电法勘探基本原理、常用方法及发展简介

➢地壳是由不同的岩石、矿体和各种地质构造所组成，它 们具有不同的导电性、导磁性、介电性和电化学性质。根 据这些性质及其空间分布规律和时间特性，人们可以推断 矿体或地质构造的赋存状态（形状、大小、位置、产状和 埋藏深度）和物性参数等，从而达到勘探的目的。
➢电法勘探具有利用物性参数多，场源、装置形式多，观 测内容或测量要素多及应用范围广等特点。
-280
-300 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260
点号(m)
(d)实测极化率反演断面
0
-20
-40
-60
-80
-Байду номын сангаас00
-120
-140
-160
-180
-200
-220
-240
-260
-280
-300 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260
岩矿石电阻率而言，也有类似的情况。其电阻率值 除与组成矿石的矿物成分、含量有关外，更主要地 乃由矿物颗粒的结构构造所决定。
几种岩石电阻率的分布范围曲线
火成岩 变质岩 粘土 软页岩 硬页岩
砂 砂岩 多孔石灰岩 致密石灰岩
( m)
1 10 102 103 104 105 106
c、影响岩、矿石电阻率的因素
(c)非均匀初始模型的反演结果
（7）实例二：温纳装置（路基勘查）
-AB/2(m)
1110 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45
1120
1130
1140
1150
1160
1170
1180
1190
1200
1210
1220
(a)原始视电阻率数据等值线图
5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45
我国是从20世纪末期开始研究高密度电法及其应用技 术，从理论方法和实际应用的角度进行了探讨并完善， 现有中国地质大学、原长春地质学院、重庆的有关仪 器厂家研制成了几种类型的仪器。
高密度电法野外测量时将全部电极（几十至上百根）置于 剖面上，利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实 现剖面中不同电极距、不同电极排列方式的数据快速自动 采集。与常规电阻率法相比，高密度电法具有以下优点：
15
25
35
45
55
65
75
85
95 105 115
(b)反演电阻率数据等值线图
Depth(m)
激发极化法
在电法勘探中，当电极排列向大地供入或切断电流的 瞬间，在测量电极之间总能观测到随时间缓慢变化的 附加电场，称为激发极化效应。
激发极化法（或激电法）就是以岩、矿石激发极化效 应的差异为基础来解决地质问题的一类勘探方法。
-15
在730号点经钻孔验证：
-25 -35
-AB/2(m)
0－9.8m为粘土；
-45
-55
9.8－15.2m为白云质灰岩； -65
-75
15.2－18.6m为含砾粘土， -85
-95
18.6－72.8m为白云质灰岩，
(a)实测视电阻率断面
其中67.3－73.6m为溶洞。
Depth(m)
桩 号 (m) 595 615 635 655 675 695 715 735 755 775 795 815 835 855 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80
高密度电法
高密度电法实际上是集中了电剖面法和电测深法，其 原理与普通电阻率法相同，所不同的是在观测中设置 了高密度的观测点，是一种阵列勘探方法。关于阵列 电法勘探的思想源于20世纪70年代末期，英国人设计 的电测深偏置系统就是高密度电法的最初模式，20世 纪80年代中期日本借助电极转换板实现了野外高密度 电法的数据采集。
在实际地质应用方面，初期的激电法主要用于勘查硫化金 属矿床，后来发展到诸多领域，如氧化矿床、非金属矿床、 工程地质问题等。近年来，激电法找水效果十分显著，被 誉为“找水新法”。
