电法勘探.ppt
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1、电法勘探电法勘探电阻率法什么是电阻率法 电阻率法是以地壳中岩石和矿石的电阻率差异为物质基础,通过观测与研究人工电场的分布规律达到解决地质勘查的目的。电阻率法是传导类电法勘探方法之一电阻率法的电场是人工电场电法勘探分类应用领域(1)金属与非金属矿(2)石油与天然气(3)水文与工程地质(4)煤田电法空间或工作场所空间或工作场所(1 1)航空电法)航空电法(2 2)地面电法)地面电法(3 3)地下电法)地下电法(4 4)海洋电法)海洋电法电法勘探分类 以岩、矿石的导电性、电化学活动性(激发极化特性)、介电性和导磁性的差异为物质基础,使用专用的仪器设备,观测和研究地下电(磁)场的变化和分布规律,来研究
2、地质构造、寻找有用矿产资源、解决工程、环境、灾害等地质问题的地球物理勘探方法。第一节 电阻率法的理论基础岩、矿石的电阻率1.电阻率(resistivity)的基本公式电阻(resistance)是表征某一物体导电能力的物理量;其与物体长度、横截面积有关;r为电阻率,是表征岩石导电性 的物理量,在数值上等于该物质组成的横截面积为一平方米、长度为一米的导体所具有的电阻数值。电阻率的大小代表着岩石导电的难易程度;岩、矿石的电阻率电阻率的单位电导率 将电阻率的倒数称为电导率,用s表示。二、岩石和矿石的电学性质 1 岩石和矿石的电阻率 1)岩石电阻率的测定 铜板铜丝 2)岩石的导电方式岩石的导电方式大致
3、可分为四种:(1)电子导电:金属、石墨电阻率低;(2)半导体导电:大多数金属硫/氧化物电阻率低;(3)晶体离子导电:大多数造岩矿物,石英、云母、方解石等电阻率高;(4)离子导电:含水矿物电阻率低;不同种岩石的电阻率一般不同电法勘探基础;但不同种矿物电阻率的范围有可能部分重合电法勘探的局限性;二、岩石和矿石的电学性质二、岩石和矿石的电学性质3)影响岩石电阻率的因素 二、岩石和矿石的电学性质沉积岩石电阻率的相互关系 泥岩或粘土页岩细砂岩或粉砂岩中砂岩粗砂岩砾岩。3)影响岩石电阻率的因素 (6)岩石电阻率与层理的关系层理构造是 大多数沉积岩和变质岩 的典型特征,如砂岩、泥岩、片岩、板岩以及煤层等,它
4、们均由很多薄层相互交替组成。这种岩石的电阻率具有明显的方向性,即沿层理方向和垂直层理方向岩石的导电性不同,称为岩石电阻率的各向异性。岩石电阻率的各向异性用各向异性系数来表示.3)影响岩石电阻率的因素3)影响岩石电阻率的因素代表垂直层理方向上的平均电阻率(横向电阻率);代表沿层理方向的平均电阻率。(纵向电阻率)图1-1-1层状结构岩石模型以上两种电阻率是如何得来的?rn的获得设岩石由两种岩性地层组成,电阻率和厚度分别为:r1,h1和r2,h2Sr rt的获得设岩石由两种岩性地层组成,厚度和电阻率分别为:r1,h1和r2,h2lbr rn和r rt 的关系垂直层理方向的电阻率总是大于沿着层理方向的
5、电阻率!二、稳定电流场的基本规律电位、电场强度与电流密度间的关系电流密度与电场强度成正比 j j为电流密度矢量,E为电场强度矢量,r为该点岩石的电阻率,s为该点的电导率;电场强度:单位正电荷在所研究点所受的电场力。点电源场的建立 为了建立地下电场,将A、B两个电极向地下供电,A、B被称为供电电极;当供电电极大小比供电电极间距小得多时,可以将两个供电电极看成是两个“点”,所以将A、B称为点电源;1.点电源时的电场一个点电源时的电场 电流密度 设在地面A点向地下供电,电流强度为I,地下半空间的电阻率为r。地下距A点距离为R的M点处的电流密度为?j与电流强度I呈正比,与距离平方成反比;电场强度电压为
6、标量,在此为正值;电场强度为矢量,有方向;电场强度的减小速度要比电压的减小速度快。电位:电场中某点的电位在数值上等于将单位正电荷从无穷远处移到该点反抗电场力所作的功。M点的电位是将单位正电荷从无穷远处移到电场中该点所做的功,则:即:电位值与电流强度I和岩石电阻率r成正比,与A到M点间距离成反比;点电源A(+I)处电位值最大。地表正、负两个点电源的正常电流场 叠加原理:当多个点电源同时存在时,任意一点M的电位是各电源单独在该点产生的电位之和;任意一点的电场强度(或电流密度)是各电源单独在该点产生的电场强度(或电流密度)的向量和。如图所示,在均匀半空间表面布以电极A和B并分别以+和-向介质中供电,
