第一章-海洋電法勘探02

1.4海洋直流電阻率法

Directcurrent

resistivity

method

1.4.1引言Theresistivitymethodisusedinthestudyofhorizontalandverticaldiscontinuitiesintheelectricalproperties(resistivity)ofthesubsurface廣義地說(shuō)，直流電阻率(DC)法也可以叫做可控源法，因其使用可控的人工場(chǎng)源;或者叫CSEM法，但其場(chǎng)源是直流電源，且只研究電分量。不過(guò)，我們還是按傳統(tǒng)習(xí)慣，叫它直流電阻率法為好。

過(guò)去往往認(rèn)為，在海洋這樣的高導(dǎo)電介質(zhì)中，采用直流方法似乎是很荒謬的，其實(shí)不然，因?yàn)楹５滓鸬男畔⒌谋壤患?jí)近似地由σ1/σ0給出，

σ1和σ0分別為海底和海水的電導(dǎo)率，對(duì)于未固結(jié)的沉積物，比值σ1/σ0為0.1或更小。

海洋直流電法的優(yōu)點(diǎn):一是拖動(dòng)作業(yè)，效率高;二是設(shè)備簡(jiǎn)便;三是環(huán)境穩(wěn)定噪聲小;四是接地電阻小，供電電流大。Francis指導(dǎo)的一次海洋DC實(shí)驗(yàn)，是由一艘掃雷艦上發(fā)電機(jī)供電，電流高達(dá)2000A。哪怕只有1/10進(jìn)入海底，也有200A，這在大陸上無(wú)論如何也難以做到。

海洋直流電阻率法適合于圈定硫化礦床;探測(cè)海底永久凍土層的范圍、厚度;考查海洋地殼的孔隙結(jié)構(gòu)。硫化礦，孔隙度的變化都沒(méi)有明顯的地震特征，但具有明顯的電導(dǎo)特性。先介紹視電阻率的概念目前海洋電阻率法最常用的兩種電極裝置為：溫納（Wenner）裝置和施倫貝爾（Schlumberger）裝置（圖9.3b、c）。前者將電極以等間距a對(duì)稱排列，這樣視電阻率為：

在施倫貝爾（Schlumberger）裝置中（圖9.3c），供電電極間距為2L，測(cè)量電極間距為2l且L>>l，如果各電極關(guān)于中心點(diǎn)（圖9.3c，x＝0）對(duì)稱且l較小，則有：如果電流通過(guò)海底時(shí)含一小部分導(dǎo)電性好的海水的話，則電流強(qiáng)度跟海底與海水間的電阻率比值成反比。如果海水之下是松散沉積物的話，兩者電阻率比值將小于0.1；而在花崗巖和其它基巖出露的地區(qū)，比值通常要小于10-4。為了得到一定深度的電流值，電流電極間的距離應(yīng)設(shè)為海水層厚度的幾倍。電阻率測(cè)量裝置常常通過(guò)野外測(cè)量加以改進(jìn)：對(duì)于已知的各向同性的多層介質(zhì)，其視電阻率與真電阻率的變化相一致。另外，電阻率的分布也可以通過(guò)求解非均質(zhì)各向異性介質(zhì)上勢(shì)能分布的拉普拉斯方程得到電阻率的分布情況（據(jù)Koefoed，1979）。二、直流電阻率測(cè)深的基本原理電阻率測(cè)深法簡(jiǎn)稱電測(cè)深，是用來(lái)探明水平層狀（或近似水平層狀）巖石于地下分布情況的一組電法勘查方法。常用的裝置為對(duì)稱四極，如圖1所示：每個(gè)測(cè)點(diǎn)的電測(cè)深觀測(cè)結(jié)果，繪制成一條視電阻率ρS隨極距AB／2變化的電測(cè)深曲線。通常將電測(cè)深曲線繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，其橫坐標(biāo)表示供電極距AB／2，縱坐標(biāo)表示相應(yīng)的視電阻率值。它反映了測(cè)點(diǎn)下沿垂直方向地質(zhì)情況的變化，如圖2所示。從圖2中可定性了解地下的基本情況，它表明地下有三個(gè)電性層（或地層），第一層的電阻率為120歐姆米，第二層為低阻，電阻為幾十歐姆米，第三層為高阻，電阻率為幾百歐姆米。電測(cè)深資料的反演解釋的任務(wù)就是要具體地確定每一電性層的電阻率和厚度。1.4.2大陸架調(diào)查早在20世紀(jì)30年代,C&M.Schlumberger就開(kāi)始把這種電阻率測(cè)量方法推廣應(yīng)用到海上，并在阿爾及爾的一個(gè)港口確定了一個(gè)礦床的深度（Schlumberger，1934）。通過(guò)從海岸放置電纜，他們測(cè)出了近40米深的水域里松散沉積物的厚度。

