5电法勘探5激发极化法

①直流激发极化法的仪器装备
直流（时间域）激电仪分为供电和测量两部分。供电部分使用导 线将供电电源、发射机和供电电极相连而成
直流电源
供电控制单元
供电程序 控制电路 发射机
其中直流电源用于提供电流，
A 一般使用小功率发电机；发
射机由供电控制单元和供电
B 程序控制电路组成。供电控
制单元控制电源的接通、切 断以及换向，供电程序控制 电路是供电控制单元的指挥 机构，根据设计的程序，使 供电控制单元按规定的时间 和顺序向地下供电，从而实 现野外供电自动化
增大；供入交流电时，频率的
磁铁矿
高低就反映了导体单向充电
黄铜矿
（半周期）时间的长短。频率 越低，单向充电时间越长，界
石墨
面上产生的双电层电位差越大，
f
观测到的总场电位差幅值△Uf 也就越大
Ⅲ激发极化法测定的参数 1.极化率和频散率 时间域中，采用“极化率”来衡量岩、矿石的激发极化效应
(T ,t) U2 (T ,t) 100%
激发激化法也存在一些问题。例如，不易区分有工业意义的 异常和无工业意义的异常（由黄铁矿化、磁铁矿化、炭质或石墨 化岩层引起）。交流激发激化法还不可避免受到电磁耦合的干扰， 等等
（1）激发极化法的理论基础
向地下供入稳定电流，可观测到测量电极MN间的电位差是 随时间而变化的（一般是变大），并经相当时间（一般约几分钟） 后趋于某一稳定的饱和值；在断开供电电流后，测量电极MN间的 电位差在最初一瞬间很快下降，之后便随时间相对缓慢的下降， 并在相当长时间后（通常也约几分钟）衰减接近于零
应用人工直流电场或低频交变电场都可以研究岩矿石的激发 极化效应，因此对应有直流（时间域）激发激化法和交流（频率 域）激发激化法两种
激发极化法较其它电法勘探方法有一些显著的优点：不仅可 以发现致密状金属矿体，还能寻找其它电法难以发现的浸染状矿 体；根据异常的明显程度，可以区分异常是由电子导体还是离子 导体引起的；激发激化法受地形的影响也较其它电法小，当起伏 的地形下有矿体存在时，仅使异常强度和形态发生改变，但异常 不会消失
液接触时的激发极化效应，产生在固相和液相的
+-
+-
阴 极
+ +
--
+++---
+ +
+-+++---+-+---
阳 极
接触面上。致密状电子导体产生的正是这种效应， 称为“面极化”。而对于浸染状电子导体，其中 的每一个电子导体颗粒，都相当于一个“小电 池”，分布在岩石中的所有“小电池”都通过围 岩放电，因此，对整体而言，激发极化效应发生 在它的全部体积内，称为“体极化”。虽然每一
通常将供电时地下电场随时间增长的过程称为“充电过程”； 断电后电场随时间衰减的过程称为“放电过程”
Ⅰ岩、矿石激发极化效应的成因（电子导体、离子导体）
①电子导体激发极化效应的成因
+++++-+-+---+-+导体-+-+--+-+---++++++
盐溶液
电子导体的自然极化时，沉浸于盐溶液中的 单一电子导体表面会形成封闭的“双电层”， 对外不显电性，在周围空间不形成电场。这 种自然状态下的双电层电位差是导体与盐溶 液接触时的电极电位，称为“平衡电极电位”
显然，随着供电时间的延长，导体界面两侧聚集的异性电荷
将逐渐增多，超电压值不断增大，最后趋于一个饱和值，这就是
“充电过程”；切断供电电流，界面两侧聚集的异性电荷，将通
过
界面、导体内部及围岩盐溶液进行放电，使整个系统逐渐恢复到
供电前的双电层状态，超电压也随时间的延长而逐渐减小，最后
消失，这就是“放电过程” 实践表明，在外电场作用下，电子导体和离子溶
5激发极化法
在进行电阻率法测量时，人们常常发现：在向地下供入稳定 电流的情况下，仍可观测到测量电极MN间的电位差是随时间而 变化的（一般是变大），并经相当时间（一般约几分钟）后趋于 某一稳定的饱和值；在断开供电电流后，测量电极MN间的电位 差在最初一瞬间很快下降，之后便随时间相对缓慢的下降，并在 相当长时间后（通常也约几分钟）衰减接近于零。这种在充电和 放电过程中，由于电化学作用引起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）。激发极化法 （简称激电法）是以不同岩、矿石间激电效应的差异为某础，通 过观测和研究大地激电效应，以探查地下地质情况的一种分支电 法。本法目前在我国应用较广，地质效果引人重视