7、根据电场的叠加原理,可写出A、B两个点电流源在M点形成的电位。2.地表正、负两个点电源的正常电流场主断面内电位及电流分布 为了弄清电流场在地下的分布情况,AB不变,主断面(A、B连线的中垂面上)电流密度的变化情况。当h=0时,AB中点O处的电流密度用j0表示主断面内电位及电流分布 当h0时,l大部分电流都集中在近地表地层内!主断面内电位及电流分布结论:当hAB/6时,jh/j0=85%,因此,在此范围内,可以近似认为是均匀场;当h=AB时,jh/j0=8.9%,此时,如果有异常体存在时,很难识别异常;当h35%,如果有异常体存在时,可以识别;因此,勘探深度hr2,MN0 AMN在界面左侧远离界
8、面时,此时:三极装置逐渐接近直立接触面时(K12x):因为K120):当AMN刚过界面时,由于介质由于介质1 1为高阻的排拆作用,为高阻的排拆作用,j jMNMNjj0 0,所,所以以r rsrr2 2。当当d=0d=0时,取极大值时,取极大值2 2 r r1r r2 2/(/(r r1+r r2 2);随着d的增大,视电阻率逐渐减小。当AMN在界面右侧,远离界面时界面的排拆作用逐渐减小,r rsr r2 2;曲线出现新的渐近线。;曲线出现新的渐近线。AMN三级装置过垂直接触面时的rsA剖面线r1r2 MN=0MNB三极装置过直立接触面时,r1 r2,MN0 当MNB远离界面时,jMNj0,r
9、 rsr r1 1;曲线出现的渐近线。;曲线出现的渐近线。当当B B逐渐接近界面时,介质逐渐接近界面时,介质2 2对电流具有吸引作用,对电流具有吸引作用,MNMN的的电流密度减小,此时视电阻率的计算公式为:电流密度减小,此时视电阻率的计算公式为:即:随着即:随着B B接近界面,视电阻率逐渐减小;当接近界面,视电阻率逐渐减小;当B B在界面上时,在界面上时,视电阻率取最小值。视电阻率取最小值。实电源与虚电源电流线方向相反!当电极B位于介质2中,而MN还在介质1中时,有:此时,视电阻率为一个常值,视电阻率曲线为平直线。当MNB刚过直立界面时,由于介质1的排拆作用,jMN突然减小,视电阻率突然减小当
10、d=0,即MN在界面上时,视电阻率最小。MNB三级装置过垂直接触面时的rsB剖面线r1r2 MN=0rsA和 rsB剖面线叠合结果图r1r2 MN=0电极距AB对曲线异常幅度无影响,只影响曲线异常的宽度!电极距MN影响曲线异常幅度,对曲线异常的宽度无影响!表层浮士对曲线的影响,r1r2 MN=0浮土越厚,异常幅度越小.两种岩石直立接触面上的联合剖面法rs曲线形态rs曲线的特点:1.在距界面很远的地方,rs A和rsB分别趋近于r1和 r2;2.在界面上,rs A和rsB分别出现最大值或最小值,并发生急剧跳跃;3.在界面两侧跳跃的幅度与r1/r2的比值成正比;4.异常极值的大小不受AO大小的影响
11、,AO大小只影响异常范围;5.MN增大时,rs曲线变得平滑,极值相对界面位移了MN/2;6.地表有浮士时,rs曲线变得平缓,极值变小,接触面位于陡曲线上部1/3位置处。直立良导体矿脉对电流场的屏蔽作用良导矿体吸引电流线,并把电流沿走向和向深部导走,正是这种“屏蔽作用”使点电源电流场产生很大的畸变,可引起明显的视电阻率异常。直立低阻薄矿脉上联合剖面rs曲线曲线关于矿脉中心对称,矿脉宽度等于最大最小值间上部1/3处的连线。(2)直立良导体上的rs曲线影响良导矿脉上联合剖面rs曲线的因素1.电阻率差异对rs曲线的影响:矿体电阻率与围岩电阻率差别倍数越大,异常越明显。2.矿体顶部埋深H对rs曲线的影响
