地球物理學(xué)必備-應(yīng)用地球物理學(xué)原理不看要后悔

1、二、巖石和礦石,利用巖石和礦石的電化學(xué)活動(dòng)性一般情況下物質(zhì)都是電中性的，即正，負(fù)電荷保持平衡。但是，某些巖石和礦石在特定的自然條件下，在巖石中產(chǎn)生的各種物理化學(xué)過(guò)程作用下，巖石可以形成面電荷和體電荷。巖石的這一性質(zhì)稱(chēng)為巖石極化。,巖石極化分為兩種類(lèi)型：1、自然極化，是由不同地質(zhì)體接觸處的電荷自然產(chǎn)生的(表面極化)或由巖石的固相骨架與充滿(mǎn)空隙空間的液相接觸處的電荷自然產(chǎn)生的(兩相介質(zhì)的體極化)；2、激發(fā)極化，是在人工電場(chǎng)作用下

2、產(chǎn)生的極化。由巖石自然極化和人工極化產(chǎn)生的面電荷和體電荷形成自然電場(chǎng)或激發(fā)極化電場(chǎng)。,(一)巖石和礦石的自然極化特性1電子導(dǎo)體的自然極化當(dāng)電子導(dǎo)體和溶液接觸時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體的金屬離子或電子可能具有足夠大的能量， 以致克服晶格間的結(jié)合力越出金屬進(jìn)入溶液中。從而破壞了導(dǎo)體與溶液的電中性，使金屬帶負(fù)電，溶液帶正電。金屬上的負(fù)電荷吸引溶液中過(guò)剩的陽(yáng)離子，使之分布于界面附近，形成雙電層，產(chǎn)生一定的電位差。,此電位差產(chǎn)生—反

3、向電場(chǎng)，阻礙金屬離子或電子繼續(xù)進(jìn)入溶液。當(dāng)進(jìn)入溶液的金屬離子達(dá)到一定數(shù)量后，便達(dá)到平衡，此時(shí)，雙電層的電位差為該金屬在該溶液中的平衡電極電位。它與導(dǎo)體和溶液的性質(zhì)有關(guān)。若導(dǎo)體和溶液都是均 勻的，則界面上的雙電層也是均勻的，這種均勻、封閉的雙電層不產(chǎn)生外電場(chǎng)。,如果導(dǎo)體或 溶液是不均勻的，則界面上的雙電層呈不均勻分布，產(chǎn)生極化，并在導(dǎo)體內(nèi)、外產(chǎn)生電場(chǎng)，引起自然電流。這種極化所引起電流的趨勢(shì)是減少造成極化的導(dǎo)體或溶液的不均勻性。所

4、以 ，如果不能繼續(xù)保持原有的導(dǎo)體或溶液的不均勻性，則因極化引起的自然電流會(huì)隨時(shí)間逐漸減小，以至最終消失。,因此，電子導(dǎo)體周?chē)a(chǎn)生穩(wěn)定電流場(chǎng)的條件必須是：導(dǎo)體或溶液的不均勻性，并有某種外界作用保持這種不均勻性，使之不因極化放電而減弱。,如圖1.3-4所示，賦存于地下的電子導(dǎo)電礦體，當(dāng)其被地下潛水面切過(guò)時(shí)，往往在其周?chē)纬煞€(wěn)定的自然電流場(chǎng)。我們知道，潛水面以上為滲透帶，由于靠近地表而富含氧氣，使?jié)撍嬉陨系娜芤貉趸暂^強(qiáng)；相反，潛水

5、面以下含氧較少，那里的水溶液相對(duì)來(lái)說(shuō)是還原性的。潛水面上、下水溶液化學(xué)性質(zhì)的差異通過(guò)自然界大氣降水的循環(huán)總能長(zhǎng)期保持。,這樣， 電子導(dǎo)體的上、下部分總是分別處于性質(zhì)不同的溶液之中，在導(dǎo)體和溶液之間形成了不均勻的雙電層，產(chǎn)生自然極化，并形成自然極化電流場(chǎng)，簡(jiǎn)稱(chēng)自然電場(chǎng)。在上述特定自然條件下，導(dǎo)體上部處于氧化性質(zhì)溶液中，其電極電位較高，導(dǎo)體帶正電，其周?chē)芤簬ж?fù)電；導(dǎo)體下部處于還原性質(zhì)溶液中，電極電位較低，導(dǎo)體帶負(fù)電，周?chē)芤簬д?/p>

