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  • 电法勘探

    电法勘探 electrical prospecting,是根据地壳中各类岩石或矿体的电磁学性质(如导电性、导磁性、介电性)和电化学特性的差异,通过对人工或天然电场、电磁场或电化学场的空间分布规律和时间特性的观测和研究,寻找不同类型有用矿床和查明地质构造及解决地质问题的地球物理勘探方法。主要用于寻找金属、非金属矿床、勘查地下水资源和能源、解决某些工程地质及深部地质问题。

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      地壳(见地球)是由不同的岩石、矿体和各种地质构造所组成,它们具有不同的导电性、导磁性、介电性和电化学性质。根据这些性质及其空间分布规律和时间特性,人们可以推断矿体或地质构造的赋存状态(形状、大小、位置、产状和埋藏深度)和物性参数等,从而达到勘探的目的。电法勘探具有利用物性参数多,场源、装置形式多,观测内容或测量要素多及应用范围广等特点。电法勘探利用岩石、矿石的物理参数,主要有电阻率(ρ)、导磁率(μ)、极化特性(人工体极化率η和面极化系数λ、自然极化的电位跃变Δε)和介电常数(ε)。
    示意图示意图

      发展简史  电法勘探是从19世纪初开始进行实验研究的。1835年R.W.福克斯用自然电场法找到了第一个硫化矿床。19世纪末期提出了利用人工场源的电阻率法,20世纪初确立了四极等间距的温纳氏法和中间梯度法两个分支方法。此后,随着生产实践的需要,又逐渐形成了多种分支方法。例如对称四极法、联合剖面法、偶极剖面法电测深法等。1920年发现了激发极化效应的电化学过程,随后经各国学者的深入研究,逐步形成了目前广泛应用的激发极化法。电磁感应法是于1917年提出,并于1925年首次获得找矿效果的。大地电磁测探法于20世纪50年代初提出,1957年前苏联首先研制出第一台用于大地电磁测探法的地磁仪,这种仪器现在已为世界各国普遍应用。中国的电法勘探工作始于20世纪30年代,1949年后得到迅速发展,并广泛应用于地质问题的研究中。
      方法  电法勘探的方法有多种。按场源性质分类,有人工场法(主动源法)、天然场法(被动源法);按地质目标分类,有金属与非金属矿电法、石油与天然气电法、水文与工程电法、煤田电法;按观测空间分类,有航空电法、地面电法、地下电法;按电磁场的时间特性分类,有直流电法(时间域电法)、交流电法(频率域电法)、过渡过程法(脉冲瞬变场法);按产生异常电磁场的原因分类,有传导类电法感应类电法;按观测内容分类,有纯异常场法、总合场法。中国常用的电法勘探方法有电阻率法、充电法、激发极化法、自然电场法、大地电磁测深法和电磁感应法等。
      电阻率法  利用地壳中岩石、矿石间电阻率(ρ)差异,观测和研究地面人工电流场(稳定的或准稳定的)分布规律的方法。此法一般用于寻找石油煤田地下水和金属矿床等,以及研究与之有关的地质构造问题。电阻率法原理如图1所示。由电源通过地面上一对金属电极 A、B向地下输入强度为I(用电流表测量)的直流电流,使地中建立稳定电流场。在地面上另外两个金属铜电极M、N之间观测电位差ΔU,并按公式

