8.1.2(c)表示在倾斜薄脉上主横剖面 充电电场的空间分布，显然，电位及梯度 曲线均不对称，在模型倾向一侧电位曲线 变缓，梯度曲线的极值幅度较小,在反倾向 一侧，电位曲线变陡，梯度曲线的极值较 大。
不难理解，当充电模型为理想充电球体 时，则主剖面上的电位及梯度曲线，其形 态将不再随剖面的方位而改变。这时，电 位等值线的平面分布将为一簇同心圆。


理想导体充电后，在导体内部并不产生 电压降，导体的表面实际上就是一个等 位面，电流垂直于导体表面流出后便形 成了围岩中的充电电场。显然，当不考 虑地面对电场分布的影响时，则离导体 越近，等位面的形状与导体表面的形状 越相似，
在距导体较远的地方，等位面的形状便 逐渐趋于球形。 可见，理想充电电场的空间分布将主要 取决于导体的形状、大小、产状及埋深， 与充电点的位置是无关的。 图8.1.1为充电法原理示意图。

根据上述推断成果，在异常带a处布 置了两个验证钻孔，均发现了地下暗河的 存在。在推断为支流或充水裂隙带的c处 也布设了钻孔，但只见有溶蚀现象。

第二节 自然电场法

自然电场是一种直流电场，往往和地下水 的运动和岩矿的电化学活动性有关，观测和 研究这种电场的分布，
可解决找矿勘探或水文、工程地质问题， 我们把它称为自然电场法。 自然电场法是电法勘探中应用最早的一种 方法，由于它不需要人工施加电场，所以 在仪器、设备及野外工作方法方面都较任 何一种其它电探方法简单。
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2．追索岩溶区的地下暗河 岩溶区灰岩电阻率高达 nxl03· m，而溶洞水的电阻率共有 nxl0· m，二者电性差异明显。在地形 地质条件有利的情况下，利用充电法 可以追踪地下暗河的分布及其延伸情 况。

首先把充电点选在地下暗河的出露 处，然后在垂直于地下暗河的可能 走向方向上布设测线，并沿测线依 次进行电位或梯度测量。
图8.1.4为应用充电法追索地下暗河的应用 实例。通常在进行充电法工作时，显然， 当将全部测量剖面上电位曲线的极大点及 梯度曲线的零值点连接起来，这个异常轴 就是地下暗河在地表的投影

图8.1.5为某铁路工区在进行工程地 质调查时利用充电法了解岩溶区地下暗 河的分布状况。从电位梯度曲线的平面 分布来看，异常呈有规律分布，零值点 的连线就是地下暗河在地表的投影。

自然状态下的金属矿体，当其被潜水面切 割时，由于潜水面以上的围岩孔隙富含氧 气，因此，这里的离子溶液具有氧化性质， 所产生的电极电位使矿体带正电，围岩溶 液中带负电。随深度的增加，岩石孔隙中 所含氧气逐渐减少，到潜水面以下时，已 变成缺氧的还原环境。

因此，矿体下部与围岩中离子溶液的界面 上所产生的电极电位使矿体带负电，溶液 中带正电。矿体上、下部位这种电极电位 差随着地表水溶液中氧的不断溶入而得以 长期存在，
电位法是观测所有测点相对于总基点
(即正常场)的电位值；而梯度法则测 量测线上相邻两点间的电位差。两种 方法的观测结果可绘成平面剖面图及 平面等值线图

自然电场法除了在金属矿的普查勘探 中有广泛地应用外，在水文地质调查 中通过对离子导电岩石过滤电场的研 究，可用来寻找含水破碎带、上升泉， 了解地下水与河水的补给关系，确定 水库及河床堤坝渗漏点等。此外，自 然电场法还可以用来了解区域地下水 的流向等。
因此，自然电场通常随时间的变化很小， 以至我们可以把自然电场看成是一种稳定 电流场。其在矿体及围岩中的电场分布见 图8.2.1。 顺便指出，关于电子导体自然电场的 形成机制至今还不完全清楚，
2．离子导体自然电场的成因 (1)过滤电场 当地下水溶液在一定的渗透压力作 用下通过多孔岩石的孔隙或裂隙时，由于 岩石颗粒表面对地下水中的正、负离子具 有选择性的吸附作用，便出现了正、负离 子分布的不均衡，因而形成了离子导电岩 石的自然极化。