充电法和自然电场法
其他电法：充电法和自电法
属传导类、主动源直 流电法
2
一、充电法的基本原理
1. 理想导体：
所谓理想导体是指导
体本身的电阻率为零。其 特征该导体位于一般导电
介质中，向其导体上任何
一部位接通外加电源供电 时（充电），导体均为电
压等位体；电流遍及整个
导体，无电位降，而后垂 直表面流向周围介质之中。 充电导体附近电流线和等电位线的分布 (a)剖面图; (b)平面图; 1—电流线; 2—等电位线 如右图所示
，分别为电位测量法、追踪
等位线法和梯度测量方法。
（1）电位观测法：将测量电极N置于距导体足够远的 某一固定基点上接地，另一测量电极M沿测线驻点移 动，观测各测点相对于固定基点N的电位差值，这个 差值即作为该点电位值U。
（2）电位梯度观测法：如右图所示，将M、N置于同 一测线的两相邻测点上，保持其相对位置和间距不变， 沿测线逐点移动，观测相邻测点间的电位差△UMN， 则M、N中点处的电位梯度值为： △UMN/MN 为消除电流的影响，用△UMN/MN*I 作为观测结果。
（a）电流场表达式
设：坐标原点位于椭 球体的中心，x，y，z 坐标轴分别与3个半径 重合。 椭球体表面方程为:
充电椭球体 9
求解椭球坐标系的拉普拉斯方程，得出 球外任一点电位：
t0为M点的椭球坐标，若M的笛卡尔坐标（x，y，z）， 则t0为方程 的最大实根。
10
（b）电流场分布规律
①平面分布规律
（3）充电体对称，充电位置对称于导体的几何形状
充电电流场呈对称分布，并与理想导体条件的电流场分布 相近，但其电场分布值和变化率与充电导体的电阻率有关。
强调：若地表不水平，充电体的围岩介质不均匀，会导致充电
场的分布复杂化。
电法勘探部分习题答案
第一章电阻率法1、哪些因素对岩石电阻率有影响，其中哪些因素影响比较重要？⑴矿物成分、含量及结构金属矿物含量↑，电阻率↓结构：侵染状＞细脉状⑵岩矿石的孔隙度、湿度孔隙度↑，含水量↑ ，电阻率↓风化带、破碎带，含水量↑，电阻率↓⑶水溶液矿化度矿化度↑ ，电阻率↓⑷温度温度T↑，溶解度↑，离子活性↑，电阻率↓结冰时，电阻率↑⑸压力压力↑ ，孔隙度↓ ，电阻率↑超过压力极限，岩石破碎，电阻率↓⑹构造层的问题这种层状构造岩石的电阻率，则具有非各向同性，即岩层理方向的电阻率小于垂直岩层理方向的电阻率主要影响因素为岩石的孔隙度，含水性及水的矿化度。
当岩石含金属矿物、碳质和粘土等良导性矿物时，矿物成分对电阻率的影响明显。
2、岩石结构和构造如何影响岩石的电阻率？岩、矿石中某种组成部分对整体岩、矿石电阻率影响的大小，主要决定于它们的连通情况：连通者起的作用大，孤立者起的作用小。
例如，浸染状金属矿石，胶结物多为彼此连通的造岩矿物，故整个矿石表现为高阻电性；又如含水砂岩，其胶结物为彼此相连、导电性好的孔隙水，故含水砂岩的电阻率通常低于一般岩石的电阻率。
3、岩石电阻率的分布规律？1、质地致密、孔隙度低的火成岩、变质岩和沉积岩中的灰岩、白云岩、砾岩电阻率最高，其变化范围大约在；大多数沉积岩因为具有中等孔隙度，因而也具有中等电阻率，大约在数百左右；孔隙度比较高、又富含粘土矿物的第四系粘土、页岩、泥岩的电阻率比较低，一般在；致密硫化矿体、海水、石墨的电阻率最低，仅有。
2、同类岩石的电阻率并不完全相同，而是有一两个数量级的相当大的变化范围。
3、不同类型岩石的电阻率变化范围往往相互重叠。
103~10510~10210-2~10、列举求解稳定电流场电位时的边界条件。
、何谓电阻率，何谓视电阻率，说明它们的异同。
当地表不水平或者地下电阻率分布不均匀时（存在两种或者两种以上介质），仍然采用均匀介质中的供10.根据地下电流场变化规律，定性分析三级装置B‐MN在过直立接触面时的视电阻率曲线。
自然电场法
围岩溶液则因缺氧而具有较多的还原性质，这样 导体上、下部分总是处于不同的溶液中，处于氧化 带中的矿体上部将被氧化，处于还原带中的矿体下 部将被还原，下面以黄铁矿（硫化铁 FeS2）为例， 说明这一电化学过程。 先讨论氧化作用。黄铁矿和水及水中的氧发生作 用而变为亚硫酸铁，化学反应式如下： 2Fe+2S2+2H2O+7O2=2Fe+2SO4+2H2SO4。 亚硫酸铁再被氧化，并和硫酸作用，将生成硫酸铁： 4Fe+2SO4+2H2SO4+O2=2Fe2+3(SO4)3+2H2O。
该区利用自然电场法作为主要的普查手段， 在很短时间内扩大了原已勘探的Ⅰ号矿体的 规模，并发现了十二个自然电场异常，其中 除一个推断为炭质板岩外，其余十一个异常 经钻探验证，有八个异常见矿。图3.3—4给 出了其中两个典型剖面曲线，矿体上对应有 －200~－400mV的异常。
图3.3—4 青海某铜然矿床自然电位综合剖面图 1-超基性岩；2-浮土；3-矿体；4-氧化矿；5-平巷
最后分析矿体氧化—还原电场的特点。从图 3.1—1中可以看出：在氧化带中，矿体带正电荷， 而周围溶液带负电荷；在还原带中，情况相反。 由此可知，在矿体内部电流线是从上向下的，而 在矿体外部电流线是从矿体下部到矿体上部的， 在地面上看，自然电流从四面八方流向导体，因 此离导体越近，电位越低。在矿体正上方的电位 最低，称为自然电位负中心，在硫化金属矿和磁 铁矿体上，可以测到几十到几百mv的负电位异 常；在石墨或石墨化程度较高的岩层上，可以测 到800—900mv甚至更高的负电位异常。
