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1、电法勘探方法技术及应用,谭捍东 中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院,电法勘探的特点,利用的物性参数多 分支方法多（时间域、频率域）观测参数多（电磁场五分量）场源形式多（天然场源、人工场源）解决问题能力强，应用领域广，能满足具备物性前提的各种勘查工作的需要。,电法勘探的物质基础 电法勘探是以岩（矿）石间电磁学性质 及电化学性质的差异作为物质基础。电法勘探所利用的主要电性参数有：电阻率（）极化率（）磁导率（）介电常数（）,激发极化法是金属矿探测的首选方法,电法勘探的分类 分类的依据：（1）电场的性质（2）工作场所（3）建场方式,按电场的性质，通常分为两大类。（1）传导类电法：以各种直流电法
2、为主，有 电阻率法：分为电阻率剖面法（含二极剖面法、三极剖面法、联合剖面法、对称四极剖面法、中间梯度法和偶极剖面法等）和电阻率测深法（含二极测深法、三极测深法、对称四极测深法）。充电法 自然电场法 激发极化法：细分类与电阻率法平行建立。（2）感应类电法或电磁感应法：分为 电磁剖面法：不接地回线法、电磁偶极剖面法、航空电磁法、甚低频法。电磁测深法：大地电磁测深法、频率测深法、瞬变测深法等。,按工作场所，通常分为：航空电法 地面电法 海洋电法 地下电法,TRIDEM固定翼三频航空电磁测量系统,IMPULSE直升机吊舱航空电磁测量系统,海洋电磁法系统,系统由发射机和接收机两大部分组成。,按建场方式，
3、通常分为：天然场源（被动源）电法 人工场源（主动源）电法,供电极距的大小决定勘探深度,时间域电磁测深原理,早期信号反映浅部结构,晚期信号反映深部结构,电法勘探的场源形式,天然场源：大地电磁场，自然电位场人工场源：点电源 电偶极子源 磁偶极子源 大回线场源 有限长度电偶源 无限长度电偶源,电法勘探的观测参数,电场：无论是稳定电流场还是交变电磁场，无论是一次场还是二次场，实质都是观测两点间的电位差磁场：观测磁场本身或磁场的时间偏导数,电阻率法 电阻率法是以地壳不同岩石和矿石的导电性差异为物质基础，通过观测与研究人工建立的地中稳定电流场的分布规律以达到找矿和解决其它地质问题目的的一组电法勘探分支方法
4、。,联合剖面和对称四极剖面法的应用联合剖面法的应用联合剖面法是用来寻找和追索良导电陡立薄矿脉的最有效方法。另外，当用其寻找等轴状矿体以及划分岩石分界面时，也能有明显效果。供电电极距AO或BO的选择应考虑地质目标的埋深，若存在厚度为H的浮土覆盖层时，应取AO3H；对于寻找良导电的陡立薄矿脉，应根据有工业意义的最小矿脉的大小确定AO。实验表明，最佳极距应选为AOL+l（L和l分别为脉状体的走向长度和下延长度之半）。确定测量极距MN大小的原则是在不明显降低异常的前提下，尽量采用较大的MN。在实际工作中，一股使MN等于测点距，而测点距的确定则取决于异常范围大小。在详查时，测点距一般选为MN（1/51/
5、3）AO。对称四极剖面法的应用对称四极剖面法主要应用于地质填图，研究覆盖层下基岩的起伏和为水文、工程地质提供有关疏松层中电性不均匀体的分布以及疏松层下的地质构造等。,中间梯度法的应用中间梯度法是用于追索陡立高阻脉状体的有效方法。由于许多热液型矿床与高阻岩脉在成因或空间上有密切关系，因此追索高阻岩脉便具有直接找矿意义。中梯法的供电电极距（AB）很大，通常为几百米到几千米。因为AB越大，均匀电流场的分布范围越宽，因此测量范围越大。在主剖面上，一般可测区段为其中部的(1/21/3)AB，在平行于主剖面的旁侧剖面上，其与主剖面的最大垂直距离不应超过1/6AB。由于中梯法布置一次供电电极，可同时观测数条
