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1、频率域激电法,2023/10/31,任伟龙地空学院地球物理系,激电的发展状况频率域激电法的基本概念柯尔-柯尔模型的频率域表达式及各分量表达式柯尔-柯尔模型的时间域表达式小结今后计划安排参考文献,激电的发展状况,1 国外激电的发展法国科学家C.施伦姆贝格对发展电阻率法和自然电位法作了许多工作，IP现象的发现也应归功于他。他把这种现象命名为“Polarisation Provoque”(激发极化)，简称PP。1920年在金属硫化物矿床上首次进行了时间域测量。奇怪的是施伦姆贝格关于激发极化的一些著作竟无人过问达15年之久，而且也没有人想在实践中加以应用。必须承认，它本人也并不打算利用自己的发现。在当
2、时的技术条件下，要精确地检测出微弱的IP信号确实困难。加之施伦姆贝格又发现没有矿体存在时也有或强或弱的IP现象出现。,直到1932年和1934年，美国人韦德和马勒才进行了实验，他们隐约觉得有可能提出一种基于电化学效应的勘探方法。另外在美国，波塔彭科-彼得森公司1940年提出一种基于含油和不含油地层的选择性极化效应的油矿勘探方法，但是这些实验都没有取得令人满意的效果。三十年代末期，苏联在油田测井中引入了IP法，用以确定地层的渗透率。1941年达赫诺夫提出了用这种方法勘探硫化矿的可能性。,四十年代末期，差不多在施伦姆贝格发现激发极化之后三十年，经过认真的，系统的研究，最后才使得IP法同时在美国和苏
3、联的勘探工作中得到了利用。1946年纽蒙特勘探公司与新泽西州的布坦射频实验室协作，着手研究IP现象。1947到1952年期间他们完成了很多野外实验工作。在1948到1954年期间，赛格尔导出了各种形状体（其中包括层状体、接触带和岩脉）时间域的IP响应公式。从1949年起维特对IP法进行了许多研究，包括电容耦合和电磁耦合效应，IP响应随粒度，形状和取向的变化，以及由时间域响应曲线向频率域响应曲线的转变。,1950年以前，所有的IP测量都是在时间域进行的。1950年根据实验室的测量结果，科列特和赛格尔提出了用不同频率的交流测量方式。维特大大地扩展了这种方法的可能性，并在当年进行了成功的实验,2 我
4、国激电的发展,我国5060年代基本上使用的是时间域（即“直流”）激电法，其观测仪器较易制造，而且由于通常是观测供电脉冲断开几百毫秒之后的二次场，受电磁耦合的干扰较小，故工作 方法和解释理论都比较简单。但这种方法的装备十分笨重，生产效率低、成本高。,为了克服这些缺点，我国从70年代初期开始引进频率域（即“交流”）激电法最初采用的是以观测交变电流场幅值为基础的交频激电法。这种方法至少要在两个频率上作观测，野外工作不便，观测效率也很低。于是，接着又研制了以观测地中交流电场（电位差）相对于交变供电电流之相位移为主要参数的相位激电仪，开展相位激电法。后一方法可以只在一个频率上作观测，这相对于变频法是一个
5、进步。,频率域激电法的基本概念,1 激电效应,做电阻率法时，人们常常发现，在向地下供入稳定电流的情况下，仍可观测到测量电极间的电位差随时间而变化（一般是变大），并经相当时间（一般约几分钟）后趋于某一稳定的饱和值；在断开供电电流后，测量电极间的电位差，在最初某一瞬间很快下降，随后便随时间相对缓慢的下降，并在相当长时间后（通常也约几分钟）衰减接近于零（见图2.1）。这种在充电和放电过程中，出现随时间缓慢变化的附加电场的现象，在电法勘探中称为激发极化效应，简称激电效应。,图2.1 一块黄铁矿化岩石标本的充电和放电过程（实测曲线）封蜡法测定。标本横面积s=72厘米2；标本厚度d=6厘米2；供电电流I=
