地球物理勘探概论:第四章 电法勘探课件.ppt
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1、第四章 电法勘探,电法勘探是以岩(矿)石之间的电性差异为基础,通过观测和研究天然及人工电场或电磁场的分布特点和变化规律,来查明地下地质构造或寻找矿产资源的一类地球物理勘探方法。,在电法勘探中利用的有岩矿石的导电性、极化性、介电性及导磁性等。电法勘探不仅利用地下天然存在的电场或电磁场,还能通过人工方法在地下建立电场或电磁场。,电法的分类,电法勘探的种类很多,可对其进行分类:一、按观测的场所分:航空电法、地面电法、海洋电法、地下或井中电法;二、按地质目标体分:金属电法、石油电法、煤田电法、水(文)工(程)电法;三、按使用和观测电磁场的时间特性分:直流电法、交流电法、过渡过程场法(瞬变);直到目前为
2、止,还没有一个公认的和统一的分类方案,因为各种电法之间,既有不同的方面,又有相同的方面,因此很难作出一个标准化的固定分类方案。根据本专业当前电法的发展现状,可将其简化的分为两大类:,(1)传导类电法勘探以利用地中的传导电流(交流的或直流的;天然的或人工的)为主,利用岩矿石的导电性、激电性、导磁性。目前主要有五种方法:中间梯度法;电测剖面法;电测深法;充电法;自然电场法;激发极化法;(2)感应类电法勘探 以利用地中涡旋感应电流为主。电磁法的类型比较多,不下几十种,类型多的原因如下:,场源的种类多:建立一次场的场源,可分为人工场源和天然场源两大类。人工场源:(1)连续波场或谐变场(低于数万赫兹):
3、连续波场可分为回线场、动源偶极场、半定源偶极场和长导线场,偶极场又有近区(感应区)和远区(波区)之分;(2)瞬变脉冲场:瞬变脉冲场也有回线场和偶极场;(3)辐射场:辐射场主要按波段分,目前已利用的有长波电台的辐射场;频率范围为10k400k,地下井中透视的发射场,频率范围在1.5200Mhz以及雷达波。天然场源:天然音频磁场和大地电磁场。,观测方法的多样性,观测的空间范围大:空中 地面 井中,寻找金属及非金属矿产,还可以进行地质填图,查明地下地质构造、寻找油气田、煤田和地下水等。此外,电法勘探还用于地壳及上地幔的研究之中。近年来,一些建立在电法勘探基本原理基础之上的新方法如管线探测、探地雷达等
4、广泛用于城市工程勘查,它们在管线勘查、路基、高层建筑地基及大型水电站、水库坝基勘查方面发挥了重要作用。,各种电法勘探方法是适应不同地质任务的需要而发展起来的。它们广泛地应用于各种地质工作中,不仅可以,电阻率法是传导类电法勘探方法之一。它建立在地壳中各种岩(矿)石之间具有导电性差异的基础上,通过观测和研究与这些差异有关的天然电场或人工电场的分布规律,达到查明地下地质构造或寻找矿产资源之目的。,4.1 电阻率法,一、理论基础电场与电位 j(电流密度)=I/2r2 E(电场强度)=I/2r2 U(电位)=I/2r,式中AM、AN、BM、BN分别为供电电极A、B与测量电极M、N之间的距离。将上两式相减
5、可得M、N两点间的电位差:,式中K称为电极排列系数(或装置系数),其单位为米,是一个仅与各电极间空间位置有关的量。,2.真电阻率和视电阻率,大地电阻率的应用条件,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。,当电场控制范围内仅有一种岩石并且它的导电性是均匀时候测得的电阻率就是岩石的真电阻率。,影响视电阻率的因素有:,在实际情况下,测量电场控制范围内各种岩石综合影响结果而得到的电阻率称为视电阻率。,(1)电场作用范围内地电断面本身的电阻率分布,如断面中各地层或地质体的电阻率、形状、规模、厚度、埋深等;,(2)电极装置
6、的类型、电极距的大小、测点位置、电场有效作用范围等。,3.电阻率法的物理实质,地下电阻率为均匀的介质,电阻率均匀介质中存在一个高阻体,电阻率均匀介质中存在一个低阻体,二、电剖面法,人工建立地下稳定直流或脉动电场,采用不变的供电极距,使整个或部分装置沿观测剖面移动,逐点测量视电阻率的值。电剖面法所了解的是沿剖面方向地下某一深度范围内不同电性物质的分布情况。,由于供电电极及测量电极排列方式不同,联合剖面法装置形式,该方法为两个三极(AMN和MNB)排列的联合。工作中A、M、N、B沿测线一起移动,并保持极距不变,MN的中点O为测点位置。在每个测点上利用换向开关K切换,可分别测出两个三极排列的V和 I