利用激电法找水或确定地层的含水性，最好与高密度电阻 率法相结合，这样可以降低地球物理解释的多解性，提高 找水的成功率。高密度电阻率法在确定高阻或低阻地质体 具有优越性，但低阻地质体并不代表富含地下水，可能是 由于泥岩引起地层的电阻率下降。这时，可以通过使用激 电法来区分含水地层和泥岩，因为激电二次场与岩石的孔 隙有关，在纯粹泥岩中极化率比较小，在含水砂砾岩中极 化率比较大，此外二次场的衰减速度也与孔隙的大小、形 状和宽窄有关，这就是激电法找水的机理所在。
自然铜，其电阻率值均很低
半 导 体 大多数金属矿物均属于半导体
固体电解质
绝大多数造岩矿物（如辉石、 氏石、石英、云母、方解石 ）
常见半导体矿物的电阻率值
矿物名称
斑铜矿
磁铁矿 磁黄铁矿
黄铜矿 黄铁矿 方铅矿 辉铜矿 辉铅矿
电阻率值 (.m)
106 ~ 105 106 ~ 102 105 ~ 102 103 ~ 100 103 ~ 100 103 ~ 100 108 ~ 100 108 ~ 100
高密度电阻率法的基本原理和工作方 法
1.主机 2.转换开关 3.电池 4.电极 5.电缆线
工作装置示意
图
温纳装置AMNB
na
na
na
固
偶极装置ABMN
na
na
na
定
断
面
微分装置AMBN
na
na
na
扫 面
测
联剖正装置AMN
na
na
B极接无穷远
量
装
置
联剖反装置MNB
na
na
A极接无穷远
二极装置AM
na
中国常用的电法勘探方法有电阻率法、充电法、激发极 化法、自然电场法、大地电磁测深法和电磁感应法等。
电法勘探分类
直流电法 人工场
电测深 电剖面 剖面图 (多测道/复合剖面) 断面图
天然场
电阻率法
充电法
自然电场法
电测深
电剖面
电法勘探分类
交流电法 交变场
人工场
天然场
甚低频法
变频电磁测深法 无线电波透视法 大地电磁场法
视电阻率的概念及分析方法
S
(a) 1
X
A(+I)
V UMN K UMN
I
MN
B(-I)
(b)
2
3
1
地电断面 ？？
电阻率不均匀时地下电流分布示意图
在自然界中，地下地质情况是复杂的，各种不 同岩(矿)石分布是不均匀的。在电法勘探中，常把按 电阻率划分的地质断面称为地电断面。
电法勘探的方法
按场源性质可分为人工场法（主动源法）、天然场法（被 动源法）； 按观测空间可分为航空电法、地面电法、地下电法； 按电磁场的时间特性可分为直流电法（时间域电法）、交 流电法（频率域电法）、过渡过程法（脉冲瞬变场法） ； 按产生异常电磁场的原因可分为传导类电法、感应类电 法； 按观测内容可分为纯异常场法、总合场法等。
导电矿物含量 温度、压力
岩、矿石的结构 、构造、孔隙度
岩矿石的含水量 及含水矿化度
视电阻率的概念及分析方法
K UMN
I
地面水平， 地下为均匀、 无限、 各向同性介质。
实际工作中常常不能满足这些条件，地形往往起伏不 平，地下介质也不均匀，各种岩石相互重叠，断层裂隙纵 横交错，或者有矿体充填其中。
➢电法勘探利用岩石、矿石的物理参数，主要有电阻率 （ρ）、导磁率（μ）、极化特性（人工体极化率η和面极 化系数λ、自然极化的电位跃变Δε）和介电常数（ε）。
电阻率法的基础知识
1、岩土介质的电阻率
在电法勘探中，用来表征岩、矿石导电性好坏的参数为电 阻率(ρ)或电导率(σ=1/ρ)。从物理学中已知，当电流垂直流过 单位长度、单位截面积的体积时，该体积中物质所呈现的电阻 值即为该物质的电阻率。
三极装置AMN
na
a
三极装置ABM
a
na
偶极装置ABMN
a
na
B、N极接无穷远
变
B极接无穷远
断
面
扫
N极接无穷远
描 测
量
装
置
a
固定断面扫描测量数据点分布示意图
AM NB 电极 a N=1 N=2 N=3 N=4
N=16
滚动断面扫描测量数据点分布示意图
AM
电极 a
N=1 N=2 N=3 N=4 N=5 N=6 N=7 N=8 N=9 N=10 N=11 N=12
A：供电电极 M：测量电极 N：剖面号 a：点 距
滚动线号
高密度电法应用领域
高密度电法应用领域比较广，尤其在水文和工程地质勘查方 面，主要有：
水库大坝的坝体稳定性评价、坝基渗漏勘查、堤坝裂缝检 测上；
高速公路高架桥、高层建筑选址、机场跑道的地基勘探中； 探测防空洞、涵洞、溶洞、地下局部不明障碍物等物理性