6、。,這種因極化形成的電流，在導(dǎo)體內(nèi)部自上而下；而在導(dǎo)體外部是自下而上，如圖1.3-4中的電流線(xiàn)。從地平面看，自然電流是從四面八方流向?qū)w，因此，沿剖面觀測(cè)自然電位 時(shí)，離礦體愈近，電位愈低，在導(dǎo)體正上方電位最低，稱(chēng)為自然電位負(fù)心。,通常，在硫化金屬礦上可觀測(cè)到幾十到幾百毫伏的自然電位負(fù)異常。順便指出：在化學(xué)性能十分穩(wěn)定的石墨礦或石墨化程度較高的地層上，自然電位負(fù)異常的幅 度可達(dá)－800～－900mV，甚至－1000mV以上。,

7、2離子導(dǎo)體的自然極化在離子導(dǎo)電的巖石上所觀測(cè)到的自然電場(chǎng)主要是由于動(dòng)電效應(yīng)所產(chǎn)生的流動(dòng)電位所引起。(1)過(guò)濾電場(chǎng)當(dāng)?shù)叵滤鬟^(guò)多孔巖石時(shí)，在地表就可以觀測(cè)到過(guò)濾電場(chǎng)。,溶液能平行于孔壁自由流動(dòng)，而把正離子帶走在水流的上游負(fù)離子過(guò)多，而 在水流下游正離子過(guò)多，形成了過(guò)濾電場(chǎng)。,地殼中自然形成的過(guò)濾電場(chǎng)主要包括裂隙電場(chǎng)、上升泉電場(chǎng)、山地電場(chǎng)和河流電場(chǎng)等。例如 ：地下的喀斯特溶洞、斷層、破碎帶或其它巖石裂隙帶，常成為地下

8、水的通道。當(dāng)?shù)叵滤蛳聺B漏時(shí)，上部巖石吸附負(fù)離子，下部巖石出現(xiàn)多余的正離子，這就形成裂隙電場(chǎng)(見(jiàn)圖1.3-6，a)。,與以上的情況相反，當(dāng)?shù)叵滤ㄟ^(guò)裂隙帶向上涌出形成上升泉時(shí)，由于過(guò)濾作用，在泉水出露處呈現(xiàn)過(guò)剩的正電荷，而在地下水深處留下過(guò)多的負(fù)電荷，于是形成上升泉電場(chǎng)(見(jiàn)圖1.3-6，b)。此外，由于河水和地下水之間的相互補(bǔ)給形成的地下水流產(chǎn)生的 過(guò)濾電場(chǎng)為河流電場(chǎng)(見(jiàn)圖1.3-7)。,山地電場(chǎng)常常是雨水滲入多孔的山頂巖層向山腳流

9、動(dòng)形成的。山地電場(chǎng)總是山頂電位為負(fù)，山腳電位為正，電場(chǎng)的分布與地形成鏡象關(guān)系(見(jiàn)圖1.3-8)。,(2)擴(kuò)散—吸附電場(chǎng)當(dāng)兩種濃度不同的溶液相接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散現(xiàn)象。溶質(zhì)由濃度大的溶液移向濃度小的溶液 里，以達(dá)到濃度平衡。正、負(fù)離子將隨著溶質(zhì)移動(dòng)，但因巖石顆粒的吸附作用，正、負(fù)離子 的擴(kuò)散速度不同，使兩種不同離子濃度的巖石分界面上分別含有過(guò)量的正離子或負(fù)離子，形 成電位差，這種電場(chǎng)稱(chēng)為擴(kuò)散—吸附電場(chǎng)。,擴(kuò)散—吸附電場(chǎng)強(qiáng)度較小

10、例如在地面觀測(cè)到的河水與地下水接觸處由于離子濃度差別形成 的擴(kuò)散—吸附電場(chǎng)，一般約10～20mV。擴(kuò)散—吸附電場(chǎng)更多的是用在電測(cè)井工作中。,以上各種原因產(chǎn)生的自然電場(chǎng)不是孤立存在的。應(yīng)用自然電場(chǎng)找礦時(shí)，主要研究電子導(dǎo)體周?chē)碾娀瘜W(xué)電場(chǎng)，而把河流電場(chǎng)、裂隙電場(chǎng)視為找礦的干擾；應(yīng)用自然電場(chǎng)解決水文地質(zhì)問(wèn)題時(shí)，將礦體周?chē)碾妶?chǎng)視為干擾。,(二)巖石和礦石的人工極化成因1電子導(dǎo)體的人工極化成因在討論電了導(dǎo)體的自然極化時(shí)