7、,因此,联合剖面法的剖面图上有两条视电阻率曲线,AO=BO3h;AOL+l(L和l分别为脉状体的走向长度和下延长度之半);MN=1/31/5A0,联合剖面曲线分析 主要用于寻找产状陡倾的或脉状低阻体或断裂破碎带。在直立良导薄脉顶部上方,sA和sB曲线相交,且交点左侧sAsB,右侧sAsB,此交点为联合剖面曲线的“正交点”。,在倾斜矿脉上,联剖曲线仍出现正交点,但交点位置稍移向倾斜一侧,并且曲线不对称。在矿脉倾斜的一侧,随着倾角变小,曲线变缓,分异性变差。一般来讲,对一定埋深和一定大小的良导矿脉而言,当电极距AO很小时,随AO的增大,异常明显增大,曲线歧离带越明显,但当AO增大到一定程度后,异常
8、不再增加,反而开始下降,当AO很大时,异常将趋于零,两条曲线基本重合,更没有歧离带可言。,AO小,AO中,AO大,=0,=30,=60,=90,在高阻岩脉上,交点处呈现高阻,反交点两侧附近,曲线呈两翼紧闭的形状;地形起伏对联剖的影响较为严重,可以在山脊地形上出现低阻反交点;而在山谷地形上出现高阻正交点,在资料解释时,一定注意。,山脊,山谷,不同极距s对比曲线同构造倾向的关系示意图,“一线布置,多线观测”电极装置,主要用于寻找产状陡倾的高阻薄脉,通过低阻薄脉时,异常不明显。,中间梯度法,我国东北某铅锌矿区使用中间梯度法所得的s剖面平面图。该区铅锌矿产在倾角接近70的高阻石英脉中。图中两条连续的s
9、高峰值带由含矿石英脉引起。右边1号矿脉是已知的,左边2号矿脉是根据中间梯度法的s曲线形态,与1号矿脉的s曲线对比而圈定的。,三、电测深法,电测深法适宜于划分水平的或倾角不大(20)的岩层,在电性层数目较少的情况下,可进行定量解释。,1概述电测深法是探测电性不同的岩层沿垂向分布情况的电阻率方法。该方法采用在同一测点上多次加大供电极距的方式,逐次测量视电阻率s的变化。,电测深工作原理图,2.电测深曲线类型,2相对1为无限大,二层曲线尾部呈斜线上升,在对数坐标上,其渐近线与横轴成45相交。,二层断面12 为G型曲线,12 为D型曲线,三层断面,A型 对应于123的三层断面,Q型 对应于123的三层断
10、面,K型 对应于13的三层断面,H型 对应于123的地电断面,多层断面由四个电性层组成的地电断面,按相邻各层电阻率之间的组合关系,其测深曲线可以有八种类型。每种类型的电测深曲线用两个字母表示。,四、高密度电阻率法,它采用了多电极高密度一次布极并实现了跑极和数据采集的自动化,因此相对常规电阻率法来说,它具有许多优点:,(1)由于电极的布设是一次完成的,测量过程中无须跑极,因此可防止因电极移动而引起的故障和干扰;,(2)一条观测剖面上,通过电极变换和数据转换可获得多种装置的断面等值线图;,(3)可进行资料的现场实时处理与成图解释;,(4)成本低,效率高。20世纪80年代初由日本学者提出,经国内对方
11、法、仪器的研制开发与生产,很快在水、工、环等领域中得到了推广。,1.高密度电阻率法的观测系统,三电位观测系统,双边三极观测系统,仪器及实际应用,仪器设备 为实现跑极和数据采集自动化,除测量主机和电极外,还需要配有多道电极转换器、多心电缆和微处理机。,应用实例,4.2 充电法和自然电场法,一、充电法,在普查和评价金属矿中,经常遇到这样的问题:对一些矿体露头(天然的或人工的)作出远景评价,大致圈定矿体的走向长度,了解倾斜方向、埋藏深度等;对于两个矿体露头,要解决深部是否连接;此外已知矿体周围是否有盲矿体等。充电法是解决以上问题的较好方法。,与电源正极的供电电极A同良导体露头接触,接触点称为充电点。