１、电极布置一次性完成，不仅减少了因电极设置引起 的故障和干扰，并且提高了效率；
２、能够选用多种电极排列方式进行测量，可以获得丰 富的有关地电断面的信息；
３、野外数据采集实现了自动化或半自动化，提高了数 据采集速度，避免了手工误操作。
此外，随着地球物理反演方法的发展，高密度电法资料的 电阻率成像技术也从一维和二维发展到三维，极大地提高 了地电资料的解释精度。
CSAMT采用可控制人工场源，测量由电偶极源传 送到地下的电磁场分量，两个电极电源的距离为 1～2km，测量是在距离场源5～10km以外的范围 进行，此时场源可以近似为一个平面波。
由于该方法的探测深度较大（通常可达2km），并 且兼有剖面和测深双重性质，因此具有诸多优点：
1、使用可控制的人工场源，测量参数为电场与磁 场之比——卡尼亚电阻率，增强了抗干扰能力，并 减少地形的影响。2、利用改变频率而非改变几何 尺寸进行不同深度的电测深，提高了工作效率，一 次发射可同时完成7个点的电磁测深。3、探测深 度范围大，一般可达1～2km.4、横向分辨率高， 可以灵敏地发现断层。第五，高阻屏蔽作用小，可 以穿透高阻层。
质有别于周围介质的地下有形体； 机场扩建工程中的岩土工程勘察问题，查明古河道、墓穴
和洞穴的分布及埋深，利用土层的剪切波速划分场地类别； 寻找地下水、管线探测、查明采空区、调查岩溶及地质灾
害等。
（4）实例一：岩溶勘查
桩 号 (m) 595 615 635 655 675 695 715 735 755 775 795 815 835 855
点号(m)
可控源音频大地电磁法
（CSAMT）
可控源音频大地电磁法是在大地电磁法（MT） 和音频大地电磁法（AMT）基础上发展起来的 一种可控源频率测深方法。
CSAMT是1975年由Myron Goldstein提出，它 基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组建立了 视电阻率和电场与磁场比值之间的关系，并且 根据电磁波的趋肤效应理论得出电磁波的传播 深度（或探测深度）与频率之间的关系，这样 可以通过改变发射频率来改变探测深度，达到 频率测深的目的。
1、激发极化效应的成因
电 子 导 体
1、激发极化效应的成因
离 子 导 体
3、激发极化法在地质勘查中的应用 （1）找地下水
Depth(m) Depth(m)
（2）找金属矿体
(c)实测电阻率反演断面
0
-20
-40
-60
-80
-100
-120
-140
-160
-180
-200
-220
-240
-260
计算公式如下：
Rs/L
注
(U / I ) (s / L)(.m)
电阻率(ρ)单位是欧姆·米，记作Ω·m。 用电导率σ表示时，其单位为西门子每米，记作s／m。 电导率和电阻率互为倒数，成反比性。
a、矿物的电阻率
固体矿 物按导 电机理 分为：
各种天然金属均属于金属导体 金属 导体 较重要的天然金属有自然金和
矿物名称
赤铁矿
锡石 辉锑矿 软锰矿 菱铁矿 鉻铁矿 闪锌矿 钛铁矿
电阻率值 (.m)
103 ~ 106 108 ~ 100 100 ~ 102 100 ~ 108 100 ~ 103 100 ~ 106 103 ~ 105 103 ~ 105
b、岩、矿石的电阻率
矿物电阻率值是在一定范围内变化的，同种矿物可 有不同的电阻率值，不同矿物也可有相同的电阻率 值。因此，由矿物组成的岩石和矿石的电阻率也必 然有较大的变化范围。
电法勘探基本原理、常用方法 及发展简介
周韬 2011年7月
电法勘探
•根据地壳中各类岩石或矿体的电磁学性质（ 如导 电性、导磁性、介电性）和电化学特性的差异，通 过对人工或天然电场、电磁场或电化学场的空间分 布规律和时间特性的观测和研究，寻找不同类型有 用矿床和查明地质构造及解决地质问题的地球物理 勘探方法。
激电法是20世纪50年代末在我国开始研究和推广的， 早期是以直流（时间域）激电法为主，20世纪70年代 初开始研究交流（频率域）激电法——主要是变频法， 20世纪80年代初又开始对频谱激电法进行研究，也就 是研究复视电阻率随频率的变化——即复视电阻率的 频谱。由于该方法测量的是二次场，具有不受地形起 伏和围岩电性不均匀的影响、可测量的参数多等优点。