地球物理学必备-应用地球物理学原理(不看后悔)

• (2)扩散—吸附电场 • 当两种浓度不同的溶液相接触时，会产生 扩散现象。 • 溶质由浓度大的溶液移向浓度小的溶液 里，以达到浓度平衡。 • 正、负离子将随着溶质移动，但因岩石颗 粒的吸附作用，正、负离子 的扩散速度 不同，使两种不同离子浓度的岩石分界面 上分别含有过量的正离子或负离子，形 成电位差，这种电场称为扩散—吸附电场。
• 2 • 在离子导电的岩石上所观测到的自然电场 主要是由于动电效应所产生的流动电位所
• (1)过滤电场 • 当地下水流过多孔岩石时，在地表就可以 观测到过滤电场。
• 溶液能平行于孔壁自由流动，而把正离 子带走 • 在水流的上游负离子过多， • 而 在水流下游正离子过多，形成了过滤 电场。
• 地壳中自然形成的过滤电场主要包括裂 隙电场、上升泉电场、山地电场和河流 电场等。 • 例如 ：地下的喀斯特溶洞、断层、破碎 带或其它岩石裂隙带，常成为地下水的 通道。 • 当地下水向下渗漏时，上部岩石吸附负 离子，下部岩石出现多余的正离子，这 就形成裂隙电场(见图1.3-6，a)。
U (T ) U1 U 2 (T )
• ΔＵ ２ 得：
(T=0)
二次场电位差为
U (0) U1
• 于是 • ΔＵ２(Ｔ)＝ΔＵ(Ｔ)－ΔＵ(０)
• 体极化比面极化的充、放电速度快得多， 这是体极化与面极化的一个重要不同之 处。 • 对星散浸染状矿石或矿化、石墨化标本 的实验观测结果表明： • 若在相当大范围内改变供电电流I，直到 n×１０２ μＡ／ｃｍ２时，二次场 电位差总是与 供电电流成正比，且其比值与供电方向 无关。
• 此电位差产生—反向电场，阻碍金属离 子或电子继续进入溶液。 • 当进入溶液的金属离子达到一定数量后， 便达到平衡，此时，双电层的电位差为 该金属在该溶液中的平衡电极电位。 • 它与导体和溶液的性质有关。 • 若导体和溶液都是均 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。 • 所以 ，如果不能继续保持原有的导体或 溶液的不均匀性，则因极化引起的自然电 流会随时间逐渐减小，以至最终消失。
• 2 • 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 1.3-10，a)。
• 扩散—吸附电场强度较小 • 例如在地面观测到的河水与地下水接触 处由于离子浓度差别形成 的扩散—吸附 电场，一般约10～20mV • 扩散—吸附电场更多的是用在电测井工 •
• 以上各种原因产生的自然电场不是孤立 存在的。 • 应用自然电场找矿时，主要研究电子导 体周围的电化学电场，而把河流电场、 裂隙电场视为找矿的干扰； • 应用自然电场解决水文地质问题时，将 矿体周围的电场视为干扰。
U t 2 (T , t ) 1000 0 U (T )
• 极化率为用百分数表示的无量纲参数
• 由于二次场和总场均与供电电流成正比， 故极化率是与电流无关的常数。 • 但极化率与供电时间 T 和放电时间 t 有关，必须予以特别说明。 • 为简单起见，我们将长时间供电(T→ ∞， 即充电达饱和)和断电瞬间(t→0) 测得 的饱和极化率η（∞，０）定义为极化 率 ，记为η
• 这样， 电子导体的上、下部分总是分别 处于性质不同的溶液之中，在导体和溶 液之间形成了不均匀的双电层，产生自 然极化，并形成自然极化电流场，简称 • 在上述特定自然条件下，导体上部处于 氧化性质溶液中，其电极电位较高，导 体带正电，其周围溶液带负电； • 导体下部处于还原性质溶液中，电极电 位较低，导体带负电，周围溶液带正电。
• 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： • 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1.3-10，b)；
• 当外电流断开后，堆积的离子放电，恢 复平衡状态(图1.3-10，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
• 介绍两个重要概念： • 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。
• 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
• 这种因极化形成的电流，在导体内部自 上而下； • 而在导体外部是自下而上，如图1.3-4中 的电流线。 • 从地平面看，自然电流是从四面八方流 向导体，因此，沿剖面观测自然电位 时， 离矿体愈近，电位愈低，在导体正上方 电位最低，称为自然电位负心。
• 通常，在硫化金属矿上可观测到几十到 • 顺便指出：在化学性能十分稳定的石墨 矿或石墨化程度较高的地层上，自然电 位负异常的幅 度可达－800～－900mV， 甚至－1000mV以上。
• 因此，电子导体周围产生稳定电流场的 条件必须是： • 导体或溶液的不均匀性，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。
• 如图1.3-4所示，赋存于地下的电子导电 矿体，当其被地下潜水面切过时，往往 在其周围形成稳定的自然电流场。 • 我们知道，潜水面以上为渗透带，由于 靠近地表而富含氧气，使潜水面以上的 溶液氧化性较强； • 相反，潜水面以下含氧较少，那里的水 溶液相对来说是还原性的。 • 潜水面上、下水溶液化学性质的差异通 过自然界大气降水的循环总能长期保持。
