1、電法勘探在煤礦防治水中的應(yīng)用,朱 魯 山東科技大學(xué)地科學(xué)院,山東科技大學(xué),一、電法勘探的分類,山東科技大學(xué),電法勘探的分類,方法分類（2）： 天然場源法：自然電位法、大地電流法、大地電磁法等。 人工場源法：電阻率法、激發(fā)極化法、電磁法等。,電法勘探的分類,方法分類（3）： 傳導(dǎo)類電法：電阻率法、充電法、自然電場法、激發(fā)極化法等。 電阻率法：剖面法（二、三極剖面、聯(lián)合剖 面等）、測深法 感應(yīng)類電法：電磁剖面法（偶極剖面、航空電磁法等） 電磁測深法（大地電磁測深、頻率測深等）,1、巖石的電阻率 金屬導(dǎo)電、半導(dǎo)體導(dǎo)電、固體電解質(zhì) 導(dǎo)電 2、影響電阻率的因素 成分和結(jié)構(gòu)、含水性、溫度、壓力,山東科技大

2、學(xué),二、電法勘探中的地球物理基礎(chǔ),巖石的導(dǎo)電方式大致可分為以下三種： 金屬導(dǎo)電和半導(dǎo)體導(dǎo)電、溶液離子導(dǎo)電、固體電解質(zhì)導(dǎo)電 巖石的電阻率由組成巖石的礦物成分決定 巖石和礦物的導(dǎo)電性或電阻率 ：取決于物質(zhì)中電荷 運移的難易程度。 礦物的電阻率： 金屬導(dǎo)體：電阻率很小，例如：金的電阻 率為210-8m，銅的電阻率 為1.230 10-8m。,影響電阻率的因素,（1） 巖石電阻率與礦物成分的關(guān)系 巖石電阻率與組成巖石的礦物的電阻率、礦物的含量和礦物的分布有關(guān)。當巖石中含有良導(dǎo)電礦物時，礦物導(dǎo)電性能能否對巖石電阻率的大小產(chǎn)生影響取決于良導(dǎo)礦物的分布狀態(tài)和含量。如果巖石中的良導(dǎo)礦物顆粒彼此隔離地分布著，且

3、良導(dǎo)礦物的體積含量不大，那么巖石的電阻率基本上與所含的良導(dǎo)礦物無關(guān)，只有當良導(dǎo)礦物的體積含量較大時（大于30%），巖石的電阻率才會隨良導(dǎo)礦物的體積含量的增大而逐漸降低。但是，如果良導(dǎo)礦物的電連通性較好，即使它們的體積含量并不大，巖石的電阻率也會隨良導(dǎo)礦物含量的增加而急劇減小。,（2） 巖石電阻率與其含水性的關(guān)系 沉積巖主要依靠孔隙水溶液來傳導(dǎo)電流，因此巖層中水的導(dǎo)電性質(zhì)將直接影響沉積巖的電阻率。在其他條件相同的情況下，巖層電阻率與巖層中水的電阻率成正比。影響水的導(dǎo)電性的主要因素是水中離子的濃度和水的溫度。常見的巖層水一般含低或中等濃度的離子，巖層中水的含鹽濃度增大，離子數(shù)量隨之增多，溶液導(dǎo)電性

4、將變好。同時巖層中水的導(dǎo)電性還與溫度有關(guān)，它的電阻率將隨溫度的升高而降低。這是因為，一方面水中鹽類的溶解度隨溫度的升高而增大，致使溶液中離子數(shù)量增多；另一方面，溫度的升高還會降低溶液粘度，加快離子的遷移速度。,（3）巖石電阻率與層理的關(guān)系 層理構(gòu)造是大多數(shù)沉積巖和變質(zhì)巖的典型特征，如砂巖、泥巖、片巖、板巖以及煤層等，它們均由很多薄層相互交替組成。這種巖石的電阻率具有明顯的方向性，即沿層理方向和垂直層理方向巖石的導(dǎo)電性不同，稱為巖石電阻率的各向異性。巖石電阻率的各向異性可 用各向異性系數(shù)來表示，定義為 式中，n代表垂直層理方向上的平均電阻率，稱為橫向電阻率；t代表沿層理方向的平均電阻率，稱為縱向

