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电法勘探基本原理、常用方法电法勘探基本原理、常用方法及发展简介及发展简介周 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。 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。电法勘探利用岩石、矿石的物理参数，主要有电阻率（）、导磁率（）、极化特性（人工体极化率和面极化系数、自然极化的电位跃变）和介电常数（）。 1、岩土介质的电阻率、岩土介质的电阻率n 电阻率()单位是欧姆米，记作m。n 用电导率表示时，其单位为西门子每米，记作sm。 n 电导率和电阻率互为倒数，成反比性。 在电法勘探中，用来表征岩、矿石导电性好坏的参数为在电法勘探中，用来表征岩、矿石导电性好坏的参数为电电阻率阻率()或电导率或电导率(=1/)。从物理学中已知，当电流垂直流过。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。值即为该物质的电阻率。 计算公式如下：计算公式如下：注电阻率法的基础知识电阻率法的基础知识a、矿物的电阻率、矿物的电阻率金属金属 导体导体半半 导导 体体 固体电解质固体电解质 各种天然金属均属于金属导体各种天然金属均属于金属导体较重要的天然金属有自然金和较重要的天然金属有自然金和自然铜，其电阻率值均很低自然铜，其电阻率值均很低大多数金属矿物均属于半导体大多数金属矿物均属于半导体 固体矿固体矿物按导物按导电机理电机理分为：分为： 绝大多数造岩矿物（如辉石、绝大多数造岩矿物（如辉石、 氏石、石英、云母、方解石氏石、石英、云母、方解石 ）矿物名称矿物名称电阻率值电阻率值矿物名称矿物名称电阻率值电阻率值斑铜矿斑铜矿赤铁矿赤铁矿磁铁矿磁铁矿锡石锡石磁黄铁矿磁黄铁矿辉锑矿辉锑矿黄铜矿黄铜矿软锰矿软锰矿黄铁矿黄铁矿菱铁矿菱铁矿方铅矿方铅矿鉻铁矿鉻铁矿辉铜矿辉铜矿闪锌矿闪锌矿辉铅矿辉铅矿钛铁矿钛铁矿).(m561010261010251010031010031010081010081010631010201010801010301010601010531010531010081010031010).(m常见半导体矿物的电阻率值常见半导体矿物的电阻率值b、岩、矿石的电阻率、岩、矿石的电阻率n矿物电阻率值矿物电阻率值是在一定范围内变化的，同种矿物可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。然有较大的变化范围。 n岩矿石电阻率岩矿石电阻率而言，也有类似的情况。其电阻率值而言，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。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 火成岩火成岩变质岩变质岩粘土粘土软页岩软页岩硬页岩硬页岩砂砂砂岩砂岩多孔石灰岩多孔石灰岩致密石灰岩致密石灰岩 1 10 102 103 104 105 106)(mc、影响岩、矿石电阻率的因素、影响岩、矿石电阻率的因素 导电矿物含量导电矿物含量岩、矿石的结构岩、矿石的结构、构造、孔隙度、构造、孔隙度岩矿石的含水量岩矿石的含水量及含水矿化度及含水矿化度温度、压力温度、压力视电阻率的概念及分析方法视电阻率的概念及分析方法地面水平，地面水平，地下为均匀、地下为均匀、无限、无限、各向同性介质。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。MNUKIA(+I)B(-I)XS1123(a)(b)地电断面地电断面 ？电阻率不均匀时地下电流分布示意图 视电阻率的概念及分析方法视电阻率的概念及分析方法 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。M NVMNUKIMNU电法勘探的方法 n按场源性质可分为人工场法（主动源法）、天然场法（被动源法）；n按观测空间可分为航空电法、地面电法、地下电法；n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） ；n 按产生异常电磁场的原因可分为传导类电法、感应类电法 ； n按观测内容可分为纯异常场法、总合场法等。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。 电法勘探分类电测深电剖面电阻率法充电法人工场自然电场法天然场直流电法电测深电测深电剖面电剖面剖面图剖面图(多测道多测道/复合剖面复合剖面)断面图断面图电法勘探分类甚 低 频 法变 频 电 磁 测 深 法无 线 电 波 透 视 法人 工 场大 地 电 磁 场 法天 然 场交 流 电 法交 变 场高密度电法高密度电法 n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。n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。 n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：n、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；n、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；n 、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。n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。 