6、测线，因此，该法生产效率较高。,偶极剖面法在各种金属矿上的异常反映也是相当明显的。加之，由于它的供电电极AB和测量电极MN是分开的，且所需导线均很短，因此它在减弱游散电流或电磁感应作用引起的干扰方面，相对其它装置有明显的优越性。偶极剖面法的主要缺点是，当极距较大时，在一个矿体上往往可出现两个异常。故当有多个矿体存在或围岩电性不均匀时，将使曲线变得很复杂，给解释工作带来困难。尽管如此，偶极剖面法在实际找矿和填图工作中仍取得了较好的地质效果。,偶极剖面法的应用,电阻率测深法的应用（一）电极距的选择供电电极距AB的选择：最小AB距离应能使电测深曲线的首支为近似于水平线段，以便由它的渐近线求出第一电性
7、层的电阻率；最大AB距离应能满足勘探深度的要求，并保证测深曲线尾支完整，可解释出最后一个电性层；为使曲线光滑，以保证解释精度，各供电电极距在对数的AB/2轴上应均匀分布，一般使相邻两极距在模数为6.25cm对数纸上相距约0.51.5 cm。测量电极距MN的选择：在实际工作中，由于AB极距的不断加大，MN距离如始终保持不变，那么当AB极距很大时，MN电位差将会太小，以至于无法观测。因此，随着AB极距的加大，往往也需要适当加大MN距离，通常要求MN满足条件AB/3=MN1/30AB,充电法和自然电场法,充电法属人工场法，主要用于良导电矿体的详查或勘探阶段。自然电场法属天然场法，主要用于普查找矿阶段
8、。此外，这两种方法还可用来解决某些水文地质和工程地质问题。,充电法的应用（一）充电法的应用范围及应用条件充电法可以用来解决以下几方面的地质问题：1确定已揭露（或出露）矿体隐伏部分的形状、产状、规模、平面分布位置及深度；2确定已知相邻矿体之间的连接关系；3在已知矿附近找盲矿体；4利用单井测定地下水的流向和流速；5研究滑坡及追踪地下金属管线等。充电法的应用条件是：1被研究的对象（充电体）至少已有一处被揭露或出露，以便设置充电点。2充电体相对围岩应是良导电体。3充电体规模越大，埋藏越浅，应用充电法的效果越理想。充电法的最大研究深度一般仅为充电体延伸长度之半。充电法主要用于详查或勘探阶段。,自然电场法
9、的应用自然电场法是进行硫化金属矿和石墨矿快速普查、乃至详查的有效方法；在水文地质和工程地质调查中也应用相当广泛；还常常利用自然电场法普查找矿的面积性观测成果，对石墨化或黄铁矿化地层和构造破碎带进行地质填图，提供进一步找矿的远景地段。自然电场法的观测方式和充电法的观测方式相似，最常用的是电位观测法；当工作地区游散电流干扰严重时，可采用电位梯度观测法；用于解决水文地质问题时，还可采用电位梯度环形测量法。与电阻率法和充电法不同，自然电场法不能用极化补偿器来消除极差的影响，因此，测量电极需采用“不极化电极”。常用的不极化电极有 CuCuSO4和 PbPbCl不极化电极。,高密度电阻率法,（三）球体异常
10、与MN大小的关系,曲线异常范围随MN增加而变宽强度随MN增加而减小当围岩极化率不均匀或有近地表不均匀体存在时，适当加大MN可以压制干扰、平滑曲线二次场在MN=1/4h0时取得极大值，所以为了克服高接地电阻和低阻覆盖层的影响，应选用最佳MN距离,有覆盖层时中梯装置的激电异常,相对无覆盖层而言：高阻覆盖层：异常幅度变大，曲线变陡低阻覆盖层：异常幅度变小，曲线变缓,H=1,h0=61：u21=99，2：u21=43：u21=1，4：u21=0.55：u21=0.25 6：u21=0.117：u21=0.042,测线与矿体走向斜交,起伏地形条件下中梯装置的激电异常,纯起伏地形不产生假激电异常但对异常的