• 体极化岩、矿石的极化率除了与观测时 的充放电时间有关外，还和岩、矿石的 成分、含 量、结构及含水性等多种因素 有关。 • 我国物探工作者对大量矿化岩、矿石标 本作了系统观测 ，研究了多种因素对岩、 矿石极化率的影响规律，研究结果表明， 在上述诸多因素中，影响 岩、矿石极化 率的主要因素是电子导电矿物的含量和
• 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。 • 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。
• 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。 • 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。
• (一)岩石和矿石的自然极化特性 • 1 • 当电子导体和溶液接触时，由于热运动， 导体的金属离子或电子可能具有足够大 的能量， 以致克服晶格间的结合力越出 金属进入溶液中。 • 从而破坏了导体与溶液的电中性，使金 属带负电，溶液带正电。 • 金属上的负电荷吸引溶液中过剩的阳离 子，使之分布于界面附近，形成双电层， 产生一定的电位差。
• 因此，在地面电法通常所能达到 的电流 密度范围内，星散浸染状岩、矿石的激 电效应没有明显的非线性和正、负极极 化的差 异。 • 这是体极化和面极化的又一重要区别。
• (2)描述稳定电流场激发极化效应的参数 • 上已述及，在二次场与电流成线性关系 的条件下，引入表征体极化岩、矿石的 激电性质参数－ 极化率(η)，其值按下 式计算：
Baidu Nhomakorabea
• 图1.3-11，b是用上述装置对黄铁矿化岩 石标本测得的电位差随时间变化曲线。 • 电位差 随时间的变化是因为激发极化效 应产生的电位差(简称二次场电位差，在 供电时记为ΔＵ２ ΔＵ２（t) • 在供电后从零开始逐渐增大(充电过程)， 而在断电后逐渐衰减为零(放电过程)。
• 在无激电效应时，电流通过标本由于电 阻电压降所形 成的电位差为一次场电位 ΔＵ １ ΔＵ １ 不随时间而变 。 • T 时观测到的电位差ΔＵ（Ｔ）为ΔＵ１ 和 ΔＵ2 （Ｔ）之和，称之为总场电位差， T 而变化，并有关系：
• 与以上的情况相反，当地下水通过裂隙 带向上涌出形成上升泉时，由于过滤作 用，在泉水出露处呈现过剩的正电荷， 而在地下水深处留下过多的负电荷，于 是形成上升泉电场(见图1.3-6，b)。 • 此外，由于河水和地下水之间的相互补 给形成的地下水流产生的 过滤电场为河 流电场(见图1.3-7)。
• 山地电场常常是雨水渗入多孔的山顶岩 层向山脚流动形成的。 • 山地电场总是山顶电位为负，山脚电位 为正，电场的分布与地形成镜象关系(见 图1.3-8)
• 当有电流 通过上述系统时，导体内部的 电荷将重新分布：自由电子逆着电场方 向移向电流流入端，使 这里相当于等效 电解电池的“阴极”； • 而在电流流出端呈现出相对增多的正电 荷，相当于 等效电解电池的“阳极”。 • 与此同时，溶液中的带电离子也在电场 作用下发生相应的运动，分别在“阴极” 和“阳极”处形成正离子和负离 子的堆 积(图1.3-9，b)。
• (二)岩石和矿石的人工极化成因 • 1 • 在讨论电了导体的自然极化时，我们已 经知道：浸沉于同种化学性质溶液中的 单一电子导体表面形成的双电层为一封 闭系统，它不显示电性，也不形成外电 场(见图1.3-9，a)。 • 这种自然状态下的双电层电位差是导体 与溶液接触时的电极电位，又称平衡电 极电位。
二、岩石和矿石
• 利用岩石和矿石的电化学活动性 • 一般情况下物质都是电中性的，即正， 负电荷保持平衡。 • 但是，某些岩石和矿石在特定的自然条 件下，在岩石中产生的各种物理化学过 程作用下，岩石可以形成面电荷和体电 荷。岩石的这一性质称为岩石极化。
• 岩石极化分为两种类型： • 1、自然极化，是由不同地质体接触处的 电荷自然产生的(表面极化)或由岩石的 固相骨架与充满空隙空间的液相接触处 的电荷自然产生的(两相介质的体极化)； • 2、激发极化，是在人工电场作用下产生 • 由岩石自然极化和人工极化产生的面电 荷和体电荷形成自然电场或激发极化电
• 使通电前的正常双电层发生了变化： • “阴极”处，导体带负电， 围岩带正电； • 而“阳极”处，导体带正电，围岩带负 电。 • 在电流作用下，导体的“阴极”和 “阳 极”处双电层电位差相对于平衡电极电 位的变化值称为超电压。 • 超电压的形成过程即是电极极化过程。
• 不难理解，随供电时间的延长，导体界 面两侧堆积异性的电荷逐渐增多，超 电 压值随之增大，最后达到饱和状态。 • 断去供电电流之后，界面两侧堆积的异 性电荷通过界面本身，导体内部和周围 溶液放电，使整个系统逐渐恢复到供电 之前的均匀双电层状态，超电压也随时 间的延续逐渐减小，最后消失(图1.3-9， c) •
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(三)岩石和矿石的激发极化特性 1、时间特性 (1)矿化岩石的激发极化特性 细粒浸染状矿石或矿化岩石的激发极化 (体极化)是其中许多细小颗粒极化效应 的总和，为了考察体极化岩、矿石的激 电效应，通常采用图1.3-11，a所示的封
• 将待测的体 极化岩、矿石标本置于盛有 水溶液的长方形容器中，使其露出水面。 标本与容器壁之间的空隙用石蜡或橡皮 泥等绝缘材料封严，使标本两侧的水溶 液不相连通。 • 在容器两端各放一块长 方形铜片A和B， 作供电电极，借以向容器内供入稳定电 流。 • 在标本两侧水溶液中紧靠标本处 ，安置 测量电极M和N，用毫伏计测量其间的电 位差Δ