12、:当AO较小时,H,rs A和rsB两条曲线分离带和异常幅度均减小。3.矿脉走向长度L和延深长度d对rs曲线的影响;4.极距AO对rs曲线的影响:当AO很小时,AO异常幅度;当AO增大到一定程度时,异常幅度不再增大,反而减小。5.倾斜程度对rs曲线的影响:6.MN大小对rs曲线的影响:MN,rs曲线幅度陈同俊ChinaUniv.ofMining&Tech.可以通过不同极距AB的联合剖面视电阻率曲线追踪倾斜界面。(3)高阻直立矿脉上的rs曲线(1)此时rsA和rsB曲线关于高阻矿脉对称;(2)曲线相交方式与低阻矿脉时刚好相反称为反交点;AB(3)高阻倾斜矿脉上的rs曲线(3)高阻直立矿脉上的rs
13、曲线特点曲线关于高阻直矿脉左右对称。在矿脉上方出现高阻反交点,即;远离交点的供电电极供电时的视电阻率较小,靠近交点电极供电时的视电阻率较大。在本例中,交点左侧rsBrsA,右侧rsB围岩视电阻率r1。当高阻矿脉斜时,交点向下斜方向偏移;倾角越小,不对称性越强。随着极距增大,曲线变得复杂大极距时高阻直立矿脉的rs曲线大极距时高阻直立矿脉的rs曲线特点:2.在矿脉左侧,rsA有一不明显极小值,rsB有一较明显的极小值和次级极大值;在矿脉右侧有类似情况,只不过rsA 和rsB 情况互换。1.在反交点左侧,rsA和rsB同步上升,在反交点右侧rsA和rsB 同步下降。陈同俊ChinaUniv.ofMi
14、ning&Tech.不同极距时球体异常上的视电阻率曲线(4)联合剖面法资料解释及应用实例确定直立岩石接触面(断层等)的位置利用rsA陡度最大处或极小值到极大值幅度的2/3处来确定。AB(4)联合剖面法资料解释及应用实例追索破碎带走向,确定倾向 在剖面平面图上,低阻正交点的联线即为破碎带走向;在剖面平面图上,低阻正交点的联线即为破碎带走向;rsA和和rsB不对称,说明破碎带倾斜,倾向的确定可根据极小值点大小和不同极不对称,说明破碎带倾斜,倾向的确定可根据极小值点大小和不同极距距AOAO时正交点的偏移方向来判断。时正交点的偏移方向来判断。剖面平面图:所谓剖面平面图:将测线按一定的水平比例尺绘在平面
15、图上,然后选择合适的参数比例尺绘出每条测线的rs剖面曲线。1.包含异常的剖面分布特点;2.包含异常平面上的变化规律;v能直观地反映整个测区在一定深度范围内电性异常体的分布规律。ChinaUniv.ofMining&Tech.1测线;测线;2基线;基线;3测点;测点;4曲线;曲线;5 正、反交点;正、反交点;6低阻正交点异常轴;低阻正交点异常轴;7反交点异常轴;反交点异常轴;8岩性接触带岩性接触带1.3.2 对称四极剖面法对称四极装置如图所示因此,可以将对称四极装置看作是两个三级装置的组合,对称四极剖面法的测量结果和相同极距联合剖面法的测量结果存在以下关系,即:对称四极剖面曲线等于相同极距联合剖
16、面曲线的平均值。对称四极剖面与联合剖面曲线的关系直立低阻体(1)关于直立低阻体左右对称(2)最小视电阻率r0,r1对称四极剖面法曲线直立接触面理论曲线地表有浮土时实际曲线对称四极剖面法rs曲线定性分析图高阻突起复合对称四极剖面法对称四极剖面法存在的问题多解性 如左图的中间上升段,可解释为:高阻基岩的隆起,也可以解释为低阻基岩的凹陷多解性。对称四极剖面法的缺陷!复合对称四极剖面法复合对称四极剖面法解决方法 设计两个不同极距AB的对称四极装置,并保持测量电极MN极距不变,同时使用这两种对称四极装置进行测量的方法称为复合对称四极剖面法。比较两个不同极距AB的测量结果即可解决对称四极剖面法的多解性问题
17、。设:大极距AB,视电阻率曲线rs;小极距AB,视电阻率曲线rs。极距,视电阻率,上部地层电阻率下部地层,即为低阻凹陷!复合对称四极剖面法应用解决地质构造形态(背斜、向斜、断层位置等)地质填图圈定倾斜煤层的露头位置等高阻异常?低阻异常?横穿古河道的对称四极剖面rs曲线1砂砾岩;2坚硬砂岩1.3.3 中间梯度法装置特点AB=(7080)H H 浮土厚度MN=(1/301/50)AB工作过程 供电电极AB不动,测量电极MN间距离不变,在AB中部1/31/2范围内沿测线逐点移动,观测MN间的电位差,并计算各测点(MN中点)的视电阻率rs=K U/I。每次测量时装置系数K相同吗?1.3.3 中间梯度法
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