(10)--第3章 电法勘探其他直流电法.ppt

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1、其他直流电法激发极化法、充电法、自然电场法激发极化法、充电法、自然电场法激发极化（激发极化（IP）法）法Induced Polarization Method什么是激发极化法？什么是激发极化法？激发极化法，简称激电法，是以地下岩、矿石在人工激发极化法，简称激电法，是以地下岩、矿石在人工电场作用下发生的电场作用下发生的物理物理和和电化学电化学效应（激发极化效应）效应（激发极化效应）差异为基础差异为基础 的一种电法勘探方法。的一种电法勘探方法。激发极化分类：激发极化分类：（1）直流电直流电直流（时间域）激发极化法直流（时间域）激发极化法（2）低频交流电）低频交流电交流（频率域）激发极化法交流（频率

2、域）激发极化法稳定电流场的激发极化效应稳定电流场的激发极化效应在进行电阻率法勘探时，人们发现在供电瞬间，在进行电阻率法勘探时，人们发现在供电瞬间，地面地面M、N两点之间的电位差为两点之间的电位差为U1,在供电电流在供电电流不变的情况下，随着时间的增加，不变的情况下，随着时间的增加，U1增大，增大，并趋向一个稳定的并趋向一个稳定的U；在断开电流后，；在断开电流后，M、N之间的电位差瞬间很快下降，到一定数值后，之间的电位差瞬间很快下降，到一定数值后，开始缓慢下降，直至衰减为开始缓慢下降，直至衰减为0.充电和放电过程中产生的随时间缓慢变化的附充电和放电过程中产生的随时间缓慢变化的附加电场，叫做加电场

3、，叫做激发极化效应激发极化效应，简称，简称激电效应激电效应。以不同岩体的激电效应的差异为基础，通过观以不同岩体的激电效应的差异为基础，通过观测大地激电效应，达到地下地质情况的目的，测大地激电效应，达到地下地质情况的目的，叫做激发极化法。叫做激发极化法。激发极化法激发极化法激发极化效应（激电效应）：激发极化效应（激电效应）：在充电和放电过程在充电和放电过程中产生随时间缓慢变化的附加电场现象。中产生随时间缓慢变化的附加电场现象。电位差一一次次电电位位差差：无无激激电电效效应应时时稳稳定定电电流流形形成成的的电电位位差差U1，不随时间变化。，不随时间变化。二二次次电电位位差差：激激发发极极化化产产生

4、生电电位位差差U2（T）。随随时时间间非非线线性性变变化化，充充电电时时从从零零逐逐渐渐增增大大（约约2-5分分钟钟），放电时逐渐减为零。放电时逐渐减为零。总场电位差：总场电位差：一次电位差和二次电位差的和一次电位差和二次电位差的和U（T）=U1+U2（T）U2（T）=U（T）-U（0）激发极化效应的原因激发极化效应的原因1）电子导体在没有外加电场的情况下，在电子导体与溶液界面上自然）电子导体在没有外加电场的情况下，在电子导体与溶液界面上自然形成的双电层电位（电极电位），它的内外电子处于平衡状态，称为形成的双电层电位（电极电位），它的内外电子处于平衡状态，称为平衡电极电位平衡电极电位，记为，记

5、为平平 。2）当有外加电流流过上述电子导体溶液系统时，电子导体两端电）当有外加电流流过上述电子导体溶液系统时，电子导体两端电极电位产生偏差而出现极电位产生偏差而出现“过电位过电位”（也叫（也叫“超电压超电压”），电极开始极），电极开始极化，电子导体内部的电荷将重新分布形成化，电子导体内部的电荷将重新分布形成“阴极阴极”及及“阳极阳极”。由于。由于电化学反应速度滞后于电荷传递速度，形成电荷堆积电化学反应速度滞后于电荷传递速度，形成电荷堆积（充电过程），充电过程），在周围溶液中也分别于电子导体的在周围溶液中也分别于电子导体的“阴极阴极”和和“阳极阳极”处，形成阳离处，形成阳离子和阴离子的堆积，使正