因此，电子导体周围产生稳定电流场的条件是： 导体或溶液具有不均匀性，并有某种外界作用 保持这种不均匀性，使之不因极化放电而减弱。 如图3.1—1所示，赋存于地下的电子导电矿体， 当其被地下潜水面截过时，往往在其周围形成 稳定的自然电场。其原因是，潜水面以上的围 岩中，由于靠近地表，加上地表水的淋滤渗透 而富含氧，使这里的围岩溶液具有氧化性质。 随着深度的增加，岩石孔隙中所含氧气逐渐减 小。当到达潜水面以下时，
爱课程电法课后习题
1、地球物理勘探?它是以岩矿石(或地层)与其围岩的物理性质差异为物质基础，用专门的仪器设备观测和研究天然存在或人工形成的物理场的变化规律，进而达到查明地质构造寻找矿产资源和解决工程地质、水文地质以及环境监测等问题为目的勘探，叫地球物理勘探，简称物探。
2、地球物理勘探方法特点？1.当利用地球物理勘探方法进行勘探时，被勘探的目标体与其围岩间必须有物性差异；2.必须使用专门的仪器接收地球物理场的变化；3.它是个反演问题，所以存在着多解性。
3、电法勘探？电法勘探是以岩(矿)石之间的电性差异为基础，通过观测和研究与这种电性差异有关的电场或电磁场的分布特点和变化规律，来查明地下地质构造或寻找矿产资源的一类地球物理勘探方法。
第一节绪言习题参考答案1、什么是电法勘探？到目前为止，电法勘探利用了哪些物理性质？（10分）答：电法勘探是地球物理勘探方法中的一种勘探方法，它以岩、矿石的导电性、电化学活动性(激发极化特性)、介电性和导磁性的差异为物质基础，使用专用的仪器设备，观测和研究地壳周围物理场的变化和分布规律，进而达到解决地质问题为目的的一组地球物理勘查方法。
电法勘探利用的物理性质有：导电性、电化学活动性(激发极化特性)、介电性和导磁性2、简述电法勘探的特点答：简单说是三多一广，即利用的场源形式多、方法变种多、能解决的地质问题多，工作领域（地面、航空、海洋、地下）宽广。
3、简述影响岩、矿石导电性的因素答：（1）组成岩矿石的成分和结构，包括胶结物和颗粒的电阻率、形状及相对含量；（2）岩石的湿度和孔隙度；（3）温度；（4）压力。
4、什么是自然极化?答：是由不同地质体接触处的电荷自然产生的（表面极化）或由岩石的固相骨架与充满空隙空间的液相接触处的电荷自然产生的(两相介质的体极化)。
5、什么是面极化?什么是体极化?答：面极化是指激发极化发生在极化体与围岩溶液的界面上，如致密的金属矿或石墨矿属于此类。
体极化是指极化单元(指微小的金属矿物、石墨或岩石颗粒)呈体分布于整个极化体内，如浸染状金属矿石和矿化、石墨化岩石以及离子导电岩石均属这一类。
第二章 充电法和自然电场法
图 2.2.4 充电法追索地下暗河 Ⅰ—电位曲线；Ⅱ—电位梯度曲线；Ⅲ—地表； Ⅳ—潜水面；Ⅴ—暗河
钻孔，均发现了地下暗河，在推断为支流或充水裂隙带的 c 处也布设了钻孔，但只见到溶蚀 现象。
2.2
自然电场法
电法勘探除广泛利用各种人工电场外， 某些情况下还可以利用由各种原因所产生的天然 电场。 我们能够观测和利用的天然电场有两类： 一类是在地球表面呈区域性分布的大地电流 场和大地电磁场， 这是一种低频电磁场， 其分布特征和较深范围内的地层结构及基底起伏有 关。另一类是分布范围仅限于局部地区的自然电场，这是一种直流电场，它往往和地下水的 运动和岩、矿石的电化学活动性有关。通过观测和研究这种自然电场的分布，以进行地质填 图、找矿或解决水文、工程及环境地质问题的电法勘探方法，称为自然电场法。
也将随着溶质移动， 但不同离子的移动速度不同， 结果使两种不同浓度的溶液分别含有过量 的正离子或负离子，从而形成扩散电动势。电场的方向将视溶液中离子的符号而定，例如， 当两种岩层中含氧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，而浓度大的溶液一侧的含水岩层中则显示正电位，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 它们的迁移速度减小。 仅管如此， 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 小范围的地质填图。 在自然条件下， 多孔岩石中的扩散电场常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会产生吸附作用，形成过滤电场。 2.2.2 自然电场法的应用 在水文地质与工程地质调查中， 自然电场法是应用较为广泛的物探方法之一。 由于它所 观测的是天然电场，不需要电源和供电电极，因此，仪器设备比较简单。自然电场法所用的 仪器与电阻率法相同，但测量电极不是铜棒，而是不极化电极，其目的是为了减小两电极间 的极差对测量结果的影响。 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，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 分电位法及电位梯度法两种：电位法是观测所有测点相对于总基点（即正常场、电位为相对 零值）的电位差值；而电位梯度法则测量测线上相邻两点间的电位差。观测结果可绘成剖面 平面图和等值线平面图。
2.2充电法
3.1 激发极化效应及其成因
