充电法和自然电场法分析
2自然电场法
梯度法：同时移动MN，记录点为MN的中点。 成果：绘制平面图，剖面图等（等值线图）。 三．自然电场的应用 1．测定浅层地下水流向 用过滤电场的原理，以O为中心
测M1N1……M4N4绘制成右图,长 轴为地下水流向 。
2．扩散电场 当两种岩层中溶液的浓度有差别时，就会在溶
液之间形成离子迁移，从而产生扩散电位差，即形 成扩散电场。电位差的大小与离子迁移能力和速度 有关，扩散电场的数值很少，通常扩散电场与过滤 电场同时产生，因此，扩散电场很难观测到。
3．氧化还原的自然电场 金属导体由于在一定条件下，
如水位以上氧化而水位以下不 与空气接触而还原；氧化后失 电子而带正电荷，其围岩带得到电子而带负电荷， 在水下还原环流正好相反，形成上下符号相反的电 位跳跃，于是形成电位差而产生电流。
在井下探测时影响因素较多，铁轨、金属支架、井
下电机、地下巷道积水、煤层都有影响，再则空间
有限，也不能完全利用地表达的解释方法。巷道一
般2.8m宽3m高，而工作面高度小、宽度大，一般认
为AB/2＜5 m时可视为半空间曲线，AB/2＞15~20应
为全空间曲线，根据模拟试验曲线，提出了巷道及
影响系数KD的经验公式：
仪器
地面
在内蒙古乌力吉进行野外勘探
内蒙古额济纳旗EH-4野外勘探
EH－4电导率成像系统
四川成都彭州宝山村白水河EH-4勘测剖面
六．矿井隧道电法 矿井电法与地面电法原理相同，但地面是半空
间（空气ρs→∞）而井下或隧道中不完全如此，电流 也可以顶板，侧帮等流动。
70年代，前苏联顿巴斯等在煤矿开展了一个电 法试验，并研制防爆仪器，国内煤科院，中国矿业 大学专门进行了研究。我国大部分煤矿地下水都有 比较大。因此查明导水构造或导高是很有必要的， 超前探测也是很有必要的。
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。
充电法
充电法
二、充电法野外工作方法
电位法 梯度法 直接追索等位线法
充电法
二、充电法野外工作方法
1、电位法 直接观测测线上各测点与远离测区的一相对电位零点之间的
电位差，然后根据各测点相对于电位零点的电位值绘制剖面电位 曲线和平面等位线图。
无穷远测量电极N应安置在与供电电极B相反的方向上，作为 电位零值点。另一测量电极M则沿测线逐点移动，观测其相对于N 极的电位差，作为M极所在测点的电位值U。同时观测供电（充电） 电流强度I，计算归一化电位值。
1、充电法的基本理论
充电法工作原理图
充电法
一、充电法原理和工作条件
1、充电法的基本理论
充电法是在被勘探的矿体上或其它良导电性地质体的天 然或人工露头接上供电电极（A）进行充电（用直流电源， 也可用交流电源），另一供电电极(B)置于远离充电体的地 方。供电时充电体为一等位体或似等位体，电流由充电体流 入围岩，形成稳定电流场，该电场的分布特征与充电体的形 态、大小和产状等因素有关。在地面、钻井或坑道中对其电 场的空间分布进行观测和研究，以了解矿体或其它良导体的 赋存情况，获得所需要的地质资料。
充电法
四、充电体参数的确定
1、确定导体长度的方法
确定导体长度的方法即为确定导体端点的位置。由中心 纵向剖面电位梯度曲线极值点来确定导体的长度。对于上端 水平，沿走向长度有限，且埋深浅的导体可把中心纵向剖面 上的梯度曲线极值点位置作为导体端点的位置，两极值点之 间的 距离可为导体的长度。如果导体埋藏较深时，则梯度 曲线极值点向导体端点外侧移动，称动距离随深度增大而增 大，且与导体向下延伸长度有关。对于直立矩形薄板导体， 梯度曲线极值点与导体端点的距离 可按下式计算：
B(∞)
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。
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。
第三章 第二节 充电法和自然电场法