6、常双电层发生变化。子和阴离子的堆积，使正常双电层发生变化。（极化过程极化过程）3）当外电流断开后，堆积在界面两侧的异性电荷，将通过界面本身、）当外电流断开后，堆积在界面两侧的异性电荷，将通过界面本身、电子导体内部和周围溶液放电，使界面上的电荷分布逐渐恢复到正常电子导体内部和周围溶液放电，使界面上的电荷分布逐渐恢复到正常的双电层；与此同时，过电位亦随时间逐步减小，直到最后消失。这的双电层；与此同时，过电位亦随时间逐步减小，直到最后消失。这就是过电位的放电过程。也因此人们通过仪器在地表可以观测到这充就是过电位的放电过程。也因此人们通过仪器在地表可以观测到这充电和放电的过程。电和放电的过程。自由电子

7、导电的导体称为电子导体电子导体的激发极化效应电子导体的激发极化是在外电场的作用下的电荷传递与堆积过程。离子导体的激发极化效应一一般般造造岩岩矿矿物物为为固固体体电电解解质质，属属离离子子导导体体。关关于于离离子子导导体体的的激激发发极极化化机机理理，大大多多认认为为岩岩石石的的激激电电效效应应与与岩岩石石颗颗粒粒和和周周围围溶溶液液界面上的界面上的双电层双电层有关。有关。岩岩石石颗颗粒粒其其表表面面吸吸附附一一层层负负离离子子，在在静静电电场场的的作作用用下下，与与周周围围溶溶液液中中的的正正离离子子在在界界面面上上形形成成双双电电层层。在在外外电电流流作作用用下下，岩岩石石颗颗粒粒表表面面双

8、双电电层层中中的的阳阳离离子子发发生生位位移移，形形成成双双电电层层形形变变；当当外外电电流流断断开开后后堆堆积积的的离离子子放放电电以以恢恢复复到到平平衡衡状状态态,从从而而可可观观测到激发极化电场。测到激发极化电场。较较大大的的岩岩石石颗颗粒粒将将有有较较大大的的时时间间常常数数（即即充充电电和和放放电电较较慢慢）。这是用激电法寻找地下含水层的物性基础。这是用激电法寻找地下含水层的物性基础。薄膜极化假说离子导体的激发极化效应离离子子导导体体激激发发极极化化是是在在外外电电场场作作用用下下,介介质质的的表表面或内部电荷出现分离的现象。面或内部电荷出现分离的现象。阳离子位移阳离子位移堆积电荷放

9、电堆积电荷放电稳定电流场中岩石的激发极化特性面极化面极化：致密块状导体，细小颗粒的电子导体与围岩溶：致密块状导体，细小颗粒的电子导体与围岩溶液界面产生激发极化过程，极化发生在极化体与围岩溶液界面产生激发极化过程，极化发生在极化体与围岩溶液的接触面上，以电子导电方式为主，如致密金属矿，液的接触面上，以电子导电方式为主，如致密金属矿，石墨矿石墨矿体极化体极化：当许多电子导电矿物颗粒分散分布在矿化岩石：当许多电子导电矿物颗粒分散分布在矿化岩石中时，激发极化效应发生在极化体整体中，虽然就单个中时，激发极化效应发生在极化体整体中，虽然就单个电子导电颗粒而言是表面极化，但宏观的去看整个矿体，电子导电颗粒而

10、言是表面极化，但宏观的去看整个矿体，是在整个体积内部发生了极化。也就是说整个矿体所表是在整个体积内部发生了极化。也就是说整个矿体所表现出来的极化现象是无数极化单元的总和，故称之为现出来的极化现象是无数极化单元的总和，故称之为“体极化体极化”。包括离子导电方式（造岩矿物），浸染状矿包括离子导电方式（造岩矿物），浸染状矿体和矿化岩石体和矿化岩石面极化和体极化具有相对意义，在微观上，所有激发极面极化和体极化具有相对意义，在微观上，所有激发极化都是面极化。化都是面极化。激发极化效应的时间特性a)一一般般来来说说在在相相同同激激励励条条件件下下，面面极极化化介介质质(致致密密块块状状矿矿体体)达达到到饱