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工作装置示意图图nananananananananananaB极 接 无 穷 远nanaA极 接 无 穷 远naB、 N极 接 无 穷 远naB极 接 无 穷 远aanaN极 接 无 穷 远anaa温 纳 装 置 AMNB偶 极 装 置 ABMN微 分 装 置 AMBN联 剖 正 装 置 AMN联 剖 反 装 置 MNB二 极 装 置 AM三 极 装 置 AMN三 极 装 置 ABM偶 极 装 置 ABMN固定断面扫面测量装置变断面扫描测量装置固定断面扫描测量数据点分布示意图固定断面扫描测量数据点分布示意图 电 极N=1N=2N=3N=4N=16aAMNB滚动断面扫描测量数据点分布示意图滚动断面扫描测量数据点分布示意图 N = 1N = 2N = 3N = 4N = 5N = 6N = 7N = 8N = 9N = 1 0N = 1 1N = 1 2滚 动 线 号电 极AMaA ： 供 电 电 极M ： 测 量 电 极a ： 点 距N ： 剖 面 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：n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；n高速公路高架桥、高层建筑选址、机场跑道的地基勘探中；n探测防空洞、涵洞、溶洞、地下局部不明障碍物等物理性质有别于周围介质的地下有形体；n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；n寻找地下水、管线探测、查明采空区、调查岩溶及地质灾害等。 (c)非均匀初始模型的反演结果595615635655675695715735755775795815835855桩 号 (m)-80-70-60-50-40-30-20-100Depth(m)(a)实测视电阻率断面595615635655675695715735755775795815835855桩 号 (m)-95-85-75-65-55-45-35-25-15-AB/2(m)（4 4）实例一：岩溶勘查）实例一：岩溶勘查在在730号点经钻孔验证：号点经钻孔验证：09.8m为粘土；为粘土；9.815.2m为白云质灰岩；为白云质灰岩；15.218.6m为含砾粘土，为含砾粘土，18.672.8m为白云质灰岩，为白云质灰岩，其中其中67.373.6m为溶洞为溶洞。 5152535455565758595105115-45-40-35-30-25-20-15-10-50Depth(m)111011201130114011501160117011801190120012101220-45-40-35-30-25-20-15-10-5-AB/2(m)(a)原始视电阻率数据等值线图(b)反演电阻率数据等值线图（7 7）实例二：温纳装置（路基勘查）实例二：温纳装置（路基勘查）激发极化法激发极化法 n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。n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。n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。 n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”。 n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高密度电阻率法在确定高阻或低阻地质体具有优越性具有优越性，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，可以通过使用激使用激电法来区分含水地层和泥岩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。 1、激发极化效应的成因、激发极化效应的成因电子导体电子导体1、激发极化效应的成因、激发极化效应的成因离子导体离子导体3、激发极化法在地质勘查中的应用、激发极化法在地质勘查中的应用（1 1）找地下水）找地下水020406080 100 120 140 160 180 200 220 240 260点号(m)(c)实测电阻率反演断面-300-280-260-240-220-200-180-160-140-120-100-80-60-40-200Depth(m)020406080 100 120 140 160 180 200 220 240 260点号(m)(d)实测极化率反演断面-300-280-260-240-220-200-180-160-140-120-100-80-60-40-200Depth(m)（2 2）找金属矿体）找金属矿体可控源音频大地电磁法可控源音频大地电磁法（CSAMT） n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。nCSAMT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。 nCSAMT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12km，测量是在距离场源510km以外的范围进行，此时场源可以近似为一个平面波。n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：n1、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12km.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。 nCSAMT法一出现就展示了比较好的应用前景，尤其是作为普通电阻率法和激发极化法的补充，可以解决深层的地质问题，如在寻找隐伏金属矿、油气构造勘查、推覆体或火山岩下找煤、地热勘查和水文工程地质勘查等方面，均取得了良好的地质效果。 瞬变电磁法（瞬变电磁法（TEM） n瞬变电磁法是利用不接地或接地线源向地下发送一次场，在一次场的间歇期间，测量由地质体产生的感应电磁场随时间的变化。根据二次场的衰减曲线特征，就可以判断地下不同深度地质体的电性特征及规模大小等。n由于该方法是观测纯二次场，消除了由一次场所产生的装置偶合噪音，具有体积效应小、横向分辨率高、探测深度深、对低阻反映灵敏、与探测地质体有最佳偶合、受旁侧地质体影响小等优点。 瞬变电磁场的烟圈效应 瞬变电磁法感应电磁场转换原理示意图 n瞬变电磁法最初是由前苏联学者在20世纪30年代提出用于解决地质构造问题，20世纪50年代用于找矿，20世纪60年代以后从方法原理到一、二维反演都得到了广泛应用和发展。在我国，该方法研究始于20世纪70年代，20世纪90年代后逐步向工程检测、环境、灾害等应用领域发展。