充電法和自然電場法

1、第二章第二章 充電法和自然電場法充電法和自然電場法復(fù)習(xí)：幾個基本概念復(fù)習(xí)：幾個基本概念 方法方法 利用的物性利用的物性電阻率法 導(dǎo)電性充電法 導(dǎo)電性自然電場法 導(dǎo)電性和電化學(xué)活動性激發(fā)極化法 導(dǎo)電性和電化學(xué)活動性（直流激電 和譜激電法） 電磁法 導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性 （頻率域電磁法和時間域電磁法）常用的電法勘查方法及利用的物性常用的電法勘查方法及利用的物性n基本概念及應(yīng)用領(lǐng)域n充電法的基本原理n理想導(dǎo)體充電場的基本特征n充電球體的電流場n充電橢球體的電流場n非理想導(dǎo)體的充點場n充電法的應(yīng)用n充電法應(yīng)用的條件n充電法的野外工作方法1.充電法的應(yīng)用什么是充電法什么是充電法n是對地面上、坑道內(nèi)或是對地面上

2、、坑道內(nèi)或者鉆孔中已經(jīng)揭露的者鉆孔中已經(jīng)揭露的良良導(dǎo)體直接充電導(dǎo)體直接充電，通過觀，通過觀測其測其充電場充電場的空間分布的空間分布來了解礦體規(guī)模大小和來了解礦體規(guī)模大小和賦存狀態(tài)的電法勘探方賦存狀態(tài)的電法勘探方法。法。n屬傳導(dǎo)類、主動源直流屬傳導(dǎo)類、主動源直流電法電法n金屬礦的詳查及勘探階段：查明礦體的金屬礦的詳查及勘探階段：查明礦體的產(chǎn)狀、分布及其與相鄰礦體的連接情況產(chǎn)狀、分布及其與相鄰礦體的連接情況n水文、工程地質(zhì)調(diào)查中：用來測定地下水文、工程地質(zhì)調(diào)查中：用來測定地下水的流速、流向、追索巖溶發(fā)育區(qū)的地水的流速、流向、追索巖溶發(fā)育區(qū)的地下暗河和研究滑坡等問題下暗河和研究滑坡等問題一、充電法的

3、基本原理一、充電法的基本原理（一）理想導(dǎo)體：（一）理想導(dǎo)體： 所謂理想導(dǎo)體是指導(dǎo)體本所謂理想導(dǎo)體是指導(dǎo)體本身的電阻率為零。其特征身的電阻率為零。其特征該導(dǎo)體位于一般導(dǎo)電介質(zhì)該導(dǎo)體位于一般導(dǎo)電介質(zhì)中，向其導(dǎo)體上任何一部中，向其導(dǎo)體上任何一部位接通外加電源供電時位接通外加電源供電時（充電），導(dǎo)體均為電壓（充電），導(dǎo)體均為電壓等位體；電流遍及整個導(dǎo)等位體；電流遍及整個導(dǎo)體，無電位降，而后垂直體，無電位降，而后垂直表面流向周圍介質(zhì)之中。表面流向周圍介質(zhì)之中。 充電導(dǎo)體附近電流線和等電位線的分布充電導(dǎo)體附近電流線和等電位線的分布 (a)剖面圖剖面圖; (b)平面圖平面圖; 1電流線電流線; 2等電位線等

4、電位線n理想導(dǎo)體的充電場（在介質(zhì)中的電流場），與充電點理想導(dǎo)體的充電場（在介質(zhì)中的電流場），與充電點的位置無關(guān)，僅與充電電流強度，理想導(dǎo)體的位置，的位置無關(guān)，僅與充電電流強度，理想導(dǎo)體的位置，形狀，大小，產(chǎn)狀及周圍介質(zhì)的電性分布有關(guān)。形狀，大小，產(chǎn)狀及周圍介質(zhì)的電性分布有關(guān)。n若圍巖為均勻電性介質(zhì)，其空間等位面分布與充電導(dǎo)若圍巖為均勻電性介質(zhì)，其空間等位面分布與充電導(dǎo)體形狀相似；其相似程度與相距充電體的距離成反比。體形狀相似；其相似程度與相距充電體的距離成反比。對有限三度體不論其外形如何，若距離充分大的條件對有限三度體不論其外形如何，若距離充分大的條件下，其電位等值面趨于球形分布下，其電位等值

