频率域激电法
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
2
面极化和体极化
• 在激电法的理论和实践中，为使问题简化，将岩、 矿石的激发极化分为理想的两类。 • 第一类 是“面极化”，其特点是激发极化均发 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
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
2 我国激电的发展
• 我国50~60年代基本上使用的是时间域（即 “直流”）激电法，其观测仪器较易制造，而 且由于通常是观测供电脉冲断开几百毫秒之后 的二次场，受电磁耦合的干扰较小，故工作 方法和解释理论都比较简单。但这种方法的装 备十分笨重，生产效率低、成本高。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
• 第二类是“体极化”，其特点是极化单元(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。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
• 虽然每个小颗粒与围岩(胶结物)的接触面很小， 但它们的接触面积的总和却是很可观的。
• 然而，实践中应用激电法又都是宏观地研究矿 体、矿带或地层等大极化体的激电效应。 • 故在此讨论体极化体的激发极化特性。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
3离子导体的激发极化成因 • 一般造岩矿物为固体电解质，属离子导体。 • 野外和室内观测资料表明，不含电子导体的一 般岩石，也能产生明显的激电效应。 关于离子导体的激发极化机理，所提出的假说 和争论均较电子导体的多，但大多认为岩石的 激电效应与岩石颗粒和周围溶液界面上的双电 层结构有关 (见图2.4,a)。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
我们考察矿化岩石（体极化体）内一个小单元[图 3-1(a)]其中脉石矿物（1）实际上为绝缘体；离子 导电（裂隙水）通道（2）概括为两条：a——未被 电子导电矿物粒（3）堵塞的通道和b——被电子导 电矿物粒堵塞的通道。a通道只有纯电阻Ra；而b通 道除离子导体和电子导体内部的纯电阻Rb之外，还 串联有电子导电颗粒表面极化的等效阻抗ZIP。根 据式子
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
• 直到1932年和1934年，美国人韦德和马勒才进行 了实验，他们隐约觉得有可能提出一种基于电化 学效应的勘探方法。另外在美国，波塔彭科-彼得 森公司1940年提出一种基于含油和不含油地层的 选择性极化效应的油矿勘探方法，但是这些实验 都没有取得令人满意的效果。
• 所以，尽管浸染状矿体与围岩的电阻率差异很 小，仍然可以产生明显的激发极化效应，这就 是激发极化法能够成功地寻找浸染状矿体的基 本原因。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
• 应该指出，面极化和体极化的差别只具有相对 意义。 • 严格说来，所有激发极化都是面极化的，因为 从微观来看，体极化中每一个极化单元的激发 极化也都是发生在颗粒与其周围溶液的 界面上。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
· 参数τ R R R 乃是从整个等效网络看，与电抗 i c 并联的电 阻——Ra和Rb 的表达式(3.8)中方括号内的部分 Rc
• 为了克服这些缺点，我国从70年代初期开始引进 频率域（即“交流”）激电法最初采用的是以观 测交变电流场幅值为基础的交频激电法。这种方 法至少要在两个频率上作观测，野外工作不便， 观测效率也很低。于是，接着又研制了以观测地 中交流电场（电位差）相对于交变供电电流之相 位移为主要参数的相位激电仪，开展相位激电法。 后一方法可以只在一个频率上作观测，这相对于 变频法是一个进步。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
频率域激电法的基本概念
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
1
•
激电效应
做电阻率法时，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间的 电位差随时间而变化（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，测量电极间的电位 差，在最初某一瞬间很快下降，随后便随时间 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（见图2.1）。这种在 充电和放电过程中，出现随时间缓慢变化的附 加电场的现象，在电法勘探中称为激发极化效 应，简称激电效应。
