频率域激电法.ppt
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1、CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES频率域激电法频率域激电法2023/4/14任伟龙任伟龙地空学院地球物理系地空学院地球物理系CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES激电的发展状况激电的发展状况频率域激电法的基本概念频率域激电法的基本概念柯尔柯尔-柯尔模型的频率域表达式及各分量表达柯尔模型的频率域表达式及各分量表达式式柯尔柯尔-柯尔模型的时间域表达式柯尔模型的时间域表达式小结小结今后计划安排今后计划安排参考文献参考文献CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES激电的发展状况激电的发展状况CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIEN
2、CES1 国外激电的发展国外激电的发展法国科学家法国科学家C.C.施伦姆贝格对发展电阻率法和施伦姆贝格对发展电阻率法和自然电位法作了许多工作,自然电位法作了许多工作,IPIP现象的发现也现象的发现也应归功于他。他把这种现象命名为应归功于他。他把这种现象命名为“Polarisation Provoque”(Polarisation Provoque”(激发极化激发极化),简称简称PPPP。19201920年在金属硫化物矿床上首次进年在金属硫化物矿床上首次进行了时间域测量。奇怪的是施伦姆贝格关于行了时间域测量。奇怪的是施伦姆贝格关于激发极化的一些著作竟无人过问达激发极化的一些著作竟无人过问达151
3、5年之久,年之久,而且也没有人想在实践中加以应用。必须承而且也没有人想在实践中加以应用。必须承认,它本人也并不打算利用自己的发现。在认,它本人也并不打算利用自己的发现。在当时的技术条件下,要精确地检测出微弱的当时的技术条件下,要精确地检测出微弱的IPIP信号确实困难。加之施伦姆贝格又发现没信号确实困难。加之施伦姆贝格又发现没有矿体存在时也有或强或弱的有矿体存在时也有或强或弱的IPIP现象出现。现象出现。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES直到直到19321932年和年和19341934年,美国人韦德和马勒才进行年,美国人韦德和马勒才进行了实验,他们隐约觉得有可能提出一种基
4、于电化了实验,他们隐约觉得有可能提出一种基于电化学效应的勘探方法。另外在美国,波塔彭科学效应的勘探方法。另外在美国,波塔彭科-彼得彼得森公司森公司19401940年提出一种基于含油和不含油地层的年提出一种基于含油和不含油地层的选择性极化效应的油矿勘探方法,但是这些实验选择性极化效应的油矿勘探方法,但是这些实验都没有取得令人满意的效果。都没有取得令人满意的效果。三十年代末期,苏联在油田测井中引入了三十年代末期,苏联在油田测井中引入了IPIP法,法,用以确定地层的渗透率。用以确定地层的渗透率。19411941年达赫诺夫提出了年达赫诺夫提出了用这种方法勘探硫化矿的可能性。用这种方法勘探硫化矿的可能性
5、。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES四十年代末期,差不多在施伦姆贝格发现激发四十年代末期,差不多在施伦姆贝格发现激发极化之后三十年,经过认真的,系统的研究,极化之后三十年,经过认真的,系统的研究,最后才使得最后才使得IPIP法同时在美国和苏联的勘探工作法同时在美国和苏联的勘探工作中得到了利用。中得到了利用。19461946年纽蒙特勘探公司与新泽年纽蒙特勘探公司与新泽西州的布坦射频实验室协作,着手研究西州的布坦射频实验室协作,着手研究IPIP现象。现象。19471947到到19521952年期间他们完成了很多野外实验工年期间他们完成了很多野外实验工作。在作。在194819
6、48到到19541954年期间,赛格尔导出了各种年期间,赛格尔导出了各种形状体(其中包括层状体、接触带和岩脉)时形状体(其中包括层状体、接触带和岩脉)时间域的间域的IPIP响应公式。从响应公式。从19491949年起维特对年起维特对IPIP法进法进行了许多研究,包括电容耦合和电磁耦合效应,行了许多研究,包括电容耦合和电磁耦合效应,IPIP响应随粒度,形状和取向的变化,以及由时响应随粒度,形状和取向的变化,以及由时间域响应曲线向频率域响应曲线的转变。间域响应曲线向频率域响应曲线的转变。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES19501950年以前,所有的年以前,所有的IPIP测
7、量都是在时间域进行的。测量都是在时间域进行的。19501950年根据实验室的测量结果,科列特和赛格尔年根据实验室的测量结果,科列特和赛格尔提出了用不同频率的交流测量方式。维特大大地提出了用不同频率的交流测量方式。维特大大地扩展了这种方法的可能性,并在当年进行了成功扩展了这种方法的可能性,并在当年进行了成功的实验的实验CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES2 我国激电的发展我国激电的发展我国我国50605060年代基本上使用的是时间域(即年代基本上使用的是时间域(即“直流直流”)激电法,其观测仪器较易制造,而且)激电法,其观测仪器较易制造,而且由于通常是观测供电脉冲断开几百毫
8、秒之后的由于通常是观测供电脉冲断开几百毫秒之后的二次场,受电磁耦合的干扰较小,故工作二次场,受电磁耦合的干扰较小,故工作 方方法和解释理论都比较简单。但这种方法的装备法和解释理论都比较简单。但这种方法的装备十分笨重,生产效率低、成本高。十分笨重,生产效率低、成本高。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES为了克服这些缺点,我国从为了克服这些缺点,我国从7070年代初期开始引进年代初期开始引进频率域(即频率域(即“交流交流”)激电法最初采用的是以观)激电法最初采用的是以观测交变电流场幅值为基础的交频激电法。这种方测交变电流场幅值为基础的交频激电法。这种方法至少要在两个频率上作观