11、大小、形态和特征点位置有影响,激发极化法的应用一、激发极化法的应用范围 激电法的应用范围很广，无论在金属与非金属固体矿产的勘查，还是在寻找地下水资源、油气矿藏和地热田方面，都获得了成功的应用。（一）金属与非金属固体矿产的勘查 在过去相当长的时期内，激电法主要用于普查硫化多金属矿。由于这类矿床往往不含磁性矿物，且矿石多呈浸染状结构，磁法和其它电法的找矿效果欠佳，激电法成为寻找铜、铅、锌、钠等有色金属矿的主要方法。近年来，激电法在寻找无磁或弱磁性黑色金属矿、贵金属矿、稀有金属矿和放射性矿床等方面，也发挥着越来越大的作用。这些矿种或者是因其本身具有一定的激电效应，或者是因其与具有激电效应的蚀变矿化共
12、生，因而能用激电法直接或间接找到。此外，硫铁矿和石墨这两种非金属矿也是激电法的有利找矿对象；不过，大多数电法勘探方法都能成功地用来寻找这类良导电矿。激电法用于勘查上述固体矿产的主要优点是能找到百分含量不高的浸染状矿，这是其它任何电法所不能比拟的;此外，其它电法令人头痛的地形不平和导电性不均匀等干扰因素,不会形成激电法的假异常。,（三）油气田和地热田勘查 用激电法找油气田和地热田的共同点是，都以探测油气田或地热田上部的次生黄铁矿的激电效应为基础。次生黄铁矿的深度远比油气层或地热储的深度小，因此，地面激电法有可能探测到由它们引起的激电异常，虽然通常是十分微弱的。常规油气物探方法主要是探测有利于储藏
13、油气的地质构造；而激电法则是探测与油气有关的激电效应。故在一段时间人们常说是激电法“直接”找油气。其实，它毕竟还是探测由油气活动形成的次生黄铁矿的效应，所以仍属间接找油气。,3激发极化法的应用 复电阻率法:这种方法通过对实测复频谱的反演，可以识别和划分出激电和电磁耦合效应；并根据反演获得的激电谱参数（Ps0，ms，Cs和s），按结构区分引起激电异常的极化体和发现深部隐伏矿。由于进行谱参数反演时有多解性，故应通过试验工作小心地总结该地质环境下的有关规律，以减少或消除多解性。频谱激电法的仪器、装备、观测技术、数据处理和推断解释理论都比较复杂；此外，它必须在若干频率上逐个频率进行观测，因而生产效率很
14、低。所以，这种方法宜用作异常检查、评价和在有希望的地段发现深部矿，而不适用于普查找矿。,3激发极化法的应用 时间域谱激电法：是既保持频谱激电法能获得丰富信息的优点，又能提高生产效率的一种新方法。这种方法观测直流脉冲激发下总场电位差的充电过程U(T)（次要的）和断电后二次电位差的放电过程U2(t)（主要的）。根据时间特性和频率特性的等效性可知，时间域谱激电法能获得频谱激电法同样的信息；而前者原则上讲只要作一次测量便可获得所需的时间谱数据。由于微电子技术的发展，当代时间域激电测量系统已能通过自动跟踪和补偿极化电位差、信号增强技术和数字滤波等来有效地压制干扰，克服早期时间域测量的缺点，使时间域谱激电
15、测量成为可能。不过，目前时间域谱激电法还有一些理论和技术问题有待研究和完善，可能还要经过几年才能成熟。,三、装置类型的选择（一）中间梯度装置 中梯装置的一个主要优点，是敷设一次供电导线和供电电极A、B便能在相当大的面积上测量，特别是还能用几台“远点启动”的接收机同时在该面积上观测，因而具有较高的生产效率；此外，它在A、B间的中间地段测量，接近水平均匀极化条件，故对各种形状、产状和相对导电性的极化体均可得到相当大的异常；而且异常形态较简单，易于解释。中梯装置的特点是供电电极距较大，这导致它的两大缺点：（1）要求较大的供电电流强度，这使得它的装备比较笨重。（2）电磁耦合干扰较强；不过，在时间域观测