• 三十年代末期，苏联在油田测井中引入了IP法， 用以确定地层的渗透率。1941年达赫诺夫提出了 用这种方法勘探硫化矿的可能性。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
•
四十年代末期，差不多在施伦姆贝格发现激发 极化之后三十年，经过认真的，系统的研究， 最后才使得IP法同时在美国和苏联的勘探工作 中得到了利用。1946年纽蒙特勘探公司与新泽 西州的布坦射频实验室协作，着手研究IP现象。 1947到1952年期间他们完成了很多野外实验工 作。在1948到1954年期间，赛格尔导出了各种 形状体（其中包括层状体、接触带和岩脉）时 间域的IP响应公式。从1949年起维特对IP法进 行了许多研究，包括电容耦合和电磁耦合效应， IP响应随粒度，形状和取向的变化，以及由时 间域响应曲线向频率域响应曲线的转变。
R a Rb R Z0 R a Rb R
在频率ω →∞时 ，ZIP→0，
(3.4)
Ra Rb Z Ra Rb
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
(3.5)
由此可计算极限极化率m
Ra R Z 0 Z m Z 0 ( Ra Rb )(Rb R)
将(3.3)代入(3.2)式
(3.6)
R Ra Rb c 1 ix R Z i R Ra Rb c 1 ix R CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
(3.7)
考虑到(3.4)和(3.6)式，并引入新参数
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
图2.3
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
岩石颗粒-溶液界面上双电层的结构
图2.4 岩石颗粒表面双层变形引起的激电效应
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
• 在外电流作用下，岩石颗粒表面双电层分散区之 阳离子发生位移，形成双电层形变(图2.4，b)； • 当外电流断开后，堆积的离子放电，恢复平衡状 态(图2.4，c)，从而可以观测到激发极化电场。 • 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的长短， 因而较大的岩石颗粒将有较大的时间常数(即充电 和放电时间长)，这是用激电法寻找地下含水层的 物性基础
Z i 1 1 1 Ra Rb Z IP Ra Rb Z IP Ra Rb Z IP
(3.2)
当前
Z IP
1 1 c ix R
1 ix R
c
R
(3.3)
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
在频率ω =0时，ZIP=R，
(3.9)
将阻抗Z(iω )和Z(0)对测量装置作归一化，计算电 阻率 K IU K Z ，则可得体极化条件下复电阻 率的表达式：
1 i 0 1 m 1 c 1 i
(3.10)
式中：ρ 0——频率为零时的电阻率； m ——极限极化率，亦称充电率； c ——表征复电阻率随频率变化程度的参 数，称为频率相关系数。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
激电的发展状况
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
1 国外激电的发展
• 法国科学家C.施伦姆贝格对发展电阻率法和 自然电位法作了许多工作，IP现象的发现也 应归功于他。他把这种现象命名为 “Polarisation Provoquée”(激发极化)， 简称PP。1920年在金属硫化物矿床上首次进 行了时间域测量。奇怪的是施伦姆贝格关于 激发极化的一些著作竟无人过问达15年之久， 而且也没有人想在实践中加以应用。必须承 认，它本人也并不打算利用自己的发现。在 当时的技术条件下，要精确地检测出微弱的 IP信号确实困难。加之施伦姆贝格又发现没 有矿体存在时也有或强或弱的IP现象出现。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
•
• 主要假说都是基于岩石颗粒—溶液界面上双电层 分散结构和分散区内存在可以沿界面移动的阳离 子这一特点提出来的。 • 其有代表性的假说是双电层形变说。 • 现简述如下： • 双电层结构 • 由于阳离子交换特性，在岩石颗粒与周围溶液的 分界面上会形成这样一种双电层；
Ra Rb R x Ra Rb R
1 c
(3.8)
由(3.7)式经过相当推演后，可将等效网络阻抗写成
1 Z i Z 0 1 m 1 c 1 i
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
图2.1 一块黄铁矿化岩石标本的充电和放电过程 （实测曲线）封蜡法测定。标本横面积s=72厘米2；标 本厚度d=6厘米2；供电电流I=10毫安
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