5、電阻率。,層狀結(jié)構(gòu)巖石模型,（4）巖石電阻率與溫度的關(guān)系 巖石電阻率隨溫度的變化遵循導(dǎo)電理論的有關(guān)定理。電介質(zhì)中離子的能動性隨溫度升高而增大，其運動能量積累到一定值時，很容易脫離晶格，因此導(dǎo)電性增強。半導(dǎo)體的溫度升高時，導(dǎo)電區(qū)電子濃度增大，導(dǎo)電性也相應(yīng)增大。如前所述，在低溫條件下，含水巖石中水溶液的導(dǎo)電性隨溫度的升高而增大，這是由于溫度升高導(dǎo)致水溶液濃度增大和粘滯度降低，水溶液中離子數(shù)量增多、活動性增強的緣故；當溫度繼續(xù)升高時，因水分蒸發(fā)，巖石電阻率略有增加，只有溫度繼續(xù)升高時，電阻率才開始減小。例如，對油頁巖進行加溫實驗時，溫度升高到50100時，試樣的電阻率減??；溫度繼續(xù)升高至200時，試

6、樣電阻率增大；溫度繼續(xù)升高超過200時，試樣電阻率急劇下降；當溫度超過600后，試樣電阻率又呈回升趨勢。,（5）巖石電阻率與壓力的關(guān)系 巖石原生結(jié)構(gòu)破壞是壓力作用下巖石性質(zhì)變化的主要原因。根據(jù)壓力特征，這種破壞可能是巖石的壓實，孔隙收縮，顆粒接觸面積的增大，形成裂隙組，或是個別區(qū)域之間粘結(jié)性減小等等。 靜水壓力對巖石的壓實作用最大，在靜水壓力作用下，巖石內(nèi)出現(xiàn)殘余變形，從而使孔隙度降低。此時壓力對巖石電阻率的影響與巖石內(nèi)液體和氣體的含量有關(guān)，往往隨壓力的增大，干燥或者稍許含水巖石的電阻率減小，這是由于孔隙度降低、顆粒間接觸良好的原因。 除此之外，巖石中孤立的含水孔隙在壓力作用下閉合并形成連續(xù)的

7、導(dǎo)電通路，也會使其電阻率減小。對于大多數(shù)巖石，當單軸壓力由10Mpa增加到60Mpa時，可觀測到巖石電阻率的劇烈變化。但是，某些粘土在壓力作用下，由于孔隙中的水分被擠出，含水孔隙通道的截面縮小，從而使其電阻率增大。 相反，在應(yīng)力弱化作用下，巖石顆粒之間內(nèi)部粘結(jié)性降低，致使巖石強度變小，巖石可碎性增強。當巖石內(nèi)部裂隙發(fā)育但裂隙不充水時，巖石電阻率會增大，若裂隙充水，巖石電阻率會顯著減小。,二、電法勘探中的地球物理基礎(chǔ)3.計算公式,山東科技大學(xué),三、高密度電阻率法1、 基本原理,高密度電阻率法是二十世紀八十年代才發(fā)展起來的一種新型陣列勘探方法，是基于靜電場理論，以探測目標體的電性差異為前提進行的。

8、該方法采集數(shù)據(jù)信息量大，可進行層析成象計算，成圖直觀，可視性強，采集裝置種類多，儀器輕便。該方法在不同領(lǐng)域受到廣泛的應(yīng)用。,山東科技大學(xué),三、高密度電阻率法,山東科技大學(xué),三、高密度電阻率法,山東科技大學(xué),三、高密度電阻率法,山東科技大學(xué),三、高密度電阻率法,三、高密度電阻率法,2、工作方法技術(shù) 具體測量方法為：首先以固定點距沿井下巷道測線布置一系列電極，電極通過多芯電纜經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)接到儀器上，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)改變裝置類型，一次完成該測點上各種裝置形式的觀測，一個測點觀測完后，通過開關(guān)轉(zhuǎn)換到下一相鄰測點對應(yīng)的電極，以相同方法進行該點觀測，直到某一電極間距的整條剖面觀測完為止。改變電極間距，重復(fù)以下觀

