物探电阻率法的基础知识

第一节 岩土介质的电阻率
一、岩土介质的电阻率
电阻率是表征物质导电性的基本参数，某 种物质的电阻率实际上就是当电流垂直通过 由该物质所组成的边长为lm的立方体时而呈 现的电阻。
在电法勘探中，电阻率的单位为欧姆·米 (.m)。天然状态下的岩石具有非常复杂 的结构与组份。不仅组份不同的岩石会 有不同的电阻率
2. 纵向电导S和横向电阻T
在层状介质中取底面积为lm2 ，厚度为h的 六面岩柱体(见图5.1.1)，则当电流垂直岩柱 体底面流过时，所测得的电阻称为横向电阻， 我们用符号T来表示，单位为欧姆。显然横向 电阻在数值上等于电性层的厚度与电阻率的 乘积，即
表5.1.3 岩层的各向异性系数
岩石名称
j E
(5.2.1)
2．克希霍夫定律 在稳定电流场中，任取一个不含源的闭合曲 面，流过任何一个闭合曲面的电流密度通量 均等于零，即
一般比较致密的岩石，孔隙度较小，所 含水分也较少，因而电阻率较高；结构比 较疏松的岩石，孔隙度较大，所含水分多， 电阻率较低。一些孔隙度大而渗透性强的 岩层如砂层、砾石层等，其电阻率明显地 取决于含水条件
当其饱含矿化度高的地下水时， 电阻率只有 几十至几个欧姆米；当其位于潜水面以上含 水条件较差时，其电阻率可高达几百至几千 欧姆米。石灰岩的电阻率一般比较高，但当 其中发育有溶洞、溶隙且充填有不同矿化度 的地下水时，其电阻率会大幅度的下降。
λ
岩石名称
λ
层状粘土 1. 021.05 泥质板岩 1. 11.59
层状砂岩 2. 11.6 泥质页岩 2. 411.25
石灰岩
11.3
无烟煤 1.52.5
图5.1.1 水平均匀层状介质模型
T=hρ (5.1.1) 当六面岩柱体由若干个厚度和电性不同的
岩层所组成时，其总的横向电阻为
n
T hi i (5.1`.2) i 1
对于各向异性介质而言，当电流垂直层理方 向流过时所测得的电阻率称为横向电阻率， 用符号ρn表示; 电流平行层理方向流过时所测 得的电阻率称为纵向电阻率，用符号ρt表示。 一般情况下，岩层的横向电阻率均大于纵向 电阻率，并用"各向异性系数"
λ = ρn ρt
来表示石层的各向异性程度。由于ρn >ρt， 所以各向异性系数λ总是大于1的。表5.1.3 给出了几种常见沉积岩的各向异性系数的变 化范围。
当电流平行岩柱体底面流过时，所测得的电 导称为纵向电导。用S来表示
S h (5.1.3)
若六面岩柱体由多个厚度和电性不同 的岩层组成时，总纵向电导为
S n hi
i1 i
(5.1.4)
第二节 大地电阻率的测定
为了探测地下地质对象的存在与分布，首 先要在地下半空间建立人工电流场，然后研 究由地质对象所产生的电场的变化，从而达 到找矿或探测地下构造的目的。
即使组份相同的岩石，也会由于结构及含 水情况的不同而使其电阻率在很大的范围 内变化。表5.1.1给出了一些常见岩石的电 阻率及其变化范围。
由表 5.1.1可见，一般情况下，火成岩 电阻率最高，其变化范围大约在 102Ω·m105Ω·m。
变质岩的电阻率也较高，其变化范围大体与 火成岩类似，只是其中的部分岩石如泥质板 岩、石墨片岩等稍低些，大约在101Ω·ml03 Ω·m。沉积岩的电阻率最低，然而由于沉积 岩的特殊生成条件，这一类岩石其电阻率变 化范围也相当大，砂页岩电阻率较低，而灰 岩电阻率却相当高。可达nl07Ω·m。
水溶液的电阻率与其矿化度有密切的关 系。地下水的矿化度化范围很大，淡 水的矿化度约为10-1g/L，咸水的矿化度 则高达10g/L。显然，岩石中所含水溶液 的矿化度越高，其电阻率就越低。
因此，在岩性变化不大的条件下，有可能 在地面和井中应用电阻率的差异来划分含 有咸、淡水的层位。
由于温度的变化将引起水溶液中离子活 动性的变化，所以岩石中水溶液的电阻率 也将随温度的升高而降低。
一般土层结构疏松，孔隙度大，且与地表水 密切相关，因而它们的电阻率均较低，一般 为林几十Ω·m。表5.1.2为几种常见浮土和地 表水的电阻率及其变化范围
二、影响电阻率的因素
自然状态下，岩土的电阻率除了和组份有 关外，还和其它许多因素有关，如岩石的结 构、构造，孔隙度及含水性等。
表5.1.1
一、稳定电流场的基本规律
导电介质中的稳定电流场满足以下实验定 律，这些定律既可采用积分形式、也可采用 微分形式来描述。以下将主要讨论其微分形 式。
1．微观欧姆定律
稳定电流场满足欧姆定律，在微观情况下，其 微分形式是稳定电流场中任一点的电流密度与该 点场强成正比，与介质的电阻率成反比。 (5·2·1) 式既适用于均匀介质的情况，也适用于非均匀介 质的情况，
名称
黄土层 粘土 含水砂卵石层 隔水粘土层
ρ（Ωm）
0200 1200 50500 530
名称
雨水 河水 海水 潜水
ρ（Ωm）
>100 10100 0.11 <100
由于主要的造岩矿物如长石、石英、云母等 电阻率均相当高，因此，对于一般岩石来说， 矿物骨架的电阻率是很高的。
岩石由于受内外动力地质作用而出现裂隙 以及裂隙中含水等原因，一般岩石的电阻 率要低于其所含矿物的电阻率。
探测对象与围岩间的电阻率差异是电阻率法 的应用前提。施加人工电流场并采用一系列 的探测技术，是电阻率法的外部条件。
把直流电源通过电极向地下供电便形成了 人工直流电场，由于直流电场中电荷的分布 不随时间而改变，所以也称稳定电流场。
根据地下电性介质的分布来研究场的 分布，把这一过程称为正演。根据正演理 论，对野外实测曲线进行分析，从而获得 所研究地质对象的分布状况的有关信息， 这一过程称为反演，
在地热勘探中，正是利用这一特性来圈定地 热异常的。相反在冰冻条件下，地下岩石中 的水溶液将由于结冻，使岩土呈现出极高的 电阻率。这对于我国冰冻时间较长地区，冬 季施工时将产生影响。
三、层状介质的电阻率
1．纵向电阻率与横向电阻率
大部分沉积岩都具有层理结构，从其电性 上来看，它们是由各种不同电阻率的地层 组成的。这样的地层其电阻率与通过其中 电流的方向有关，呈现出各向异性。