在水文地质调查中，利用自然电场法对离 子导电岩石过滤电场的研究，可以寻找含水破 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。图3.2.9是利 用自然电场法确定地下水和地表水的补给关系 的实例。当地下水补给地表水时，在地面上能 观测到自然电位的正异常，图3.2.9(a)为灰岩和 花岗接触带上的上升泉，有明显的自然电位正 异常显示；相反，当地表水补给地下水时，则 观测到自然电位负异常，图3.2.9 (b)为水库渗漏 地点上出现的自然电位负异常。
图3.2.7 裂隙渗漏电场及上升泉电场 (a) 裂隙渗漏电场; (b) 上升泉电场
在自然界中，山坡上的潜水受重力作用，从 山坡向下逐渐渗透到坡底，因而在坡顶观测到 负电位，在坡底则观测到正电位。这种过滤电 场也称为山地电场。图3.2.8为一种典型的山地 电场，从图可见，在山顶出现的自然电位负异 常强度达-30mV。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，会 出现明显的自然电位异常。
（二）充电法的实际应用 充电法在水文、工程及环境地质凋查中，主要
用来确定地下水的流速、流向，追索岩溶区的地下 暗河分布等。
1、测定地下水的流速、流向 应用追索等位线的方法来确定地下水的流速、 流向，一般只限于在含水层埋深较浅，水力坡度较 大以及围岩均匀等条件下进行，具体做法是：首先 把食盐作为指示剂投入井中，盐被地下水溶解后便 形成一个良导的、并随地下水移动的盐水体。然后 对良导盐水体进行充电，并在地表布设夹角为45°的 辐射状测线，并按一定的时间间隔来追索等位线， 见图3.2.3。
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。 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他电 法勘探方法简单。
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
地球物理勘探重点总结
电法勘探概念：电法勘探是根据岩石和矿石导电性的差异，在地面上不断改变供电电极和测置电极的位置，观测和研究所供直流电场在地下介质中的分布，了解测点电阻率沿深度的变化，达到测深、找矿和解决其他地质问题的目的场源稳定电流场：点电源电场、两异极性点电源电场、偶极子源电场。
变化电流场：电磁场装置类型：对称四极、三极、偶极计算的电阻率，不是某一岩层的真电阻率，而是在电场分布范围内、各种岩石电阻率综综合影响的结果。
我们称其为视电阻率，并用ρs来表示:)1.3.5(IUK MNs∆=ρ高密度电阻率法的测量过程高密度电法野外工作方法:1）测区的选择和测网的布设2）装置形式及参数的选择a装置的选择b极距的确定c测点的分布高密度电法工作原理：高密度电阻率法是集测深和剖面法于一体的一种多装置、多极距的组合方法，它具有一次布极即可进行多装置数据采集以及通过求取比值参数而能突出异常信息的特点。
自然电场：由地球表层内矿体、地下水和各种水系间的物理化学作用产生的电场。
自然电场的形成原因:氧化还原：地下水溶液与矿石间的电化学作用。
过滤作用（吸附）：地下水的渗流和过滤作用。
接触扩散：矿化溶液的离子在岩石交界面上的扩散和岩石骨架对离子的吸附作用。
自然电场分类:1、电化学活动形成的自然电场2、过滤电场3、扩散电场激发极化法（简称激电法）是以不同岩、矿石激电效应之差异为物质基础，通过观测和研究大地激电效应，来探查地下地质情况的一种分支电法。
电子导体的激发极化机理电子导体（包括大多数金属矿和石墨及其矿化岩石）的激发极化机理一般认为是由于电子导体与其周围溶液的界面上发生过电位差的结果。
离子导体的激发极化机理双电层形变形成激发极化的速度和放电的快慢，决定于离子沿颗粒表面移动的速度和路径长短，因而较大的岩石颗粒将有较大的时间常数（即充电和放电较慢）。
这是用激电法寻找地下含水层的物性基础。