图2.2 黄铁矿标本的激电频率特性曲线 黄铁矿标本：颗粒大小0.wk.baidu.com4~2mm；0.01N的NaCl溶液5%
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
• 1950年以前，所有的IP测量都是在时间域进行的。 1950年根据实验室的测量结果，科列特和赛格尔 提出了用不同频率的交流测量方式。维特大大地 扩展了这种方法的可能性，并在当年进行了成功 的实验
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
1 c 1 k i [ ix ] k
(3.1)
后者可表示为一个纯电阻R和电抗的并联。故体极 化可用图3-1(b)所示等效网络电路来表示。下面来 推导其阻抗的表达式
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
根据阻抗并、串联的关系，等效网络电路3-1(b)的 交流阻抗
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
• 靠岩石颗粒一边为固定在岩石颗粒表面的负电荷， 而在溶液一边为正离子。后者由于静电力和离子 热运动的影响分成两部分：靠近界面的部分，正 离子被固相表面的异性电荷紧紧吸引，不能自由 活动，这是所谓“紧密层”；稍微远离界面处， 正离子受固相表面异性电荷的吸引力较弱，可以 在一定的范围内平行于岩石颗粒表面运动，这是 所谓“分散层”(见图2.3)。“紧密层”的厚度 与离子直径的数量级相同，约为10-8米；从“分 散层”到正常溶液是逐渐过渡的，“分散层”厚 度大体可达10-7~10-6米。
频率域激电法
任伟龙 地空学院地球物理系 Email:rwlong001@163.com
2013-7-12
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
• • • • • • •
激电的发展状况 频率域激电法的基本概念 柯尔-柯尔模型的频率域表达式及各分量表达 式 柯尔-柯尔模型的时间域表达式 小结 今后计划安排 参考文献
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
柯尔-柯尔模型的频率域表 达式及各分量表达式
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
1 体极化的等效电路
（a）
（b）
图3-1 矿化岩石极化单元(a)及其等效电路(b) 1-脉石矿物；2-裂隙水通道；3-电子导电矿物颗粒
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
2
面极化和体极化
• 在激电法的理论和实践中，为使问题简化，将岩、 矿石的激发极化分为理想的两类。 • 第一类 是“面极化”，其特点是激发极化均发 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
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
2 我国激电的发展
• 我国50~60年代基本上使用的是时间域（即 “直流”）激电法，其观测仪器较易制造，而 且由于通常是观测供电脉冲断开几百毫秒之后 的二次场，受电磁耦合的干扰较小，故工作 方法和解释理论都比较简单。但这种方法的装 备十分笨重，生产效率低、成本高。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
• 第二类是“体极化”，其特点是极化单元(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。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
• 虽然每个小颗粒与围岩(胶结物)的接触面很小， 但它们的接触面积的总和却是很可观的。
• 然而，实践中应用激电法又都是宏观地研究矿 体、矿带或地层等大极化体的激电效应。 • 故在此讨论体极化体的激发极化特性。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
3离子导体的激发极化成因 • 一般造岩矿物为固体电解质，属离子导体。 • 野外和室内观测资料表明，不含电子导体的一 般岩石，也能产生明显的激电效应。 关于离子导体的激发极化机理，所提出的假说 和争论均较电子导体的多，但大多认为岩石的 激电效应与岩石颗粒和周围溶液界面上的双电 层结构有关 (见图2.4,a)。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
我们考察矿化岩石（体极化体）内一个小单元[图 3-1(a)]其中脉石矿物（1）实际上为绝缘体；离子 导电（裂隙水）通道（2）概括为两条：a——未被 电子导电矿物粒（3）堵塞的通道和b——被电子导 电矿物粒堵塞的通道。a通道只有纯电阻Ra；而b通 道除离子导体和电子导体内部的纯电阻Rb之外，还 串联有电子导电颗粒表面极化的等效阻抗ZIP。根 据式子
