其他電法：充電法和自然電場(chǎng)法

§2-1充電法一、充電法的基本原理二、充電法的應(yīng)用§2-2自然電場(chǎng)法一、穩(wěn)定自然電流場(chǎng)的成因及分布規(guī)律二、自然極化球體的電場(chǎng)三、工作方法四、自然電場(chǎng)法的應(yīng)用§2-1充電法

以人工供電（或稱(chēng):充電）體相對(duì)周?chē)橘|(zhì)呈理想良導(dǎo)體為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過(guò)觀(guān)測(cè)和研究向目標(biāo)體供電后的人工電流場(chǎng)在充電體周?chē)姆植家?guī)律，達(dá)到查明充電目標(biāo)體的空間分布和某些地質(zhì)現(xiàn)象為目的的一種電法勘探方法。如(圖2-1)

屬傳導(dǎo)類(lèi)、主動(dòng)源直流電法1.理想導(dǎo)體：所謂理想導(dǎo)體是指導(dǎo)體本身的電阻率為零。其特征該導(dǎo)體位于一般導(dǎo)電介質(zhì)中，向其導(dǎo)體上任何一部位接通外加電源供電時(shí)（充電），導(dǎo)體均為電壓等位體；電流遍及整個(gè)導(dǎo)體，無(wú)電位降，而后垂直表面流向周?chē)橘|(zhì)之中。如右圖所示

充電導(dǎo)體附近電流線(xiàn)和等電位線(xiàn)的分布

(a)剖面圖;(b)平面圖;1—電流線(xiàn);2—等電位線(xiàn)一、充電法的基本原理

理想導(dǎo)體的充電場(chǎng)（在介質(zhì)中的電流場(chǎng)），與充電點(diǎn)的位置無(wú)關(guān)，僅與充電電流強(qiáng)度，理想導(dǎo)體的位置，形狀，大小，產(chǎn)狀及周?chē)橘|(zhì)的電性分布有關(guān)。若圍巖為均勻電性介質(zhì)，其空間等位面分布與充電導(dǎo)體形狀相似；其相似程度與相距充電體的距離成反比。對(duì)有限三度體不論其外形如何，若相距充分大的條件下，其電位等值面趨于球形分布。2.充電球體的電流場(chǎng)（a）電流場(chǎng)表達(dá)式設(shè)：球體半徑為r0，中心埋深為h0，球心地面投影點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。

由于球體的對(duì)稱(chēng)性，其充電電流場(chǎng)的球體外分布與位于球心的點(diǎn)電流場(chǎng)沒(méi)有區(qū)別（條件r0/h0<0.5）。利用簡(jiǎn)單加倍法，電位公式有：充電球體沿X方向的電位梯度為：

（b）電流場(chǎng)分布規(guī)律①平面分布規(guī)律

地面等位線(xiàn)方程為

一簇同心圓，(x0,y0)

點(diǎn)處為極大值。(x0,y0)充電球體等位面②剖面分布規(guī)律在主剖面上，電位曲線(xiàn)成軸對(duì)稱(chēng)正異常，球心投影點(diǎn)處為極大值，兩側(cè)電位對(duì)稱(chēng)減小趨于零；電位梯度曲線(xiàn)成左正右負(fù)點(diǎn)對(duì)稱(chēng)異常,球心投影點(diǎn)處為零，兩側(cè)電位梯度絕對(duì)值對(duì)稱(chēng)減小趨于零；旁側(cè)剖面上，其電位和電位梯度的分布與主剖面相似，但其強(qiáng)度減弱，范圍變大。（c）球體中心埋深計(jì)算式利用主剖面上的電位曲線(xiàn)的半極值弦長(zhǎng)q和電位梯度曲線(xiàn)的極值點(diǎn)水平間距p，估算球體中心埋深充電球體解釋3.橢球體的電流場(chǎng)這是具有普遍意義的地質(zhì)體模型。設(shè)三軸半徑分別為：a，b，c。若:a=b=c，為球體；a>>b=c，為圓柱體；a>>

b≠

c，為脈（板）狀體。（a）電流場(chǎng)表達(dá)式設(shè)：坐標(biāo)原點(diǎn)位于橢球體的中心，x，y，z坐標(biāo)軸分別與3個(gè)半徑重合。橢球體表面方程為:充電橢球體求解橢球坐標(biāo)系的拉普拉斯方程，得出