充电法：是以岩石电阻率为基础的一种直流电法勘探，根据充电体与围岩电性差异，向充电矿体充电，使充电体变为一等位体或似等位体，研究充电体和其周围电场分布特征，从而解决充电体的形状、大小和产状等地质问题充电法原理:充电法是在被勘探的矿体上或其它良导电性地质体的天然或人工露头接上供电电极（A）进行充电（用直流电源，也可用交流电源），另一供电电极(B)置于远离充电体的地方。
论各类电法在测定地下水方面的应用
论各类电法在测定地下水方面的应用[摘要]随着地球物理方法的不断进步和完善，它所使用的范围也越来越广。
特别是电法勘探，在工程、水文、环境方面应用得越来越多。
本文就电法勘探在水文方面的应用进行了综合的阐述和分析，以期它能更好的在测定地下水方面发挥自己的作用。
[关键词]电法勘探、测定地下水流速流向、充电法，自然电场法，激发极化法中图分类号：g4 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）12-0018-02一、电测深法寻找松散沉积层孔隙水在松散沉积物孔隙较大，连通性好，具有较强的透水性能，可构成良好的孔隙含水层。
图1为某山前冲洪积扇上电测深综合剖面图。
图1a为ab/2=100m 的对称四极视电阻率ρs剖面曲线，图中1～7号点视电阻率ρs值大于100ω.m，为冲洪积扇上、中部的反映；12～18号点视电阻率表现为明显的低阻特征（10～20ω.m），为扇缘潜水溢出带部位。
18号点以后剖面进入平原地带，视电阻率值又升高到20ω.m以上.图1b为等视电阻率断面图，1～7号点位高阻带，等值线密集，这是冲洪积扇的上中部.表层是干燥的砂砾石。
7～12号点，等值线逐渐变稀，反映为潜水溢出带.12号点以后，视电阻率在40ω.m以下，表层低至5ω.m，为冲洪积平原部位（图1）。
二、充电法测定地下水流速和流向首先把食盐（或其他电解质）作为指示剂投入井中，盐被地下水溶解后便形成一良导的并随地下水移动的盐水体。
其次，对良导盐水体充电，见图2。
具体工作方法如下：1、一待测井口为中心，布置夹角为45°的辐射状测线；2、将充电电极a置于井中含水层中部，另一供电电极b打在离井口尽量远处，以大于a电极设置深度的10～20倍为宜；3、固定的测量电极n，置于推测的地下水逆流方向上，距井口距离大致等于两倍含水层的深度。
充电时，测量电极m逐次在各方位的辐射半径上移动，寻找与n电极的等位点，量取各等位点至井孔中心的距离，并作记录；4、在投盐前，测量一次正常等位线。
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。
电法勘探概念
ρρS＝K·△U/I在电场涉及范围内，地表不平坦，地下各种地电体（1）视电阻率s的综合反映结果称为视电阻率。
ηηs=△U2/△U * 100%，在电场涉及范围内，地表不平坦，地下各种（2）视极化率s地激电体的综合反映结果称为视极化率。
ρ：ρT=1/ωμ（|Ex/Hy|2）或ρ＝0.2T|EX/Hy|2 Ex：mv/km Hy：（3）卡尼亚电阻率T伽玛。
由均匀电磁波向地下传播时，导出的交变电磁场中的电阻率参数，该式表明，测量正交的电磁场分量，也可获得电阻率参数。
（4）充电法：对具有天然或人工露头的良导体进行充电，通过在地面用专门仪器观测和研究充电电场的分布规律，来达到研究矿体形状、产状、大小和具体位置或用来解决一些特殊地质问题的详查方法。
（5）自然电位法：在一定的地质-地球物理条件下，地中存在天然的稳定电流场。
基于研究自然电场的分布规律来达到找矿或解决其它地质问题的一种电探方法。
（1）电阻率法：以地壳中岩、矿石不同导电性差异为基础，通过观测和研究人工稳定电流场的地下分布规律和特点，实现解决各类地质问题的一组勘探方法。
（2）电磁感应法：以地壳中岩、矿石不同导电性与导磁性差异为主要物质基础，根据电磁感应原理观测和研究电磁场空间与时间分布规律，进行找矿或解决其它地质问题的一组分支电法勘探方法。
（3）激发极化法：以不同岩、矿石激电效应的差异，通过观测和研究大地激电效应，来探查地下地质情况的一种分支电法勘探方法，简称激电法。