1．电子导体激电场的成因 在电场作用下，当电流通过电子导体与围岩溶液的界面时，导体内部 的电荷将重新分布，自由电子逆电场方向移向电流流入端，使其等效 于电解电池的“阴极”；在电流流出端则呈现出相对增多的正电荷， 使其等效于电解电池的“阳极”。
图2.3.1 电子导体的激发极化效应 （a）供电前的均匀双电层；（b）供电时的极化现象；（c）断电后的放电现象
1. 理想导体： 所谓是指导体本身的电阻率为零。 若围岩为均匀电性介质，其空间等位面分布与充电 导体形状相似；其相似程度与相距充电体的距离成 反比。
为了观测充电电场的空间分布，充电法野外工作一般 采用两种测量方法： 电位法 电位梯度法。
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，观测各点相对于“无穷远”电极间的电位差。
图2.2.11 我国某区域潜水流向图 1—铁路；2—自电环形图；3—等水位线
第三章 激发极化法
激发极化效应（简称激电效应）：当向大地供入电流或 切断电流的瞬间，在测量电极之间总能观测到随时间变 化的电位差，这种在充、放电的过程中，产生随时间缓 慢变化的附加电场的现象 激发极化法（或称激电法）：就是以岩、矿石激发效应 的差异为基础，通过观测和研究大地激电效应来探查地 下地质情况或解决某些水文地质问题的一类电法勘探方 法。 采用直流电或交流电都可以研究地下介质的激电效应， 前者称为时间域激发极化法，后者称为频率域激发极化 法。
电位梯度法： 是使测量电极MN 的大小保持一定（通常为1-2 个测点 距），沿测线移动，逐点观测电极间的电位差U MN ， 同时记录供电电流，其结果用U MN /(MN· I ) 来表示
电法勘探知识总结(精华)
（二）均匀各向同性半空间点电源的电场
在物理学中，恒定电场是用三个相互有联系的物理量V（电位） 、E（电场强度）和 j（电流密 度）来描述的，其间的关系为：
dv=-Edr
,
E=j ·ρ
设地面水平，与不导电的空气接触，介质充满整个地下半空间，且电阻率在介质中处处相等， 称这样的介质模型为均匀各向同性半空间。 （地面水平、地下为均匀、无限、各向同性介质）
判断矿体是否相连相邻不相连导电矿脉上两个相邻且相连导电矿脉上的的电位梯度异常曲线电位梯度异常曲线充电法电位平面等值线图判断矿体倾向充电法判断相邻两露头矿体是否相连一自然电场法自然条件下无需向地下供电通过一定的装置形式地面两点间通常也能观测到一定大小的电位差这表明地下存在天然电流场简称自然电场
电法勘探
s
jM N MN j0
在分析一些理论计算、模型实验及野外 地面观测结果时，经常要用到它。
重新分析：
S
(a)
s
jM N j0
M N
1
X
A(+I) (b)
B(-I)
2
1
3
结论：当地下只有一种岩石时，两式是相同的，故按视电阻率的计算式算得的ρs 值等于
岩石真电阻率ρ值。ρs 剖面曲线乃为一条数值等于 p 的直线。
B M
A(I)
L h
o
L
B(-I)
jA h =
I 2(L + h )
2 2
= jB M
jB M
j h 2 j hA cos
jh 的方向平行于地表
Iຫໍສະໝຸດ L ( L2 h 2 ) 3 / 2
M
jh
jA M
上式表明，AB 中垂线上任意一点 M 处 j 的大小，除与 I 有关外，还与 M 点的深度（h） 及电极距大小有关 当 h→∞, jh → 0
中国地质大学电法复习答案
中国地质⼤学电法复习答案⼀、名词解释：1、视电阻率：在地下岩⽯电性分布不均匀或地表起伏不平的情况下，若仍按测定均匀⽔平⼤地电阻率的⽅法计算的结果称之为视电阻率，以符号S ρ表⽰,MN S U k Iρ?=。
2、各向异性系数：由不同电阻率薄层岩⽯交替形成的层状岩⽯，其电阻率具有⾮各向同性，并且总是沿层理⽅向的电阻率ρt ⼩于垂直于层理⽅向的电阻率ρn ，则定义ρn/ρt 的平⽅根为其各向异性系数。
3、偶极剖⾯的正交特性：对板状体情况⽽⾔，电阻率不同和产状呈正交，⽽异常形态、特点和分布规律相同的现象被称为偶极剖⾯法异常的“正交特性”。
4、电阻率的饱和效应：即使导电性差异再增⼤，电阻率异常也不会再有明显的增加，⼈们将这种现象称为视电阻率异常的饱和效应。
5、S 等值性：三层电测深H 、A 型曲线中，当1ρ、1h 和3ρ相同时，在⼀定范围内按⽐例改变2h 和2ρ，保持2S 值不变，导致不同的地电断⾯对应形状⼏乎相同的S ρ电测深曲线。
6、T 等值性：三层电测深的K 、Q 型曲线中，当1ρ、1h 和3ρ相同时，只要保持2T 值不变，虽然层参数 2h 和2ρ不同，但对应的三层曲线⼏乎⼀样。
7、波阻抗：介质对电磁波传播的⼀种物理特性，据此特性可确定介质的电阻率和磁导率。
8、平⾯电磁波：在每个固定的时刻波的相位波前是个⽔平⾯的电磁波，就是电场E 和磁场H 在波的传播中位于同－个平⾯上，并且E 和H 都与传播⽅向相垂直。
9、穿透深度：在均匀介质中，平⾯波沿 Z 轴⽅向前进振幅衰减为地表（z ＝0）值的1/e 倍时的距离，称为趋肤深度，⼜称为穿透深度。
10、波数：亥姆霍兹齐次⽅程中的系数，即ωσµεµωi k+=22，在导电介质中忽略位移电流。
11、远区、近区：频率测深法中当观测点到发射源的距离r 远远⼤于电磁波在岩⽯中波长λ 1 的1/2π倍时，|k 1r|>>1，那⾥的地层波⼏乎全部衰减殆尽，只有⽔平极化平⾯波垂直⼊射，这个区域称为波区，⼜称远区；当|k 1r|<<1时，地层波占主导，电磁波近似为球⾯波传播，该区域称为S 区，⼜称近区。