球外任一點(diǎn)電位：t0為M點(diǎn)的橢球坐標(biāo)，若M的笛卡爾坐標(biāo)（x，y，z），則t0為方程

的最大實(shí)根。（b）電流場(chǎng)分布規(guī)律①平面分布規(guī)律由電位式可知：t0=常數(shù)，則U=常數(shù)。故，等位面方程為：

t0=常數(shù)地表電位等值線(xiàn)呈同心橢圓曲線(xiàn)。在橢球體附近，橢圓曲線(xiàn)的長(zhǎng)、短軸之比和橢圓率分別為：

與橢球?qū)w的水平截面相近，電位等值線(xiàn)基本上反映了充電橢球體的形狀、產(chǎn)狀和空間位置。但隨著遠(yuǎn)離充電橢球體，電位等值線(xiàn)趨于圓形。②剖面分布規(guī)律

若充電橢球體在地下成軸對(duì)稱(chēng)分布，則主剖面上，電位曲線(xiàn)成軸對(duì)稱(chēng)正異常分布，橢球體的中心投影點(diǎn)處為極大值，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)減小趨于零。水平橢球體的異常范圍比直立橢球體的異常范圍大。電位梯度異常呈點(diǎn)對(duì)稱(chēng)分布.極值點(diǎn)位于橢球體邊界外側(cè)附近。

對(duì)傾斜分布的充電橢球體，其電位異常呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)分布，傾斜一側(cè)異常曲線(xiàn)變緩，電位梯度曲線(xiàn)在傾斜一側(cè)異常極值幅度變小。不論是對(duì)稱(chēng)分布的、還是傾斜分布的充電橢球體，其剖面異常的電位異常曲線(xiàn)的拐點(diǎn)和電位梯度曲線(xiàn)的極值點(diǎn)基本上反映了地下充電體的地面水平投影邊界。4.非等位導(dǎo)體的充電電場(chǎng)所謂非等位導(dǎo)體，是指充電導(dǎo)體電阻非零，被充電后，在其內(nèi)部將產(chǎn)生電位差。從而外電場(chǎng)分布除受?chē)鷰r介質(zhì)電性，充電體形狀、產(chǎn)狀、大小、及充電流強(qiáng)度等因素影響外，還與充電體的電阻率和充電點(diǎn)位置有關(guān)。主剖面上的異常特征：（1）充電點(diǎn)在地表投影處，為電位曲線(xiàn)極大值，電位梯度零值點(diǎn)；（2）充電點(diǎn)不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)體幾何形狀，非對(duì)稱(chēng)導(dǎo)體電位和電位梯度僅與理想導(dǎo)體相似，在充電點(diǎn)處強(qiáng)度最強(qiáng)，隨著遠(yuǎn)離充電點(diǎn)其強(qiáng)度減弱。并在外側(cè)電位曲線(xiàn)變化陡，相應(yīng)位置處電位梯度曲線(xiàn)出現(xiàn)極大值；內(nèi)側(cè)電位曲線(xiàn)相對(duì)較緩，電位梯度曲線(xiàn)有兩個(gè)極小值，最外側(cè)的極小值和零點(diǎn)外側(cè)極大值分別大致為充電體的邊部地面投影位置。（3）充電體對(duì)稱(chēng)，充電位置對(duì)稱(chēng)于導(dǎo)體的幾何形狀充電電流場(chǎng)呈對(duì)稱(chēng)分布，并與理想導(dǎo)體條件的電流場(chǎng)分布相近，但其電場(chǎng)分布值和變化率與充電導(dǎo)體的電阻率有關(guān)。