（4）充电法：对具有天然或人工露头的良导体进行充电，通过在地面用专门仪器观测和研究充电电场的分布规律，来达到研究矿体形状、产状、大小和具体位置或用来解决一些特殊地质问题的详查方法。
（5）自然电场法：在一定的地质-地球物理条件下，地中存在天然的稳定电流场。
基于研究自然电场的分布规律来达到找矿或解决其它地质问题的一种电探方法（5）趋肤深度。
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。
第三章 电法勘探：充电法和自然电场法(4)
当电子导体与溶液接触时，金属 上的负电荷吸引溶液中的正离子， 使之分布于界面附近，形成双电 层。
若导体和溶液都是均匀的，则双 电层不产生外电场。 当导体或溶液不均匀时，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。
++ +- - - + + - 导- + + - 体- 水 溶 + +- - 液 + -- + +++
在充电体表面附近，电 位面的形状与充电体的 形状一致。远离充电体， 等位面趋于圆形。
电位V为对称曲线；电 位梯度ΔV /ΔX为反对称 曲线，即在充电体顶部 中心，电位梯度为零， 其正、负极值对应于充 电体边缘部分。
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位移。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。
（二）充电法的装备及工作方法
1、装备 与电阻率法相同
B(∞)
2、工作方法
（1） 电位观测法：N极置 于距充电体足够远的某一 固定基点上。M极沿测线 逐点移动，观测各测点相 对于固定基点的电位差， 即为该点的电位值）V。
基点
N
（2）电位梯度观测法：MN置于同一测线上，保持相 对位置和间距不变，邻不相连导电矿脉上 的电位梯度异常曲线
两个相邻且相连导电矿脉 上的电位梯度异常曲线
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
第二节 充电法和自然电场法
一、自然电场法
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。
4自然电场与充电法
测量电极的布置
(1)、电位法：将电极N固定于测区边缘， (1)、电位法：将电极N固定于测区边缘， 作为零电位。 极沿测线上的测点逐点移动， 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。 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， 消除电流变化的影响，一般将测量结果用供 电电极归一，观测结果以ΔUmn/I表示。 ΔUmn/I表示 电电极归一，观测结果以ΔUmn/I表示。 (2)、电位梯度法： N距离保持不变 距离保持不变（ (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 ），沿测线同时移动 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 /Imn表示 表示。 电位差，观测结果以ΔUmn /Imn表示。
Ⅰ号矿体A1点充电电位梯度剖面平面图 号矿体A1点充电电位梯度剖面平面图 A1 电位梯度曲线； 1-电位梯度曲线； 推断的充电矿体范围； 2-推断的充电矿体范围； 3-推断的非充电低阻带
在良导金属矿勘探方面的应用
应用充电法判断相邻两露头 矿体是否相连 其中a 其中a是地质人员根据钻孔 资料编制的， 资料编制的，该图与充电法 结果有很大矛盾。图上1 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 ZK11(1)和ZK58孔充电得到 两曲线形态基本一致， 的。两曲线形态基本一致， 故应推断两处矿体是相连的， 故应推断两处矿体是相连的， 同属Ⅱ号矿体。 同属Ⅱ号矿体。