6、10毫安,图2.2 黄铁矿标本的激电频率特性曲线 黄铁矿标本：颗粒大小0.842mm；0.01N的NaCl溶液5%,面极化和体极化在激电法的理论和实践中，为使问题简化，将岩、矿石的激发极化分为理想的两类。第一类 是“面极化”，其特点是激发极化均发生在极化体与围岩溶液的界面上，如致密的金属矿或石墨矿属于此类,第二类是“体极化”，其特点是极化单元(指微小的金属矿物、石墨或岩石颗粒)呈体分布于整个极化体内，如浸染状金属矿石和矿化、石墨化岩石以及离子导电岩石均属这一类。,虽然每个小颗粒与围岩(胶结物)的接触面很小，但它们的接触面积的总和却是很可观的。所以，尽管浸染状矿体与围岩的电阻率差异很小，仍然可以
7、产生明显的激发极化效应，这就是激发极化法能够成功地寻找浸染状矿体的基本原因。,应该指出，面极化和体极化的差别只具有相对意义。严格说来，所有激发极化都是面极化的，因为从微观来看，体极化中每一个极化单元的激发极化也都是发生在颗粒与其周围溶液的 界面上。然而，实践中应用激电法又都是宏观地研究矿体、矿带或地层等大极化体的激电效应。故在此讨论体极化体的激发极化特性。,3离子导体的激发极化成因一般造岩矿物为固体电解质，属离子导体。野外和室内观测资料表明，不含电子导体的一般岩石，也能产生明显的激电效应。关于离子导体的激发极化机理，所提出的假说和争论均较电子导体的多，但大多认为岩石的激电效应与岩石颗粒和周围溶
8、液界面上的双电层结构有关(见图2.4,a)。,主要假说都是基于岩石颗粒溶液界面上双电层分散结构和分散区内存在可以沿界面移动的阳离子这一特点提出来的。其有代表性的假说是双电层形变说。现简述如下：双电层结构由于阳离子交换特性，在岩石颗粒与周围溶液的分界面上会形成这样一种双电层；,靠岩石颗粒一边为固定在岩石颗粒表面的负电荷，而在溶液一边为正离子。后者由于静电力和离子热运动的影响分成两部分：靠近界面的部分，正离子被固相表面的异性电荷紧紧吸引，不能自由活动，这是所谓“紧密层”；稍微远离界面处，正离子受固相表面异性电荷的吸引力较弱，可以在一定的范围内平行于岩石颗粒表面运动，这是所谓“分散层”(见图2.3)
9、。“紧密层”的厚度与离子直径的数量级相同，约为10-8米；从“分散层”到正常溶液是逐渐过渡的，“分散层”厚度大体可达10-710-6米。,图2.3 岩石颗粒-溶液界面上双电层的结构,图2.4 岩石颗粒表面双层变形引起的激电效应,在外电流作用下，岩石颗粒表面双电层分散区之阳离子发生位移，形成双电层形变(图2.4，b)；当外电流断开后，堆积的离子放电，恢复平衡状态(图2.4，c)，从而可以观测到激发极化电场。双电层形变形成激发极化的速度和放电的快慢，决定于离子沿颗粒表面移动的速度和路径的长短，因而较大的岩石颗粒将有较大的时间常数(即充电和放电时间长)，这是用激电法寻找地下含水层的物性基础,柯尔-柯
10、尔模型的频率域表达式及各分量表达式,1 体极化的等效电路,（a）,（b）,图3-1 矿化岩石极化单元(a)及其等效电路(b)1-脉石矿物；2-裂隙水通道；3-电子导电矿物颗粒,我们考察矿化岩石（体极化体）内一个小单元图3-1(a)其中脉石矿物（1）实际上为绝缘体；离子导电（裂隙水）通道（2）概括为两条：a未被电子导电矿物粒（3）堵塞的通道和b被电子导电矿物粒堵塞的通道。a通道只有纯电阻Ra；而b通道除离子导体和电子导体内部的纯电阻Rb之外，还串联有电子导电颗粒表面极化的等效阻抗ZIP。根据式子 后者可表示为一个纯电阻R和电抗的并联。故体极化可用图3-1(b)所示等效网络电路来表示。下面来推导其
11、阻抗的表达式,(3.1),根据阻抗并、串联的关系，等效网络电路3-1(b)的交流阻抗,(3.2),当前,(3.3),在频率=0时，ZIP=R，,(3.4),在频率时，ZIP0，,(3.5),由此可计算极限极化率m,(3.6),将(3.3)代入(3.2)式,(3.7),考虑到(3.4)和(3.6)式，并引入新参数,(3.8),由(3.7)式经过相当推演后，可将等效网络阻抗写成,(3.9),将阻抗Z(i)和Z(0)对测量装置作归一化，计算电阻率，则可得体极化条件下复电阻率的表达式：,式中：0频率为零时的电阻率；m 极限极化率，亦称充电率；c 表征复电阻率随频率变化程度的参 数，称为频率相关系数。,