管线探测方法
管线探测方法(1)磁电充电法(或称直连法)：发射机一端接金属管线，另一端接地，将交变电流直接注入地下金属管线，观测管线电流产生的磁场。
可对各种金属管线进行扫描定位、测深、连续追踪并区分相邻管线。
由于管线电流产生的信号很强，故信噪比和分辨率均较高，水平定位、垂直测深精度最高，但必须有金属管线出露点。
在各种方法中，探测效果最好。
(2)电偶权感应法：发射机两端接地，在金属管线中产生感应电流，观测管线电流激励的电磁信号。
可搜索、追踪地下各种金属管线。
管线不需有地表露头，且信号较强，但应具备接地条件。
在有接地条件的地段，可用来探测金属管线。
(3)磁偶极感应法：由发射线圈产生一次交变电磁场，使金属管线产生感应电流．观测管线中感应电流在地面上产生的二次电磁场以确定管线在地下的分布状态。
在无管线露头及不具备接地条件的城市可用来确定管线走向、平面位置和埋深。
仪器操作员活、方便、效率高、效果好，是目前应用最多的一种有效方法，但探测深度一般小于5m，并且相邻管线干扰严重。
在磁偶极感应法中，若将发射线团(磁偶极子)送人管道内，在地面观测它产生的电磁场，则可以探测管道的位置和深度，而且特别适用于非金属管道的探测。
探测深度大、效果好；但操作麻烦、成本高，探头容易在管道中遇阻或遇卡。
(4)信号夹钳法：用信号夹钳套在金属管线上，使其产生感应电流，观测该电流的磁场。
特点是：信号强，探测精度高，易分辨相邻管线，但必须有管线出露点，可用来对管径较小，且有出口点的金属管线进行定位和定深。
(5)50Hz法：利用动力电缆、邻近电缆或工业离散电流在金属管线中产生的50 Hz感应电流激励的电磁场，可探测动力电缆或金属管线。
这种方法探测成本低、效率高、简单方便，但容易受到其他动力电缆的干扰，有的机型仅用接收机不能直读测深，可作为一种辅助性的探测方法。
(6)甚低频法：利用甚低频(超长波)通讯电台发射的电磁被在地下金属管线中产生的感应二次电磁场来探测地下金属管线。
地质勘查中物探方法的特点比较
地质勘查中物探方法的特点比较摘要：在地质勘查工作实践中，相对于钻探法的成本高、风险大、周期慢、连续性较差等弊端，地球物理勘查方法（简称物探法）以其成本低、效率高、方便快捷、整体性/连续性较好而备受关注，应用范围也日益拓展。
随着科技的发展，物探技术、设备、手段也日益完善和多样化。
地质勘探工作中，物探技术十分常见，其对于工程安全性有着促进作用。
勘察人员需科学选择物探方法，充分展现物探技术的作用与价值。
本文就将比较地质勘查中物探方法的特点，以促进勘察工作的顺利开展。
关键词：地质勘查；物探方法；特点比较0引言地质勘查的综合性较强，涵盖较多的工作内容。
为保证勘察质量，需结合实际选择切实有效的勘察技术。
我国地质勘查方法日渐丰富，但是与发达国家相比，我国的地质勘查工作依然存在着一定不足，需要采取科学有效的应对措施。
1?物探方法的特点地质条件本身具有多变性，不同的地质磁场、地震波场以及地震场存在明显的区别。
对此，应结合实际采取不同类型的物探技术，认真分析不同地质结构的物理特性。
物探的探测深度较小，探测深度通常思维浅层地表，该技术可满足探测的要求。
且物探技术的探测精度较高，应用物探技术能够提高地址探测的精度，严格控制平面误差，使其不超过标准范围。
2?地质勘查中物探方法的特点比较2.1?电法勘探2.1.1?传导类电法勘探电测探法中，对称四级电测探法能够探测倾角不足20°或水平岩层电性层及电阻率和埋深等参数。
电剖面法分为联合剖面法和中间梯度法，前者能够探测陡峭的岩层和脉状低阻体或断裂破碎带，后者则可探测产状较陡的高阻薄脉。
高密度电法应用于地基勘察和坝基选址等环节，其对岩溶塌陷和煤矿采空区也具有一定作用。
自然电场法主要勘测埋藏深度较小的金属硫化物矿床及部分金属氧化物矿床，有效探寻石墨和无烟煤，明确断层的具体位置，找到含水破碎带，明确地下水的主要流向。
充电法主要用来明确充电导体的形状和范围、顶部边界，在探测良性多金属矿床和无烟煤等方面具有积极作用。
14-电法勘探-直流电法-充电法和自然电场法
3、岩石中地下水运移的电动效应(过滤电场)
由于岩石颗粒对水溶液中负离子有吸附作用，岩石颗粒 与溶液间形成双电层。当地下水静止时，整个系统呈电性 平衡，不产生外电场。地下水流动时，带走溶液中的部分 正离子，水流上游有多余“负离子”，而在水流的下游有 多余的“正离子”，形成极化，从而形成自然电场。
4、岩石中不同浓度溶液离子的扩散作用
在充电体表面附近，电位面 的形状与充电体的形状一致。 远离充点体，等位面趋于圆 形。
等位V为对称曲线；电位梯
度 △V/△X 为反对称曲线，
即在充点体顶部中心,电位 梯度为零,其正、负极值对 应于充电边缘部分
（2）脉状体倾斜时，电位曲线及电位梯度曲线均不对称
电位曲线的极大点与电位梯度的 零值点均向倾斜方向移动。电位 曲线在倾斜一边曲线平缓，在倾 斜相反方向曲线较陡；电位梯度 曲线在倾斜一边曲线平缓，梯度 绝对值小；在倾斜相反方向曲线 陡，梯度绝对值大。
当两种浓度不同的溶液相互接触时，会产生扩散现象。带 电离子由浓度高的溶液向浓度低的溶液里扩散。但正、负离子 的扩散速度不同，使两种不同离子浓度的溶液分解面上分别含 有过量的正离子或负离子，形成电位差。这种由扩散作用引起 的自然电场称为扩散电场。