11、，我們已經(jīng)知道：浸沉于同種化學(xué)性質(zhì)溶液中的單一電子導(dǎo)體表面形成的雙電層為一封閉系統(tǒng)，它不顯示電性，也不形成外電場(chǎng)(見(jiàn)圖1.3-9，a)。這種自然狀態(tài)下的雙電層電位差是導(dǎo)體與溶液接觸時(shí)的電極電位，又稱(chēng)平衡電極電位。,當(dāng)有電流 通過(guò)上述系統(tǒng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的電荷將重新分布：自由電子逆著電場(chǎng)方向移向電流流入端，使 這里相當(dāng)于等效電解電池的“陰極”；而在電流流出端呈現(xiàn)出相對(duì)增多的正電荷，相當(dāng)于 等效電解電池的“陽(yáng)極”。與此同時(shí)，溶液中的帶電離

12、子也在電場(chǎng)作用下發(fā)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，分別在“陰極”和“陽(yáng)極”處形成正離子和負(fù)離 子的堆積(圖1.3-9，b)。,使通電前的正常雙電層發(fā)生了變化：“陰極”處，導(dǎo)體帶負(fù)電， 圍巖帶正電；而“陽(yáng)極”處，導(dǎo)體帶正電，圍巖帶負(fù)電。在電流作用下，導(dǎo)體的“陰極”和 “陽(yáng)極”處雙電層電位差相對(duì)于平衡電極電位的變化值稱(chēng)為超電壓。超電壓的形成過(guò)程即是電極極化過(guò)程。,不難理解，隨供電時(shí)間的延長(zhǎng)，導(dǎo)體界面兩側(cè)堆積異性的電荷逐漸增多，超 電壓值隨之增大，最后

13、達(dá)到飽和狀態(tài)。斷去供電電流之后，界面兩側(cè)堆積的異性電荷通過(guò)界面本身，導(dǎo)體內(nèi)部和周?chē)芤悍烹?，使整個(gè)系統(tǒng)逐漸恢復(fù)到供電之前的均勻雙電層狀態(tài)，超電壓也隨時(shí)間的延續(xù)逐漸減小，最后消失(圖1.3-9，c)。,介紹兩個(gè)重要概念：面極化和體極化在激電法的理論和實(shí)踐中，為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，將巖、礦石的激發(fā)極化分為理想的兩類(lèi)。第一類(lèi) 是“面極化”，其特點(diǎn)是激發(fā)極化均發(fā)生在極化體與圍巖溶液的界面上，如致密的金屬礦或石墨礦屬于此類(lèi)。,第二類(lèi)是“體極

14、化”，其特點(diǎn)是極化單元(指微小的金屬礦物、石墨或巖 石顆粒)呈體分布于整個(gè)極化體內(nèi)，如浸染狀金屬礦石和礦化、石墨化巖石以及離子導(dǎo)電巖石均屬這一類(lèi)。,雖然每個(gè)小顆粒與 圍巖(膠結(jié)物)的接觸面很小，但它們的接觸面積的總和卻是很可觀的。所以，盡管浸染狀礦 體與圍巖的電阻率差異很小，仍然可以產(chǎn)生明顯的激發(fā)極化效應(yīng)，這就是激發(fā)極化法能夠成功地尋找浸染狀礦體的基本原因。,應(yīng)該指出，面極化和體極化的差別只具有相對(duì)意義。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，所有激發(fā)極化都是

15、面極化的 ，因?yàn)閺奈⒂^來(lái)看，體極化中每一個(gè)極化單元的激發(fā)極化也都是發(fā)生在顆粒與其周?chē)芤旱?界面上。然而，實(shí)踐中應(yīng)用激電法又都是宏觀地研究礦體、礦帶或地層等大極化體的激電效 應(yīng)。故在此討論體極化體的激發(fā)極化特性。,2離子導(dǎo)體的激發(fā)極化成因一般造巖礦物為固體電解質(zhì)，屬離子導(dǎo)體。野外和室內(nèi)觀測(cè)資料表明，不含電子導(dǎo)體的一般 巖石，也能產(chǎn)生明顯的激電效應(yīng)。關(guān)于離子導(dǎo)體的激發(fā)極化機(jī)理，所提出的假說(shuō)和爭(zhēng)論均較 電子導(dǎo)體的多，但大多認(rèn)