11、饱和和渐渐近近值值所所需需的的时时间间，比比体体极极化化介介质质(浸浸染染状状矿矿体体)达达到到饱饱和和渐渐近近值值所所需需的的时时间长。间长。b)颗粒大、孔隙大、富水性强的体极化介质，其颗粒大、孔隙大、富水性强的体极化介质，其充、放电速度更慢，即高含水性的岩石比含水充、放电速度更慢，即高含水性的岩石比含水性差的岩石充、放电时间长性差的岩石充、放电时间长 。极化率极极化化率率：表表征征体体极极化化介介质质的的激激电电性性质质，与与电电流流无无关关，与与供供电时间电时间T和测量延迟时间和测量延迟时间t有关。有关。极化率是百分数表示的无量纲参数。极化率是百分数表示的无量纲参数。岩岩矿矿石石极极化化

12、率率是是电电化化学学性性质质，主主要要取取决决于于所所含含电电子子导导电电矿矿物物的的体体积积百百分分含含量量，含含量量增增高高，激激电电效效应应增增强强，与与导导电电矿矿物物的的结结构构、构构造造、颗颗粒粒大大小小，致密程度以及温度等也有关系。致密程度以及温度等也有关系。无矿化岩石的极化率通常很低（无矿化岩石的极化率通常很低（1%-2%1%-2%，个别在，个别在4-5%4-5%，充放电快），充放电快）不同岩矿石的极化率视极化率（S）当地下岩矿石的极化率分布不均匀时，用某一电极装置测的极化率实际上是电流作用范围内地形及各种极化体激发极化效应的综合反映。T：供电时间t:断电后的延迟时间视极化率提

13、到极化率时必须指出其供电时间提到极化率时必须指出其供电时间T T和测量时间和测量时间t t。为简单起见，可把视极化率定义为供电时间为简单起见，可把视极化率定义为供电时间T T，断电时间，断电时间t t0 0的测量结的测量结果。果。即即视极化率的大小和分布反映了地下一定深度范围内极化体的存在和赋存状况。视极化率与不均匀性（地形起伏影响较小）、装置形式及装置相对于不均匀体的位置都有关系，在相当大的范围内，极化率不受供电电流大小影响。s=V2/V.100%=j2MN.MN.MN/jMN.MN.MN100%=j2MN/jMN.100%衰减度（D）激发比时间特性参数二次场在衰减时是一个较复杂的电化学过程

14、，不同岩石成分、结构和含水层上二次场衰减是不同的，一般含水层衰减较慢，非含水层衰减较快。衰减时S:把把刚断电瞬间测得的电位值定位100%，电位衰减到某一规定数值（75%，50%，45%，30%等）所需要的时间称为衰减时，单位是秒（s）。含水因素Ms:利用衰减时找水时，除直接利用衰减时了解某深度水量相对大小外，还可以进一步研究含水层的水量大小。利用衰减时的测深曲线计算含水因素。含水因素频率域激电法n*10-2-n*102Hz频散率相位差：充电时U2的增长与断电后剩余二次电位的衰减出现了时间差,表现出相位差时间域激电法和频率域激电法是等效的激电法装置直流激电法的工作方法和电阻率法完全一样，可以采用

15、联合剖面法、中间梯度法，对称四极法，以及进行电测深工作。中间梯度法：效率高、电极距大，要求供电电流大联合剖面法：效率低，干扰严重偶极装置：激电异常幅度大、分辨能力强，电磁耦合干扰小，异常形状复杂对称四极装置：可提供地电断面随深度的变化，找水中常用与其它电法勘探方法相比：与其它电法勘探方法相比：激发极化法（激发极化法（IP）的优点：）的优点：能寻找能寻找侵侵染状矿体染状矿体。能区分能区分电子导体和离子导体产生的异常电子导体和离子导体产生的异常。地形起伏不会产生地形起伏不会产生假异常假异常。激发极化法（激发极化法（IP）的缺点：）的缺点：矿化（黄铁矿化、石墨化的岩层）岩层产生强矿化（黄铁矿化、石墨