16、中选用几百毫秒或更长的延时，可有效地降低这种干扰。故在时间域激电法中，中梯装置应用最广。在普查找矿中主要采用纵向中梯；而横向中梯主要用于解决某些专门问题，如在普遍矿化背景上，划分良导电富集（矿）带和确定矿化体走向长度等。,三、装置类型的选择（二）联合剖面装置 联剖装置能得到两条s曲线，将两条（sA和sB）曲线配合起来作推断解释，能较准确确定极化体位置（根据“反交点”）和判断极化体倾向。但联剖s曲线较复杂，对相邻极化体的分辨能力较差，且对近地表小极化体的干扰反映较灵敏，地形对异常的畸变也较明显和复杂；此外，从工作方法和技术看，电极距对联剖异常的影响较大，恰当地选用电极距对联剖装置很重要，有时甚至
17、需用几种电极距作测量，这会使生产效率降低；联剖需要敷设一条“无穷远线”，这不仅使装置笨重，生产效率低，而且电磁耦合干扰问题较大。故联剖不用作普查找矿的基本装置，仅在详查中为解决特定问题（如确定极化体位置和产状等），才在少数剖面上布置激电联剖测量；而且多在时间域激电法中采用。,三、装置类型的选择（四）对称四极测深装置 测深装置是由电阻率法研究层状构造发展起来的，在层状大地条件下，它可提供地电断面随深度变化的资料，以确定各层深度、厚度和电参数。但是,对激电法中经常遇到的水平宽度和走向长度都有限的局部极化体,激电测深通常只能提供极化体埋深的资料。利用激电测深确定局部极化体的下延深度和电参数，目前尚无
18、有效方法。当地电断面较复杂（如断面中存在两个或多个相邻近的极化体），其它装置对异常的分辨能力很差时，布置剖面性的激电测深，并绘制s等值线断面图，能较好地反映断面中极化体的分布和产状。对于分布范围较大的缓倾斜层状极化体，其它装置通常反映不好；布置面积性激电测深，并利用s等值线断面图，逐个剖面追踪和圈定极化体，可取得较好效果。但由于激电测深法生产效率低，故凡用其它装置能解决问题的，尽量不采用激电测深。在实际生产中，一般只在已发现异常的中心布置个别激电测深点（常作十字测深，即A、B分别沿异常走向和垂直异常走向布极，作两次测深观测），主要任务是确定极化体埋深和判断极化体与围岩的相对导电性。此外，激电找
19、水工作中，经常使用测深装置。激电测深装置的电磁耦合干扰也比较严重，很少用于频率域测量。,三、装置类型的选择（五）偶极装置 偶极装置的激电异常幅度较大，对覆盖层的穿透能力较强；在采用多个偶极间隔系数工作时，兼有剖面法和测深法双重性质，对极化体形状和产状的分辨能力较强；此外，在各种电极装置中，这种装置的电磁耦合干扰最小。偶极装置的缺点是：异常形状较复杂，常需用多个偶极间隔系数作测量，绘出拟断面图，异常才好解释；在用同样大的电极距工作时，它要求的供电电流较大；此外，在野外工作中，需要逐点移动供电电极A、B。这些都使偶极装置的生产效率较低和成本较高。在我国，偶极装置主要用于电磁耦合问题比较突出的频率域
20、激电法。,应用领域：电磁剖面法主要应用于有用矿床的普查、地质填图以及工程地质、水文地质调查中。普查对象主要是矿体、接触带、裂隙破碎带、陡倾斜地层、岩溶带、古河床等。探测深度：一般情况下，人工主动源电磁剖面法的研究深度为几十米到一、二百米。对于大地电磁剖面法，其研究深度可达到结晶基底，并可提供研究区域填图的基础资料。方法种类和场源形式：电磁剖面法的常用方法为不接地回线法和电磁偶极剖面法以及航空电磁法等。这些方法既可在频率域中采用，也可在时间域中采用。被动源方法主要有甚低频法和大地电磁法。,电磁剖面法,不接地回线法是在均匀场或似均匀场中研究水平或缓倾斜产状良导矿体的一种详查方法。测网可布置在回线内
