应用地球物理系列课程Ⅱ
电法勘探原理与方法
教 案
刘国兴
2009．5
总学时64，讲授54学时，实验10
绪论：（1学时）
绪论中讲5个方面的问题
1. 对电法勘探所属学科及具体定义。
2. 电法勘探所利用的电学性质及参数。
3. 电法勘探找矿的基本原理。在此主要解释如何利用地球物理（电场）的变化，来表达找矿及解决其它地质问题的原理。
4. 电法勘探的应用。
1) 应用条件
2) 应用领域
3) 解决地质问题的特点
4) 电法勘探在勘探地球物理中所处的位置
第一章 电阻率法
本章为电法勘探的常用成熟的方法，在地质勘察工作中发挥着重要作用，是学习电法勘探的重点之一。本章计划用27学时，其中理论教学21学时，实验教学6学时。
§1.1 电阻率法基础
本节计划用7学时，其中讲授5学时，实验2学时。本节主要讲述如下五个问题
一、 矿石的导电性（1学时）
讲以下3个问题：
1) 岩，矿石导电性参数电阻率的定义及特性。
2) 天然岩，矿石的电阻率
矿物的电阻率及变化范围，岩石电阻率的变化范围。
3) 影响岩，矿石电阻率的因素。
I. 与组成的矿物成分及结构有关。
II. 与所含水分有关。
III. 与温度有关。
二 稳定电流场的基本性质。
主要回顾场论中有关稳定电流场的一些知识，给出稳定电流场的微分欧姆定律
公式 电流的连续性（克希霍夫定律）；稳定电流场是势场三个基本性质。
三 均匀介质中的点源电场及视电阻率的测定
主要讲述三个内容：
1) 导出位场微分方程（拉氏方程）及的位函数的解析解法。
2) 点电流源电场空间分布规律。
3) 均匀大地电阻率的测定方法。
电法勘探中测量介质电阻率的方法由此问题引出，开始建立电法勘探中“装量”这一词的概念，
本节重点：稳定电流场的求法及空间分布；均匀大地电阻率的公式的导出及测定方法。
以上内容两学时
四 非均匀介质中的电场及视电阻率（1学时）
阐述4个问题
1) 什么是非均匀介质中的电场？特点，交代出低阻体吸引电流，高阻体排斥电流的概念
2) 非均匀电场的实质：积累电荷的过程。
3) 什么是视电阻率？如何定义？
4) 视电阻率微分公式。（导出和用法）
五 电阻率法的勘探深度问题（1学时）
由稳定电流场中电流随深度变化的特征来讨论，并导出电流密度随供电电极距的变化规律。即：AB何值时，h深度的电流密度最大。
由以上关系得出结论：
·决定电阻率法勘探深度的因素是供电极距
·影响电阻率法勘探深度的因素是断面电阻率达分布。
§1.2 电阻率法的仪器和装备 （2学时）
阐述电阻率法仪器的特点及发展，目前的情况，拟讲四个方面的内容：
一， 对电测仪的要求。
二， 具有代表性电测仪器的工作原理简介。
1， DDC－系列电子自动补偿仪的工作原理。
2， DWD－系列（北京地质仪器厂生产）微机电测仪的工作原理。
三， 电阻率法主要装备
1， 供电电极。 2，供电电源。 3，测量电极。 4，导线和线架。
5，通讯设备。 6，记录，计算用具。
§1.3电阻率剖面法
介绍什么是剖面法及剖面法特点。这部分内容是电阻率法中较重要的内容。
一，剖面法概述 （1学时）
（一）装置类型。二极，三极，联合三极等
视电阻率表达式：ksdflkasdf
（二） 装置间的关系
1，和三极之间的关系。（推导公式引出）
2，三极和四极之间的关系。
二，三极，联合三极，对称四极跑面法子各类地质体上的视电阻率异常（3～4学时）。
（一）垂直接触面上三极，联合三极，对称四极的异常。
1 三极装置视电阻率表达式
用镜像法求出位函数表达式，沿剖面方向微分求出场强，进而求出视电阻率表达式。将AMN排列和MNB排列第?参数画在同一坐标便得到联合三极，过垂直接触面上的视电阻率异常。由联合三极与对称四极的关系便又可求出对称四极装置的视电阻率异常。
（二）球体上联合三极，对称四极大视电阻率异常。
