第四讲电测深电剖面

孔隙水的导电机制



存在于岩石裂隙或孔隙中的水分，统称孔隙水。几乎所有天然岩石都 或多或少地含有孔隙水。 纯蒸馏水的导电性极差，几乎可看成是绝缘体。 岩石中的孔隙水不同程度上总含有某些盐分(电解质)，当电解质溶于 水形成电解液时会发生电离或离解（正、负离子分开）离子导体。 电解液的电阻率与其载流子（离解的正、负离子）浓度和迁移率成反 比。 孔隙水电阻率一般远小于造岩矿物。很少超过100·m，通常在 1~100·m之间。

A h h 2 2 2 3/ 2 2 0 A 2 3/ 2 2
3/ 2
jh 1 j0 [1 ( h ) 2 ]3 / 2 l
l
l
j 1 h l时, h 85% 3 j0 j h l时, h 35% j0 jh h 3l时, 3.2% j0
China Univ. of Mining &Tech.
脉冲瞬变场法、低频电磁法、无线电波法(坑透法)
4 按地质目标分
金属与非金属电法、石油与天然气电法、煤田电法、 水文与工程电法、矿井电法
5 按工作场所分
地面电法、航空电法、地下电法
6 目前常用方法：
直流电法：电阻率法： 电测深法 电剖面法 高密度电阻率法
自然电场法 充电法
不稳定场： 激发极化法
交流电法（电磁法） ： 大地电磁测深 频率电磁测深 瞬变电磁测深 甚低频法 无线电波透视（坑透法） 地质雷达法
岩石电阻率的测定
U R I
一、 岩、矿石的电阻率

电阻率的单位
2.电导率(conductivity)
将电阻率的倒数称为电导率，用s表示。
s
1
r
二、岩石和矿石的电学性质
1 岩石和矿石的电阻率 1) 岩石电阻率的测定
铜丝
铜板
二、岩石和矿石的电学性质
2) 岩石的导电方式



岩石的导电方式大致可分为四种： (1) 电子导电：金属、石墨——电阻率低； 各种天然金属属于金属导体。地壳中不常见，如自然铜、金、 石墨是一种特殊电子导体； 金属导体导电性十分好，电阻率值很低，一般r≤10-6 ·m (2) 半导体导电：大多数金属硫/氧化物——电阻率低； 大多数金属矿物为半导体， r高于金属导体，通常r=10-6~10 6 ·m 半导体性质同其所含杂质种类和含量有关，电阻率变化范围大。 (3) 晶体离子导电：大多数造岩矿物，石英、云母、方解石等——电 阻率高；固体电解质的电阻率很高，一般r>10 6 ·m (4) 离子导电：含水矿物——电阻率低； 不同种岩石的电阻率一般不同——电法勘探基础； 但不同种矿物电阻率的范围有可能部分重合——电法勘探的局限性；
第一章 电阻率法


什么是电阻率法 电阻率法是以地壳中岩石和矿石的电阻率差异为 物质基础，通过观测与研究人工电场的分布规律 达到解决地质找矿的目的。 电阻率法是传导类电法勘探方法之一 电阻率法的电场是人工电场
第一节 电阻率法的理论基础
一、岩、矿石的电阻率 1.电阻率(resistivity)的基本公式
2.岩石电阻率与层理的关系
r n 代表垂直层理方向上的平均电阻率;
r t 代表沿层理方向的平均电阻率。
rn

r1h1 r 2 h2
h1 h2
rn rt
h1 h2 rt h1 h2
r1
r2
以上两种电阻率是如何得来的？
图1-1-1 层状结构岩石模型
rn的获得

设岩石由两种岩性地层组成，厚度和电阻率分别 为：r1,h1和r2,h2 S h1 h2 R1 r1 R2 r 2 S S r1h1 r 2 h2 Rn R1 R2 S
rI 1 r ( I ) 1 rI 1 1 UM U U ( ) 2 AM 2 BM 2 AM BM
A M B M
A B EM EM EM
A B JM JM JM
2.地表正、负两个点电源的正常电流场