9、测,野外工作不便,法至少要在两个频率上作观测,野外工作不便,观测效率也很低。于是,接着又研制了以观测地观测效率也很低。于是,接着又研制了以观测地中交流电场(电位差)相对于交变供电电流之相中交流电场(电位差)相对于交变供电电流之相位移为主要参数的相位激电仪,开展相位激电法。位移为主要参数的相位激电仪,开展相位激电法。后一方法可以只在一个频率上作观测,这相对于后一方法可以只在一个频率上作观测,这相对于变频法是一个进步。变频法是一个进步。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES频率域激电法的基本概念频率域激电法的基本概念CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES1
10、激电效应激电效应做电阻率法时,人们常常发现,在向地下供入做电阻率法时,人们常常发现,在向地下供入稳定电流的情况下,仍可观测到测量电极间的稳定电流的情况下,仍可观测到测量电极间的电位差随时间而变化(一般是变大),并经相电位差随时间而变化(一般是变大),并经相当时间(一般约几分钟)后趋于某一稳定的饱当时间(一般约几分钟)后趋于某一稳定的饱和值;在断开供电电流后,测量电极间的电位和值;在断开供电电流后,测量电极间的电位差,在最初某一瞬间很快下降,随后便随时间差,在最初某一瞬间很快下降,随后便随时间相对缓慢的下降,并在相当长时间后(通常也相对缓慢的下降,并在相当长时间后(通常也约几分钟)衰减接近于零(
11、见图约几分钟)衰减接近于零(见图2.12.1)。这种在)。这种在充电和放电过程中,出现随时间缓慢变化的附充电和放电过程中,出现随时间缓慢变化的附加电场的现象,在电法勘探中称为激发极化效加电场的现象,在电法勘探中称为激发极化效应,简称激电效应。应,简称激电效应。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES图2.1 一块黄铁矿化岩石标本的充电和放电过程(实测曲线)封蜡法测定。标本横面积s=72厘米2;标本厚度d=6厘米2;供电电流I=10毫安CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES 图2.2 黄铁矿标本的激电频率特性曲线 黄铁矿标本:颗粒大小0.842mm;0.01
12、N的NaCl溶液5%CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES2 2 面极化和体极化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、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。矿石的激发极化分为理想的两类。第一类第一类 是是“面极化面极化”,其特点是激发极化均发,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矿或石墨矿属于此类CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES第二类是第二类是“体极化体极化”,其特点是极化单元,其特点是极化单元(指微指微小的
13、金属矿物、石墨或岩石颗粒小的金属矿物、石墨或岩石颗粒)呈体分布于整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导电岩石均属这一类。岩石以及离子导电岩石均属这一类。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES虽然每个小颗粒与围岩虽然每个小颗粒与围岩(胶结物胶结物)的接触面很小,的接触面很小,但它们的接触面积的总和却是很可观的。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,这就小,仍然可以产生明显的激发极化效应,这就
14、是激发极化法能够成功地寻找浸染状矿体的基是激发极化法能够成功地寻找浸染状矿体的基本原因。本原因。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES应该指出,面极化和体极化的差别只具有相对应该指出,面极化和体极化的差别只具有相对意义。意义。严格说来,所有激发极化都是面极化的,因为严格说来,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极化也都是发生在颗粒与其周围溶液的 界面上。界面上。然而,实践中应用激电法又都是宏观地研究矿然而,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
15、电效应。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。故在此讨论体极化体的激发极化特性。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES3 3离子导体的激发极化成因离子导体的激发极化成因一般造岩矿物为固体电解质,属离子导体。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。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,但大多认为岩石的和争论均较电子导体的多,但大多认为岩石的
16、激电效应与岩石颗粒和周围溶液界面上的双电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层结构有关(见图见图2.4,a)2.4,a)。CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES主要假说都是基于岩石颗粒主要假说都是基于岩石颗粒溶液界面上双电层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。子这一特点提出来的。其有代表性的假说是双电层形变说。其有代表性的假说是双电层形变说。现简述如下:现简述如下:双电层结构双电层结构由于阳离子交换特性,在岩石颗粒与周围溶液的由于阳离子交换特性,在岩石颗粒与周围溶液的分界面上会
17、形成这样一种双电层;分界面上会形成这样一种双电层;CHINAUNIVERSITY OFGEOSCIENCES靠岩石颗粒一边为固定在岩石颗粒表面的负电荷,靠岩石颗粒一边为固定在岩石颗粒表面的负电荷,而在溶液一边为正离子。后者由于静电力和离子而在溶液一边为正离子。后者由于静电力和离子热运动的影响分成两部分:靠近界面的部分,正热运动的影响分成两部分:靠近界面的部分,正离子被固相表面的异性电荷紧紧吸引,不能自由离子被固相表面的异性电荷紧紧吸引,不能自由活动,这是所谓活动,这是所谓“紧密层紧密层”;稍微远离界面处,;稍微远离界面处,正离子受固相表面异性电荷的吸引力较弱,可以正离子受固相表面异性电荷的吸引
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