2.2 自然电场法的装备及工作方法
装备特点： ①不需要电源和供电电极 ②测量电极不用铜棒，而是“不
（3）自然界中，导体都不是等位体(即 ρ0≠0),对其充电后，充电体
上各点的电位并非都相等。
（1）当充电点位于不等位体边缘时，电位及电位梯度曲 线都不对称； （2）当充电点位于不等位体中心时，电位及电位梯度曲 线均成对称分布(很难与等位体区分开来)
因此，在解释中，必须充分考虑到： ①充电导体自身的电阻率（是否满足理想导体的条件） ②充电体与围岩电阻率差异（是否满足 ρ0<<ρ围 ）； ③充电点的位置。
5充电法与自然电场法
一、充电法的基本理论 为了能正确地应用充电法来解决地质问题，首先需要了 解充电电场与充电体形状、大小、位置及周围岩石中电性分 布的关系。我们就来讨论这些问题。 （一）球形导体的充电电场 理想导电球体的充电电场实际上与位于球心的点电源场 没有区别。地表电位、电位梯度的表达式
I 1 U 2 1/2 2 ( x 2 y 2 h0 )3/ 2 U I x 2 x 2 ( x 2 y 2 h0 )3/ 2
但在一定条件下，某些物质或某个系统的正、负电荷会彼此分 离，偏离平衡状态，通常称这种现象为“极化”。某些岩石和
矿石在特定的自然条件下会呈现出极化状态，并在其周围形成
自然电场，这便是岩、矿石的自然极化。
（一）电子导体的自然极化
当电子导体和溶液接触时，由于热运动，导体的金属离子 或自由电子可能有足够大的能量，以致克服晶格间的结合力越 出导体而进入溶液中。从而破坏了导体与溶液的电中性，分别 带异性电荷，并在分界面附近形成双电层，此双电层的电位差 称为所论电子导体在该溶液中的电极电位。它与导体和溶液的 性质有关。若导体及其周围的溶液都是均匀的，则界面上的双 电层也是均匀的，这种均匀、封闭的双电层不会产生外电场。 如果导体或溶液是不均匀的，则界面上的双电层呈不均匀分布， 产生极化，并在导体内、外产生电场，引起自然电流。这种极 化所引起电流的趋势是减少造成极化的导体或溶液的不均匀性。 故若不能继续保持原有的导体或溶液的不均匀性，则因极化而 引起的自然电流会随时间逐渐减小，以至最终消失。因此，电 子导体周围产生稳定电流场的条件是：导体或溶液具有不均匀 性，并有某种外界作用保持这种不均匀性，使之不因极化放电 而减弱。
三、自然电场法的应用
自然电场法是进行硫化金属矿和石墨矿快速普查、乃至 详查的有效方法；在水文地质和工程地质调查中也应用相当 广泛；还常常利用自然电场法普查找矿的面积性观测成果， 对石墨化或黄铁矿化地层和构造破碎带进行地质填图，提供 进一步找矿的远景地段。 自然电场法的观测方式和充电法的观测方式相似，最常 用的是电位观测法；当工作地区游散电流干扰严重时，可采 用电位梯度观测法；用于解决水文地质问题时，还可采用电 位梯度环形测量法。 与电阻率法和充电法不同，自然电场法不能用极化补偿 器来消除极差的影响，因此，测量电极需采用“不极化电 极”。常用的不极化电极有 Cu－CuSO4和 Pb—PbCl不极化 电极。
第二篇大地电场、自然电场法及充电法
图2.1.1 地电观测线路第二篇 大地电场、自然电场法及充电法第一章 大地电场地球表面存在着天然的变化电场和稳定电场。
天然的变化电场是由地球外部的各种电流系 在地球内部感应产生的，分布于整个地表或广大地区，一般具有较小的梯度。
天然的稳定电场 主要是由矿体、地下水和各种水系产生的，分布于局部地区，一般具有较大的梯度。
各种天然 的全球性或区域性的变化电场（电流场、电磁场），称为大地电场，而各种天然的地方性的稳 定电场，称为自然电场。
这两种电场总称为地电场。
本章仅讨论大地电场。
2.1.1 大地电场概述一 大地电场的测量测量大地电场的装置如图 2.1.1 所示。
M ，N 是一对埋 入地下的电极，一般埋深两米左右。
电极间的距离一般在 一公里以上，常用化学性质比较稳定的铅板制作电极，其面积约为 0.3×0.2m 2。
G 是座式电流计，灵敏度约为 10 －7—10 －9 A/mm 。
R 是一个阻抗较大的电阻，必须远大于两个电极之间的接地电阻。
这时，电流计就可以近似地记录M ， N 电极之间的电位差ΔU MN 。
由电位差ΔU MN 和极距 MN 可 算出测点O 处（M ，N 的中点）的平均电场强度 E MN ：MNU E MNMN D =（2.1.1）E MN 就是沿 MN 方向的电位梯度，一般以 mv/km 为单位。
大地电场是个矢量，因此，必须沿 x ，y 两个方向布设两组电极，分别测量出电场的北向 分量 E x ，和东向分量 E y ，才能确定测点 O 处大地电场的强度和方位角α：,22 y x E E E + = xy E E tg / = a （2.1.2）在固定台站上，为了获得较大的信号，电极距常取得很大。
表 2.1.1 给出了世界上几个著 名的地电台采用的极距。
流动台站采用的电极距较小，一般为 400 到 600米。
表2.1.1 几个国家的地电观测极距国 家 台 名 南北极距（公里）东西极距（公里）德 国 Barlin 120 262 美 国 Tueson 56.8 93.9 美 国College1.31.2图2.1.4 大地电场的对比性（1952.2.24 观测）英 国 Greenrich 25.0 15.6 澳大利亚 Watheroo 3.4及2.0 9.9及5.6 西 班 牙 Ebro 1.3 1.4 加 拿 大Chesterfield1.30.9二、 大地电场的特点图 2.1.2 是大地电场的两段记录。