16、化的岩层）岩层产生强激电异常激电异常 电磁电磁耦耦合干扰给交流激电法资料的解释带来困合干扰给交流激电法资料的解释带来困难。难。充电法充电法Charging Method充电法充电法以岩石电阻率为基础以岩石电阻率为基础的一种直流电勘探方的一种直流电勘探方法。根据充电体与围法。根据充电体与围岩的电性差异，向良岩的电性差异，向良导矿体充电，使充电导矿体充电，使充电矿体变为一个等位体，矿体变为一个等位体，研究良导矿体及其周研究良导矿体及其周围的电场的分布特征，围的电场的分布特征，从而解决良导矿体的从而解决良导矿体的形状、大小和产状等形状、大小和产状等问题。问题。主动源、传导类主动源、传导类充电法充电法

17、 当理想导体（电阻率为当理想导体（电阻率为0）被充电后，不产生电位降，）被充电后，不产生电位降，导体内电位处处相等。许多金属矿体、高矿化度的地下导体内电位处处相等。许多金属矿体、高矿化度的地下水等，电阻率较低，可以看作为理想导体。当它们局部水等，电阻率较低，可以看作为理想导体。当它们局部出露时，如果向露头充电，观测其充电电场，便可以推出露时，如果向露头充电，观测其充电电场，便可以推断整个地下良导电地质体的电性分布，解决地质问题。断整个地下良导电地质体的电性分布，解决地质问题。详详查查及及勘勘探探阶阶段段，良良导导性性地地质质体体有有露露头头但但不不知知道道其其分分布布情情况况，如如矿矿体体是是

18、否否相相连连；矿矿体体走走向向、产产状状；盲盲矿矿；地地下下水水流流速速、流流向向；滑滑坡坡1、理想条件下（即、理想条件下（即0=0或或0 )，将不产生电位降，将不产生电位降，电位在导体内及表面处处相等，故导体为一个电位在导体内及表面处处相等，故导体为一个“等位等位体体”，其表面为，其表面为“等电位面等电位面”。在充电体表面附近，电位面的形状与充电体的形状一致。远离充电体，等位面趋于圆形。电位V为对称曲线；电位梯度V/X为反对称曲线，即在充电体顶部中心，电位梯度为零，其正、负极值对应于充电体边缘部分。电位曲线的极大点极大点与电位梯度的零值点零值点均向倾斜方向位移。电位曲线在倾斜一边曲线平缓，在

19、倾斜相反方向曲线较陡；电位梯度曲线在倾斜一边曲线平缓，梯度绝对值小；在倾斜相反方向曲线陡，梯度绝对值大。2、脉状体倾斜、脉状体倾斜时，电位曲线电位曲线及及电位梯度电位梯度曲线曲线均不对称3、自然界中，导体都不是、自然界中，导体都不是理想导理想导体（即体（即0 0），），对对其充电后，充电体上各点的电位并非都相等其充电后，充电体上各点的电位并非都相等，不是完，不是完全等位体全等位体。（1）当充电点位于不等位体边缘时，电位及电位梯度曲线都）当充电点位于不等位体边缘时，电位及电位梯度曲线都不对称；不对称；（2）当充电点位于不等位体的中心时，电位及电位梯度曲线）当充电点位于不等位体的中心时，电位及电位

20、梯度曲线均成对称分布（很难与等位体区分开来）均成对称分布（很难与等位体区分开来）因此，在解释中，必须充分考虑到：因此，在解释中，必须充分考虑到：充电导体自身的电阻率（是否满足理想导体的条件）充电导体自身的电阻率（是否满足理想导体的条件）充电体与围岩电阻率差异（是否满足充电体与围岩电阻率差异（是否满足0 围围）；）；充电点的充电点的位置位置。充电法的装备及工作方法充电法的装备及工作方法1、装备装备与电阻率法相同2、工作方法工作方法（1）电位观测法B()N基点基点（2）电位梯度观测法（3）直接追踪等位线法电位法直接观测测线上各点与远离测直接观测测线上各点与远离测区的一相对电位零点之间的电区的一相对

