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物探电法勘探


第一章 电法勘探
电法勘探的分类(1)

电法勘探的分类
方法分类(2):
天然场源法:自然电位法、大地电流

法、大地电磁法等。
人工场源法:电阻率法、激发极化法、 电磁法等。

电法勘探的分类
方法分类(3):
传导类电法:电阻率法、充电法、自然电场法、

激发极化法等。 电阻率法:剖面法(二、三极剖面、联合剖 面等)、测深法 感应类电法:电磁剖面法(偶极剖面、航空电磁法等)

电磁测深法(大地电磁测深、频率测深等)

实质:以岩、矿石之间电磁学性质及电化学性质

差异为基础,通过观测和研究电(磁)场在地 下的分布规律,探查地质构造和矿产资源 主要用途:探查深部和区域地质构造、寻找油气

田和煤田、金属非金属矿产、地下水、
工程地质和环境勘察等。

第一节 电法勘探基础知识
一、岩层的电阻率 1、电阻率的概念 由均匀材料制成的具有一定横截面积的导体, 其电阻R与长度L成正比,与横截面积S成反比, 即 L

R??

S

式中,ρ为比例系数,称为物体的电阻率。电 阻率仅与导体材料的性质有关,它是衡量物质导 电能力的物理量。不同岩石的电阻率变化范围很 大,常温下可从10-8Ω·m变化到1015Ω·m,与岩石 的导电方式不同有关。

电阻率是电法中最重要的物理参数,电法的
许多方法技术都与岩石和矿物的电阻率? (或其倒数-- 电导率)有关。

岩石的导电方式大致可分为以下三种: 金属导电和半导体导电、溶液离子导电、固体电解质导电 岩石的电阻率由组成岩石的矿物成分决定 岩石和矿物的导电性或电阻率? :取决于物质中电荷 运移的难易程度。 矿物的电阻率?: 金属导体:电阻率?很小,例如:金的电阻 率?为2?10-8?· m,铜的电阻率? 为1.2~30 ?10-8?· m。

半导体:大多数硫化矿物如黄铜矿、黄铁 矿、方铅矿等电阻率?小于1?· m。 氧化矿物如铬铁矿、赤铁矿、软锰 矿等电阻率?大于1?· m。 固体电解质:造岩矿物如长石、石英、辉 石、云母、方解石等电阻率大, 大于106?· m。

岩石的电阻率?:
火成岩和变质岩:电阻率很大,电阻率?变化范围102 ~105?· m。 沉积岩:电阻率较小。例如:粘土的电阻率?变化范围100~101?· m,
砂岩的电阻率?变化范围102 ~103?· m。

2、影响电阻率的因素

(1) 岩石电阻率与矿物成分的关系 ? 岩石电阻率与组成岩石的矿物的电阻率、矿物的含量和 矿物的分布有关。当岩石中含有良导电矿物时,矿物导 电性能能否对岩石电阻率的大小产生影响取决于良导矿 物的分布状态和含量。如果岩石中的良导矿物颗粒彼此 隔离地分布着,且良导矿物的体积含量不大,那么岩石 的电阻率基本上与所含的良导矿物无关,只有当良导矿 物的体积含量较大时(大于30%),岩石的电阻率才会 随良导矿物的体积含量的增大而逐渐降低。但是,如果 良导矿物的电连通性较好,即使它们的体积含量并不大, 岩石的电阻率也会随良导矿物含量的增加而急剧减小。

(2) 岩石电阻率与其含水性的关系 ? 沉积岩主要依靠孔隙水溶液来传导电流,因此岩 层中水的导电性质将直接影响沉积岩的电阻率。 在其他条件相同的情况下,岩层电阻率与岩层中 水的电阻率成正比。影响水的导电性的主要因素 是水中离子的浓度和水的温度。常见的岩层水一 般含低或中等浓度的离子,岩层中水的含盐浓度 增大,离子数量随之增多,溶液导电性将变好。 同时岩层中水的导电性还与温度有关,它的电阻 率将随温度的升高而降低。这是因为,一方面水 中盐类的溶解度随温度的升高而增大,致使溶液 中离子数量增多;另一方面,温度的升高还会降 低溶液粘度,加快离子的迁移速度。

(3)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 各向异性可 用各向异性系数λ来表示,定义为

? ? 式中,ρn代表垂直层理方向上的平均电阻率,称为横向电阻率; ρt代表沿层理方向的平均电阻率,称为纵向电阻率。

??

