电法勘探

[拼音]：dianfa kantan

[外文]：electrical prospecting

根据地壳中各种岩石和矿体之间存在的电磁学性质的差异，通过对电磁场观测，以探查地质构造和寻找有用矿产。电法勘探主要利用岩石的导电性、介电性、导磁性和电化学性质(见岩石物理性质)。当地下岩层和矿体的电学性质沿水平方向和垂直方向发生变化时，地面观测到的电磁场空间分布便相应地发生变化。根据电磁场空间分布的异常特征，人们可以推断地质构造或矿体的存在状态，包括大小、形状、位置、埋藏深度和物性参数等，从而达到勘探的目的。电法勘探的方法有许多种，常用的方法有电阻率法、充电法、激发极化法、自然电场法、大地电磁法和电磁感应法等。电法勘探的应用范围很广，主要用于寻找金属和非金属矿床，勘查地下水和能源资源，并解决一些工程地质问题。

发展简史

电法勘探自19世纪初开始实验研究。1835年福克斯(R. W.Fox)用自然电场法找到了第一个硫化矿。19世纪末期提出的利用人工场源的电阻率法，到20世纪初已较成熟。20世纪初确立了电阻率法和温纳尔装置。激发极化效应的电化学过程是1920年发现的，经各国学者的深入研究，形成了激发极化法。电磁感应法于1917年提出，并于1925年首次获得找矿效果。中国的电法勘探工作始于30年代，1949年以后才取得迅速发展。

电阻率法

此法利用岩石、矿石电阻率的差异，观测地面上人工电流场（稳定的或准稳定的）的分布规律。许多国家用此法寻找石油、煤田、地下水和金属矿床，都取得一定成效。图1为电阻率法原理示意。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的电流，使地中建立稳定电流场，在地面上另外两个测量电极M、N之间观测电位差△U，并按公式

，

计算视电阻率ρs。通常以MN中点为测点，标示出 ρs值，便知ρs沿测线的变化情况。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则取决于围岩、矿体、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，又可分为以下几种方法。

中间梯度法

供电电极A、B不动，测量电极M、N在A、B中间的1/3～1/2范围内逐点移动，在每个测点上观测△U和I，标出ρs值， 并绘成剖面曲线图。当A、B中间埋藏着高电阻率矿体时， 则ρs增大；如有低电阻率矿体，则情况相反（图2）。此法在寻找陡立高阻矿脉和平缓低阻矿体，以及作地质填图时效果较好。

电测剖面法

各电极距离不变，且按特定方向排列，在沿测线的每个测点上测量ρs， 绘成剖面曲线图。根据电极的排列方式，电测剖面法又可分为联合剖面法（图3）、对称四极剖面法和偶极剖面法等。

电测深法

测量电极 M、N不动，即ρs的测点不动，供电电极A、B选定多种电极距。工作过程中，由小到大改变电极距，使A、B极逐次向M、N极的外侧移动，依次观测△U和I，算出对应于各种AB值的ρs，绘成ρs随AB/2变化的电测深曲线图。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。本法也包含几种不同的分支方法。主要用于探查地下的地质构造，借以寻找石油、天然气和煤田，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

当在野外发现良导性矿体的一部分以某种形式出露时，用此法可以确定该矿体的走向、长度和空间产状。

图4为充电法原理示意。将电源的一极与该良导体连接，形成一个大的供电电极A，电极 B则置于很远（∞远）处并接地。在地面测区内观测等位线，或沿测线逐点观测电位梯度，将观测结果绘成等位线平面图和沿测线的U与△U剖面曲线。地面上等位线的形状与充电导体的大小和形状有关。充电导体接近球形，等位线接近圆形，圆心与导体中心在地面的投影点重合；充电导体为拉长形，等位线接近椭圆，长轴方向大致与矿体走向重合。在两个坑道或两处竖井或两口钻井中发现良导体时，利用充电法可以了解这两处导体是否相连接。