強(qiáng)調(diào)：若地表不水平，充電體的圍巖介質(zhì)不均勻，會(huì)導(dǎo)致充電場(chǎng)的分布復(fù)雜化。二、充電法的應(yīng)用應(yīng)用條件①研究物體有充電揭露或出露點(diǎn)，以便設(shè)置充電點(diǎn)；②充電體視為良導(dǎo)體，一般為：③淺埋、規(guī)模大，則效果好，一般勘探深度為充電體延伸長(zhǎng)度的一半；④地形起伏小，圍巖較均一，各向同性。

2.充電法的觀(guān)測(cè)方法與技術(shù)①工作方法：地表、井中。②觀(guān)測(cè)網(wǎng)布置：垂直導(dǎo)體走向，至少有三條測(cè)線(xiàn)出現(xiàn)異常，每條線(xiàn)上至少有5—10個(gè)異常點(diǎn)。（1）電位觀(guān)測(cè)法：將測(cè)量電極N置于距導(dǎo)體足夠遠(yuǎn)的某一固定基點(diǎn)上接地，另一測(cè)量電極M沿測(cè)線(xiàn)駐點(diǎn)移動(dòng)，觀(guān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)相對(duì)于固定基點(diǎn)N的電位差值，這個(gè)差值即作為該點(diǎn)電位值U。（2）電位梯度觀(guān)測(cè)法：如右圖所示，將M、N置于同一測(cè)線(xiàn)的兩相鄰測(cè)點(diǎn)上，保持其相對(duì)位置和間距不變，沿測(cè)線(xiàn)逐點(diǎn)移動(dòng)，觀(guān)測(cè)相鄰測(cè)點(diǎn)間的電位差△UMN，則M、N中點(diǎn)處的電位梯度值為：△UMN/MN為消除電流的影響，用△UMN/MN*I

作為觀(guān)測(cè)結(jié)果。（3）追索等位線(xiàn)觀(guān)測(cè)法：充電點(diǎn)布置好后，布設(shè)45度角輻射狀測(cè)線(xiàn)。固定N在某測(cè)線(xiàn)的一定位置上，然后距充電點(diǎn)由近及遠(yuǎn)，在各測(cè)線(xiàn)上移動(dòng)測(cè)量電極M，尋找與N點(diǎn)的等位點(diǎn)，記下該點(diǎn)位置。各等位點(diǎn)連接成等電位線(xiàn)。測(cè)量結(jié)果用等電位線(xiàn)平面分布圖表示。③觀(guān)測(cè)類(lèi)型及參數(shù)：，分別為電位測(cè)量法、追蹤等位線(xiàn)法和梯度測(cè)量方法。④資料整理與圖示a)歸一化資料

繪制剖面圖，平剖圖，平面等值圖。

⑤資料解釋a）由平面等值圖的密集帶、剖面圖的拐點(diǎn)劃定充電體的分布范圍；b）利用剖面異常特征點(diǎn)，求取埋深。如梯度曲線(xiàn)：球體水平柱體式中：m為異常曲線(xiàn)弦切距；q為半極值點(diǎn)水平間距。充電球體解釋?xiě)?yīng)用領(lǐng)域（1）確定已被部分揭露礦體的地下伸布范圍，形狀，埋深和產(chǎn)狀；（2）確定相鄰礦體的連通性及發(fā)現(xiàn)已知礦旁的盲礦體(a)是地質(zhì)隊(duì)根據(jù)鉆孔資料編制的

。(b)根據(jù)上述充電法成果編繪了電法推斷的地質(zhì)剖面。加密了ZK59孔，鉆探表明，根據(jù)充電法資料提供的礦體連接關(guān)系是正確的。452線(xiàn)電位梯度曲線(xiàn)及其推斷結(jié)果