?n ?t

层状结构岩石模型

(4)岩石电阻率与温度的关系 ? 岩石电阻率随温度的变化遵循导电理论的有关定理。电 介质中离子的能动性随温度升高而增大,其运动能量积 累到一定值时,很容易脱离晶格,因此导电性增强。半 导体的温度升高时,导电区电子浓度增大,导电性也相 应增大。如前所述,在低温条件下,含水岩石中水溶液 的导电性随温度的升高而增大,这是由于温度升高导致 水溶液浓度增大和粘滞度降低,水溶液中离子数量增多、 活动性增强的缘故;当温度继续升高时,因水分蒸发, 岩石电阻率略有增加,只有温度继续升高时,电阻率才 开始减小。例如,对油页岩进行加温实验时,温度升高 到50~100℃时,试样的电阻率减小;温度继续升高至 200℃时,试样电阻率增大;温度继续升高超过200℃ 时,试样电阻率急剧下降;当温度超过600℃后,试样 电阻率又呈回升趋势。

(5)岩石电阻率与压力的关系 ? 岩石原生结构破坏是压力作用下岩石性质变化的主要原因。根据 压力特征,这种破坏可能是岩石的压实,孔隙收缩,颗粒接触面 积的增大,形成裂隙组,或是个别区域之间粘结性减小等等。 ? 静水压力对岩石的压实作用最大,在静水压力作用下,岩石内出 现残余变形,从而使孔隙度降低。此时压力对岩石电阻率的影响 与岩石内液体和气体的含量有关,往往随压力的增大,干燥或者 稍许含水岩石的电阻率减小,这是由于孔隙度降低、颗粒间接触 良好的原因。 除此之外,岩石中孤立的含水孔隙在压力作用下 闭合并形成连续的导电通路,也会使其电阻率减小。对于大多数 岩石,当单轴压力由10Mpa增加到60Mpa时,可观测到岩石电阻 率的剧烈变化。但是,某些粘土在压力作用下,由于孔隙中的水 分被挤出,含水孔隙通道的截面缩小,从而使其电阻率增大。 ? 相反,在应力弱化作用下,岩石颗粒之间内部粘结性降低,致使 岩石强度变小,岩石可碎性增强。当岩石内部裂隙发育但裂隙不 充水时,岩石电阻率会增大,若裂隙充水,岩石电阻率会显著减 小。

二 、地下人工电场的建立
1、点电源的电场

电阻率ρ的半无限空间,地表有一点电源A,
电流强度I,距点电源A为rAM的M点的电流密度:

? j?
? E?

I 2 2? rAM
I 2 2? rAM

? r r

由欧姆定律的微分形式,得:

? r ?? r

稳定电流场中,单位距离的电位变化等于 该点的 点电场强度:

dU Er ? ? dr

dU ? ? E r dr I? ?? ? dr 2 2?r

两边积分:

由于r无穷远时,U=0,所以积分常数c=0
I? U ? 2? r

I? U? ?c 2? r

结论:电阻率均匀、各向同性的半无限空间,地 表点电源场的电位与r成反比,等位面是以 点源为中心的同心圆。

两个点电源的电场: 根据电场叠加原理,当地表由两个异性 点电 源A(+I)、B(-I)供电时,地表测点M处的位:

UM ? U

A M

?U

B M

I? I? ? ? 2? rAM 2? rBM I? 1 1 ? ( ? ) 2? AM BM

两个点电源的等位线和电流线

(a)平面图

(b)剖面图

(c)地表电位剖面

2、电流在地下的分布规律
j h /j 0 1 0.8 0.6 A 0.4 h 0.2 0 1 2 3 h L O j0 jh jh jAh
B

I h /I

B

电流密度随深度的变化

三 、电阻率法的基本原理
1、岩、矿石电阻率的测定

岩、矿石电阻率的测定:由电阻定义及欧姆定律,得:
U MN RS S ?? ?( )? L I L

均匀大地电阻率的测定:
当地表由两个异性点电源A(+I)、B(-I)供电时,地表测点

M、N处的电位:

UM ? UN

I? 1 1 ( ? ) 2? AM BM I? 1 1 ? ( ? ) 2? AN BN

M、N两点的电位差:
?U MN ? U M ? U N I? 1 1 1 1 ? ( ? ? ? ) 2? AM AN BM BN

令:

K?

2? 1 1 1 1 ? ? ? AM AN BM BN

则均匀大地电阻率为:

式中,K为装置系数。

?U MN ??K I

2、视电阻率

若进行测量的地段地下岩石电性分布不均匀时,

?U MN ?s ? K 上式计算出的电阻率称为视电阻率,它不是岩 I
石的真电阻率,是地下岩石电性不均匀体的综
合反映,通常以?s表示:

视电阻率?s的微分表示:由欧姆定律微分形式和电 场强度定义,得

? j?

? E

?

dU Er ? ? dr

则测量电极M、N间视电阻率?s为:

?U MN ?s ? K I K M ? ?N jMN ? ? MN dl I

当M、N间距离很小时,可以认为电流密度jMN、 岩石电阻率?MN为常量,则:

K ?s ? I

?