16、為巖石的激電效應(yīng)與巖石顆粒和周?chē)芤航缑嫔系碾p電層結(jié)構(gòu)有關(guān) (見(jiàn)圖1.3-10，a)。,主要假說(shuō)都是基于巖石顆?！芤航缑嫔想p電層分散結(jié)構(gòu)和分散區(qū)內(nèi)存在可以沿界面移動(dòng)的陽(yáng)離子這一特點(diǎn)提出來(lái)的。其有代表性的假說(shuō)是雙電層形變說(shuō)?，F(xiàn)簡(jiǎn)述如下：在外電流作用下，巖石顆粒表面雙電層分散區(qū)之陽(yáng)離子發(fā)生位移，形成雙電層形變 (圖1.3-10，b)；,當(dāng)外電流斷開(kāi)后，堆積的離子放電，恢復(fù)平衡狀態(tài)(圖1.3-10，c)， 從而可以觀測(cè)到激發(fā)極化電場(chǎng)。

17、雙電層形變形成激發(fā)極化的速度和放電的快慢，決定于離子沿顆粒表面移動(dòng)的速度和路徑的長(zhǎng)短，因而較大的巖石顆粒將有較大的時(shí)間常數(shù)(即充電和放電時(shí)間長(zhǎng))，這是用激電法尋找 地下含水層的物性基礎(chǔ)。,(三)巖石和礦石的激發(fā)極化特性1、時(shí)間特性(1)礦化巖石的激發(fā)極化特性細(xì)粒浸染狀礦石或礦化巖石的激發(fā)極化(體極化)是其中許多細(xì)小顆粒極化效應(yīng)的總和，為了考察體極化巖、礦石的激電效應(yīng)，通常采用圖1.3-11，a所示的封閉裝置。,將待測(cè)

18、的體 極化巖、礦石標(biāo)本置于盛有水溶液的長(zhǎng)方形容器中，使其露出水面。標(biāo)本與容器壁之間的空隙用石蠟或橡皮泥等絕緣材料封嚴(yán)，使標(biāo)本兩側(cè)的水溶液不相連通。在容器兩端各放一塊長(zhǎng) 方形銅片A和B，作供電電極，借以向容器內(nèi)供入穩(wěn)定電流。在標(biāo)本兩側(cè)水溶液中緊靠標(biāo)本處 ，安置測(cè)量電極M和N，用毫伏計(jì)測(cè)量其間的電位差ΔＵｍｎ。,圖1.3-11，b是用上述裝置對(duì)黃鐵礦化巖石標(biāo)本測(cè)得的電位差隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。電位差 隨時(shí)間的變化是因?yàn)榧ぐl(fā)極化效應(yīng)產(chǎn)生的電

19、位差(簡(jiǎn)稱(chēng)二次場(chǎng)電位差，在供電時(shí)記為ΔＵ２（Ｔ），斷電后記為ΔＵ２（t)）在供電后從零開(kāi)始逐漸增大(充電過(guò)程)， 而在斷電后逐漸衰減為零(放電過(guò)程)。,在無(wú)激電效應(yīng)時(shí)，電流通過(guò)標(biāo)本由于電阻電壓降所形 成的電位差為一次場(chǎng)電位差ΔＵ１。在穩(wěn)定電流條件下，ΔＵ１ 不隨時(shí)間而變 。可見(jiàn)，標(biāo)本被激發(fā)極化后，供電時(shí)間T時(shí)觀測(cè)到的電位差ΔＵ（Ｔ）為ΔＵ１ 和ΔＵ2 （Ｔ）之和，稱(chēng)之為總場(chǎng)電位差，它隨供電時(shí)間T而變化，并有關(guān)系：,由