激发极化法

由电源向地下输入人工电流I，由于矿体表面和孔隙溶液之间的电化学作用，地中电流使矿体产生激发极化效应，在电子导体表面形成双电层（图5a）。如矿体是致密型电子导电矿体，则在供电电流进入矿体的一端，矿体呈阴极极化（矿体内部带负电，外部带正电）；在电流流出的一端则相反。矿体在受到激发极化作用后，在矿体附近产生激发极化电流场（图5c）。观测激发极化电流场的分布规律，可实现找矿的目的。激发极化法的应用范围较广。野外工作中可采用电阻率法中的任何一种电极排列。

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。用直流供电时，地下总电流场（供电电流与激发极化电流之和）的强度和分布，一般主要决定于矿体的导电作用，因此观测总电流场的电位差△U可获得视电阻率ρs。激发极化电流场主要决定于矿体表面的电化学作用，同时也与电阻率有关。通常在供电电流断电后观测激发极化场的电位差△U₂，并定义视极化率(ηs)为：

，

△U₂一般比△U小很多，故ηs常用百分数表示。通常在每个测点可得两个参数(ρs，ηs)，在一条测线上可得两种剖面曲线。当地下无矿体存在时，ρs和ηs沿测线均无显著变化，皆为围岩的正常背景值;当地下有矿时， 除ρs有变化外，由于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5b)。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，但视极化率却可有明显异常。故对于找致密型矿和浸染型矿，激发极化法都是有效的。

交流激发极化法又分为两种方法：变频法和复电阻率法。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分别供电，观测两种频率供电时电位差的幅值， 获得视电阻率 ρs₁(用较低频率观测所得)和ρs₂(用较高频率观测所得)，并由此算出“视频散率”或（“视频率效应”），数值上等于（ρs₁-ρs₂）/ρs₂，其找矿原理与视极化率相同。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虚分量和实分量等多种参量，算出复电阻率，利用各种参量的变化规律来寻找矿体。

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来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

利用自然电场进行找矿和解决其他地质问题的方法。对于自然电场的产生原因，目前尚有不同见解。

较早的看法是，电子导体的矿体受地下水作用，其上部发生氧化作用，下部发生还原作用，矿体内外便形成自然电流（图6b），并常在矿体上方的地表观测到负的自然电位异常（图6a），据此可以实现找矿。第二种观点认为矿体本身并不参加化学反应，只起传递电子的作用。认为地下潜水面以上岩石孔隙中的溶液起氧化剂作用，地下潜水面以下起还原剂作用。此外还有所谓电极电位学说和浓差电池学说等。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，而且岩石颗粒有吸附负离子的作用，致使地下水带走大量的正离子，形成自然电场。观测此种自然电场，可以确定地下水的流动方向，估计流动速度，探查地下水源位置。自然电场法在水文地质等工作中有广泛应用。

大地电磁法

利用大地中广泛分布（几百公里或更大范围）的不稳定的天然电磁场(常用频率范围为10^-4～10⁴赫)可以进行地质普查。引起大地磁场的原因，一般认为是太阳辐射状态的变化，电离层中电流体系的扰动以及雷电作用等。高频电磁场穿透深度小，低频电磁场穿透深度大。利用这种规律可使探查深度由浅至深，达数十公里甚至百公里以上。因此本法常用于勘查深部地壳构造。

电磁感应法

其原理(图7)

是用人工激发的电磁场使矿体产生感应电流，观测感应电流在空间形成的异常电磁场，根据异常场的分布规律进行地质找矿。本法多用于寻找良导性的金属与非金属矿床。它也有许多分支方法。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法、相位法、倾角法、椭圆极化法、振幅比－相位差法等；按采用的频率种类划分有单频法、双频法和多频法等。大多数电磁感应法不用接地电极，因此不受野外接地条件的限制，可在冻土带、冰川、沙漠区进行工作，也可在空中观测。