9、測，直到有所不同電極間距的剖面觀測完為止。 點距的選擇主要依據(jù)探測精度要求，精度要求越高應(yīng)越小。最大電極距大小，決定于預(yù)期探測深度，探測深度越深，要求越大，但一般隔離系數(shù) 最大值不超過15為好，當然，由于一條剖面測點總數(shù)是固定的，因此當極距擴大時，反映不同勘探深度的測點數(shù)將依次減少。,三、高密度電阻率法,山東科技大學(xué),資料處理和正演模擬 高密度電阻率資料的反演 （圖見下頁）,三、高密度電阻率法,山東科技大學(xué),四、瞬變電磁法,1、瞬變電磁法的基本原理 瞬變電磁法是一種利用電磁感應(yīng)原理預(yù)測地下礦產(chǎn)的地球物理方法。瞬變電磁法是一種時間域的電磁測深法，它利用接地電極或不接地回線建立起地下的一次脈沖磁場

10、，在一次磁場間歇期間接收感應(yīng)的二次電場和磁場。在過程的早期，瞬變場頻譜中高頻成份占優(yōu)勢，因此渦旋電流主要分布在地表附近，且阻礙電磁場的深入傳播，電磁場主要反映淺層地質(zhì)信息，具有很強的分層能力。隨著時間的推移，介質(zhì)中部的高頻部分衰減（熱損耗），而低頻部分的作用相對明顯起來，電磁場反映了較深部的地質(zhì)信息，所以可達到測深的目的。在階躍脈沖作用下，良導(dǎo)地層中產(chǎn)生的瞬變渦流電磁場持續(xù)時間較長，有利于尋找良導(dǎo)體地層并確定其賦存形態(tài)。,山東科技大學(xué),四、瞬變電磁法,瞬變電磁法測量裝置由發(fā)射回線和接收回線兩部分組成。瞬變電磁法工作過程可以劃分為發(fā)射、電磁感應(yīng)和接收三部分。當發(fā)射回線中的穩(wěn)定電流突然切斷后，根據(jù)

11、電磁感應(yīng)理論，發(fā)射回線中電流突然變化必將在其周圍產(chǎn)磁場，該磁場稱為一次磁場。一次磁場在周圍傳播過程中，如遇到地下良導(dǎo)電的地質(zhì)體，將在其內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱渦流或二次電流。由于二次電流隨時間變化，因而在其周圍又產(chǎn)生新的磁場，稱二次磁場。由于良導(dǎo)電礦體內(nèi)感應(yīng)電流的熱損耗，二次磁場大致按指數(shù)規(guī)律隨時間衰減，形成如圖2-1所示的瞬變磁場。二次磁場主要來源于良導(dǎo)電礦體內(nèi)的感應(yīng)電流，因此它包含著與礦體有關(guān)的地質(zhì)信息。二次磁場通過接收回線觀測；并對所觀測的數(shù)據(jù)進行分析和處理，據(jù)此，解釋地下礦體及相關(guān)物理參數(shù)。,山東科技大學(xué),四、瞬變電磁法,山東科技大學(xué),四、瞬變電磁法,四、瞬變電磁法,瞬變場的激發(fā)：

12、與諧變場情況一樣，其激發(fā)方向也有 接地式和感應(yīng)式兩種。在階躍電流 （通電或斷電）的強大變化磁場作 用下，良導(dǎo)介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生渦旋的交變 電磁 場，其結(jié)構(gòu)和頻譜在時間與空 間上均連續(xù)地變化。,諧變場和瞬變場渦旋電流結(jié)構(gòu),瞬變場的參數(shù)：瞬變電磁場狀態(tài)的基本參數(shù)是時間。 這一時間依賴于巖石的導(dǎo)電性和收 發(fā)距。研究瞬變電磁場隨時間的 變化規(guī)律，可探測具有不同導(dǎo)電性 的地層分布縱向電導(dǎo)。也可以發(fā)現(xiàn) 地下賦存的較大的良導(dǎo)礦體。 在頻率域中電場強度按指數(shù)規(guī)律衰減。,四、瞬變電磁法,2野外工作方法 （1）幾種裝置及其特點 （2）工作裝置和回線大小選擇,四、瞬變電磁法,四、瞬變電磁法,(1)由于TEM是在無一次場背景