5、面趨于球形分布。（二）充電球體的電流場（二）充電球體的電流場 由于球體的對稱性，由于球體的對稱性，其充電電場的分布與其充電電場的分布與位于球心的點電流場位于球心的點電流場極為相似，其電位等極為相似，其電位等值線的平面分布為一值線的平面分布為一簇同心圓。簇同心圓。在主剖面上，在主剖面上，電位曲線電位曲線成軸對稱正異常，球心投影點處為成軸對稱正異常，球心投影點處為極大值，兩側(cè)電位對稱減小趨于零；極大值，兩側(cè)電位對稱減小趨于零；電位梯度曲線電位梯度曲線成左正右負(fù)成左正右負(fù)點對稱異常點對稱異常,球心投影點處為零，兩側(cè)電位梯度絕對值對稱減球心投影點處為零，兩側(cè)電位梯度絕對值對稱減小趨于零；小趨于零； 旁

6、側(cè)剖面上，其旁側(cè)剖面上，其電位和電位梯度電位和電位梯度的分布與主剖面相似，但的分布與主剖面相似，但其強度減弱，范圍變大。其強度減弱，范圍變大。（三）（三） 充電橢球體的電流場充電橢球體的電流場平面分布規(guī)律平面分布規(guī)律n充電電場的地表電位等值充電電場的地表電位等值線呈同心橢圓曲線。與橢線呈同心橢圓曲線。與橢球?qū)w的水平截面相近球?qū)w的水平截面相近 ，電位等值線基本上反映了電位等值線基本上反映了充電橢球體的形狀、產(chǎn)狀充電橢球體的形狀、產(chǎn)狀和空間位置。和空間位置。n但隨著遠(yuǎn)離充電橢球體，但隨著遠(yuǎn)離充電橢球體，電位等值線趨于圓形電位等值線趨于圓形n若充電橢球體在地下成軸若充電橢球體在地下成軸對稱分布，

7、則主剖面上，對稱分布，則主剖面上，電位曲線成軸對稱正異常電位曲線成軸對稱正異常分布，橢球體的中心投影分布，橢球體的中心投影點處為極大值，兩側(cè)對稱點處為極大值，兩側(cè)對稱減小趨于零。水平橢球體減小趨于零。水平橢球體的異常范圍比直立橢球體的異常范圍比直立橢球體的異常范圍大。電位梯度的異常范圍大。電位梯度異常呈點對稱分布，極值異常呈點對稱分布，極值點位于橢球體邊界外側(cè)附點位于橢球體邊界外側(cè)附近。近。n對傾斜分布的充電橢球體，其電位異常呈現(xiàn)非對傾斜分布的充電橢球體，其電位異常呈現(xiàn)非對稱分布，傾斜一側(cè)異常曲線變緩，電位梯度對稱分布，傾斜一側(cè)異常曲線變緩，電位梯度曲線在傾斜一側(cè)異常極值幅度變小。曲線在傾斜一

8、側(cè)異常極值幅度變小。n不論是對稱分布的、還是傾斜分布的充電橢球不論是對稱分布的、還是傾斜分布的充電橢球體，其剖面異常的電位異常曲線的拐點和電位體，其剖面異常的電位異常曲線的拐點和電位梯度曲線的極值點基本上反映了地下充電體的梯度曲線的極值點基本上反映了地下充電體的地面水平投影邊界。地面水平投影邊界。（1）當(dāng)充電點位于不等位體邊緣時，電位及電位梯度曲線都）當(dāng)充電點位于不等位體邊緣時，電位及電位梯度曲線都不對稱；不對稱；（2）當(dāng)充電點位于不等位體的中心時，電位及電位梯度曲線）當(dāng)充電點位于不等位體的中心時，電位及電位梯度曲線均成對稱分布（很難與等位體區(qū)分開來）均成對稱分布（很難與等位體區(qū)分開來）（四）