从20世纪80年代开始，原长春地质学院、原地矿部物化探研究所、中南大学等研究机构分别在方法理论、仪器及野外试验、一维及二维正反演方法等方面做了大量工作，并且自行研制了几种功率小、探测深度浅的瞬变电磁法仪器，在生产实际中见到了好的应用效果。n然而，大功率、探测深的瞬变电磁法仪器国内尚在研制中，目前主要依赖进口。 1、探测地下金属矿藏、探测地下金属矿藏经钻探验证：经钻探验证：图中红色区域图中红色区域为高品位铅锌矿。为高品位铅锌矿。 10020030040050060070080090010020030040050060070080090036048060072084096010801200132014401560168018001920204021602280240025202640276028801012141618202224262、煤田含水体探测、煤田含水体探测10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100103106109WN40S-300-290-280-270-260-250-240-230-220-210-200-190-180-170-160-150-140-130-120-300-290-280-270-260-250-240-230-220-210-200-190-180-170-160-150-140-130-12013煤小矿采空区大矿采空区渗水区打钻验证推测采空区边界误差在1m左右，勘探效果较为理想。3、瞬变电磁勘探查找采空区4、隧道不良地质体预测900950100010501100115012002140216021802200222022402260228023002320234023602380240024202440246024802500252025402560258026002620264026602680270027202740276027802800282028402140216021802200222022402260228023002320234023602380240024202440246024802500252025402560258026002620264026602680270027202740276027802800282028409009501000105011001150120010131824324256751001151301501802102402803003203704204905606507508801000115013001550180021002400280032003700420056007500隧 道 设 计 高 程C C O2b 3 t图中蓝色虚线所圈部位为推测异常部位，红线部位验证孔位置，在78.0m处掉钻0.8m，79.5m至113.8m为角砾状灰岩和泥灰岩，强风化或中等风化，具强烈溶蚀作用溶蚀蜂穴十分发育，终孔深度140.0m。 n瞬变电磁法除了广泛应用于金属矿产、石油、煤田、地热以及冻土带和海洋地质等地质勘查工作之外，在水文和工程地质勘查中也取得了非常好的应用效果，如n查明断层及顶板砂岩的导水性及富水性、勘查地下水资源及界定地下水位、评价断层空间位置及含水性和寻找地下含水构造；探测煤柱及圈定老窑采空区、勘察煤田矿井涌水通道；评价塌陷成因及危害性、评价防渗帷幕稳定性、探测高层建筑地基和评价大桥桥址稳定性；探测堤防工程隐患、勘查水库坝址；探测公路隧道工程中的不良地质构造；在抗洪抢险中寻找漏水断裂或溶洞；使用瞬变电磁法结合四极测深探测地下管网分布。 国内电法勘探的发展n新中国的电法勘探工作起始于50年代初，主要是引进前苏联的方法技术，以直流电法为主；随后又逐渐引进、发展了电化学方法，如激发极化法；n到60年代，我国科研人员开始研究以绝对测量为特点的电磁感应类方法；n至70年代，则以相对测量为主，并在80年代有较大的进展。n到90年代，数字化、图形图象化等技术的引进，使得电法勘探技术有了飞跃的发展，逐步形成了集设计、采集、处理解译、成果提交一体化工作模式。电法是应用地球物理学中方法种类最多、应用面最广、适电法是应用地球物理学中方法种类最多、应用面最广、适应性最强的一门分支学科应性最强的一门分支学科 地球电磁法研究新进展“第届国际地球电磁感应学术研讨会”n过去十多年来，大地电磁等地球电磁法在数据采集、数据处理和正反演等方面取得非常明显的进步，应用领域越来越广，涉及地壳上地幔结构和动力学研究、石油和矿产资源以及地热和地下水勘探、工程和环境应用探查、地震等自然灾害的监测和预测等各个方面n年北京电磁研讨会共设 个专题，并首次为承办国（中国）设置了专门的专题，它们是：（）地球电磁法和综合地球物理研究：近地表应用，包括环境与工程研究：地壳上地幔结构和地震、火山研究（）岩石电学性质的实验研究（）中国电磁探测，包括地震、能源和资源等（）石油、地热以及矿床勘探中的应用电磁法（）电磁数据的 正反演，包括联合反演技术（）海洋电磁研究（）电磁勘探的理论研究，包括数据处理、响应函数分析、畸变分析等（）基于卫星和地面数据的全球电磁研究（）综合专题：仪器开发、天然场源研究、新计划等发展前景随着我国经济的发展，环境问题越来越引起人们的重视。随着我国经济的发展，环境问题越来越引起人们的重视。电法、电磁法在水、工、环物探方面发挥着重要的作用。电法、电磁法在水、工、环物探方面发挥着重要的作用。如滑坡、采空区等各种灾害地质的勘查，各种工程质量如滑坡、采空区等各种灾害地质的勘查，各种工程质量缺陷的检测，各种有害物质（如公路融雪剂、输油管道缺陷的检测，各种有害物质（如公路融雪剂、输油管道漏油）对土壤、水源的污染监测等。漏油）对土壤、水源的污染监测等。国内电磁法在方法和仪器在近年来取得极大发展。目前国内电磁法在方法和仪器在近年来取得极大发展。目前直流电法仪已经国产化，地质雷达、瞬变电磁仪国内也直流电法仪已经国产化，地质雷达、瞬变电磁仪国内也均有生产。均有生产。随着人们对物探方法认识、认知程度的提高，物探方法随着人们对物探方法认识、认知程度的提高，物探方法因其高效、无损等特点会在各行业会得到更广泛的应用。因其高效、无损等特点会在各行业会得到更广泛的应用。发展方向Transmitter coil attached to lattice frameReceiver原始数据的有效性、工作环境的适应性、解决地质问题的可靠性采集智能化、高效、适应各种条件、数据量越来越大二维软件已越来越多、三维软件正在发展大量的数据+三维处理解释软件=精度、准确性提高