M

N

jMN

K ? MN ? ? MN dl ? jMN ? ? MN I
j0 ? jMN

当地下岩石电性均匀时: ? s ? ? MN ,
K ? MN 1 ? I j0

所以:

jMN K ? MN ?s ? jMN ? ? MN ? ? ? MN I j0

视电阻率与地电断面性质的关系
(a)均匀介质 (b)围岩中赋存良导矿体 (c)围岩中赋存高阻岩体

第二节 电测深法 一、地电断面的概念
由不同电性层所构成的断面。 二、电测深法装置

二极装置(AM):

特点:将B、N极置于“无穷远”处接地。取AM
中 点为记录点。

K AM ? 2? ? AM

? s ? K AM

UM I

三极装置(AMN):

特点:只将B极置于“无穷远”处接地,取MN中点为记录点。

AM ? AN K AMN ? 2? ? MN ?U MN ? s ? K AMN I

对称四极装置 (AMNB):

特点:AM=BN,取MN中点为记录点。

AM ? AN K AB ? ? ? MN ?U MN AB ? s ? K AB I

偶极装置 (ABMN):

特点:AB、MN为分开的偶极,取OO’中点为记录点。

AM ? AN ? BM ? BN K oo ' ? 2? ? MN ? ( AM ? AN ? BM ? BN ) ?U MN oo ' ? s ? K oo ' I

二、电测深法
电阻率测深法:测量电极MN固定,不断增大供电 电极AB电极距,逐次观测。 特点:随供电电极距的加大,逐次观测的视电阻率 反映了地下电性层随深度增大变化的分布特 征。但在实际测量中, AB极距不断加大, 测 量电极MN固定不变,UMN 将逐渐小到不可测, 通常要求:

1 1 AB ? MN ? AB 3 30

1、电阻率测深法的实质 电阻率测深大多采用对称四极装置

AM ? AN K AB ? ? ? MN ?U MN AB ? s ? K AB I
特点:AM=BN,取MN中点为记录点

双对数坐标纸
1 9 8 7 6 5 4 3 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 9 8 7 6 5 4 3

2

2

1 9 8 7 6 5 4 3

1 9 8 7 6 5 4 3

2

2

1 9 8 7 6 5 4 3

1 9 8 7 6 5 4 3

2

2

1

2

3

4

5

6

7

8 9 1

2

3

4

5

6

7

8 9 1

2

3

4

5

6

7

8 9 1

2

3

4

5

6

7

8 9

1

2、电测深曲线 水平二层电测深曲线类型 G型:

?1 ? ?2

D型:?

1

? ?2

?1 ? ?2

水平三层电测深曲线类型图
H型:
A型:

?1 ? ?2 ? ?3
?1 ? ?2 ? ?3

Q型: ? ? ? ? ? 1 2 3
K型: ?1 ? ?2 ? ?3

水平二层电测深曲线量板 及其使用

水平三层电测深曲线量板

3、电测深曲线的解释 (1)电测深曲线类型分析 (2)电测深曲线特征研究 (3)断层在电测深曲线上的反映 (4)电测深曲线的定量解释 4、电测深定性图件的绘制及解释 (1)曲线类型图 (2)等视电阻率断面图 (3)等视电阻率平面图 5、电测深法的应用

? 电阻率测深的应用
电阻率测深断面图 ? 1-粘土;2-泥灰岩;3-岩溶泥灰岩 ? 4-砂层;5-粘土; ? 6-电阻率等值线 ? 7-断层;8-煤层

第三节 电剖面法
一、电剖面法装置
包括多种装置类型,如二极装置、 三极装置、 联合装置、对称四极 装置、偶极装置等。 特点:各电极之间保持一定距离,同时沿测线移 动,逐点观测UMN 、 I、 计算测线之下地电 断面视电阻率?s沿测线方向的综合变化。

二极装置(AM):

特点:将B、N极置于“无穷 远”处接地。取AM中 点为记录点。

K AM ? 2? ? AM

? s ? K AM

UM I

三极装置(AMN):

特点:只将B极置于“无穷远”处接地,将AMN沿测 线 排列逐点观测。 取MN中点为记录点。
AM ? AN K AMN ? 2? ? MN ?U MN ? s ? K AMN I

联合剖面装置 (AMN&MNB):

特点:两个三极装置

联合,C极为“无穷远”。MN中点为记录
点。

AM ? AN K A ? K B ? 2? ? MN A B ?U MN ?U MN A B ?s ? K A , ?s ? K B IA IB

对称四极装置 (AMNB):

特点:AM=BN,取MN中点为记录点。

AM ? AN K AB ? ? ? MN ?U MN AB ? s ? K AB I

偶极装置 (ABMN):

特点:AB、MN为分开的偶极,取OO’中点为记录点。

AM ? AN ? BM ? BN K oo ' ? 2? ? MN ? ( AM ? AN ? BM ? BN ) ?U MN oo ' ? s ? K oo ' I

中间梯度法:供电电极A、B相距很远且固定,测 量电极MN在AB中段1/3范围内逐 点 特点:半无限介质条件下,AB中部电场

近似均匀,AB固定不动,MN沿剖
面移动,逐点观测UMN 、 I,计算 视 电阻率?s ,得地电断面沿水平方

中间梯度装置

主测线上装置系数K和视电阻率?s :

AM ? AN ? BM ? BN K MN ? 2? ? MN ? ( AM ? AN ? BM ? BN ) ?U MN MN ? s ? K MN I

二、四极对称电剖面法
对称四极装置 (AMNB):

特点:AM=BN,取MN中点为记录点

AM ? AN K AB ? ? ? MN ?U MN AB ? s ? K AB I

三、联合剖面法
联合剖面装置
(AMN&MNB):

特点:两个三极装置 联合,C极为 “无

K A ? K B ? 2? ?