fD
,
fG
)
U
(
fD) U (
U fG )
(
fG
)
100%
3.衰减度和激发比 由山西水利厅电法队和平遥农机厂共同拟定的用于激电找水
的参数。其中，衰减度是反映激发极化场（二次场）衰减快慢的 一种测量参数。二次场衰减越快，其衰减度越小
D U2 100% U 2
式中：△U2为供电30秒，断电后25秒二次电位差的瞬时值；U2 是 断电0.25秒至5.25秒间二次电位差的平均值
个小颗粒与围岩的接触面很小，但接触面积的总
和却是客观的。因此，尽管浸染状矿体与围岩的
放电过程Biblioteka 电阻率差异很小，但是仍然可以产生明显的激发
②离子导体激发极化效应的成因
有关离子导体激发极化效应的假说很多，目前尚无同一认识。
现在用“薄膜极化”假说来说明离子导体激发极化效应产生的原
因固相 液相
---------
液 +-
相-
+
+-
固相
++++
固相
++
+-
+
液
-
+
-+相 +-
固相
+++++
固相
-
+ -
液
+ -相
j
液 +-
相-
+
+-
++++++
窄孔隙(薄膜)
+-
+
液
-+相
-+ +-
+++++
窄孔隙(薄膜)
-
+ -
+-
液 相
宽孔隙
宽孔隙
宽孔隙
岩石中孔隙宽窄不同，但彼此连通。当窄孔隙（薄膜）中过
剩正离子在外电场作用下沿电力线方向移动时，其速度较快，到 达宽孔隙后即减慢，因此，在窄孔隙电流的流出端，将有正离子 堆积，电流的流入端则正离子不足。进入宽孔隙后，正、负离子 移动速度相当，但负离子在宽孔隙中的移动速度却比在窄孔隙中 大，结果在窄孔隙电流流出端又形成了负离子的堆积。与此同时， 由于窄孔隙对负离子的阻挡作用，在窄孔隙电流流入端负离子又 不足。即：在正离子堆积和不足的窄孔隙两端，同样形成负离子 的堆积和不足。于是在窄孔隙两端出现一个不断增大的离子浓度 差，直至达到一个定值为止。该浓度差将阻碍离子的移动。切断 外电场后，由于离子扩散，浓度差将逐渐消失，恢复到供电前的 平衡状态
U (T )
式中：△U(T)为供电T时刻后，测量电极M、N间的总场电位差； △U2(T,t)为断电t时刻后，测量电极M、N间的二次场电位差
上式可以看出，极化率和供电时间T和测量延迟时间t有关。 因此，当提到极化率时，必须指出其对应的供电时间T和测量延 迟时间t。一般情况下，极化率都被定义为长时间供电T→∞和无 延时t →0时的测量结果。即
5.25
U2
0.25 U2dt 5
激发比J是由视极化率ηs和衰减度D组合而成的一个参数
J
s
D
U 2 U1
100%
激电找水的机理问题，目前还未很好的解决。一部分人认为， 衰减度D增大，主要反映含水层固相“颗粒”较大，因而指示出地 下具有较好的赋水条件；而少数人坚持认为是“直接找水”，但 是 又缺乏足够的理论支持和实验依据
++++++++++++++++
+ +
+ +
+ +
+ +
+ ++
+
扩散区
+
-
正
常+ 溶-
液
+
+ -
根据电化学理论，固体和 溶液接触时，界面上便形 成带有相反符号电荷的双 电层。固体颗粒一般吸附 溶液中的负离子，因此， 溶液中就出现了过剩的正 离子。被吸附的负离子又 吸引靠近界面的正离子， 构成了双电层的“紧密 层”，其厚度约为10-8m。 距离界面稍远的正离子受 到的吸引力较小，束缚较 弱，可以平行于界面自由 移动，构成厚度约10-
我国十几年的实践表明，激电找水在不少地区（包括孔隙水、 裂隙水和岩溶水等各种赋水条件）取得了好的效果，但在某些地 区就不太成功。由于激电找水的机理还未很好的解决，找水效果 也有好有坏，所以应用激电找水仍然须持谨慎态度
（2）激发极化法的仪器装备及工组方法 Ⅰ激发极化法仪器装备（直流时间域、交流频率域）
2.视极化率和视频散率
上面极化率公式和频散率公式是在地下介质极化性质均匀且 各相同性的假设下推导出来的。实际工作中，地下介质的极化并 不均匀且各向异性，此时测得的参数，是电场有效作用范围内各 种岩、矿石的极化率或频散率的综合影响值，称为“视极化率ηs” 和“视频散率Ps”