13、情況下觀測二次場，即觀測的是純異常，自動消除了FEM中的主要噪聲源裝置耦合噪聲，從而提高了探測精度。 (2) 裝置形式靈活多樣，可隨不同工程任務(wù)的要求和施工場地的條件來選擇合適的裝置。具有施工方便、測地工作簡單、工作效率高及地質(zhì)效果好等優(yōu)點。使用同點裝置工作，與欲探測的地質(zhì)對象能達到最佳的耦合，取得的異常幅度強、形態(tài)簡單、分層能力強，從而具有較高的探測能力，并且受到旁測地質(zhì)體的影響也是最小的。 (3)對于受到導(dǎo)電圍巖及導(dǎo)電覆蓋層等地質(zhì)噪聲干擾的“礦異常”的區(qū)分能力優(yōu)于FEM。在高阻圍巖條件下，不存在地形起伏引起的假異常；低阻圍巖起伏地形引起的異常也比較容易識別。 (4)在TEM測量中，對于線框

14、鋪設(shè)的點位、方位及形狀等的要求相對于FEM可以放寬，測地工作簡單，工效高。 (5)由于采用不接地回線，不存在接地電阻問題，在基巖出露區(qū)、凍土帶、沙漠、水泥路面、河湖海水面上均可進行測量。具有施工方便、工作效率高及地質(zhì)效果好等優(yōu)點。 (6)在剖面測量中，由于采集不同時間段的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理可以得到同一點的測深資料，從而在剖面測量中完成了相應(yīng)區(qū)域的測深測量，提供的地電信息豐富，便于資料的解釋； (7) 可通過選擇不同的時間窗口進行觀測，有效地壓制地質(zhì)噪聲，可獲得不同勘探深度?？捎眉哟蟀l(fā)射功率的方法增強二次場，從而增加勘探深度。有穿透低阻覆蓋能力，探測深度大。在目前的技術(shù)條件下，勘探范圍淺可至幾米

15、、深可達幾千米；隨著采集儀器、資料處理解釋方法的進步，勘探深度范圍還能進一步的擴大。 (8)TEM的應(yīng)用領(lǐng)域相對更加廣泛。瞬變電磁法可以解決的地質(zhì)問題有：能源、礦產(chǎn)勘查、水文、工程、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、考古探測等。,四、瞬變電磁法,3、資料解釋,四、瞬變電磁法,四、瞬變電磁法,五、大地電磁測深法,1、大地電磁測深的原理,五、大地電磁測深法,2、 野外施工 3、資料處理和解釋,山東科技大學(xué),六、電磁場變頻測深法（或稱人工場源頻率測深法）,1、電磁場變頻測深法原理,山東科技大學(xué),五、電磁場變頻測深法（或稱人工場源頻率測深法）,山東科技大學(xué),五、電磁場變頻測深法（或稱人工場源頻率測深法）,2、野外施工,山

16、東科技大學(xué),六、可控源音頻大地電磁測深法,1、可控源音頻大地電磁測深法原理 CSAMT法是可控源音頻大地電磁法的簡稱。該方法是九十年代才興起的一種地球物理新技術(shù)，它基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組導(dǎo)出了水平電偶極源在地面上的電場及磁場公式視電阻率 (s )公式,山東科技大學(xué),六、可控源音頻大地電磁測深法,山東科技大學(xué),根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論，導(dǎo)出了趨膚深度公式,六、可控源音頻大地電磁測深法,從上式可見，當?shù)乇黼娮杪使潭〞r，電磁波的傳播深度（或探測深度）與頻率成反比，高頻時，探測深度淺，低頻時，探測深度深。人們可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測深度，達到頻率測深的目的。 九十年代，加拿大鳳凰公司