9、非理想導(dǎo)體（四）非理想導(dǎo)體二、充電法的實際應(yīng)用二、充電法的實際應(yīng)用（一）充電法應(yīng)用的條件（一）充電法應(yīng)用的條件1、探測對象的電阻率、探測對象的電阻率1 應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圍巖電阻率應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圍巖電阻率2；2、圍巖巖性比較單一，地表介質(zhì)電性均勻穩(wěn)定，、圍巖巖性比較單一，地表介質(zhì)電性均勻穩(wěn)定，地形起伏不大；地形起伏不大；3、埋于地下的充電體必須有露頭，或是天然露、埋于地下的充電體必須有露頭，或是天然露頭或是人工露頭（淺井、泉眼、鉆孔、坑道等）頭或是人工露頭（淺井、泉眼、鉆孔、坑道等）（二）充電法的野外工作方法（二）充電法的野外工作方法1、電位法、電位法 N極置于距充電體足夠遠(yuǎn)的某一固定基點上。M極沿測線逐

10、點移動，觀測各測點相對于固定基點的電位差，即為該點的電位值U，為了消除電流變化的影響對電位值進(jìn)行電流歸一，用U/I表示。2、電位梯度法、電位梯度法 MN置于同一測線上，保持相對位置和間距不變，沿測線逐點移動，計算電位梯度U / x = U /MN，進(jìn)行電流歸一后表示為U /IMNN3、追索等位線法、追索等位線法 布置充電點，以充電點為中心，布設(shè)夾角為45的輻射狀測線，距充電點由近及遠(yuǎn)分別已一定間隔追索等位線。固定電極N放在某一測線的一定位置上，在相鄰測線上移動M極尋找以N極點的等位點（UMN=0），記錄該點位置，將各等位點連接成等位線。n測量結(jié)果用等電位線平面分布圖表示（三）充電法的應(yīng)用（三）

11、充電法的應(yīng)用1.確定已揭露（或出露）礦體隱伏部分的形狀、產(chǎn)狀、規(guī)模、平面分布位置及深度2.確定已知相鄰礦體之間的連通關(guān)系3.在已知礦附近找盲礦體4.利用單井測定地下水的流速、流向5.研究滑坡及追蹤地下金屬管線1.確定已揭露（或出露）礦體隱伏部分的形狀、確定已揭露（或出露）礦體隱伏部分的形狀、產(chǎn)狀、規(guī)模、平面分布位置及深度產(chǎn)狀、規(guī)模、平面分布位置及深度相鄰不相連導(dǎo)電礦脈上相鄰不相連導(dǎo)電礦脈上的電位梯度異常曲線的電位梯度異常曲線兩個相鄰且相連導(dǎo)電礦脈兩個相鄰且相連導(dǎo)電礦脈上的電位梯度異常曲線上的電位梯度異常曲線2.判斷礦體是否相連判斷礦體是否相連3.測定地下水流速、流向測定地下水流速、流向n布置電

12、極：將A極至于待測含水層中部，N極固定于水流相反方向，與井口距離約為待測含水層深度；n進(jìn)行正常場測量，井周圍介質(zhì)是均勻各項同性時等位線近似為一個圓；n將盛巖布袋懸掛于A極附近，并記下投鹽時間t1；n按一定時間間隔追索等位線，記錄時間t2， t3得到異常場等位線，由于含鹽溶液隨水流流動，等位線沿水流方向伸長，形成橢圓形狀；n水流速 xm為oo的距離2mxLVtt4.測試油田壓裂施工中的裂縫測試油田壓裂施工中的裂縫n巖礦石自然極化n離子導(dǎo)體的自然電場成因（氧化還原作用）n電子導(dǎo)體的自然電場成因（過濾電場；擴散電場）n自然極化球體的電場n自然電場法的野外工作方法n裝備特點 工作方法自然電場法的應(yīng)用n