20、于剛供電時(shí)(T=0)二次場(chǎng)電位差為零，即ΔＵ２（０）＝０，故由上式得：于是ΔＵ２(Ｔ)＝ΔＵ(Ｔ)－ΔＵ(０),體極化比面極化的充、放電速度快得多，這是體極化與面極化的一個(gè)重要不同之處。對(duì)星散浸染狀礦石或礦化、石墨化標(biāo)本的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果表明：若在相當(dāng)大范圍內(nèi)改變供電電流I，直到測(cè)量電極處的電流密度高達(dá)n×１０２μＡ／ｃｍ２時(shí)，二次場(chǎng) 電位差總是與供電電流成正比，且其比值與供電方向無(wú)關(guān)。,因此，在地面

21、電法通常所能達(dá)到 的電流密度范圍內(nèi)，星散浸染狀巖、礦石的激電效應(yīng)沒(méi)有明顯的非線(xiàn)性和正、負(fù)極極化的差 異。這是體極化和面極化的又一重要區(qū)別。,(2)描述穩(wěn)定電流場(chǎng)激發(fā)極化效應(yīng)的參數(shù)上已述及，在二次場(chǎng)與電流成線(xiàn)性關(guān)系的條件下，引入表征體極化巖、礦石的激電性質(zhì)參數(shù)－ 極化率(η)，其值按下式計(jì)算：極化率為用百分?jǐn)?shù)表示的無(wú)量綱參數(shù),由于二次場(chǎng)和總場(chǎng)均與供電電流成正比，故極化率是與電流無(wú)關(guān)的常數(shù)。但極化率與供電時(shí)間 T 和放電時(shí)

22、間 t有關(guān)，必須予以特別說(shuō)明。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將長(zhǎng)時(shí)間供電(T→ ∞，即充電達(dá)飽和)和斷電瞬間(t→0)測(cè)得的飽和極化率η（∞，０）定義為極化率 ，記為η。,體極化巖、礦石的極化率除了與觀測(cè)時(shí)的充放電時(shí)間有關(guān)外，還和巖、礦石的成分、含 量、結(jié)構(gòu)及含水性等多種因素有關(guān)。我國(guó)物探工作者對(duì)大量礦化巖、礦石標(biāo)本作了系統(tǒng)觀測(cè) ，研究了多種因素對(duì)巖、礦石極化率的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明，在上述諸多因素中，影響 巖、礦石極化率的主要因素是電子

23、導(dǎo)電礦物的含量和巖、礦石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造。,(3) 非礦化巖石的激發(fā)極化效應(yīng)不含電子導(dǎo)電礦物的非礦化巖石，屬純離子導(dǎo)體，在電流激發(fā)下的激發(fā)極化都發(fā)生在細(xì)小巖 石顆粒與周?chē)芤旱慕缑嫔?，也是體極化。但其激電性質(zhì)又與礦化巖石不同：①巖石的極化率通常很低，一般不超過(guò)1～2%，少數(shù)能達(dá)到4～5%。表1.3-5列舉了一些巖 石 和礦石極化率的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，它表明了一般情況下，巖、礦石極化率的數(shù)量概念。,②非礦化巖石的充電和放電速度

24、比礦化巖石更快。其中，礦物顆粒小(例如由粘土礦物組成) 的巖石，充放電速度尤其快；而顆粒較粗(如砂或砂粒組成)的巖石之充、放電速度則較慢。 巖石激電效應(yīng)的這種時(shí)間特性，對(duì)評(píng)價(jià)激電異常和應(yīng)用激電法找水均有實(shí)際意義。,2頻率特性(1)在超低頻交變電流場(chǎng)中巖、礦石的激電現(xiàn)象前面所討論的激電效應(yīng)是在穩(wěn)定電流激發(fā)下，根據(jù)電場(chǎng)隨時(shí)間的變化(充、放電過(guò)程)來(lái)研究 激發(fā)極化效應(yīng)(即時(shí)間域激電法)。實(shí)踐表明，激電效應(yīng)也可在交變電場(chǎng)激發(fā)

25、下，根據(jù)電場(chǎng)隨 頻率的變化(頻率特性)觀測(cè)到激電效應(yīng)(即頻率域激電法)。,為了認(rèn)識(shí)交變電流激發(fā)下的激電 效應(yīng)，我們考察下述實(shí)驗(yàn)：在圖1.3-11，a所示的裝置中，將直流電源改為超低頻信號(hào)發(fā)生器，向水中供以超低頻交變電流I；在供電時(shí)，用交流毫伏計(jì)測(cè)量M、N間 的交流電位差ΔＵ。當(dāng)保持交變電流的幅值Iｆ不變， 而逐漸改變頻率f時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)電位差ΔＵ將隨之而變。,這種在超低頻段上(f = n×１０-２ ～ ｎ×１