21、电位零点之间的电位差。然后绘制剖面电位曲线位差。然后绘制剖面电位曲线和平面等位线图。和平面等位线图。无穷远无穷远N极放在与极放在与B极相反的方极相反的方向上，作为电位相对零点。向上，作为电位相对零点。M电电极逐点测量电位值极逐点测量电位值U，同时观测，同时观测供电电流强度，计算归一化电供电电流强度，计算归一化电位值。位值。电位法可以直接反映电场特征，电位法可以直接反映电场特征，受围岩和表土电阻率不均匀影受围岩和表土电阻率不均匀影响较小响较小B()N基点基点梯度法B()直接追踪等位线法通过供电电极A并垂直与矿体可能的走向布置一条基线，在基线上测出电位按一定等值差分布的基点，然后将极打在基点上，用

22、M极在N极外一定距离处探寻电位与N极相等的点，再移动M极，寻找与N极电位相等的下一点，如此追踪下去，直到与原来的基点闭合，得出一条等位线来，从不同基点出发，可得到不同值的等位线。将充电法的测量结果绘制成如下将充电法的测量结果绘制成如下图件图件：1、电位剖面图、电位剖面图2、电位剖面平面图、电位剖面平面图3、电位平面等值线图、电位平面等值线图4、电位梯度剖面图、电位梯度剖面图5、电位梯度剖面平面图、电位梯度剖面平面图6、电位梯度平面等值线图。、电位梯度平面等值线图。应用条件及范围1、矿体具有良好的电导率，比围岩大100倍以上2、矿体埋藏较浅，有露头（天然或人工），沿走向有一定延伸长度（矿体顶部埋

23、深的三倍以上）3、矿体和围岩电阻率较稳定，无复杂变化4、地形起伏和表土不均匀影响较小，无工业用电干扰5、接地条件较好，极化稳定金属矿的详查及勘探：可探明矿体的分布、产状及与相邻矿体的连接情况水文调查：测定地下水的流速、流向，以及追踪岩溶发育区的地下暗河，研究滑坡等追踪地下管线充电法资料的解释根据等电位线的根据等电位线的形状及密集带形状及密集带，可判定充电体在地面上，可判定充电体在地面上投影的投影的形状和走向，并初步圈定其边界形状和走向，并初步圈定其边界；根据剖面电位曲线：剖面电位曲线：利用其极值点推断充电体的利用其极值点推断充电体的顶部位置；顶部位置；利用其拐点推断利用其拐点推断充电体的充电体

24、的边界位置；边界位置；利用其对称性推断充电体的利用其对称性推断充电体的倾向。倾向。根据电位梯度曲线电位梯度曲线：利用曲线零值点推断充电体的利用曲线零值点推断充电体的顶部位置；顶部位置；根据根据正、负极正、负极值点的位置确定值点的位置确定充电体的充电体的边界位置；边界位置；若梯度曲线不对称，若梯度曲线不对称，则充电体向极值的绝对值小、且曲线缓的一侧倾斜。则充电体向极值的绝对值小、且曲线缓的一侧倾斜。确定矿体隐伏部分的形状、产状、规模等判断矿体是否相连确定地下水的流速和流向确定地下水的流速和流向自然电场法自然条件下，无需向地下供电自然条件下，无需向地下供电，通过一定，通过一定的装置形式，地面两点间

25、通常也能观测到的装置形式，地面两点间通常也能观测到一定大小的电位差，这表明地下存在一定大小的电位差，这表明地下存在“天天然电流场然电流场”简称简称“自然电场自然电场”。自然电场法自然电场法通过研究通过研究自然电场自然电场在地面在地面的分布规律来解决地质问题的一种电法勘的分布规律来解决地质问题的一种电法勘探方法。探方法。常见的自然电场自然电场有两类两类：呈区域性分布的不稳定的电场呈区域性分布的不稳定的电场大地电磁场大地电磁场（与地壳表层构造有关）；（与地壳表层构造有关）；呈局部性分布的稳定的电场（与地下某些金呈局部性分布的稳定的电场（与地下某些金属矿、非金属矿或地下水运动有关）。属矿、非金属矿或