水库大坝渗漏探测方法概述
水库大坝渗漏探测一般包括查明渗漏入口和 渗漏通道。查明渗漏入口的方法主要有直接观察 法 、示踪 法 、压水法和伪随机流场法;探测渗漏通道 一般采用物探方法，主要有自然电场法、充 电 法 、高 密度 电 法 、示 踪 法 、探 地 雷 达 法 、瞬变 电 磁 法 、激发 极 化 法 、大 地 电 磁 法 、弹 性 波 CT法 等 ，部分方法还 需要钻孔配合。
2 . 8 示踪法
根 据 示 踪 剂 的 来 源 不 同 ，示 踪 法 分 为 天 然 示 踪 法和人工示踪法。天然示踪法主要有温度示踪法、 电 导 率 示 踪 法 和 溶 氧 值 示 踪 法 ，人 工 示 踪 法 分 为 染 色 示 踪 法 、盐类示踪法和同位素示踪法等。天然示 踪 法 是 根 据 大 坝 下 游 渗 漏 水 的 水 温 、电 导 率 或 溶 解 氧 浓 度 与 大 坝 上 游 库 水 的 相 似 性 原 则 ，分 析 渗 漏 水 的来源，确定渗漏入口位置。人工示踪法是在水库 特 定 位 置 或 钻 孔 中 投 放 染 料 、食盐或 同 位 素 示 踪 剂 ，在大坝下游各渗漏水点或其他部位检测示踪剂 及 浓 度 ，分 析 上 游 水 库 与 渗 漏 水 的 来 源 关 系 ，确定 渗 漏 入 口 位 置 ，计 算 渗 流 速 度 。借助钻孔,示踪法 可查明渗漏通道的位置。
By HUANG Shiqiang: Leakage detection methods for reservoir dams
水库大坝渗漏探测方法概述
黄世强 ( 中 国 电 建 集 团 华 东 勘 测 设 计 研 究 院 有 限 公 司 ，浙 江 杭 州 ，311122)
摘 要 :水 库 大 坝 渗 漏 病 害 十 分 常 见 ，不仅影响工程效益，而且给水库大坝安全运行造成严重隐患,甚至导致溃坝
(4)充电法和自然电场法
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
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。
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。
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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。
电法勘探及分类
电法勘探及分类电法勘探及分类2010年07月13日星期二上午09：40电法勘探,什么是电法勘探?什么是电法勘探?电法勘探(electrical prospecting)是根据岩石和矿石电学性质(如导电性、电化学活动性、电磁感应特性和介电性，即所谓"电性差异")来找矿和研究地质构造的一种地球物理勘探方法。
它是通过仪器观测人工的、天然的电场或交变电磁场，分析、解释这些场的特点和规律达到找矿勘探的目的。
电法勘探分为两大类。
研究直流电场的，统称为直流电法，包括有电阻率法、充电法、自然电场法和直流激发极化法等；研究交变电磁场的，统称为交流电法，包括有交流激发极化法、电磁法、大地电磁场法、无线电波透视法和微波法等。
按工作场所的差别，电法勘探又分为地面电法、坑道和井中电法、航空电法、海洋电法等。
电法勘探的发展历史电法勘探方法可以追溯到19世纪初P.Fox在硫化金属矿上发现自然电场现象，至今已有100多年的历史。
我国电法勘探始于20世纪30年代，由当时北平研究院物理研究所的顾功叙光生所开创。
经过70余年的发展，我国的电法勘探无论在基础理论、方法技术和应用效果等方面都取得了巨大的进展，使电法成为应用地球物理学中方法种类最多、应用面最广、适应性最强的一门分支学科。
同时，经过广大地球物理工作者不懈努力，在深部构造、矿产资源、水文及工程地质、考古、环保、地质灾害、反恐等领域，电法已经和正在发挥着重要作用。
限于篇幅，本文仅对其中几种主要方法，如：高密度电法、激发极化法、CSAMT等作简要介绍，并就这些方法在水文和工程地质中的应用进行阐述，供广大水文和工程地质、工程物探人员参考电法勘探原理电法勘探是根据岩石和矿石电学性质(如导电性、电化学活动性、导磁性和介电性，即所谓"电性差异")来找矿和研究地质构造的一组地球物理勘探方法。
它是通过仪器观测人工的、天然的电场或交变电磁场，分析、解释这些场的特点和规律，达到找矿勘探的目的。
电法勘探的方法
电法勘探的方法
电法勘探有很多不同的分类方法：
1、依据地球物理场的性质划分,电法勘探可以分为传导类方法和感应类方法,其中传导类电法如直流电阻率电法,激发极化发,自然电场法,充电法;感应类电法主要是依据电磁感应为基础的电磁法。
2、根据场源的性质划分,又可分为天然场源电法和人工场源电法;
根据探测对象的物理性质划分,又可以分为电阻率法,激发极化发,自然电场法,电磁法。
3、依据探测信号的类型分,又可以分为交流电法和直流电法。