26、０２Ｈｚ)電場(chǎng)隨頻率變化的現(xiàn)象，與介電極化和電磁耦合效應(yīng)無(wú)關(guān)，而是巖、礦石激發(fā)極化的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明，在地面電法野外工作通常所能達(dá)到的電流密度條件下，以上實(shí)驗(yàn)中的ΔＵ與 I 成線(xiàn)性關(guān)系。在此情況下，可將ΔＵ對(duì)I和裝置進(jìn)行歸一化，按下式計(jì)算交流電阻率,由于激發(fā)極化作用，ρ通常是頻率的復(fù)變函數(shù)，即ρ為復(fù)量，一般ΔU相對(duì)于I有相位移φ。復(fù)電阻 率ρ隨頻率的變化乃是交流電位差ΔU隨頻率變化的結(jié)果，這正是激電效應(yīng)的“頻率特

27、性”。圖1.3-12是在一塊黃鐵礦標(biāo)本上實(shí)測(cè)的激電效應(yīng)頻率特性曲線(xiàn)。,這一結(jié)果與穩(wěn)定電場(chǎng)激發(fā)下激電效應(yīng)的時(shí)間特性有很明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系：在時(shí)間域里，激電作用隨充電時(shí)間延長(zhǎng)從零逐漸增大，并當(dāng)充電時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)趨于飽和值。在頻率 域中，隨著供電電流頻率從高到低，對(duì)應(yīng)的單向供電時(shí)間T從零增大，激電效應(yīng)增強(qiáng)， 總電場(chǎng)(電阻率幅值)隨之變大；,當(dāng)頻率趨于零時(shí)，單向供電持續(xù)時(shí)間T→∞，激電效應(yīng) 最大，因而總場(chǎng)趨于飽和值。圖1.3-12中

28、還給出了實(shí)測(cè)的激電效應(yīng)相頻特性曲線(xiàn)(相位φ隨頻率的變化曲線(xiàn))。由圖可見(jiàn)，在各個(gè)頻率上，相位皆為負(fù)值：當(dāng)頻率很低或很高時(shí)，相位皆趨于零，于中間某 個(gè)頻率上，相位取得負(fù)極值。,將圖中的相頻和幅頻特性曲線(xiàn)對(duì)比可看到，相位值與幅頻特性 曲線(xiàn)的斜率約成正比；振幅值隨頻率增大而下降的愈陡，相位值負(fù)得愈大；幅頻曲線(xiàn)的拐點(diǎn)約與相頻曲線(xiàn)的極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)。,相頻特性曲線(xiàn)的特點(diǎn)，也可對(duì)照穩(wěn)定電流激發(fā)下的時(shí)間特性進(jìn)行解釋?zhuān)喝缭陬l率很高(f→ ∞)時(shí)

29、，因二次場(chǎng)趨于零，總場(chǎng)等于一次場(chǎng)，故無(wú)相移；而頻率很低(f→０)時(shí)，相當(dāng) 于長(zhǎng)時(shí)間單向供電(T→∞)激發(fā)極化達(dá)飽和的情況，這時(shí)二次場(chǎng)雖最大，但其與電流同 步(即二次場(chǎng)無(wú)相位差)，故總場(chǎng)相位也為零。,此外，不難證明，若已知直流激電效應(yīng)的時(shí)間特性，便可換算出交流激電效應(yīng)的頻率特性； 反之，也一樣。這說(shuō)明直流激電(時(shí)間域)的觀測(cè)與交流激電(頻率域)的觀測(cè)，本質(zhì)上是一致的，在數(shù)學(xué)意義上是等效的；其間的差別主要在于觀測(cè)的方法技術(shù)