12、与电源负极供电电极B布置在充电点远处,整个良导体就相当于一个大供电电极。,若0=0或0 导体内部及表面各点的电位都相等,等位线在导体边缘附近最密集。远离导体,电位下降逐渐减慢,等位线越来越稀等位面形状与导体形状一致,1.基本原理,电位曲线对称,导体顶部上方获得宽缓的极大值;在边缘,电位降落最快,远离它的位置,下降逐渐平缓,趋于零;,电位梯度曲线反对称曲线,顶部电位梯度为零;正负极值对应于电位降落最快的充电导体边缘;,等电位线导体形状和分布情况剖面电位曲线、电位梯度曲线导体的顶部和边界位置,不等位充电导体的模型实验曲线,充电导体不为等位体:,电位极大值点在充电点附近偏向导体内的一侧,极大值两侧(
13、导体一侧缓慢下降、迅速下降);电位梯度曲线:零点在充电点附近偏向导体内的一侧,装置及工作方法(1)电位观测法 将测量电极N置于距导体足够远的某一固定基点上接地,另一测量电极M沿测线逐点移动,观测各测点相对于固定基点N的电位差值,这个差值即作为 该点电位值V。,(2)电位梯度观测法 将测量电极M、N置于同一测线的两相邻测点上,保持其相对位置和间距不变,沿测线逐点移动,观测各相邻测点间的电位差,便可算出M、N中点处的电位梯度值/MN。,充电法的主要成果图件有:电位剖面图、电位剖面平面图、电位等值线平面图;电位梯度剖面图、电位梯度剖面平面图等。,充电法资料的解释(1)电位等值线平面图 等位线的形状、
14、密集度导体在地面上的投影形状和走向,初步圈定边界;等位线的不对称性导体的倾向,一般为等位线较稀的一侧,(2)电位梯度曲线,梯度曲线对称,曲线零值点位置反映了充电导体的顶部位置,极值点位置大致是导体的边界。若梯度曲线不对称,则导体向两个极值中幅度较小且平缓的一方倾斜。对电位梯度剖面平面图,可由零值点的连线判定导体的走向,由各剖面的极值点位置圈定导体的大致位置。,充电法的应用 良导性金属矿床、无烟煤、石墨,以及解决水文、工程地质问题,某硫化铜镍矿体上充电法等位线平面图及地质剖面(东倾),电位梯度曲线及推断结果,二、自然电场法,在自然条件下,无须向地下供电,地面任意两点间总能观测到一定大小的电位差,
15、称为自然电场。常见自然电场有两类:一类是呈区域性分布的不稳定电场,称为大地电磁场,其分布特点与地壳表层构造有关。,自然电场的成因(1)电子导体与围岩溶液间的 电化学作用,另一类是分布范围限于局部地区的稳定电场,它的存在往往与某些金属矿床或地下水运动有关。,(2)岩石中地下水运移的电动效应(3)岩石中不同浓度溶液的浓度不尽相同,当不同浓度的两种水溶液接触时,会产生离子扩散现象。,2.自然电场法的装备及工作方法不需要电源和供电电极,使用不极化电极减小两电极间的极差。测量电极N位于测区边缘为电位基点。电极M沿测线逐点观测相对于N的电位差值。观测数据可绘制自然电位剖面图,平面等值线图。,3.自然电场法
16、的应用及实例主要用于勘查埋藏不深的金属硫化物矿床和部分金属氧化物矿床,寻找石墨和无烟煤,确定断层位置,以及解决寻找含水破碎带,确定地下水流向等水文地质问题。,青海某铜矿区自电、地质综合剖面图,4.3 激发极化法,以地下岩、矿石在人工电场作用下发生的物理和电化学效应(激发极化效应)的差异为基础的一种电法勘探方法。直流(时间域)激发极化法和交流(频率域)激发极化法两种。,激发极化法优点:发现致密状金属矿体,寻找其它电法难以发现的浸染状矿体;根据异常的明显程度,区分异常是电子导体还是离子导体引起;受地形的影响较其它方法小。,激发极化法存在问题:不易区分有工业意义的矿异常与无工业价值的黄铁矿化、磁铁矿
17、化、以及炭质岩层、石墨化岩层等引起的非矿异常;交流激发极化法还不可避免地受到电磁耦合的干扰。,一、理论基础,电法工作是通过两个供电电极向地下供电,如果保持供电电流不变,随着供电时间的延长,测量电极M、N之间的电位差逐渐增大,最后达到某一饱和值。当断开供电电流时,测量电极间的电位差随时间延续而逐渐衰减至零。,在充、放电过程中产生的随时间变化的附加电场现象称为激发极化效应。,二、岩、矿石激发极化的时间和频率特性,一次电场E1,V1激发极化场或二次场E2总场E E=E1+E2总场电位差 V断电后的某一瞬间电位差V2,极化率(地下介质极化性质均匀)视极化率(综合影响值),如果在交变电流激发下,根据电场
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