s
U 2 U
100%
Ps
(
U2 100%
U
频率域中，采用“频散率”来衡量岩、矿石的激发极化效应
P(
fD,
fG
)
U (
fD ) U ( U ( fG )
fG )
100%
式中：△U(fD)和△U(fG)分别表示超低频段上的两个频率（低频fD 和高频fG）所对应的总场电位差幅值
岩、矿石的极化率和频散率除了与其结构、构造、电子导电 矿物的含量有关外，还与其湿度、粘土矿物含量、孔隙水矿化度 等因素有关。通常，含有电子导电矿物的金属矿石、矿化岩石、 石墨化和炭化地层的极化率和频散率都较高；而不含电子导电矿 物的离子导电岩石，其极化率和频散率都很小，η一般在1～2％ 之间，少数达到3～4％
+++++-+-+---+-+导体-+-+--+-+---++++++
盐溶液
j
极化前 极化后
阴 极
+- + +++++---+---导体+
+-+++---+-+---
阳 极
盐溶液
当有电流通过上述系统时，受外电场作用，导体内部的电荷
将重新分布，自由电子沿外电场反方向移动，如图，负电荷聚集 在导体左端，形成“阴极”；而正电荷聚集在导体右端，形成 “阳极”。与此同时，溶液中的带电离子（如H+、Na+、OH-、Cl-） 也在电场作用下发生移动，分别在“阴极”和“阳极”处聚集正 离子和负离子，从而使正常双电层发生改变：“阴极”处导体带 负电，围岩带正电；“阳极”处导体带正电，围岩带负电。此时， 导体“阴极”和“阳极”处双电层电位差与平衡电极电位产生差 值，称为“超电压”。超电压的形成过程就是电极极化过程
紧密层
7m～ 10-6m的“扩散区”
当岩石颗粒间的孔隙直径与双电层的扩散层的厚度相当时，
整个孔隙都处于扩散区内，其中过剩的正离子吸引负离子而排斥 正离子。当有外电场作用时，正离子将沿电场方向迅速移动（蓝 色线），而负离子则由于过剩正离子的“阻塞”，即受正离子的 吸引而移动缓慢（黑色线），以至导电孔隙实际上被截断。称这 种窄孔隙为“薄膜”（图中蓝色方框）
测量部分使用导线将接收机、测量电极和大地相连。接收机由极
化补偿器、电位差值测量单元和测量程序控制电路组成。极化补
实践表明，岩、矿石的充、放电速度与其结构有关。一般来 说，体极化的浸染状岩、矿石，比面极化的致密状岩、矿石充、 放电速度快；体极化的岩、矿石中，所含电子导体矿物成分越少， 充、放电速度越快
U
U2
U1
U
U1
U2
充电过程 放电过程
t
频率特性：向地下供入超低频（一般为n×10-1～nHz）交流电时，
若保持电流强度不变，测量电极M、N间的交流电位差（幅值△Uf）
将随频率的增加而减小（下图）。 △Uf是交流激发极化法的总场
电位差幅值，它是一次场电位差幅值△Uf1和二次场电位差幅值
△Uf2的叠加
Uf
上述△Uf随频率增大而减小的 现象，称为频散特性或幅频特
性。在一次场作用下，导体与
围岩在界面上形成双电层，需
黄铁矿
要一定的时间。当供入直流电 时，总场电位差随时间延长而
j
液 +-
相-
+
+-
++++++
窄孔隙(薄膜)
+-
+
液
-+相
-+ +-
+++++
窄孔隙(薄膜)
-++--
液 相
宽孔隙
宽孔隙
宽孔隙
Ⅱ岩、矿石激发极化的时间特性和频率特性
时间特性：下页图为岩、矿石充、放电过程中电位差与时间的关 系曲线。刚开始向地下供入直流电时，由于激发极化效应还未产 生，此时地下电场的分布只与岩、矿石的电阻率有关，且不随时 间变化，属于稳定电场。把刚供电时的稳定电场称为一次场E1， 一次场的电位差为△U1。随着供电时间的延长，岩、矿石激发极 化效应从无到有，附加电场先是迅速增大，然后变慢，在供电 3～5分钟后，达到饱和。把附加电场称为激发极化场或二次场E2。 显然，供电过程中，二次场叠加在稳定一次场上，供电时的地下 电场称为总场E(E= E1+ E2)，总场电位差为△U。切断供电电流 后，一次场立刻消失，岩、矿石将通过围岩放电，放电开始时二 次场E2迅速衰减，然后逐渐变慢，约3～5分钟后衰减完毕。断电 后，在某一瞬间观测到的电位差称为二次场电位差△U2