直到20世紀(jì)60年代當(dāng)電阻率測(cè)量方法開(kāi)始作為一種工具用以調(diào)查北冰洋大陸架上的永凍層和海岸附近的礦產(chǎn)勘探時(shí)，才開(kāi)始有更深入的海洋作業(yè)。利用電阻率隨沉積物凝固的變化特性（圖9.2）在該地區(qū)測(cè)出了波弗特海域里永凍層的深度，其實(shí)Schlumberger裝置通過(guò)浮冰或開(kāi)闊水面上的小船早已測(cè)出了永凍層的深度。圖9.4為間隔2km的電流電極和最大距離達(dá)30米的測(cè)量電極得到的視電阻率曲線圖。假設(shè)有一個(gè)三層模型，且其最底層（永凍層）的電阻率無(wú)窮大，則得到永凍層頂部的深度大約為46m，而實(shí)際鉆探顯示的深度為54m。T.J.G.Francis(1977)將溫納裝置拖曳于海面以下（圖9.5），剝?nèi)蓲呃纂娎|外側(cè)的絕緣皮使其銅導(dǎo)線出露作為電源。將由Ag/AgCl非極化電極組成的電熱探測(cè)器安裝在一四芯的電纜線上，電壓表指示兩測(cè)量電極之間的電壓值。盡管比起底部的電極來(lái)，其靈敏度降低了一些，但是這種水表面的淺拖系統(tǒng)卻有許多優(yōu)點(diǎn)，如測(cè)量工作速度快（10節(jié)約5m/s），且各電極的位置容易保持；電纜也不需要特別結(jié)實(shí)，且丟失的可能性很小。由于海底和水之間存在高電阻率差，所以當(dāng)向水中通以1000A的大電流時(shí)，為減小電極的腐蝕和兩測(cè)量電極間直流電的偏流，電流每隔幾秒便會(huì)反轉(zhuǎn)一次。這樣要求電源的功率應(yīng)接近于1000kw。在不列顛西南部70m水深的地方進(jìn)行了電阻率法測(cè)量，據(jù)當(dāng)?shù)氐年懙氐刭|(zhì)資料發(fā)現(xiàn)硫礦向海方向延伸（圖9.6）。同時(shí)在記錄等深線和海水溫度的同時(shí)，由海水樣品的鹽度得到了電阻率。每隔一分鐘或更短時(shí)間所得到的掃描電壓差（△VSW=|V1－V2|）即為視電阻率。為了比較底部電阻率沿測(cè)線的變化，可由下式計(jì)算得到電阻率異常ρa(bǔ)nom(9-9)其中ρd是平坦海底的視電阻率，大于海水的視電阻率，ρd的大小可由海水的電阻率和電極排列中心點(diǎn)的水深決定。如果ρa(bǔ)nom的值接近于0,就表明海底的電阻率較高，反之，ρa(bǔ)nom是大的正值時(shí)，就表明海底的電阻率差小，這可能與松散沉積物和礦區(qū)有關(guān)。在測(cè)線的許多段上，電阻率異常僅僅反映海水深度的變化，ρa(bǔ)的值隨海水深度的降低而增加。如圖9.6中的M和N這兩個(gè)區(qū)域，相對(duì)較大的電阻率異常覆蓋了整個(gè)海底。在這些區(qū)域，從地震剖面上便可以看到出露的基巖。強(qiáng)振幅短波長(zhǎng)磁異常表明在海底及其附近有強(qiáng)磁性體。一般來(lái)說(shuō)，富含磁黃鐵礦（硫化物的一種）的礦區(qū)具有低電阻率和高磁化率的特征，但這種假設(shè)必須通過(guò)直接采樣來(lái)檢驗(yàn)。O.B.Llile等人于1994年使用一列3個(gè)間隔10m的底部電極組成的排列得到了被松散沉積物覆蓋的基巖表面圖。在排列前端，通以5Hz的交流電使其穿過(guò)電極傳到海底，便可得到另兩個(gè)電極間的電壓。正極附近的陽(yáng)離子和負(fù)極附近的陰離子會(huì)使電極極化，而低頻交流電可以抑制這種極化。通過(guò)幾次重復(fù)測(cè)量并求和便可以消除大地電流的影響。因?yàn)橐曤娮杪适茴l率的影響較大，因而電流頻率只能取幾個(gè)赫茲。1.4.3深海測(cè)量在東太平洋海隆和大西洋中脊有金屬硫化物出露，這些區(qū)域的海床電阻率已通過(guò)潛艇測(cè)量。如圖9.7a所示區(qū)域緊靠東太平洋的脊軸線，它是由法國(guó)產(chǎn)儀器Cyana調(diào)查得到的。采用溫納裝置，將電流電極和測(cè)量電極分別間隔10m裝在50m的電纜上并把它鋪設(shè)在水深2454-2665m的海底進(jìn)行了4次試驗(yàn)（Francis,1985）。對(duì)于由海水（ρw