AM ? AN MN

穷 远”。MN中点为记录点。

?s

A

?U A MN ? KA , IA

?s

B

?U B MN ? KB IB

良导球体上联合剖面视电阻率剖面图

第四节 高密度电阻率法 1、 基本原理
? 高密度电阻率法是二十世纪八十年 代才发展起来的一种新型阵列勘探 方法,是基于静电场理论,以探测 目标体的电性差异为前提进行的。 该方法采集数据信息量大,可进行 层析成象计算,成图直观,可视性 强,采集装置种类多,仪器轻便。 该方法在不同领域受到广泛的应用。

山 东 科 技 大 学

第四节

高密度电阻率法

? s ? 2?a?u / ?
山 东 科 技 大 学

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第四节

高密度电阻率法

第四节

高密度电阻率法

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第四节

高密度电阻率法

第四节

高密度电阻率法

2、工作方法技术 ? 具体测量方法为:首先以固定点距沿井下巷道测线布置一 系列电极,电极通过多芯电缆经转换开关接到仪器上,通 过转换开关改变装置类型,一次完成该测点上各种装置形 式的观测,一个测点观测完后,通过开关转换到下一相邻 测点对应的电极,以相同方法进行该点观测,直到某一电 极间距的整条剖面观测完为止。改变电极间距,重复以下 观测,直到有所不同电极间距的剖面观测完为止。 ? 点距的选择主要依据探测精度要求,精度要求越高应越小。 最大电极距大小,决定于预期探测深度,探测深度越深, 要求越大,但一般隔离系数 最大值不超过15为好,当然, 由于一条剖面测点总数是固定的,因此当极距扩大时,反 映不同勘探深度的测点数将依次减少。

第四节

高密度电阻率法

3、资料处理和正演模拟
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4、高密度电阻率资料的反演 (图见下页)

第四节

高密度电阻率法

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井下巷道超前探测简介
在桩号10~30米位置为低阻显示,说明该位置顶板 三灰富水,这也与该位置顶板淋水一致;巷道迎 头位置以及前方80米范围为高阻显示,说明该地 段地层富水性差;迎头出水估计与后方的10~30 米位置富水区有关,在迎头位置右侧电阻率有相 对低阻显示,说明迎头出水通过该位置与后方的 10~30米位置富水区联系;巷道迎头前方80米以 远为低阻显示,说明迎头前方80米以远地层富水 性强 。
-9 0 30 -8 0 -7 0 -6 0 -5 0 -4 0 -3 0 -2 0 -1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 30

20

20

10 -9 0 -8 0 -7 0 -6 0 -5 0 -4 0 -3 0 -2 0 -1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80

10

井下巷道超前探测简介
已掘巷道部分基本在高阻区,说明已掘巷道 位置地层不富水;在巷道迎头至前方70米 范围为高阻显示,说明该位置地层不富水, 因为该位置经过注浆处理,高阻也说明了 注浆质量较好;巷道迎头前方70米以远为 低阻显示,且电阻率值较低,说明迎头前 方70米以后地层富水性强。

井下三维电法勘探简介

井下三维电法勘探简介

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井下三维电法勘探简介

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第五节

激发极化法、充电法、自然电场法

1、激发极化法
激发极化效应(激电效应):在充电和放电

过程中产生随时间缓慢变化的附加电场现
象。

一次电位差:无激电效应时稳定电流形成的电位差ΔU1。
不随时间变化。

二次电位差:激发极化产生电位差ΔU2(T)。随时间非线性
变化,充电时从零逐渐增大,放电时逐渐减为 零。

总场电位差:一次电位差和二次电位差的和

ΔU(T)= ΔU1+ ΔU2(T)
ΔU2(T)= ΔU(T)- ΔU(0)

极化率η:表征体极化介质的激电性质,与电流无关,
与供电时间T和测量延迟时间t有关。

?U 2 (T , t ) ? (T , t ) ? ?100 % ?U (T )
极化率是百分数表示的无量纲参数。提到极化
率时必须指出其供电时间T和测量时间t。 岩矿石极化率主要取决于所含电子导电矿物 的体积百分含量,含量增高激电效应增强。