1 由点源场中的导电球体的场论问题，求出此问题的电位函数表达式，导出视电阻率表达式。
1讨论低阻球体和高阻球体的联合三极异常形态，给出“低阻正交点”和“高阻反交点”的概念。利用三极和四极大关系得出对称四极球体上的异常规律。
（一）脉状地质体上联合三极，对称四极视电阻率异常
1 直立情况与球体相似，曲线对称。
2 倾斜情况，要进行仔细分析，然后给出倾斜脉体的联合三极，对称四极大异常情况。
三、偶极剖面法 （1学时）
（一）球体上的偶极剖面法视电阻率异常
1 视电阻率解析表达式
求法类似于三极中的求法。
2 视电阻率曲线特征
要特别强调，异常形态与n（间隔系数）有关。当n>3时，异常形态有单峰值异常变化成双峰值异常，这为介绍野外实例异常带来一定困难。
四、中间梯度法 （1学时）
强调一下中间梯度与其它装置的异同点，方法的特点：异常简单，工作效率高，适合于普查。
（一） 球形地质体上的中梯视电阻率异常
1， 由均匀场中球体的场论问题，求出位函数表达式，求场强，利用微分公式求解析表达式。
2， 视电阻率异常特征
3， 视电阻率异常与相对电阻率达关系
得出：只要地质体与围岩有一个级次的电阻率差异，即可获得明显异常。视电阻率异常不随异常增大而无限增大。
4， 利用视电阻率曲线特征点确定球心埋深的方法。
五、剖面法的应用
1， 应用前提。
2， 方法的选择。
3， 电极距的选择。
A， 三极。AO》h顶
b，中间梯度：AB＝（8－10）h顶
4， 应用实例。
§1.4 高密度电阻率法 （2学时）
一、概述。
由工程环境调查的特殊性发展起来的一种电阻率剖面方法，有如下特征：
1， 电极一次性布设完成，可减少故障和干扰，测量速度快。
2， 可采样多种组合方式，兼有一定深度的测试功能。
3， 采集自动化，半自动化，减轻了劳动强度。
4， 效率较高。
二、基本原理及装置结构。
（一）、原理
高密度电阻率法的理论与前面所讲的剖面法理论相同，测量参数也相同。不同的是观测阶段，数据处理和成图与传统的剖面法有区别。
（二）、三电位电极系。
1、温纳装置。2，偶极装置。3，微分装置。
由这三种装置可换算出有利于分辨低阻体的参数λ和有利于分辨高阻体的T参数。
三、野外工作方法
一次布设电极（供电，测量）测量单一装置或多种装置多种极距的视电阻率。应注意的
是，要保证每一根电极与电缆连接。
四、测量仪器。
国内第一台高密度电阻率仪器始于长春地质学院。目前，国内有多家厂商生产该仪器，有北京地质仪器厂，重庆地质仪器厂。
注：仪器测量原理及测量参数与常规仪器相同，所不同的是，必须配合多路电极转换仪。
五、 密度电阻率法的应用。
1、应用条件
工程地质，勘探深度浅的地质问题。
2、具体应用实例
（1）探测煤矿采空区
（2）桥梁，水文选址。
六、反演解释（简要介绍）。
左迪反演，模拟退火反演，层析成像等（发展方向）。
§1．5 电阻率测深法 （8学时，实验2学时）
解释电阻率测深的概念，原理。
一、多层水平地层上点电流源电场及视电阻率表达式。（2学时）
1， 求解多层水平地层上地面任意点的电位。
2， 电位函数求场强，得视电阻率公式（积分式）
3， 电阻率转换函数及双曲函数表达式。
二、水平层上电测深曲线类型及性质（1学时）。
（一） 曲线类型
1， 水平二层地层。（G型，D型）
2， 水平三层地层。（A，H，K，Q型）
阐述三层命名规则及多层命名规则。
（二）电测深曲线的性质及有关证明
1， 曲线的首枝
2， 曲线的尾枝（有限－证明，趋于无穷大－证明）
三、对称四极测深视电阻率定量解释 （2学时）
讲的内容：量板法解释，数值解释（主要以数值解为主）。
（一） 量板法解释电测深曲线（简要介绍）
讲述什么是量板，如何构成，作用。
（二） 电测深曲线的计算机解释
解释数值解释的概念，过程，原理。
讲述拟合电阻率转换函数的解释方法，拟合视电阻率实测曲线的解释方法（安排一次解释实验）。