）和基巖（ρr

）組成的兩相同的半空間之間交匯處的電極而言，測(cè)量電極之間的電壓ΔV為：其中，a是電極間的間距，ρw的大小受溫度、鹽度和周圍壓力的影響，ρr為ΔV/I。例如，下半空間由于沉積物厚度、孔隙度或礦體圍壓不同呈現(xiàn)出各向異性，這樣用溫納裝置得到的電阻率隨電極間距離的改變而改變。由溫納裝置得到的視電阻率為：

(9-11)在ρw已知的情況下可由上式得到海底電阻率的大小。如圖9.7b為電極排列平面圖，當(dāng)加大電極間隔時(shí)需在溫納裝置中再附加一額外的測(cè)量電極。布置該裝置一般需要大約30分鐘的時(shí)間，另外還需要一些時(shí)間來(lái)測(cè)量正向和反向及零電流時(shí)的電流和電勢(shì)差。

然后讓水下儀器上升100m，使電極垂直懸掛進(jìn)行補(bǔ)充觀測(cè)。海水的視電阻率為:這是由于（9.9）式中的兩電阻率是相等的緣故。(9-12)如圖9.7a潛水區(qū)里有一海山，且其上有大量的硫化物礦體，他們沿2600m等深線呈東西向出露至少500m長(zhǎng)。在兩潛水區(qū)均有硫化物礦體，且其側(cè)面分布的是枕狀玄武巖。通過(guò)垂直分布的排列測(cè)得硫化物礦體上底層水的視電阻率為0.287歐姆·米。而貧瘠的枕狀玄武巖上底層水的視電阻率為0.282歐姆·米。

排列平放在硫化物礦體上時(shí)，測(cè)得底層水的視電阻率為0.214歐姆·米，海床的電阻率為0.17歐姆·米。顯然，這比底層水的電阻率略小一些。相比而言，枕狀熔巖的電阻率介于9.14-13.0歐姆·米之間。在枕狀熔巖和硫化物礦體同時(shí)出露的地方，電阻率具有中間值2.13歐姆·米。使得枕狀熔巖的電阻率出現(xiàn)較大的誤差。盡管由于隨著海床電阻率的增大，總電流中流經(jīng)海底部分的比例減小。但無(wú)論怎樣，出露的玄武巖和硫化物間的電阻率是顯然不同的。而這一點(diǎn)也正好論證了使用溫納裝置尋找深海金屬礦物這一方法是可行的。雖然目測(cè)法和現(xiàn)場(chǎng)采樣也能有效地給出硫化物的出露區(qū)域，但電阻率技術(shù)有估算其總厚度的優(yōu)點(diǎn)。Cyana儀觀測(cè)也揭示了深海硫化物能產(chǎn)生巨大的自電勢(shì)異常。能量供應(yīng)中斷時(shí)，在垂直懸掛裝置的電壓表中顯示有0.5mv的電勢(shì)差，這種差異代表了一個(gè)電化學(xué)背景。一旦將裝置平置地穿過(guò)硫化物礦體，電勢(shì)差便會(huì)增加到10.4mv，這表明有9.9mv的自電勢(shì)異常。枕狀玄武巖出露部分的電勢(shì)差梯度與海水中的電勢(shì)差梯度相同。因此，自電勢(shì)可以用來(lái)繪制硫化物的出露范圍，并且可能比單用電阻率法來(lái)得更容易。

最近，采用美國(guó)潛艇阿爾文號(hào)測(cè)量了位于北緯26度的大西洋中脊處的熱液活動(dòng)區(qū)的電阻率。將兩個(gè)排列平鋪在在海底，一個(gè)長(zhǎng)約50m，另一個(gè)長(zhǎng)約150