主测线上的电位及电场强度 在地表通过A、B两个供电电极的连线称为主测线； A B 在A、B之间，EM 和EM 的方向相同，此时： rI 1 1 A B UM UM UM ( ) AM>BM 2 AM<BM AM BM
2.地表正、负两个点电源的正常电流场

主断面内电位及电流分布
为了弄清电流场在地下的分布情况，AB不变，主断面(A、 B连线的中垂面上)电流密度的变化情况。 当h=0时，AB中点O处的电流密度用j0表示

主断面内电位及电流分布
当h≠0时， I cos I l I 1 1 j 2 j cos j h r (l h ) l [1 ( h ) ] [1 ( ) ]
S r1h1 r 2 h2 S r n Rn l S h1 h2
rt的获得
设岩石由两种岩性地层组成，厚度和电阻率分别 为：r1,h1和r2,h2 l l l R1 r1 R2 r 2 h1b h2b

1 1 1 ( r1h2 r 2 h1 )b Rt R1 R2 r1 r 2l
j sE E
r
E j r — —微分形式欧姆定律
电场强度:单位正电荷在所研究点所受的电场力。 j为电流密度矢量,E为电场强度矢量,r为该点岩石的电阻 率,s为该点的电导率;
U Edr r jdr
M M
U为电位值
将电位、电场强度和电流密度之 间的关系想象成流体势能3个参数 间的关系。 ∆U=rgh
1. 点电源时的电场

地表正、负两个点电源的正常电流场 叠加原理：当多个点电源同时存在时，任意一点M的 电位是各电源单独在该点产生的电位之和；任意一点 的电场强度(或电流密度)是各电源单独在该点产生的 电场强度(或电流密度)的向量和。 如图所示，在均匀半空间表面布以电极A和B并分别以 +Ⅰ和-Ⅰ向介质中供电，根据电场的叠加原理，可写 出A、B两个点电流源在M点形成的电位。
实际勘探深度：h=AB/2 勘探体积：长AB、宽AB/2、高AB/2
AB/2
3. 岩石电阻率的测定及视电阻率

岩石电阻率的测定
A M N B
Ir 1 1 UM 2 AM BM
U MN
Ir 1 1 UN 2 AN BN Ir 1 1 1 1 UM UN 2 AM AN BM BN
电流密度 设在地面A点向地下供电，电流强度为I，地下半空间的电 阻率为r。地下距A点距离为R的M点处的电流密度为：
j I 2πR 2 如果是全空间情况又如 何 ?
j与电流强度I呈正比， 与距离平方成反比； 电场强度
rI E rj 2R 2
一个点电源时的电场

电位：电场中某点的电位在数值上等于将单位正电菏 从无穷远处移到该点反抗电场力所作的功。
第四讲
电法勘探
主讲人：杨双安
电法勘探的分类
1 按场源性质分 人工场法（主动源法）：灵活 天然场法（被动源法）：经济 2 按电磁场的时间特性分 直流电法（稳定场）时间域电法 交流电法（交变场、电磁波）频率域电法 过渡过程法或脉冲瞬变法 3 按产生异常电磁场的原因分 传导类电法（异常电流场）： 电阻率法、自然电场法、充电法、激发极化法 感应类电法（涡旋电流场或电磁场)：
A B EM EM EM
rI 1 1 ( ) 2 2 2 AM BM I 1 1 A B jM jM jM ( ) 2 2 2 AM BM

在A、B之外， EMA和EMB的方向相反，最终可得主测 线上电位与电场强度图
主测线上的电位及电场强度

由图可知：



在供电电极A、B附近，U、j、E分布极不均匀，变化很 快。当距离为零时，从数学定义上讲，它们的数值值 趋于正负无穷大，但实际上是趋于某一有限值，V趋于 电源电压。 在A、B中间部分，E、j、U变化都比较平缓，尤其是中 间1/3地段，E、j可近似看作均匀水平场，U的变化近 于线性，A、B中点值为零。 在A、B外侧，电位变化比内侧缓慢，电场强度则比内 侧衰减快。
垂直层理方向的电阻率总是大于沿着 层理方向的电阻率！
rm rn r t
等效电阻率
3) 影响岩石电阻率的因素
沉积岩石电阻率的相互关系 泥岩或粘土<页岩<细砂岩或粉砂岩<中砂岩<粗砂岩 <砾岩。
第二节 地表点电源电场
第二节 地表点电源的正常场