四、电测深法的应用家 （1学时）
1， 应用条件及领域：基岩形状调查，土壤厚度，水文地质，工程地质。
2， 电极距选择。
3， 定性图件的绘制，及所表明的地质现象。
第二章 （4学时）
本章讲两种方法：自然电场法，充电法。
§2．1 充电法 （计划2学时）
解释等位体的概念，充电的概念。
一，等位体的充电电场。
特点：理想导体，体内不产生电位降，电流垂直于导体表面流出。
充电电场与充电点无关；与充电电流，导体形状，产状，大小及围岩的导电性有关。
（一） 充电法的基本原理
可以认为是电源场在地下，故可以用点源场来讨论。
二，不等位体的充电电场
三，充电法的应用
（一） 应用条件和范围
（二） 测量方法
（三） 应用实例
§2．2自然电场法 （计划2学时）
解释什么是自然电场法，自然电场法的种类
一、岩，矿石的自然极化
讲述自然电场法的成因，分两种情况：
（一） 电子导体的自然极化
条件：地下水条件，氧化－还原电动势
（二） 离子导体的自然电场成因
过滤电场的形成－》
二、极化电场的求法
三、自然电场法的应用
1， 应用条件，范围：硫化金属矿普查，水文地质，工程地质，油气田勘查。
2， 测量方法：电位法，电位梯度法。
3， 仪器设备：
电阻率法中的仪器都可以用于测量自然电场电位。
测量要用不极化电极。
解释不极化电极的原理和特点
应用实例。
第三章（计划14学时）
解释什么是激发极化
§3．1理论基础 （计划5学时）
一、激发极化原理 （计划3学时）
分电子导体和离子导体分别阐述。
（一） 电子导体激发极化形成过程
形成的机理是国际上比较公认的一种假说。主要讲解假说之一，过电位的形成过程。
（二） 离子导体激发极化机理
主要介绍一种双电层形变引起激电效应的学说。
二、稳定电流场和交变电流场中激发极化特征（2学时）
（一） 体极化的时间特征，及测量参数
（二） 幅频特征和相频特征。
（三） 频率特征和时间特征之间的关系。
（四） 描写频率域激电效应的参数。
三、激发极化场的理论计算 （1学时）
主要介绍体极化场的“等效电阻率法”，解释等效电阻率，及体极化边界条件。讲述体极化场的模拟计算方法，过程。
§3．2 激发极化仪器，设备
强调激发极化仪器与电阻率法仪器的异同点，特殊性，及发展过程。‘
本节讲三个方面的内容，以帮助学生对激发极化仪器的工作原理有些认识。
一，对仪器及设备的要求
1， 发射要求：直流，交流。
2， 测量要求：直流，交流。
二，时间域激发极化仪器原理介绍
由介绍发射机功能框图和测量系统框图构成。
三，频率域激发极化仪器原理介绍
介绍发射机功能框图和测量系统框图。
注：时间域激电设备中，对测量电极有特殊要求，测量电极要使用不极化电极。
四，国内具有代表性的仪器
1， 北京地质仪器厂的DWD－1A型微机激电仪
2， 重庆地质仪器厂的DWD－1A型微机激电仪
§3．3 常用装置的激电异常 （计划7学时，实验2学时）
一，中间梯度法及单极梯度法 （4学时，实验2学时）
（一） 球体上方的中梯视极化异常
1， 极化场的表达及视极化公式
2， 平面特征与剖面特征
3， 强调横向中梯和纵向中梯的区别，异常特点和作用。
4， 单极异常曲线异常分析
二，激电联剖装置 偶极装置的激电异常 （1学时）
（一） 球状：联剖异常，偶极异常
（二） 脉状：联剖异常，偶极异常
三，激电测深 （1学时）
目的：研究局部不均匀体的分布情况
强调：测深曲线沿用视电阻率测深曲线的名称，类型。曲线类型的变化表明了测深是相对球形地质体的位置。
1．4 激发极化的应用
一，应用条件及范围：金属矿及非金属矿普查，寻找地下水，直接寻找油气资源。
二，方法选择：时域：可用大功率；频率域：难进入地区，功率小，轻便。
三，装置选择：中梯：应用较普遍
联剖：详查，判定地质体产状等
偶极：用于频率域较多，电磁干扰小
测深：研究地质体的纵向变化。