12、(3.10),参数的表达式(3.8)中方括号内的部分 乃是从整个等效网络看，与电抗 并联的电阻Ra和Rb,串联后再与R并联的总电阻。因为 具有电阻量纲，所以 具有时间量纲，故称为时间常数（这与“电阻R和电容C并联时，RC具有时间量纲，且称为时间常数”相似）。,上述表征激电复电阻率频率特性的公式(3.10)，与四十年代初期和用以描述介电极化的公式相同，故称其为柯尔-柯尔频散或柯尔-柯尔模型。加拿大等首先用它来研究激电效应，并且通过对大量岩矿石标本和露头的测量，证明它确实可以近似描述激电效应的频率特性。张赛珍等以及我国其他一些学者也通过岩、矿石标本激电谱的测量，证实了它的近似可用性,激电复电阻率表
13、达式（3.10）中,式中,(3.11),2 柯尔-柯尔模型各分量表达式,或者取主值（n=0）,(3.12),(3.13),将(3.11)式代入(3.10)式，得到：,由此可写出复电阻率各分量的表达式：,实分量,(3.14),虚分量,(3.15),幅值,(3.16),相位,(3.17),柯尔-柯尔模型中包括四个参数0、m、c和。其中0和m是表征导电性和激电效应强弱的参数（强度参数）；c和则分别是表征激电谱（频谱和时间谱）陡缓和（沿频率轴或时间轴）位置的参数（普形态参数和时间参数）。,对实测频谱和时间谱（充、放电曲线）进行反演，即用柯尔-柯尔模型理论谱与其相拟合，可以确定这些参数的数值。这些由实测
14、参数反演计算出的“二级参数”，特别是c和对判断引起激电效应的极化体的性质很有用处。例如，对大量岩、矿石标本和露头的测量结果表明，各种岩，矿石激电效应的频率相关系数c值基本上都在0.10.6之间，常见值为0.25，导电矿物颗粒度不均匀的岩、矿石，c值较小；反之c值较大。,激电时间常数值有较大的变化范围，从n10-2到n102s。无矿化的纯离子导电岩石和导电矿物成细粒、稀疏侵染、互不相连的岩、矿石，一般1s；而导电矿物颗粒大，相互连通较好的稠密侵染状、块状、细脉状和网脉状岩、矿石的值较大，并且导电矿物连通较好，值越大。例如，矿化程度很高的网脉状和致密硫化金属矿，值可达100s；而网脉状的石墨化岩石
15、，值可能更大。,这些数据表明，有可能根据激电二级参数c和，按结构区分极化体。既然可以用这一模型来描述激电复电阻率的频谱，所以这四个参数便可“唯一的”确定激电效应的频率特性；反过来，当实侧出激电复电阻率频谱后，便可反演出表征该频谱的四个特征参数，并以它们来区分具有不同频率特征的激电效应和引起激电效应的地质对象。,柯尔-柯尔模型的时间域表达式,利用时间特性和频率特性的相互关系式,(4.1),式中，复数s取为i，(s)=(i)就是复电阻率频谱。可以由频率域的柯尔-柯尔模型表达式(3.10)导出时间域的柯尔-柯尔模型表达式阶跃长脉冲激发下的放电过程的表示式：,Cole-Cole模型时间域表达式,(4.
16、2),小结,通过这次的学习，首先，学会了查阅资料，在知道了自己要做什么后，有目的的去查阅各种资料，来解决自己课题中遇到的种种问题，其次，我对激发极化法有了更深刻的认识，包括激电法现在的发展情况，原理，仪器的发展水平以及激电法在实际生产中的应用情况，最后，通过一次的总结报告，也是我更深刻的体会到要让听的人听明白你讲什么是多么的不容易，这也是我明白要想别人听懂，自己不光要懂，更要吃透。,计划安排 1继续查阅资料，写提纲。且主要针对柯尔-柯 尔模型中时间域和频率域相互转化的资料，因为 我的毕业论文的题目我先想做做这个。（40天左右）2完善论文的实体内容（十天左右）3准备毕业答辩,参考文献,刘崧谱激电法武汉：中国地质大学出版社，1998傅良魁激发激化法北京：地质出版社，1982罗延钟，张桂青频率域激电法原理北京：地质出版社，1988李金铭地电场与电法勘探北京：地质出版社，2005张胜业，潘玉玲应用地球物理学武汉：中国地质大学出版社，2004伯延（Bertin.J.），洛布（Loeb.J.）著，陈玲等译激发极化的实验和理论北京：地质出版社，1980万鹏频谱激电法中ColeCole模型频谱特性分析内蒙古石油化工，2006,谢 谢,