（3）確定地下水流向、流速V=(M1–

M2)/(t2–t1)

它是以介質(zhì)發(fā)生電極化現(xiàn)象為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過(guò)研究穩(wěn)定自然電流場(chǎng)的分布規(guī)律，達(dá)到勘查某些目標(biāo)物的目的一種電法勘探方法。自然電場(chǎng)——在一定地質(zhì)或地質(zhì)—地下水動(dòng)力條件下，不需人工向地下供電，在自然條件下，地中存在的電流場(chǎng)。按其隨時(shí)間的變化規(guī)律，又可分穩(wěn)定與非穩(wěn)定電流場(chǎng)，自然電場(chǎng)法研究的是穩(wěn)定電流場(chǎng)。屬于傳導(dǎo)類(lèi)，被動(dòng)源直流電法。導(dǎo)體周?chē)淖噪妶?chǎng)§2-2自然電場(chǎng)法一、自然電流場(chǎng)的成因及分布規(guī)律地下產(chǎn)生穩(wěn)定自然電流場(chǎng)的直接原因是地下介質(zhì)內(nèi)存在著電極化現(xiàn)象。

所謂電極化是指呈現(xiàn)電中性（正負(fù)電荷保持平衡）物質(zhì)或系統(tǒng)在一定條件下其正、負(fù)電荷（電子或離子）產(chǎn)生彼此分離，偏離平衡狀態(tài)的現(xiàn)象。按其產(chǎn)生極化的機(jī)制，可分氧化-還原效應(yīng)和過(guò)濾電動(dòng)效應(yīng)，前者產(chǎn)生電子導(dǎo)體自然極化，后者產(chǎn)生離子導(dǎo)體自然極化。氧化還原效應(yīng)——電子導(dǎo)體自然極化

導(dǎo)體與溶液接觸時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)或化學(xué)反應(yīng)。導(dǎo)體的金屬離子式自由電子可能有足夠的能量，以致克服晶格間的結(jié)合力束縛而越出導(dǎo)體進(jìn)入溶液中。從而破壞了導(dǎo)體與溶液的電中性。分別帶異性電荷，并在其界面處形成雙電層，產(chǎn)生電極電位。

若導(dǎo)體外溶液是均勻的，則界面上的雙電層也是均勻而封閉形式分布，故該系統(tǒng)對(duì)外仍呈電中性，而不會(huì)產(chǎn)生自然電場(chǎng)。若溶液不均勻，界面上的偶電層分布不均勻，則產(chǎn)生極化，系統(tǒng)對(duì)外將產(chǎn)生自然電場(chǎng)，在自然電場(chǎng)作用下的電荷流動(dòng)，將導(dǎo)致不均勻性降低，極化消失。因此，產(chǎn)生穩(wěn)定自然電流場(chǎng)的條件是：外界條件能保持導(dǎo)體外溶液這種不均勻性，使之不因極化放電而減弱。地下導(dǎo)體產(chǎn)生穩(wěn)定的自然電場(chǎng)的條件是：基于電子導(dǎo)體被地下潛水面截過(guò)，其潛水面上部為大氣降雨的滲透帶，因靠近地表而含氧量較高，其氧化性強(qiáng)，呈氧化性。相反，潛水面之下含氧量低，相對(duì)應(yīng)那里的水溶液呈還原性。

潛水面上下溶液性質(zhì)的差異。通過(guò)大氣降水的循環(huán)總能長(zhǎng)期保持不斷的向地下補(bǔ)充氧氣，從而在潛水面上下不同部位的導(dǎo)體上形成了不均勻的雙電層，產(chǎn)生了自然極化，在其周?chē)臻g產(chǎn)生了“氧化-還原”自然電場(chǎng)。