电位、电场强度与电流密度间的关系

电流密度与电场强度成正比
主断面内电位及电流分布

h不变，jh随AB的变化规律:
l jh (l 2 h 2 ) 3 / 2
什么时候jh最大？
I
当l 0, 或l 时, jh 0
jh I h 2 2l 2 当AB 当 2 2 5/ 2 0 l (h l )
2h时, 此时深度为h的电流密度最大 ,
dU Eds

M点的电位是将单位正电荷从无穷远处移到电场中该点 所做的功，则：
U dV Eds Edr
M M M M
rI rI dr 2r 2 2rM
即：电位值与电流强度I和岩石电阻率r成正比，与A到M 点间距离成反比；点电源A(+I)处电位值最大。


电阻(resistance)是表征某一物体导电能力的物理量； 其与物体长度、横截面积有关；


r为电阻率，是表征岩石导电性的物理量； 某物质的电阻率，在数值上等于该物质组成的截面积为一 用电阻描述某种材料的导电能力合适吗？ 平方米、长度为一米的导体所具有的电阻数值。 电阻率的大小代表着岩石导电的难易程度；
二、岩石和矿石的电学性质
3) 影响岩石电阻率的因素
二、岩石和矿石的电学性质
3) 影响岩石电阻率的因素
(6)岩石电阻率与层理的关系 层理构造是大多数沉积岩和变质岩的典型特征，如砂 岩、泥岩、片岩、板岩以及煤层等，它们均由很多薄 层相互交替组成。
这种岩石的电阻率具有明显的方向性，即沿层理方向 和垂直层理方向岩石的导电性不同，称为岩石电阻率 的各向异性。岩石电阻率的各向异性用各向异性系数 来表示.
第二节 地表点电源的正常场

源自文库
点电源场的建立


为了建立地下电场，将A、B两个电极向地下供电， A、B被称为供电电极； 当供电电极大小比供电电极间距小得多时，可以将 两个供电电极看成是两个“点”，所以将A、B称为 点电源；
1. 点电源时的电场

一个点电源时的电场

电压为标量，在此为正值； 电场强度为矢量，有方向性； 电场强度的减小速度要比电 压的减小速度快。
此时的电极距被称为最 佳电极距 .
2 当l h时, 2 jh 取最大值
为了探测100m深处的目标体， 如何选择电极距AB？
勘探深度、勘探体积
根据以上讨论可以得出以下结论： M N B ①.在地表由A、A B供电时，大部分电流集中于 AB附近。AB 一定时，在地表观测电场只能反映一定深度的不均匀体； ②.欲增加勘探深度，必须加大供电电极距，使更多的电 流流入深处。 /2 B A ③.在AB连线之间，以中点的电流分布最深，电场最均匀， 勘探深度最大。因此，以中点观测最佳，可以以最小的电 极距达到最大的勘探深度。
大部分电流都集中在近地表地层内！
l
主断面内电位及电流分布

结论：




当h=AB/6时，jh/j0=85%，因此，在此范围内，可以近 似认为是均匀场； 当h<AB/2时， jh/j0>35%，如果有异常体存在时，可 以识别； 当h=0.71AB时，jh/j0=19.2%，此时，如果有异常体存 在时，有时也可以识别； 当h=AB时，jh/j0=8.9%，此时，如果有异常体存在时， 很难识别异常；
S r1 r 2l b(h1 h2 ) rt Rt l ( r1h2 r 2 h1 )b l
b
rn和rt 的关系
rn r1h1 r 2 h2
h1 h2
h1 h2 rt h1 h2
r1
r2
h1h2 ( r1 r 2 ) 2 r n rt 0 (h1 h2 )(r1h2 r 2 h1 )