17、和美國的宗吉公司根據(jù)這一理論首先研究制造了CSAMT的測量儀器系統(tǒng)，編制了軟件，建立了野外工作方法（見下圖）。,山東科技大學(xué),六、可控源音頻大地電磁測深法,山東科技大學(xué),六、可控源音頻大地電磁測深法,山東科技大學(xué),六、可控源音頻大地電磁測深法,CSAMT法具有如下的一些特點： （1）使用可控制的人工場源，信號強度比天然場要大得多，因此可在較強干擾區(qū)的城市及城郊開展工作。 （2）測量參數(shù)為電場與磁場之比，得出的是卡尼亞電阻率。由于是比值測量，因此可減少外來的隨機干擾，并減少地形的影響。 （3）基于電磁波的趨膚深度原理，利用改變頻率進行不同深度的電測深，大大提高了工作效率，減輕了勞動強度，一次發(fā)射

18、，可同時完成七個點的電磁測深。 （4）勘探深度范圍大，一般可達12Km； （5）橫向分辨率高，可靈敏地發(fā)現(xiàn)斷層； （6）由于接收機在接收電場的同時還要接收磁場，因此高阻屏蔽作用小，可穿透高阻層。,山東科技大學(xué),七、地質(zhì)雷達,地質(zhì)雷達 (Ground Penetrating Radar，簡稱 GPR)是利用超高頻電磁波探測地下介質(zhì)分布的一種地球物理勘探儀器，屬于電磁波法的范疇，它是利用電磁波在不同媒體中的傳播與反射特性來進行探測的。由于其具有分辨率高、圖像直觀、對場地條件要求低等優(yōu)點，在工程勘察與工程檢測領(lǐng)域己得到越來越多的應(yīng)用。,山東科技大學(xué),七、地質(zhì)雷達,地質(zhì)雷達由地面上的發(fā)射天線T將高頻電

19、磁波(主頻為106-109Hz)以寬頻帶短脈沖形式送入地下，經(jīng)地下目標體或不同電磁性質(zhì)的介質(zhì)分界面反射后返回地面，為另一接收天線R所接收，而其余電磁能量則穿過界面繼續(xù)向下傳播，在更深的界面上繼續(xù)反射和折射,直至電磁能量被地下介質(zhì)全部吸收，如圖所示。,山東科技大學(xué),七、地質(zhì)雷達,根據(jù)上圖，回波走時(電磁波行程所需時間)t為： t= 式中，x為兩天線的間距；z為反射點A的法線深度；v為電磁波在地下介質(zhì)波速。 當?shù)叵陆橘|(zhì)的波速v為已知時，則可根據(jù)天線間距(已知值)x和雷達記錄的回波走時t，由上式可求出反射體的埋深。反射體或目標體的埋深及其變化，是描述其空間分布最重要的參數(shù)之一，因此也是地質(zhì)雷達方法必

20、須獲得的基本數(shù)據(jù)。,山東科技大學(xué),1、埋深200m以淺，采用高密度電法較為有益,也可采用瞬變電磁法,地質(zhì)雷達法,山東科技大學(xué),八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用,八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用,山東科技大學(xué),八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用,山東科技大學(xué),八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用,山東科技大學(xué),八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用,山東科技大學(xué),八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用,八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用,八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用,八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用,八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用,八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用,八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用地質(zhì)雷達,2、埋深中等200800m，以大地電磁測深和 人 工頻率測深和瞬變電磁法的某些方法 較 為適 宜。（這主要是看儀器靈敏度和 頻帶寬度）,山東科技大學(xué),八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用,八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用,山東科技大學(xué),八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用,山東科技大學(xué),八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用,山東科技大學(xué),八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用,3、埋藏較深，大于1000m，一般以大地電磁測深和可控源音頻大地電磁法（V-5、V-2000、V-6系列儀器）和瞬變電磁法（加拿大ProTEM系統(tǒng)、UTEM系統(tǒng)及V-6、V-2000和美國GDP-32等也有瞬變電場的功能）較為理想。澳洲產(chǎn)的SIROTEM系統(tǒng)對埋藏中等較為合適。,山東科技大學(xué),八、