21、、外。可沿测线逐点观测交变磁场的垂直分量或沿剖面方向的水平分量的实部和虚部，也可观测它们的振幅和相位。这时，必须从发射源或回线引入一相位参考信号，因而需要拖带很长的传输线。最简单的观测方式则是只测量垂直分量振幅，此时不需要引入相位信号，工作轻便，效率高。为了观测到稳定的振幅异常值，必须使发射和接收装置的性能稳定，否则便出现假异常。,不接地回线法的应用,电磁偶极剖面法的供电和接收装置多半采用小型多匝线框。有时也可采用A、B接地装置。这些方法的基本特点是，装置轻便，使用灵活，工作效率高；可选择与地质体有较强耦合关系的发射方式，从而提高探测能力；但勘探深度较浅。将发、收线框间的空间相互位置关系称为工
22、作装置或观测系统。当发射和接收线框保持一定距离（收一发距）同时移动逐点观测时，称为动源式工作装置。其中又分成：（1）发、收线框在同一条测线上者称为同线装置；（2）发、收线框分别在两条测线同号点上者称为旁线装置。发射线框在测线外某一点上固定不动，而接收线框在测线上逐点移动的装置，称为定源式工作装置。其中用直立线框作场源的，称为垂直线框装置，用水平线框作场源的，称为水平线框装置。,电磁偶极剖面法,电磁测深法是根据电磁感应原理研究天然或人工（可控）场源在大地中激励的电磁场分布，并由观测到的电磁场值来研究地电参数沿深度的变化。目前常用的电磁测深方法，有天然场源的大地电磁测深方法、人工源频率电磁测深方法
23、（简称频率测深法）及人工源瞬变电磁测深方法（简称瞬变测深法）。前二者属于频率域方法，是通过改变频率来控制探测深度；后者为时间域方法。在我国，电磁测探方法在探测地壳和上地慢的物质结构，在普查石油天然气、煤田、地热田以及在寻找地下水和金属矿产过程中已成为不可缺少的地球物理勘探方法之一，并取得了明显的地质效果。,电磁测深法,电法勘探的主要研究方向,硬件研制数据采集技术数值模拟与反演数据处理与解释技术实际应用传统领域的扩展,电法勘探中的一些基础问题地形起伏的影响,电法勘探的所有分支方法的异常均不同程度地受地形起伏的影响。在很多地区，地形起伏是一个无法回避的问题。电法受地形影响的程度到底如何？在多大坡角
24、时必须考虑地形的影响？起伏地区资料不考虑地形影响时会导致反演结果畸变到什么程度？资料处理时如何有效地压制和消除地形的影响？,电法勘探中的一些基础问题覆盖层的影响,在有些工区，经常会遇到地表有一层盐碱覆盖层，电性上表现为低阻层；在冬天施工时，北方地区地表会出现冻土层，电性上表现为高阻层。这些不同电性的覆盖层，其导电性和厚度的变化对电法的勘探结果和勘探深度会有什么影响？,电法勘探中的一些基础问题电阻率差异的影响,电阻率差异如何影响电法的勘探能力和分辨能力？,电法勘探中的一些基础问题目标体规模的影响,目标体规模如何影响电法的勘探能力和分辨能力？,电法勘探中的一些基础问题点距和剖面长度的选择,对于不同性质的勘探任务，如普查和详查，为保证设计的勘探深度和分辨能力，应如何选择点距和剖面长度？在什么地段需加密、什么地段可放稀？,电法勘探中的一些基础问题观测频段的选择,为保证勘探效果和达到设计的勘探深度，应如何选择最高频率、最低频率？,电法勘探中的一些基础问题收发距选择和场源影响问题,对于人工源电磁法，如GDP32和EH4系统，收发距取多大才能忽略场源的影响？场源的影响会引起反演结果多大的畸变？场源下方的目标体会对观测区的资料产生什么效应？,