2、充电法
当理想导体被充电后,不产生电位降,导体

内电位处处相等。许多金属矿体、高矿化度的地下
水等,电阻率较低,可以看作为理想导体。当它们局部

出露时,如果向露头充电,观测其充电电场,便可以推
断整个地下良导电地质体的电性分布,解决地质问题。

充电电场与充电点位置无关,只决定于充
电电流大小、充电导体形状、产状、大小及周围 介质的电性分布。

理想导电椭球体充电电场是与该椭球体表 面共焦的椭球面簇。

3、自然电位法(自然电场法)
岩石和矿石的自然极化:破坏电中性、正负 电子彼此分离、极化、形成自然电场。 电子导体的自然极化:导体或溶液具有不均
性,形成氧化-还原电

场。

离子导体的自然极化:动电效应产生的流动电 位。过
滤电场。与地下水流向和地 下水-地表水补给有关。

多孔介质岩石中,过滤电场电位异常的估算式:

?U max ? 77?w?P
式中:ρw为地下水电阻率,△P地下水流的水压差(kPa)。

第六节地磁感应类电法:电磁剖面法、电磁测深 法 1、电磁法理论基础

? 交变电磁场中岩矿石电磁学性质: ? ? ? ?E j ? j ? ? jD ? ? ? 传导电流:与电阻率ρ有关。 ? ?t ? ? 位移电流:与介电常数ε有关。 B ? ?H ? ? -12F/m 介电常数ε:真空中8.85?10 D ? ?E
磁导率μ: 真空中4π?10-7H/m

? E

均匀交变电磁场在导电介质中的传播:
麦克斯韦方程组:

? ? ? ?D ? ?? ? H ? j ? ?t ? ? ? ?B ? ?? ? E ? ? ?t ? ? ?? ? B ? 0 ? ? ?? ? D ? q

? ? j ? ?E ? ? B ? ?H ? ? D ? ?E

式中:H为磁场强度,E为电场强度,D为电位移,B为磁
感应强度,j为传导电流密度,q为自由电荷,

dD/dt为位移电流密度。

在电法勘探中,导电介质内: 可得电极方程:

? ??D ? 0

? ? 2 ? ?H ? H 2 ? H ? ?? ? ?? 2 ?t ?t ? ? 2 ? ?E ? E 2 ? E ? ?? ? ?? 2 ?t ?t

高频场、高阻介质,上式右端第一项可忽略。这时方程变 为纯波动型的。 低频场、良导介质,上式右端第二项可忽略,方程变为热 传导型的(或扩散性的)。

由此可见,在导电的强吸收介质中,电磁扰动的传播是不 按波动规律的,而是按着扩散规律传播的。

2、地下交变电磁场的结构特点 a、谐变场的传播:

谐变场的结构特点:谐变场是频率域法中
常用的波场。其中场强、电流密度以及其它量 均按余弦或正弦规律变化。

? ? ?i? t H ? H 0e

? ? ?i? t E ? E0e

谐变场的传播:其微分方程——亥姆霍兹齐次方程

? ? 2 2 ? H ?k H ? ? 2 2 ? E?k E
式中k称为波数(或传播系数)。

在导电介质中忽略位移电流时:

k ? q ?? ? i??? ? ?i???
2 2

在不同介质的分界面上,即在 ? 或 ? 出现不连续 处,满足边界条件:

E1t ? E2t D1n ? E2n
脚标 t 表示切向分量,n 表示法分量。

H1t ? H 2t B1n ? B2n

谐变场的激发: 借肋于交流电的发射装置,如振荡器、
发电机等,在地中及空气中建立谐变场。激发方式一 般为接地式的和感应式。 接地式:与直流电法一样利用A、B供电电极将交流电源 直接接到大地,激发出交变电磁场。 感应式:在地表敷设通有交变电流的不接地回线或者多匝 的小型发射线圈——磁偶极子,激发出交变电 磁场。

谐变场激发方式

均匀大地表面上谐变偶极子场源的电磁场: x、y轴
位于水平面内,z轴向下,在电阻率为ρ的均匀大地表面上:

PE ? 3PE ? 2 ? kr Ex ? [3 cos ? ? 2 ? (1 ? kr)e ] E y ? sin ? cos? 3 3 2? r 2? r PE Hx ? ? sin ? cos? [8I1 K1 ? kr( I 0 K1 ? I1 K 0 )] 3 4? r PE kr 2 2 Hy ? [(1 ? 4 sin ? ) I1 K1 ? sin ? ( I 0 K1 ? I1 K 0 )] 2 2? r 2 PE 1 Hz ? ? sin ? 2 [(3 ? 3kr ? k 2 r 2 )e ? kr ? 3] 2? r 4 k

Ez ? 0

式中I0、K0、I1、K1为贝塞尔函数,r为收-发距,k为传播系数, PE为电偶极距,?为r方向与x轴的夹角。

b、平面电磁波的传播: 平面电磁波的结构特点:在无限均匀介质中, 同一相位面为平面的电磁波称为平面电磁波。若 在这一平面上场振幅为常数,则称为均匀平面电

磁波,否则为非均匀平面电磁波。

平面电磁波的传播:在电阻率为ρ的均匀介质中选
择X和Y轴位于波的极化平面上,Z轴位于波的传播方向 上,则电磁场的分量为:

H x ? C y k1e

? k1 z

, H y ? ?C x k1e

? k1 z

,HZ ? 0

E x ? i??C x e ? k1z , E y ? i??C y e ? k1z , EZ ? 0 k1 ? b ? ia 1 ? 2 1 ? 2 ? ? ?? ( 1 ? ( ) ? 1) ? i? ?? ( 1 ? ( ) ? 1) 2 ?? 2 ??
上式为复数式,且沿z轴的正方向按指数规律衰减.

Ex分量振幅和相位分别为:

E x ? ??C x e e
?bz

?i (? t ? a z ? ) 2

?

E x ? ??C x e

?bz

? (t ) ? ?t ? az ?
b为振幅衰减系数,a为相位系数。

?
2

电场沿Z轴方向前进1/b距离时,振幅衰减为1/e倍。 习惯上将距离δ=1/b称为电磁波的趋肤深度。

趋肤深度亦可写为:

? ? 503

?? ???m ? f ?Hz

m

电磁波的趋肤深度随电阻率的增加和频率的降低 而增大。所以,为了进行深部地质调查应采用较低的 工作频率。

平面电磁波传播中的波阻抗Z:
? i?? Z? ? ? i?? ? i ??? ? Z e
?i

?
4

? ??
1

??

Z ;

2

??

1

??

Z

2

在均匀介质中电场在相位上落后于磁场π/4。这是通

过测量相互正交的电场和磁场分量确定介质电阻率的计算
公式。如果介质为非均匀的,则计算的电阻率为视电阻率

。如果介质电阻率为已知,则可确定介质的磁导率。

c、瞬变场的传播: 瞬变场的结构特点:瞬变场是指那些在阶跃电流
源作用下,地中产生的过渡 过程感应电磁场。因为这一 过渡过程的场具有瞬时变化

的特点,故取名为瞬变场。

瞬变场的激发:与谐变场情况一样,其激发方向也有
接地式和感应式两种。在阶跃电流 (通电或断电)的强大变化磁场作 用下,良导介质内产生涡旋的交变 电磁 场,其结构和频谱在时间与空 间上均连续地变化。

谐变场和瞬变场涡旋电流结构

瞬变场的参数:瞬变电磁场状态的基本参数是时间。
这一时间依赖于岩石的导电性和收 -发距。研究瞬变电磁场随时间的 变化规律,可探测具有不同导电性 的地层分布纵向电导。也可以发现 地下赋存的较大的良导矿体。

在频率域中电场强度按指数规律衰减。

均匀大地表面上阶跃偶极子场源的电磁场
(瞬变电磁法的理论基础) 远区(早期)的瞬变电场规律:波区范围内电场强度与介 质电阻率成正比

2 PM ?1 E t ?0 ? 4 2? r
E t ?? ? PM r 40 ? ?
3 1

近区(晚期)的瞬变电场规律:

(

?0
t

)

5 2

3、 电磁剖面法 电磁剖面法:主要应用于矿床普查、地质填图、工程地
质、水文地质调查。可分为人工主动源 电磁剖面法和被动源方法两类:

a 、人工主动源电磁剖面法:
研究深度为几十米到一、二百米。

包括不接地回线法、电磁偶极剖面法、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。

航空电磁法:在实际工作中,航空电磁法不局限于直找矿, 应用范围较广。

b、被动源电磁剖面法:主要有甚低频法和大地电磁法。

甚低频法:世界上许多国家为了潜艇通讯及导航目的,设立了
强功率的长波电台。其发射频率在15~25kHz范围内,甚低频

电台发射的电磁波,在远离电台地区可视为典型的平面波。这

种电磁波适合做电导率填图,还可用于探测大的断层、破碎带、 石墨化地层和矿化带,在有利条件下还可探测浸染和块状硫化 矿。 大地电磁剖面法:研究深度可达到结晶基底,可提供研究区域的

基础资料。

4、 电磁测深法: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,由观测到的电磁场值来研究地

电参数沿深度的变化。

目前常用方法包括:天然大地电磁测深方法、人工源
频率电磁测深方法(简称频率测
深法)、人工源瞬变电磁测深方

法(简称瞬变测深法)。

天然大地电磁测深方法、人工源频率电磁测深方法(简称频
率测深法)、可控源音频大地电磁测深法( CSAMT)属于频率

域方法,通过改变频率来控制探测深度。 人工源瞬变电磁测深方法(简称瞬变测深法)为时间域方法。 应用方向:在我国,电磁测深方法主要用于观测地壳和上地幔物
质结构、普查石油天然气、煤田、地热田、寻找地 下水和金属矿产过程。