    电法勘探

    计算测点(M、N之间中点)处的ρS值(单位为欧姆·米)。然后,所有仪器设备和电极沿测线同时向前移动,逐点测量ρS值,便可获得沿测线和测区的ρS变化规律。ρS称为视电阻率,它是地下各种不同导电性地质体的综合反映;K称为电极排列系数,它与A、B、M、N四个电极的相对位置和间距有关。对于一定的电极排列,K为常数。当地下只有一种电阻率为ρ的均匀各向同性介质时,ρS=ρ;当地下为非均匀介质时,ρS的数值和分布则取决于围岩、矿体、地质构造、测点位置和电极排列等因素。电阻率法按电极排列和工作方法的不同,又可分为以下几种分支方法。
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      ①电测剖面法。根据电极排列方式不同,又可分为对称四极剖面法、联合剖面法和偶极剖面法等。该类方法中的 4个电极均按特定方式排列。在野外观测过程中,各个电极间距保持不变,沿测线逐点进行测量ρS值。测量结果可绘成剖面曲线图或剖面平面图
      ②中间梯度法。该方法供电电极距AB很大,一般为数百米至数千米,其中部AB/3范围,电场近似均匀,有利寻找对象异常的显示。在一条测线上供电,可同时在1~3条测线上进行观测,适于面积性测量工作。观测过程中A、B不动,测量电极M、N在AB中间AB/3~AB/2范围内逐点移动,测量每个点的ρS值。测量结果绘成剖面曲线图和剖面平面图。当A、B中间埋藏着高电阻率矿体时,ρS值高于背景值;如果有低电阻率矿体时,ρS值低于背景值(图2)。中间梯度法在寻找陡立高阻矿体和平缓低阻矿体以及地质填图时效果较好。
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      ③电测深法。该方法主要用来研究测点下和测区下不同导电性地质体沿垂直方向的分布情况。它也包含有几种分支方法,常用的有对称四极测深法(A、B、M、N对称于MN中点)。在某一测点上进行测深时,测量电极M、N不动,A、B向M、N极外侧由小到大逐次移动,依次观测ΔUI,算出对应于各种AB值的ρS值。测量结果可绘成ρS随 AB/2变化的电测深曲线图和其他类型图件。地下电场分布范围随AB的增大而增大。当AB很小时,ρS主要反映地表层的电阻率;当AB逐次增大时,ρS逐渐反映深部地层的电性特征。依此,可探测地下不同深度的地质构造情况。该方法主要用于探查地下的地质构造,借以寻找石油、天然气、煤田以及解决水文、工程地质问题。勘探深度最大可达几公里。
      充电法  该方法是金属矿床详查、勘探阶段和解决水文、工程地质问题中常用的一种电法勘探方法。当野外发现良导性矿体(低阻矿体)的天然或人工露头时,充电法可以确定该矿体的走向、范围和空间产状等。充电法的原理如图3所示。将电源正极A与该良导体露头连接,形成一个大的供电电极,B极置于很远处(∞极)接地。在地面测区内测等位线,或沿测线逐点观测电位U和两测点间的电位梯度 电法勘探。观测结果可绘成电位等值线平面图和U电法勘探剖面曲线图。地面上等位线形状和电位梯度异常分布与充电导体的大小和形有关。若充电导体接近等轴状时, U等位线接近于圆形,圆心与导体中心在地表的投影点重合;若充电导体为有一定走向长度的脉状体时,U等位线接近椭圆状,其长轴方向或电位梯度电法勘探零值点连线方向与矿体走向重合;若在地面、坑道或钻井中发现两个或两个以上良导矿体(电阻率比围岩低100倍)露头时,充电法可以查明这些矿体露头之间是否相连或如何相连,进而确定良导矿体的空间赋存形态和规模,为探矿工程提供依据。
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      激发极化法  向地下输入电流,利用岩石或矿石受到激发极化作用后产生的电流场,进行找矿和解决其他地质问题的方法。在地下建立的人工稳定电流场的激发作用下,使矿体和孔隙溶液之间产生电化学作用,形成一种随时间缓慢变化的附加电场,此现象称为激发极化效应(简称激电效应)。激发极化法是以地壳中不同矿石、岩石间极化特性差异为前提,观测和研究激电异常场空间分布规律和激电场随时间变化特性。激发极化法原理如图4所示。若地下有电子导电型金属矿体存在时,利用中间梯度装置在地下建立稳定电流场,在此电场激发下,使电子导电矿体被极化,其两端表面形成不均匀的双电层,在供电电流进入矿体一端,矿体呈阴极极化(矿体内部带负电,外部带正电);在电流流出矿体一端,情况则相反(图4a)。矿体表面不均匀双电层通过矿体和围岩进行放电,在矿体周围空间产生激发极化电流场(简称激电场)。人们通过观测和研究激电场的空间分布特征,便可实现找矿的目的或解决其他地质问题。野外工作中可采用电阻率法中的任何一种电极排列和相应的工作方法,仅观测内容和观测方法有所差别。
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      激发极化法按供电和测量内容的不同,可分为直流(时间域)激发极化法和交流(频率域)激发极化法。
      直流激发极化法向地中供入直流电流。在供电过程中观测M、N极间总场电位差(ΔU),断电后观测激电场的电位差Δ U2,并定义视极化率