四，应用实例
第四章 电磁感应法 （计划 18学时）
概述电磁法的工作原理，研究的物性参数，场的空间，时间分布，解决地质问题的特点等。
§4．1理论基础 （计划6学时）
本节讲四方面的内容
一，交变电磁场中的电磁学性质 （1学时）
解释交变电磁场中岩，矿石的导电性，导磁性，介电性。
强调传导电流和位移电流的概念，在什么条件下以那种电流为主。
二，均匀介质中交变电磁场的传播 （2学时）
（一） 电磁场的波动方程
由麦克思维方程出发导出均匀介质中的波动方程，导出谐变场的赫姆霍兹方程。
（二） 电磁场的传播与模拟
指出衰减系数和相位系数概念并具体讨论得出趋服深度公式和波长公式。
（三） 波阻抗
两个正交的电场分量和磁场分量的比值具有阻抗量纲，由此得出均匀介质中交变电磁场的电阻率公式：dfkjasldk
三，导电地质体电磁感应的一些性质 （1学时）
（一） 讲述电磁感应原理，感应二次场的实部，虚部；相互关系，给出电磁场中重要的相位关系三角形
（二） 感应二次场的频率特征
解释实分量的变化，虚分量的变化。
（三） 感应二次场的时间特征
交代出良导体二次磁场随时间衰减慢的特征，此为时间域电磁法的基础。
（四） 交变电磁场的椭圆极化
产生椭圆极化的原因，条件，椭圆极化说明了什么。
4．2 电磁感应法的基本理论 （2学时）
本节给出回线场，偶极场，（电源，磁源）
一，不接地回线场
以毕－沙定律为基础进行求解
二，偶极子场源的电磁场
（一） 电偶极子场源的电磁场
从矢量位角度，提出解的思路，方法概要及结果。
提出近区，远区的概念，及近区，远区视电阻率的概念。
（二） 均匀大地表面垂直磁偶极子场源的电磁场
1， 由磁性引入矢量位，解关于电矢量位的方程。得出具体解。
2， 频率特征。
3， 电阻率定义：近区：kr》1；远区：kr《1。
4．3电磁剖面法 （2学时）
介绍几种测量不同参数的代表性方法。
一，不接地回线法
1， 观测总场振幅的方法。
2， 观测实，虚分量的方法。
3， 观测振幅比－相位差的方法。
二，电磁偶极剖面法
（一） 收，发线圈的组合关系。
（二） 偶极剖面法的异常特征。
分析（ZZ）装置，直立良导脉体上的异常特征
（三） 无参考线测量虚分量的原理
1， 原理，由图说明
2， 实现过程，测量参数，异常特征。
电磁测深法 （8学时，其中实验2）
讲四个具有代表性的方法
讲解电磁测深法的原理，优点，解决地质问题的能力。
一，大地电磁测深和可控源大地电磁测深
（一） 场源特点（天然源，人工源）
（二） 理论问题
水平层状介质中求解电磁场的问题，参考《电磁测深原理》有关部分，导出卡尼亚电阻率。
（三） 业务工作方法与解释
1， 数据处理。
2， 解释：定性解释；
定量解释（一维反演，二维反演）
一维解释：控制主要电性层的厚度。
二维解释：表示区域性曲线－》深度方向的电性结构形态。
（四） 大地电磁测深曲线的特点
曲线的首枝，曲线的尾枝（强调与直流的区别）
二，频率测深法 （人工源） （2学时）
场源：水平层状电偶极子，或不接地垂直磁偶极子源，远距离观测电磁场各分量。
所用的频率：几十到一千Hz，保证忽略位移电流。
以水平电偶极子源频率为例。
（一） 水平电偶极子源频率测深
1、 电磁场表达式及视电阻率公式
赤道装置 轴向装置
2、 视电阻率曲线特征
1， 波区特点；2，s区特点；3，收发距为无穷时曲线特点（二层，三层）
2， 装置，参数选择
1， 类型：AB－MN方式最灵敏
S－S方式最不灵敏
2，工作频率
1：要保证左枝渐近线要有足够的高频段。
2：要保证右枝渐近线要有足够的低频段。
3、装置大小
r＝（3－5）H H为 研究目标物的顶深。
4、 频率测深曲线的解释
1），定性解释：
绘制视电阻率参数的剖面图，曲线类型图，拟断面图。找出沿剖面方向及纵向电性结构的规律，并与地质上相结合，提出符合实际的观点。