大地电磁测深法:设平面电磁波垂直射入地面, n层水平 层状介质的层厚度为hn,电阻率?n,界面深度dn,每 层波数kn。

对于任意层,场变量的基本方程为:
2

根据均匀场的特点,由亥姆霍兹方程得电磁场的解为:

? ? ? ? 2 ? A ? k A; H ? ?? A ? 1 ? ? E ? i??( A ? 2 ?(? ? A)) k
? kz

H x ? k (a y e

? by e )
kz

H y ? ?k (ax e

? kz ? kz

? bx e )
kz

E x ? i??( a x e

? bx e )
kz

E y ? i??( a y e

? kz

? by e )
kz

对于任意层,阻抗为:

Ex Zn ? Hy

n

设第推函数Rn为:

kn Rn ? th( kn hn ? arth Rn ?1 ) kn ?1

则第一水平层阻抗Z1、电阻率?1和地表阻抗Z10 关系可写为:

i??0 Z1 ? ? R1 k1

?1 ?

1

??0

Z

0 2 1

由上式,得出大地电磁法所测得的视电阻率的模或振 幅具有以下形式:

?T ?

1

??0

Z1

2

按这种方法确定的视电阻率称为卡尼亚视电阻率。 大 地 电 磁 测 深 两 层 曲

大 地 电 磁 测 深 三 层 曲 线

频率电磁测深法:采用电或磁偶极场源,用改变频率的方 法来控制探测深度,而不用增加供电电极距AB。对 地层的分辩力强;勘探深度较大等。近年来,频率深

法已成为国内外应用较广的一种测深方法。

频率测深视电阻率:

s为接收线框面积,n为匝数。

?U ? ?? ? K I Hz H z ?U ? ?? ? K I ? r3 K Ex ? AB ? MN 4 2? r Hz K ? 3 ABns
Ex Ex

A型断面频率测深曲线

K型断面频率测深曲线

H型断面频率测深曲线

可控源音频大地电磁测深法
可控源音频大地电磁测深法原理 ? CSAMT法是可控源音频大地电磁法的简称。
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该方法是九十年代才兴起的一种地球物理新技 术,它基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组 导出了水平电偶极源在地面上的电场及磁场公 式视电阻率 (?s )公式

?

可控源音频大地电磁测深法
? 根据电磁波的趋肤效应理论,导出了趋肤深 度公式

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H ? 256

?
f

可控源音频大地电磁测深法
? 从上式可见,当地表电阻率固定时, 电磁波的传播深度(或探测深度)与 频率成反比,高频时,探测深度浅, 低频时,探测深度深。人们可以通过 改变发射频率来改变探测深度,达到 频率测深的目的。 ? 九十年代,加拿大凤凰公司和美国的 宗吉公司根据这一理论首先研究制造 了CSAMT的测量仪器系统,编制了软 件,建立了野外工作方法(见下图)。

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可控源音频大地电磁测深法
发 射 机 Transmitter 4 km 60° B 2-4 km A

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测 量 线 Survey line 接 收 机 Receiver

4-8 km

可控源音频大地电磁测深法
60 0 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -400 -300 -200 -100 70 80 90 100 0

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Depth(m)

-450 -500 -550 -600 -650 -700 -750 -800 -850 -900 -950 -1000 60 70 80 90 100 -1000 -900 -800 -700 -600 -500

150 140 130 120 115 110 105 100 95 90 85 80 60 50 40 30 20 15 10 4 1

可控源音频大地电磁测深法
? CSAMT法具有如下的一些特点: ? (1)使用可控制的人工场源,信号强度比天然场要大 得多,因此可在较强干扰区的城市及城郊开展工作。 ? (2)测量参数为电场与磁场之比,得出的是卡尼亚电 阻率。由于是比值测量,因此可减少外来的随机干扰,并 减少地形的影响。 ? (3)基于电磁波的趋肤深度原理,利用改变频率进行 不同深度的电测深,大大提高了工作效率,减轻了劳动强 度,一次发射,可同时完成七个点的电磁测深。 ? (4)勘探深度范围大,一般可达1~2Km; ? (5)横向分辨率高,可灵敏地发现断层; ? (6)由于接收机在接收电场的同时还要接收磁场,因 此高阻屏蔽作用小,可穿透高阻层。

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瞬变电磁测深法
即时间域瞬变电磁测深法,是近年来发展很快的

电法勘探的分支方法 。
应用方法:在阶跃脉冲作用下,良导地层中产生的瞬变涡

流电磁场持续时间较长,所以在沉积岩地层
内寻找和确定良导地层空间状态时可给出较

好的结果。因此,瞬变测深法主要用于用于
解决油天然气、煤系以及地热勘探等地质问 题。

水平层状大地的瞬变电磁测深法计算公式:

?T 1 ? ?1 2?

e ??? R ? i? d?
2 1 ? 2 k1h1

?