13、它是以介質(zhì)發(fā)生電極化現(xiàn)象為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過研究穩(wěn)定自然電流場的分布規(guī)律，達(dá)到勘查某些目標(biāo)物的目的一種電法勘探方法 。n自然電場 在一定地質(zhì)或地質(zhì)地下水動力條件下，不需人工向地下供電，在自然條件下，地中存在的電流場。n屬于傳導(dǎo)類，被動源直流電法。導(dǎo)體周圍的自電場導(dǎo)體周圍的自電場一、巖礦石的自然極化一、巖礦石的自然極化n地下產(chǎn)生穩(wěn)定自然電流場的直接原因是地下介地下產(chǎn)生穩(wěn)定自然電流場的直接原因是地下介質(zhì)內(nèi)存在著電極化現(xiàn)象。質(zhì)內(nèi)存在著電極化現(xiàn)象。n所謂電極化是指呈現(xiàn)電中性（正負(fù)電荷保持平所謂電極化是指呈現(xiàn)電中性（正負(fù)電荷保持平衡）物質(zhì)或系統(tǒng)在一定條件下其正、負(fù)電荷衡）物質(zhì)或系統(tǒng)在一定條件下其正、負(fù)電荷（

14、電子或離子）產(chǎn)生彼此分離，偏離平衡狀態(tài)（電子或離子）產(chǎn)生彼此分離，偏離平衡狀態(tài)的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。電子導(dǎo)體的電子導(dǎo)體的自然電場自然電場離子導(dǎo)體的離子導(dǎo)體的自然電場自然電場氧化還原電場氧化還原電場擴散電場擴散電場過濾電場過濾電場（一）電子導(dǎo)體自然電場的成因n導(dǎo)體與溶液接觸時，由于熱運動或化學(xué)反應(yīng)。導(dǎo)體導(dǎo)體與溶液接觸時，由于熱運動或化學(xué)反應(yīng)。導(dǎo)體的金屬離子或自由電子可能有足夠的能量，以致克的金屬離子或自由電子可能有足夠的能量，以致克服晶格間的結(jié)合力束縛而越出導(dǎo)體進(jìn)入溶液中。從服晶格間的結(jié)合力束縛而越出導(dǎo)體進(jìn)入溶液中。從而破壞了導(dǎo)體與溶液的電中性。分別帶異性電荷，而破壞了導(dǎo)體與溶液的電中性。分別帶異性電

15、荷，并在其界面處形成雙電層，產(chǎn)生電極電位。并在其界面處形成雙電層，產(chǎn)生電極電位。n若導(dǎo)體外溶液是均勻的，則界面上的雙電層也是均若導(dǎo)體外溶液是均勻的，則界面上的雙電層也是均勻而封閉形式分布，故該系統(tǒng)對外仍呈電中性，而勻而封閉形式分布，故該系統(tǒng)對外仍呈電中性，而不會產(chǎn)生自然電場。不會產(chǎn)生自然電場。n若溶液不均勻，界面上的雙電層分布不均勻，則產(chǎn)生若溶液不均勻，界面上的雙電層分布不均勻，則產(chǎn)生極化，系統(tǒng)對外將產(chǎn)生自然電場，在自然電場作用下極化，系統(tǒng)對外將產(chǎn)生自然電場，在自然電場作用下的電荷流動，將導(dǎo)致不均勻性降低，極化消失。的電荷流動，將導(dǎo)致不均勻性降低，極化消失。n因此，產(chǎn)生穩(wěn)定自然電流場的條件是：

