第四讲电测深电剖面

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)：
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.
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
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
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
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
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。
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 )
岩石电阻率的测定
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。
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
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；
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 ,
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 ( ) ]
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；
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。
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

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.
第二节 地表点电源的正常场

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。
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