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。
Ⅰ号矿体A1点充电等电位线平面图 号矿体A1点充电等电位线平面图 A1 等电位线； 矿体露头； 号平巷； 1-等电位线；2-矿体露头；3-Ⅲ号平巷； 充电点A1 A1； 纵剖面AA’ AA’位置 4-充电点A1；5-纵剖面AA’位置
自然电场法-电法勘探--地质 找矿 探宝
第二节自然电场法在一定的地质-地球物理条件下，地中存在原天然稳定电流场称为自然电场。
基于研究自然电场的分布规律来达到找矿或解决其它地质问题的一种方法称为自然电场法。
本节将讨论自然电场的成因和分布规律，并在此基础上介绍自然电场法的应用。
一、岩石和矿石的自然极化一般情况下物质都是电中性的，即正、负电荷保持平衡。
但在一定条件下，某些物质或系统的正、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。
1、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，分别带导性电荷，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，使之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。
图2.2.1 电子导电矿体的自然极化及自然电场如图2.2.1所示，赋存于地下的电子导体矿体，当其被地下潜水面截过时，往往在周围形成稳定的自然电场。
原因是，潜水面以上渗透带，由于靠近地表而富含氧气，使那里的（附着水）溶液氧化性较强；相反，潜水面以下含氧气较少，使那里的水溶液相对来说是还原性的。
潜水面上、下部分总是分别处于性质不同的溶液中，在导体和周围溶液的分界面上形成不均匀的双层面，产生自然极化，并形成稳定的自然极化电流场。
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什么是充电法
是对地面上、坑道内或 者钻孔中已经揭露的良 导体直接充电，通过观 测其充电场的空间分布 来了解矿体规模大小和 赋存状态的电法勘探方 法。
属传导类、主动源直流 电法
应用范围：
金属矿的详查及勘探阶段：查明矿体的 产状、分布及其与相邻矿体的连接情况
水文、工程地质调查中：用来测定地下 水的流速、流向、追索岩溶发育区的地 下暗河和研究滑坡等问题
一、充电法的基本原理
（一）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。
相邻不相连导电矿脉上 两个相邻且相连导电矿脉
的电位梯度异常曲线
上的电位梯度异常曲线
3.测定地下水流速、流向
① 布置电极：将A极至于待测含水层中部，N极固定于 水流相反方向，与井口距离约为待测含水层深度；
② 进行正常场测量，井周围介质是均匀各项同性时等 位线近似为一个圆；
③ 将盛岩布袋悬挂于A极附近，并记下投盐时间t1； ④ 按一定时间间隔追索等位线，记录时间t2， t3…得到
定基点上。M极沿测线逐点移动，
N
观测各测点相对于固定基点的电
位差，即为该点的电位值U，为了
消除电流变化的影响对电位值进
行电流归一，用U/I表示。
2、电位梯度法
MN置于同一测线上，保持相对位
置和间距不变，沿测线逐点移动， 计算电位梯度ΔU /Δ x = ΔU /MN， 进行电流归一后表示为ΔU /I•MN
旁侧剖面上，其电位和电位梯度的分布与主剖面相似，但 其强度减弱，范围变大。
（三） 充电椭球体的电流场
①平面分布规律
充电电场的地表电位等值 线呈同心椭圆曲线。与椭 球导体的水平截面相近 ， 电位等值线基本上反映了 充电椭球体的形状、产状 和空间位置。
但随着远离充电椭球体， 电位等值线趋于圆形
② 剖面分布规律