16、外界條件能保因此，產(chǎn)生穩(wěn)定自然電流場的條件是：外界條件能保持導(dǎo)體外溶液這種不均勻性，使之不因極化放電而減持導(dǎo)體外溶液這種不均勻性，使之不因極化放電而減弱。弱。 ：基于電子導(dǎo)：基于電子導(dǎo)體被地下潛水面截過，其潛水面上部為大氣降雨的滲體被地下潛水面截過，其潛水面上部為大氣降雨的滲透帶，因靠近地表而含氧量較高，其氧化性強，呈氧透帶，因靠近地表而含氧量較高，其氧化性強，呈氧化性。相反，潛水面之下含氧量低，相對應(yīng)那里的水化性。相反，潛水面之下含氧量低，相對應(yīng)那里的水溶液呈還原性。溶液呈還原性。 潛水面上下溶液性潛水面上下溶液性質(zhì)的差異。通過大氣降水質(zhì)的差異。通過大氣降水的循環(huán)總能長期保持不斷的循環(huán)總能長

17、期保持不斷的向地下補充氧氣，從而的向地下補充氧氣，從而在潛水面上下不同部位的在潛水面上下不同部位的導(dǎo)體上形成了不均勻的雙導(dǎo)體上形成了不均勻的雙電層，產(chǎn)生了自然極化，電層，產(chǎn)生了自然極化，在其周圍空間產(chǎn)生了在其周圍空間產(chǎn)生了“氧氧化化-還原還原”自然電場。自然電場。 在地表觀測到的為負(fù)在地表觀測到的為負(fù)自然電位異常自然電位異常 。（二）離子導(dǎo)體的自然極化過濾電場的形成過濾電場的形成n離子導(dǎo)體與溶液接觸后，在其表離子導(dǎo)體與溶液接觸后，在其表面吸附作用下形成雙電層，由于面吸附作用下形成雙電層，由于巖石顆粒表面對地下水中不同符巖石顆粒表面對地下水中不同符號的離子具有選擇性吸附作用，號的離子具有選擇性吸

18、附作用，即一般含水層中的固體顆粒（包即一般含水層中的固體顆粒（包括巖石、礦物顆粒和膠體顆粒）括巖石、礦物顆粒和膠體顆粒）大多數(shù)是吸附負(fù)離子的。因此，大多數(shù)是吸附負(fù)離子的。因此，在巖石顆粒表層吸附了固定的負(fù)在巖石顆粒表層吸附了固定的負(fù)離子層，結(jié)果在地下水中集中了離子層，結(jié)果在地下水中集中了較多的正離子。（注：石灰?guī)r、較多的正離子。（注：石灰?guī)r、白云巖吸附陽離子，液體內(nèi)呈陰白云巖吸附陽離子，液體內(nèi)呈陰離子）離子）n在離子導(dǎo)體的裂（孔）隙處，在離子導(dǎo)體的裂（孔）隙處，雙電離相互之間靠的很近，雙電離相互之間靠的很近，在液體流動時，擴散帶陽離在液體流動時，擴散帶陽離子將被帶走。相對而言，此子將被帶走。相

19、對而言，此處出現(xiàn)了極化，在水流上游處出現(xiàn)了極化，在水流上游呈現(xiàn)負(fù)電位，而下游正離子呈現(xiàn)負(fù)電位，而下游正離子相對集中呈正電位相對集中呈正電位電化學(xué)電化學(xué)稱之為稱之為流動電位流動電位。n上述極化過程，如同水流過上述極化過程，如同水流過巖石，巖石顆粒濾掉陽離子，巖石，巖石顆粒濾掉陽離子，剩下陰離子剩下陰離子稱為稱為過濾電場過濾電場。過濾電場的形成過濾電場的形成確定地下水與河水間的補給關(guān)系 確定水庫、堤壩的漏水點n當(dāng)?shù)叵滤蛳聺B漏時，上部巖石吸附負(fù)離子，當(dāng)?shù)叵滤蛳聺B漏時，上部巖石吸附負(fù)離子，下部巖石出現(xiàn)多余的正離子，這就形成裂隙電下部巖石出現(xiàn)多余的正離子，這就形成裂隙電場場n與以上的情況相反，當(dāng)?shù)叵滤ㄟ^裂隙帶向上與以上的情況相反