4、依据信号随频率和时间的变化特征分,又可以分为频率域电法(即研究大地稳态响应随频率变化的方法)和时间域电法(即研究大地稳态响应随时间变化的方法)。
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图2-7 测量抽水下降漏斗影响半径的方法 s1水平面（地面）；s2-垂直面；R-影响半径；1-抽水前自 然电位曲线；2-抽水过程自然电位曲线；3-自然电位“8”字形 异常图；4-区域地下水流向；5-抽水下降漏斗
2.1.3.3确定漏水地点、水力联系 及地下水活动情况
图2-8 地下水补给地表水
图2-9 地表水补给地下水
• 一、过滤电场 • 地下水在岩石的孔隙或裂隙中 流动或渗透时，由于岩石颗粒 表面对地下水中的正负离子具 有选择性吸附作用，且大多数 具有吸附负离子的特性。因此， 在地下水的上游方向集中了较 多的负离子，形成低电位。而 在下游方向集中了较多的正离 子，形成高电位，由此形成的 电场称为过滤电场。山地电场 是过滤电场的一种表现形式。 • 过滤电场的场强与渗透压力 的大小以及岩石、溶液的性质 有关。利用下式可对过滤电场 电位差作出近似估算： • ΔU=0.77·ρ水·ΔP
• •
图2-1 氧化还原电场
• 2.1.1.2过滤电场 • 地下水在岩石的孔隙或裂隙中流动或渗透时，由于岩石 颗粒表面对地下水中的正负离子具有选择性吸附作用，且 大多数具有吸附负离子的特性。因此，在地下水的上游方 向集中了较多的负离子，形成低电位。而在下游方向集中 了较多的正离子，形成高电位，由此形成的电场称为过滤 电场。山地电场是过滤电场的一种表现形式。 • 利用下式可对过滤电场电位差作出近似估算： • ΔU=0.77·ρ水·ΔP
• 充电法图示
• 充电法的应用条件 是:
• (1)探测对象的电阻 率ρ1 应远小于围岩 的电阻率ρ2，围岩 的岩性要比较单一， 地表介质电性较均 匀、稳定，地形起 伏不大； • (2)埋于地下的充电 体必须有露头。
图2-15 理想导电球体充电场的电位、电位梯度平面剖面图 (a) 电位平面剖面图；(b)电位梯度平面剖面图
2.1.3.5 石墨化、黄铁矿化 地层填图 图2-13为我国某铅锌矿区 应用自然电场法进行石墨 化地层填图的例子。在该 区震旦系砂岩与石墨化板 岩互层的地层上，得到强 度高达-900mv的自然电位 异常。异常走向近南北方 向，与地层走向一致；异 常带内的高负值中心是由 该处石墨化程度较高所引 起；平面图上等值线密集。 利用这些特征，可将其与 矿异常区分开来。
2.2.3 充电法的应用
• • • • 1、测定地下水的流速、流向 2、追索地下暗河 3、了解良导金属矿矿体分布范围和产状 4、了解良导金属矿矿体在地下连接关系
2.2.3.1 测定地下水的流速、流向
2.2.3.2 追索地下暗河
图2-21 充电法探查岩溶暗河成果图 1-充电法电位梯度异常曲线；2-溶洞；3-推断地下暗河；4-铁水管
图2-10 （a）山东某地河床，地下水补给河水（b）安徽某地河床，河水补给地下水
图 2-11 河南荥阳地区潜水流向图 1-铁道；2-村庄；3-电位差极形图；4-等水位线
2.1.3.4寻找金属矿床
图 2-12 青海某地铜钴矿床自然电位综合剖面图 1-超基性岩；2-浮土；3-矿体；4-氧化体；5-平巷 该铜矿发现12个自然电位异常。通过钻探验证， 其中8个是矿异常。
2.1.3.1 测定浅层地下 水的流向 “8”字形长轴 所指示的方向 为地下水流的 轴向。
水流方向上为 高电位，背水 流方向为低电 位。
图2-6 自然电场“8”字形观测法 1-电位计；2-地下水流方向
2.1.3.2 测定抽水 试验中下 降漏斗的 影响半径
下降漏斗 范围内“8” 字形的长轴 方向均指向 钻孔；在影 响半径以外， “8”字形长 轴方向仍和 抽水前地下 水区域流向 一致。
图2-16 椭球体充电电场的等值线 1-充电椭球体截面；2-电位等值线；3-观测剖面
图2-17 在不同观 测剖面上椭球体 1-充电椭球体截 面；2-电位等值 线；3-观测剖面 的电位（U）和 电位梯度（Δ U /Δ x ）剖面曲线
图 2-18 不等位导体上的充电法模型实验结果 板状模型尺寸：30×10×2cm ,水平放置，与围岩（水）的电阻率比值约 为1：15，模型中心深h=3cm；A-充电点位置； 电位曲线单位：mV/mA；电位梯度曲线单位：mv/(mA.cm)
1-震旦系砂岩与石墨化板岩互层； 2-自然电场等电位线
2.2 充电法
• 充电法原理：在稳定电流场中良导体接近 于等位体，在导体周围附近区域，电流场 等位面的形状接近于导体的形状。因此利 用天然的或人工揭露的良导体露头、地下 水出露点，直接接上供电电极A（一般接正 极），而将另一供电电极C置于“无穷远” 处。这样，整个导体就近似于一个等位体。 用两个测量电极MN观测充电电场在地面的 分布规律，可以推测良导体的规模和延伸 情况等，这就是充电法。
2.2.2 充电法的野外工作方法
• • • • （1）电位法 （2）电位梯度法 （3）追索等位线法 充电点的布置： 将电 源正极与导体露头紧密 接触（采用刷状或丝状 铜电极）。 • 负极的布置：应垂直导 体走向布置，长度应为 测区对角线长度的2～ 10倍，原则是使负极在 测点产生的电位差相对 正极而言可忽略不计。 • 右图是电位梯度法的工 作布置图