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
• 直到1932年和1934年，美国人韦德和马勒才进行 了实验，他们隐约觉得有可能提出一种基于电化 学效应的勘探方法。另外在美国，波塔彭科-彼得 森公司1940年提出一种基于含油和不含油地层的 选择性极化效应的油矿勘探方法，但是这些实验 都没有取得令人满意的效果。
• 所以，尽管浸染状矿体与围岩的电阻率差异很 小，仍然可以产生明显的激发极化效应，这就 是激发极化法能够成功地寻找浸染状矿体的基 本原因。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
• 应该指出，面极化和体极化的差别只具有相对 意义。 • 严格说来，所有激发极化都是面极化的，因为 从微观来看，体极化中每一个极化单元的激发 极化也都是发生在颗粒与其周围溶液的 界面上。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
· 参数τ R R R 乃是从整个等效网络看，与电抗 i c 并联的电 阻——Ra和Rb 的表达式(3.8)中方括号内的部分 Rc
• 为了克服这些缺点，我国从70年代初期开始引进 频率域（即“交流”）激电法最初采用的是以观 测交变电流场幅值为基础的交频激电法。这种方 法至少要在两个频率上作观测，野外工作不便， 观测效率也很低。于是，接着又研制了以观测地 中交流电场（电位差）相对于交变供电电流之相 位移为主要参数的相位激电仪，开展相位激电法。 后一方法可以只在一个频率上作观测，这相对于 变频法是一个进步。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
频率域激电法的基本概念
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
1
•
激电效应
做电阻率法时，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间的 电位差随时间而变化（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，测量电极间的电位 差，在最初某一瞬间很快下降，随后便随时间 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（见图2.1）。这种在 充电和放电过程中，出现随时间缓慢变化的附 加电场的现象，在电法勘探中称为激发极化效 应，简称激电效应。
• 三十年代末期，苏联在油田测井中引入了IP法， 用以确定地层的渗透率。1941年达赫诺夫提出了 用这种方法勘探硫化矿的可能性。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
•
四十年代末期，差不多在施伦姆贝格发现激发 极化之后三十年，经过认真的，系统的研究， 最后才使得IP法同时在美国和苏联的勘探工作 中得到了利用。1946年纽蒙特勘探公司与新泽 西州的布坦射频实验室协作，着手研究IP现象。 1947到1952年期间他们完成了很多野外实验工 作。在1948到1954年期间，赛格尔导出了各种 形状体（其中包括层状体、接触带和岩脉）时 间域的IP响应公式。从1949年起维特对IP法进 行了许多研究，包括电容耦合和电磁耦合效应， IP响应随粒度，形状和取向的变化，以及由时 间域响应曲线向频率域响应曲线的转变。
R a Rb R Z0 R a Rb R
在频率ω →∞时 ，ZIP→0，
(3.4)
Ra Rb Z Ra Rb
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
(3.5)
由此可计算极限极化率m
Ra R Z 0 Z m Z 0 ( Ra Rb )(Rb R)
将(3.3)代入(3.2)式
(3.6)
R Ra Rb c 1 ix R Z i R Ra Rb c 1 ix R CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
(3.7)
考虑到(3.4)和(3.6)式，并引入新参数
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
图2.3
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
岩石颗粒-溶液界面上双电层的结构
图2.4 岩石颗粒表面双层变形引起的激电效应
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
• 在外电流作用下，岩石颗粒表面双电层分散区之 阳离子发生位移，形成双电层形变(图2.4，b)； • 当外电流断开后，堆积的离子放电，恢复平衡状 态(图2.4，c)，从而可以观测到激发极化电场。 • 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的长短， 因而较大的岩石颗粒将有较大的时间常数(即充电 和放电时间长)，这是用激电法寻找地下含水层的 物性基础