不论是对称分布的、还是倾斜分布的充电椭球 体，其剖面异常的电位异常曲线的拐点和电位 梯度曲线的极值点基本上反映了地下充电体的 地面水平投影边界。
（四）非理想导体
（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的中心时，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）
1.确定已揭露（或出露）矿体隐伏部分的形状、 产状、规模、平面分布位置及深度
2.确定已知相邻矿体之间的连通关系 3.在已知矿附近找盲矿体 4.利用单井测定地下水的流速、流向 5.研究滑坡及追踪地下金属管线
1.确定已揭露（或出露）矿体隐伏部分的形状、 产状、规模、平面分布位置及深度
2.判断矿体是否相连
自然电场法的野外工作方法
① 装备特点
② 工作方法
自然电场法的应用
它是以介质发生电极化现象为 物质基础，通过研究稳定自然 电流场的分布规律，达到勘查 某些目标物的目的一种电法勘 探方法 。
自然电场 —— 在一定地质或 地质—地下水动力条件下，不 需人工向地下供电，在自然条 件下，地中存在的电流场。
第二章 充电法和自然电场法
常用的电法勘查方法及利用的物性
复
习 ：
方法
利用的物性
几
电阻率法
导电性
个
充电法
导电性
基
自然电场法 导电性和电化学活动性
本
激发极化法 导电性和电化学活动性
概
（直流激电 和谱激电法）
念
电磁法
导电性和导磁性
（频率域电磁法和时间域电磁法）
充电法
基本概念及应用领域 充电法的基本原理
二、充电法的实际应用
（一）充电法应用的条件
1、探测对象的电阻率ρ1 应远远小于围岩电阻率 ρ2；
2、围岩岩性比较单一，地表介质电性均匀稳定， 地形起伏不大；
3、埋于地下的充电体必须有露头，或是天然露 头或是人工露头（浅井、泉眼、钻孔、坑道等）
（二）充电法的野外工作方法
1、电位法
N极置于距充电体足够远的某一固
若充电椭球体在地下成轴 对称分布，则主剖面上， 电位曲线成轴对称正异常 分布，椭球体的中心投影 点处为极大值，两侧对称 减小趋于零。水平椭球体 的异常范围比直立椭球体 的异常范围大。电位梯度 异常呈点对称分布，极值 点位于椭球体边界外侧附 近。
对倾斜分布的充电椭球体，其电位异常呈现非 对称分布，倾斜一侧异常曲线变缓，电位梯度 曲线在倾斜一侧异常极值幅度变小。
3、追索等位线法
布置充电点，以充电点为中心，布设夹角为45°的 辐射状测线，距充电点由近及远分别已一定间隔追 索等位线。固定电极N放在某一测线的一定位置上， 在相邻测线上移动M极寻找以N极点的等位点 （UMN=0），记录该点位置，将各等位点连接成等 位线。
测量结果用等电位线平面分布图表示
（三）充电法的应用
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
理想导体的充电场（在介质中的电流场），与充电点 的位置无关，仅与充电电流强度，理想导体的位置， 形状，大小，产状及周围介质的电性分布有关。
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。 对有限三度体不论其外形如何，若距离充分大的条件 下，其电位等值面趋于球形分布。
异常场等位线，由于含盐溶液随水流流动，等位线 沿水流方向伸长，形成椭圆形状；
⑤ 水流速 V L 2xm xm为oo’的距离 tt
4.测试油田压裂施工中的裂缝
自然电场法
岩矿石自然极化
① 离子导体的自然电场成因（氧化还原作用）
② 电子导体的自然电场成因（过滤电场；扩散 电场）
自然极化球体的电场
（二）充电球体的电流场
① 平面分布规律
由于球体的对称性， 其充电电场的分布与 位于球心的点电流场 极为相似，其电位等 值线的平面分布为一 簇同心圆。
充电球体等位面
② 剖面分布规律
在主剖面上，电位曲线成轴对称正异常，球心投影点处为 极大值，两侧电位对称减小趋于零；电位梯度曲线成左正右负 点对称异常,球心投影点处为零，两侧电位梯度绝对值对称减 小趋于零；