在地表觀(guān)測(cè)到的為負(fù)自然電位異常。2.過(guò)濾電動(dòng)效應(yīng)——離子導(dǎo)體自然極化離子導(dǎo)體與溶液接觸后，在其表面吸附作用下形成雙電層，對(duì)石英、硫化物、泥質(zhì)頁(yè)巖靠近離子導(dǎo)體之側(cè)帶陰離子，液體一側(cè)帶陽(yáng)離子（注：石灰?guī)r、白云巖吸附陽(yáng)離子，液體內(nèi)呈陰離子）。

在離子導(dǎo)體的裂（孔）隙處，雙電離相互之間靠的很近，在液體流動(dòng)時(shí)，擴(kuò)散帶陽(yáng)離子將被帶走。相對(duì)而言，此處出現(xiàn)了極化，在水流上游呈現(xiàn)負(fù)電位，而下游正離子相對(duì)集中呈正電位——電化學(xué)稱(chēng)之為流動(dòng)電位。上述極化過(guò)程，如同水流過(guò)巖石，巖石顆粒濾掉陽(yáng)離子，剩下陰離子—稱(chēng)為過(guò)濾電場(chǎng)。圖4-2-9過(guò)濾電場(chǎng)的形成二、自然極化球體的電場(chǎng)

邊值問(wèn)題設(shè)：極坐標(biāo)原點(diǎn)選在球心。2.地面自然電位表達(dá)式

由分離變量法得通解:球內(nèi)、外電位:利用邊值問(wèn)題求解:式中：解得：3.地面自然電位的分布特征

（1）電流偶極電場(chǎng)特征自然電場(chǎng)的極化源等效為位于球心的電流偶極源，其偶極子的方向與極化軸的方向一致。主剖面自然電位，由y=0有:

主剖面上不同傾角時(shí)的電位曲線(xiàn)特征①α=90時(shí)

電位曲線(xiàn)沿剖面呈軸對(duì)稱(chēng)的負(fù)異常分布，負(fù)極值位于球心在地表的投影點(diǎn)（x=0），其負(fù)極值為分析推論：（a）U０與△U０，(r0/h0)2成正比；（b）U0與ρ2/ρ1成反比，故自然電場(chǎng)法對(duì)于尋找極化良導(dǎo)體有利。

（c）利用主剖面上的電位曲線(xiàn)半極值弦長(zhǎng)q和過(guò)拐點(diǎn)切線(xiàn)的弦切距，可估算出球體中心埋深：

h0≈0.65qh0≈0.86m

0<α<900時(shí)(a)電位曲線(xiàn)仍以負(fù)為主，在極化軸傾斜方向伴有正異常的不對(duì)稱(chēng)異常，其不對(duì)稱(chēng)性與α成反比；(b)U０與△U０，(r0/h0)2成正比，與ρ2/ρ1成反比。

(c)利用不對(duì)稱(chēng)電位曲線(xiàn)兩側(cè)的過(guò)拐點(diǎn)切線(xiàn)的弦切距平均值，則可利用垂直極化下的球體中心埋深公式估算其近似球體中心埋值。強(qiáng)調(diào)：一般為垂直極化現(xiàn)象，僅有地形切割劇烈，或傾斜延伸的極化體才呈現(xiàn)傾斜極化現(xiàn)象。三、自然電場(chǎng)法的裝備及工作方法

1.觀(guān)測(cè)類(lèi)型可分：地面、井中、坑道、水域。按觀(guān)測(cè)參數(shù)可分：

電位法，梯度法和追索等位線(xiàn)法。

2.網(wǎng)度、基點(diǎn)和基點(diǎn)網(wǎng)連測(cè)網(wǎng)度的布置原則與充電法相同；

若測(cè)區(qū)較大，需要建立基點(diǎn)網(wǎng)，在遠(yuǎn)離異常體、電場(chǎng)穩(wěn)定、非研究因素干擾小于觀(guān)測(cè)誤差的地方設(shè)置總基點(diǎn)，測(cè)區(qū)內(nèi)布置若干分基點(diǎn)?？偦c(diǎn)是全區(qū)的相對(duì)零點(diǎn)