Z i 1 1 1 Ra Rb Z IP Ra Rb Z IP Ra Rb Z IP
(3.2)
当前
Z IP
1 1 c ix R
1 ix R
c
R
(3.3)
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
在频率ω =0时，ZIP=R，
(3.9)
将阻抗Z(iω )和Z(0)对测量装置作归一化，计算电 阻率 K IU K Z ，则可得体极化条件下复电阻 率的表达式：
1 i 0 1 m 1 c 1 i
(3.10)
式中：ρ 0——频率为零时的电阻率； m ——极限极化率，亦称充电率； c ——表征复电阻率随频率变化程度的参 数，称为频率相关系数。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
激电的发展状况
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
1 国外激电的发展
• 法国科学家C.施伦姆贝格对发展电阻率法和 自然电位法作了许多工作，IP现象的发现也 应归功于他。他把这种现象命名为 “Polarisation Provoquée”(激发极化)， 简称PP。1920年在金属硫化物矿床上首次进 行了时间域测量。奇怪的是施伦姆贝格关于 激发极化的一些著作竟无人过问达15年之久， 而且也没有人想在实践中加以应用。必须承 认，它本人也并不打算利用自己的发现。在 当时的技术条件下，要精确地检测出微弱的 IP信号确实困难。加之施伦姆贝格又发现没 有矿体存在时也有或强或弱的IP现象出现。
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
•
• 主要假说都是基于岩石颗粒—溶液界面上双电层 分散结构和分散区内存在可以沿界面移动的阳离 子这一特点提出来的。 • 其有代表性的假说是双电层形变说。 • 现简述如下： • 双电层结构 • 由于阳离子交换特性，在岩石颗粒与周围溶液的 分界面上会形成这样一种双电层；
Ra Rb R x Ra Rb R
1 c
(3.8)
由(3.7)式经过相当推演后，可将等效网络阻抗写成
1 Z i Z 0 1 m 1 c 1 i
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
图2.1 一块黄铁矿化岩石标本的充电和放电过程 （实测曲线）封蜡法测定。标本横面积s=72厘米2；标 本厚度d=6厘米2；供电电流I=10毫安
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
图2.2 黄铁矿标本的激电频率特性曲线 黄铁矿标本：颗粒大小0.wk.baidu.com4~2mm；0.01N的NaCl溶液5%
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
• 1950年以前，所有的IP测量都是在时间域进行的。 1950年根据实验室的测量结果，科列特和赛格尔 提出了用不同频率的交流测量方式。维特大大地 扩展了这种方法的可能性，并在当年进行了成功 的实验
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
1 c 1 k i [ ix ] k
(3.1)
后者可表示为一个纯电阻R和电抗的并联。故体极 化可用图3-1(b)所示等效网络电路来表示。下面来 推导其阻抗的表达式
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
根据阻抗并、串联的关系，等效网络电路3-1(b)的 交流阻抗
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
• 靠岩石颗粒一边为固定在岩石颗粒表面的负电荷， 而在溶液一边为正离子。后者由于静电力和离子 热运动的影响分成两部分：靠近界面的部分，正 离子被固相表面的异性电荷紧紧吸引，不能自由 活动，这是所谓“紧密层”；稍微远离界面处， 正离子受固相表面异性电荷的吸引力较弱，可以 在一定的范围内平行于岩石颗粒表面运动，这是 所谓“分散层”(见图2.3)。“紧密层”的厚度 与离子直径的数量级相同，约为10-8米；从“分 散层”到正常溶液是逐渐过渡的，“分散层”厚 度大体可达10-7~10-6米。
频率域激电法
任伟龙 地空学院地球物理系 Email:rwlong001@163.com
2013-7-12
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
• • • • • • •
激电的发展状况 频率域激电法的基本概念 柯尔-柯尔模型的频率域表达式及各分量表达 式 柯尔-柯尔模型的时间域表达式 小结 今后计划安排 参考文献
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
柯尔-柯尔模型的频率域表 达式及各分量表达式
CHINA
UNIVERSITY OF GEOSCIENCES
1 体极化的等效电路
（a）
（b）
图3-1 矿化岩石极化单元(a)及其等效电路(b) 1-脉石矿物；2-裂隙水通道；3-电子导电矿物颗粒