26、地下水运动有关）。（一一）自自然然电电场场的的成成因因1、电子导体与围岩溶液间的电化学作用、电子导体与围岩溶液间的电化学作用当电子导体与溶液接触时，金属上的负电荷吸引溶液中的正离子，使之分布于界面附近，形成双电层。水溶液导体+-若导体和溶液都是均匀的，则双电层不产生外电场。当导体或溶液不均匀不均匀时，双电层呈不均匀分布，产生极化极化，并在导体内、外产生电场，引起自然电流。（一一）自自然然电电场场的的成成因因1、电子导体与围岩溶液间的电化学作用、电子导体与围岩溶液间的电化学作用潜水面附近的良导体：潜水面上方的氧化环境潜水面附近的良导体：潜水面上方的氧化环境和潜水面下方的还原环境，使良导体处于极化

27、和潜水面下方的还原环境，使良导体处于极化状态，表面双电层不均匀分布，形成自然电场状态，表面双电层不均匀分布，形成自然电场（一一）自自然然电电场场的的成成因因2、岩石中地下水运移的电动效应（过滤电场）、岩石中地下水运移的电动效应（过滤电场）由于岩石颗粒对水溶液中负离子有由于岩石颗粒对水溶液中负离子有吸附作用吸附作用，岩石颗粒，岩石颗粒与溶液间形成双电层。当地下水与溶液间形成双电层。当地下水静止静止时，整个系统呈电时，整个系统呈电性平衡，不产生外电场。地下水性平衡，不产生外电场。地下水流动流动时，带走溶液中的时，带走溶液中的部分部分正离子正离子，水流上游，水流上游有多余的有多余的“负离子负离子”，

28、而在水流，而在水流的下游的下游有多余的有多余的“正离子正离子”，形成极化，从而形成自然，形成极化，从而形成自然电场电场.。.。+-.。.。+-+裂隙渗透电场 上升泉电场 山地电场+-+-地下水补给河水 河水补给地下水V00000+VVVV-（一一）自自然然电电场场的的成成因因3、岩石中不同浓度溶液离子的扩散作用、岩石中不同浓度溶液离子的扩散作用低高+-Cl-Na+当两种当两种浓度不同浓度不同的溶液相互接触时，会产生扩散现象。带的溶液相互接触时，会产生扩散现象。带电离子由浓度高的溶液向浓度低的溶液里扩散。但正、负电离子由浓度高的溶液向浓度低的溶液里扩散。但正、负离子的离子的扩散速度不同扩散速度不

29、同，使两种不同离子浓度的溶液分界面，使两种不同离子浓度的溶液分界面上分别含有过量的正离子或负离子，形成电位差。这种由上分别含有过量的正离子或负离子，形成电位差。这种由扩散作用引起的自然电场称为扩散电场。扩散作用引起的自然电场称为扩散电场。扩散电场通常与过滤电场同时存在，但扩散电场的数值很小，10-20mv。（二）自然电场法的装备及工作方法（二）自然电场法的装备及工作方法 装备特点：装备特点：工作方法：工作方法：与充电法相同，“电位观测法电位观测法”和“电位梯度观测电位梯度观测法”。N极置于远离矿体且电场稳定的正常场中，极置于远离矿体且电场稳定的正常场中，M极沿极沿测线逐点测量电位，绘制电位剖面

30、曲线和平面图。测线逐点测量电位，绘制电位剖面曲线和平面图。不需要电源和供电电极测量电极不用铜棒，而是“不极化电极不极化电极”。避免电极的极化作用以及两电极间自身产生的电位差将观测结果绘制成电位剖面图电位剖面图、电位剖面平面图电位剖面平面图、电位平电位平面等值线图面等值线图。电位法观测自然电场的工作布置图电位法观测自然电场的工作布置图（三）自然电场法资料解释（三）自然电场法资料解释其定性解释方法与中间梯度曲线的解释类似。自然电位曲线在矿体的顶部为负极小值负极小值。对于倾斜的板状体或脉状体或倾斜极化等轴状体，其自然电位曲线呈不对称，在导体倾斜方向或极化轴倾斜方向上曲线陡，且出现很小的正值。+-+-1、寻找金属硫化物矿床（铜矿、黄铁矿）、石墨和无烟煤；123456782、在水文地质和工程地质方面的应用 确定地下水与河水间的补给关系 确定地下水的流向（过滤电场的方向与地下水流向有关）确定水库、堤坝的漏水点（位置）寻找含水破碎带或确定断层位置（四）自然电场法的应用（四）自然电场法的应用