? i?t

1? Q ? e R1 ? ? 2 k1h1 1? Q ? e

?2 ? 1 Q? ?2 ? 1
对于水平多层介质的瞬变电磁测深计算公式,多采用

余弦变换或逆拉氏变换方法求解。

三层瞬变电磁测深曲线
(a)H型断面测深曲线;(b)K型断面测深曲线;(c)A型断面测深曲线;(d)Q型断面测深曲线

瞬变电磁测深法的特点
(1)由于TEM是在无一次场背景情况下观测二次场,即观测的是纯异常,自动消除了FEM 中的主要噪声源——装置耦合噪声,从而提高了探测精度。 (2) 装置形式灵活多样,可随不同工程任务的要求和施工场地的条件来选择合适的装置。 具有施工方便、测地工作简单、工作效率高及地质效果好等优点。使用同点装置工作, 与欲探测的地质对象能达到最佳的耦合,取得的异常幅度强、形态简单、分层能力强, 从而具有较高的探测能力,并且受到旁测地质体的影响也是最小的。 (3)对于受到导电围岩及导电覆盖层等地质噪声干扰的“矿异常”的区分能力优于FEM。 在高阻围岩条件下,不存在地形起伏引起的假异常;低阻围岩起伏地形引起的异常也 比较容易识别。 (4)在TEM测量中,对于线框铺设的点位、方位及形状等的要求相对于FEM可以放宽,测 地工作简单,工效高。 (5)由于采用不接地回线,不存在接地电阻问题,在基岩出露区、冻土带、沙漠、水泥路 面、河湖海水面上均可进行测量。具有施工方便、工作效率高及地质效果好等优点。 (6)在剖面测量中,由于采集不同时间段的数据,通过数据处理可以得到同一点的测深资 料,从而在剖面测量中完成了相应区域的测深测量,提供的地电信息丰富,便于资料 的解释; (7) 可通过选择不同的时间窗口进行观测,有效地压制地质噪声,可获得不同勘探深度。 可用加大发射功率的方法增强二次场,从而增加勘探深度。有穿透低阻覆盖能力,探 测深度大。在目前的技术条件下,勘探范围浅可至几米、深可达几千米;随着采集仪 器、资料处理解释方法的进步,勘探深度范围还能进一步的扩大。 (8)TEM的应用领域相对更加广泛。瞬变电磁法可以解决的地质问题有:能源、矿产勘查、 水文、工程、环境地质调查、考古探测等。

副井
1200

-100

E

1280

主井
-100

E

100

-200

-200

200

-300

300

-400

400

500

-500

600

-600

700

-700

120 115 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 0

-300

-400

-500

-600

-700

800

-800

-800

附 图 2-13

附 图 2-16

华丰煤矿-1100水平瞬变电磁勘探200-3线视电阻率断面图
比例尺: 1:5000

华丰煤矿-1100水平瞬变电磁勘探500-3线视电阻率断面图
比例尺: 1:5000

-100

-100

-200

-200

-300

-300

-400 250 180 150 135 120 110 100 94 88 84 80 76 72 68 64 60 56 52 48 44 40 36 32 28 24 20

-400 250 180 150 135 120 110 100 94 88 84 80 76 72 68 64 60 56 52 48 44 40 36 32 28 24 20

-500

-600

-700

-800

-900

山 东 科 技 大 学

-500

R P

-600

-700

4 煤

-800

R P

-900

-1000

-1000

4 煤

-1100

-1100

-1200 4000 4050 4100 4150 4200 4250 4300 4350 4400 4450 4500 4550 4600 4650 4700 4750 4800

-1200 4000 4050 4100 4150 4200 4250 4300 4350 4400 4450 4500 4550 4600 4650 4700 4750 4800

附 图 5-3
标 0 高 (m)
-100

820 线 视 电 阻 率 断 面 图

-200

-300

-400

付 村 断 层

19煤 奥 灰

-500

-600

-700

-800

-900

-1000

-1100

-1200 100

180

260

340

420

500

580

660

740

820

900

980

1060

1140

1220

1300

1380

1460

1540

1620

1700

1780

1860

1940

2020

2100

2180

测 点 号 (m)

图 5-20
标 高 (m)
200 200

附 图 5-22
Ⅱ -1000 视 电 阻 率 断 面 图
200

直 断 层 Ⅰ -850 视 电 阻 率 断 面 图
标 高 (m)

100

100

100

0

0

0

-100

-100

-100

-200

F颜

-200

-200

19煤

F颜

-300

-300

19煤
-400 -400

-300

-400
-500 -500

19煤
-500
-600 0 50 100 150 200 250 300 350 400 -600 450

测 点 号 (m)
-600 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

测 点 号 (m)

400 -100 -100

-200

-200

-300

-300

-400

-400

-500

-500

-600

-600

-700

-700

-800

-800

-900

-900

-1000 -1000 100 140 180 220 260 300 340 380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780 820 860 900 940 980 10201060110011401180122012601300134013801420146015001540158016201660170017401780182018601900


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