    电法勘探

    通常ΔU2比ΔU小很多,故ηS常用百分数表示。一般在每个测点可同时获得ηSρS两个参数,即在一条测线上可同时获得两种剖面曲线。当地下无矿体存在时,ηSρS沿测线均无显著变化,皆为围岩的正常背景值;当地下有矿体存在时,除ρS有变化外,由于矿体上方激发极化电流密度的增大,使ηS剖面曲线在矿体上方出现极大值(图4b)。对于电子导电矿物呈星散分布的浸染型矿体,其电阻率值通常与围岩无明显差异,电阻率法无效,但是矿体中每个金属小颗粒均能被稳定电流场所极化(称为体极化),而产生激电效应,视极化率ηS有明显异常。所以,激发极化法对于寻找致密型金属矿和浸染型金属矿均有效果。
      交流激发极化法又分为变频法和复电阻率法两种方法。变频法通常用超低频段(0.01~10赫)中两种相差较大的固定频率(低频f1,高频f2)分别供电,观测两种频率f1f2供电时测量电极M、N间电位差的幅值,分别获得视电阻率ρS1(用频率f1观测所得)和ρS2(用频率f2观测所得),并由此算出视频散率ρS或视频率效应。计算公式为

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    ρS的找矿原理与η相同。复电阻率法利用的频段比变频法宽,用各种频率分别供电,测量M、N极间电场的振幅和相位,或测量虚分量和实分量等多种参数,算出复电阻率值。
      激发极化法近年来又有新进展,利用供电电流和激发极化电流产生的磁场找矿和进行地质填图,称为磁电阻率法和磁激发极化法
      自然电场法  利用大地中自然电场作为场源,进行找矿和解决其他地质问题的方法。该法是人们应用最早的一种电法勘探方法。它毋须用人工方法向地下供电。至于自然电场产生的原因,目前尚有不同见解。地下潜水面(见潜水)切割电子导电矿体,潜水面上部发生氧化作用,下部发生还原作用,使矿体上、下两端表面产生不均匀的双电层,进而在矿体内外形成自然电流。通常在矿体上方的地表可观测到负的自然电位异常,依此可实现找矿目的。另一观点认为,矿体本身并不参加化学反应,只起传递电子作用。此外,还有人提出电极电位学说和波差电池学说等。对于离子导体情况,地下水在岩石孔隙中流动时,由于水溶液中常含有大量的正、负离子,且岩石颗粒有吸引负离子的作用,致使地下水带走大量的正离子,形成自然电场。野外工作时,将电极N置于很远处(∞处),测量电极M(M、N极皆为不极化电极)沿测线逐点测量自然电位U。测量结果可绘成U的剖面曲线图和平面等值线图。自然电场法不用人工供电,故仪器设备较轻便,生产效率高。该法主要用于寻找电子导电的金属矿床与非金属矿床、进行地质填图和确定地下水流速、流向等水文地质问题。
      大地电磁测深法  利用大地的天然电磁场作为场源,以研究地壳和上地幔构造的方法。高空电离层和磁层的电流体系由于太阳辐射发生的变化以及大气层中的雷电效应,均将引起地球磁场的波动,其频率范围十分宽阔。这种磁场的波动在导电的地球内感应出交变的电磁场。在地球内部,这种电磁场分布取决于岩石的电性结构。由于电磁场的集肤效应作用,不同频率电磁波具有不同的穿透深度,从而带来不同深度岩石电性的信息。在地面上,单点观测多种频率天然交变电磁场互相垂直的4个水平分量(EXEYHXHY),分析研究地面波阻抗随频率的变化,便可探测地球内部岩石电性随深度的分布。该方法的特点是:以天然交变电磁场为场源;探测深度大(数十公里至100公里以上)。
      电磁感应法  以电磁感应原理为基础,以地壳中岩石、矿石导电性和导磁性的差异为前提,用人工方法在空间建立交变电磁场,使良导矿体内产生感应电流,观测和研究感应电流在空间形成的异常电磁场的空间分布规律和时间特性,从而寻找地下良导矿体或解决其他地质问题的方法,简称电磁法。本类方法又可分为两个分支:频率域电磁法(场源为多种频率的谐变电磁场)和时间域电磁法(场源为不同形式的周期性脉冲电磁场)。它们的方法原理、基础理论和野外工作方法基本相同,但地质效果各有特点。电磁感应法分支方法多,分类原则不同,方法名称各异。例如,按场源形式划分,有长导线法、不接地回线法、电磁偶极法等;按观测内容划分,有振幅-相位法、振幅法、虚实分量法、倾角法、振幅比-相位差法等;按观测场所划分,有地面电磁法航空电磁法等。该类方法装置类型多,装置轻便,工作方法灵活,效率高,不受野外接地条件限制,可在冻土带、冰川、沙漠或空中进行工作。这类方法主要用于寻找良导电性的金属矿床与非金属矿床、查明地下地质构造和解决其他有关地质问题。
      参考书目
     傅良魁主编:《电法勘探教程》,地质出版社,北京,1983。
     傅良魁主编:《应用地球物理教程──电法、放射性、地热》,地质出版社,北京,1991。

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