2.自然电场法、充电法
• 2.1自然电场法 • 2.2 充电法
2.1 自然电场法
• 地下存在着天然电磁场，在地面上任意 两点都能观测到天然电场所形成的电位差。 天然电场既有交变电场，也有稳定电场。 • 天然交变电场与太阳风、电离层的扰动 以及雷雨放电有关，称为大地电磁场。 • 天然稳定电场与电子导电矿体的电化 学作用，地下水中电离子的扩散或过滤作 用有关，一般称为自然电场。
1、何谓自然电场？自然电场有哪几种成因？ 2、自然电场法有哪几种野外观测方法？ 3、自然电场法可以解决哪些地质问题？ 4、试绘出下列三种地电断面上的自然电场电位剖面曲线： （1）金属硫化物矿体； （2）水库漏水点； （3）河水补给地下水。 5、何谓充电法？应用充电法可以解决哪些地质问题？应用充电法 需要什么条件？ 6、何谓理想导体？理想导体的充电电场有什么特点？非理想导体 的充电电场与理想导体的充电电场有什么差异？ 7、充电法有哪几种野外观测方法？ 8、如何用充电法判断地下水的流速、流向？ 9、如何用充电法判断良导矿体的分布范围及其产状？ 10、如何用充电法判断两个邻近钻孔揭露的良导矿体是否相连？
2.1.2 自然电场法的野外工作方法
• 自然电场法所用仪器设备与电阻率法基本相同。不同之处是不需要 电源和供电电极，且测量电极不用铜棒，而需要用不极化电极。观 测方法分电位法和梯度法二种，但是电位观测法用得更普遍，仅在 工业游散电流干扰严重时，才采用梯度观测。
2.1.3 自然电场法的应用
• • • • • 1、测定浅层地下水的流向及水力联系 2、测定抽水试验中下降漏斗的影响半径 3、确定漏水地点及水力联系 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、寻找金属矿床 5、石墨化、黄铁矿化地层地质填图
测量电极的布置
• (1)、电位法：将电极N固定于测区边缘，作为零电位。M 极沿测线上的测点逐点移动，观测M相对于N的电位差， 即为M点的电位。为消除电流变化的影响，观测结果以 ΔUmn/I(毫伏/毫安)表示。 • (2)、电位梯度法：M N距离保持不变（等于点距），沿测 线同时移动，观测M N之间的电位差，观测结果以ΔUmn /I.MN（毫伏/毫安.米）表示。 • (3)、追索等位线法：M N之间的导线长10～20米，固定N 极移动M极，使ΔUmn=0，然后将N极移到M极的位置，M 极再往前继续寻找，直至完成一条封闭的等位线。距离充 电点由近及远,逐条进行等位线的追索。此法工作效率低， 只在追索地下水流速流向时应用。
2.1.1 自然电场的成因
2.1.1.1氧化还原作用形成的自然电场
• 如图所示。金属（电子导体）导体上 部位于氧化带中，下部在还原环境中， 金属导体上部发生氧化作用，导体失 去电子而带正电，围岩则获得电子而 带负电。在金属导体下部，由于所处 的还原环境使得导体的电化学反应同 上部相反，即导体得到电子而带负电， 围岩失去电子而带正电。在导体与围 岩之间，其上部与下部就形成了符号 相反的电位跳跃。这样，在导体上下 部形成电位差，产生电流。 地表围岩中电流方向从四周流向导体， 在导体上方的地面进行电位测量，将 获得负电位异常。 与金属矿床有关的氧化还原电场， 通常在地面上能引起几十至几百毫伏 的电位异常。石墨化岩层、黄铁矿化 岩层也会产生相当强的自电异常，必 须结合地质及其它物探方法才能加以 区别。
图2-2 吸附作用形成过滤电场
图2-3 山地电场
1-固定电极；2-流动电极3-电位计；4-流动电极移动方向； 5-地下水流动方向；6-潜水面；7-自然电位曲线（负异常）
2.1.1.3 扩散电场
• 溶质由浓度大的溶液向浓度小的溶液扩散以达到 浓度平衡，正负离子将随着溶质移动，但其运动 速度不同，结果使两种不同浓度的溶液中，分别 含有过量的正离子或负离子，形成电动势，这种 电场称为扩散电场。 • 在自然条件下，岩层中扩散电场与过滤电场同 时发生，即在不同浓度溶液扩散作用发生的同时， 岩石颗粒对离子也产生吸附作用。 • 扩散电场强度较小，一般只有10~20mv左右。利 用扩散电场可以圈定浅部工业排放物的污染范围。
2.2.3.3 在良导金属矿勘探方面的应用
青海某铜钴矿床用充电法了解良导金属矿矿体分布范围和产状
图 2-22 Ⅰ号矿体A1点充电等电位线平面图 1-等电位线；2-矿体露头；3-Ⅲ号平巷；4-充电点A1；5-纵剖面AA’位置
图 2-23 Ⅰ号矿体A1点充电电位梯度剖面平面图 1-电位梯度曲线；2-推断的充电矿体范围；3-推断的非充电低阻带
图2.-24 AA’剖面电位和电位梯度曲线 1-电位曲线；2-电位梯度曲线；3-第四系坡积物；4-超基性岩； 5-矿体及编号；6-钻孔；7-推断断层
应用充电法判断相邻 两露头矿体是否相连
其中a是地质人员根据钻 孔资料编制的，该图与充 电法结果有很大矛盾。图 上1、2号电位梯度曲线分 别是在ZK11（1）和ZK58 孔充电得到的。两曲线形 态基本一致，故应推断两 处矿体是相连的，同属Ⅱ 号矿体。同时ZK11（2） 和V号矿体另一孔中充电 所得的曲线3、4的形态也 相近，但与曲线1、2大不 相同，可见是另一矿体的 反映。根据上述结果编绘 了地质剖面b，加密钻孔 ZK59表明根据充电法提供 矿体连接关系是正确的。