30、。,(2)描寫(xiě)交流激發(fā)極化效應(yīng)的參數(shù)既然交變電流場(chǎng)中的激電效應(yīng)以總場(chǎng)(或交流電阻率)的頻率特性為標(biāo)志，并且與穩(wěn)定電流場(chǎng)中激電效應(yīng)的時(shí)間特性有對(duì)應(yīng)關(guān)系，故可仿照直流激電特性參數(shù)——極化率的表示式(1.3-14)，定義下列參數(shù)以描述交流激電特性,式中ΔＵｆＤ和ΔＵｆＧ分別表示在兩個(gè)頻率(低頻fＤ和高頻fＧ)時(shí) 測(cè)得的總場(chǎng)電位差幅值。參數(shù)P(fＤ， fＧ）為電場(chǎng)幅值在該兩頻率間的相對(duì)變化 ，稱(chēng)為頻散率。頻散率也以百分?jǐn)?shù)表示

31、，故西方國(guó)家稱(chēng)其為“百分頻率效應(yīng)”。,在交流激電觀測(cè)中，除了頻散率外，還可觀測(cè)總場(chǎng)相對(duì)于供電電流的相位φ。前已述及 ，激電效應(yīng)引起的相位移與幅頻特性曲線(xiàn)的斜率或電場(chǎng)幅值隨頻率的變化率近似有正比關(guān)系 ；另一方面，頻散率P(fＤ和fG)也與幅頻特性曲線(xiàn)在頻率 fＤ和 fG 之間的平 均斜率約成正比。,由于實(shí)際觀測(cè)所用的兩個(gè)頻率(fD和fG )一般相差不大(十倍左右) ，可近似認(rèn)為P(fD ， fG)與在頻率 上測(cè)得

32、的激電相位成正比。可見(jiàn)在某個(gè)頻率 f 上測(cè)得的交流激電場(chǎng)相對(duì)于供電電流的相位移 φ，與該頻率附近測(cè)得的頻散率 P實(shí)測(cè)等效。因此，如同 P實(shí)測(cè)一樣，有關(guān)極限極化率η的規(guī)律，也定性地適用于激電相位的測(cè)量結(jié)果。,綜上所述，各種交流激電參數(shù)和直流激電參數(shù)均可相互聯(lián)系起來(lái)，即相位和頻散率及極限極化率和實(shí)測(cè)極化率參數(shù)間，都近似地存在正比關(guān)系。研究其中某種參數(shù)的性質(zhì)便可代表其余 參數(shù)的有關(guān)特征。,以上討論的全是純粹反映激電效應(yīng)的參數(shù)。在激

33、電法實(shí)際工作中，有時(shí)還采用某些綜合反映 巖、礦石激電性和導(dǎo)電性的參數(shù)。其它參數(shù)介紹在時(shí)間域中有金屬因素,激電率在頻率域中，相對(duì)應(yīng)的參數(shù)為：,顯然，金屬因素參數(shù)J有利于用來(lái)突出低阻極化體的異常；而激電率參數(shù) G 便于突出高阻極化體的異常。,(3) 譜激電法的柯?tīng)枺聽(tīng)?Cole－Cole)模型參數(shù)自激發(fā)極化法用于尋找礦產(chǎn)資源以來(lái)，在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，人們常用那些表征激電響應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，主要是極化率（時(shí)間域）和頻散率

34、。但石墨化的巖石或無(wú)工業(yè)價(jià)值的礦化都會(huì)產(chǎn)生與礦體十分相似的激電異常。造成干擾,為了識(shí)別礦與非礦異常（評(píng)價(jià)激電異常源），人們進(jìn)行多方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究。其中最為突出是Pelton等人（1978）研制的譜激電法。他是用柯?tīng)枺聽(tīng)柲Ｐ蛥?shù)描述激電譜特性的激發(fā)極化法。,他們的研究證實(shí)了大多數(shù)巖、礦石的激電譜可以用4個(gè)柯?tīng)枺聽(tīng)枀?shù)很好來(lái)定量地描述，并指出了可以根據(jù)巖、礦石的這4個(gè)參數(shù)（主要是時(shí)間常數(shù)和極化率）來(lái)評(píng)價(jià)激電異常。,A、柯

35、爾－柯?tīng)枺–ole－Cole）模型對(duì)礦化巖石來(lái)說(shuō)，可以把它的一個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元簡(jiǎn)化成下圖1.3－14（a）所示的結(jié)構(gòu)，其中包括被金屬硫化物阻塞的溶液孔隙通道和未被阻塞的溶液孔隙通道。此基本結(jié)構(gòu)單元可以用圖1.3－14（b）所示的等效電路來(lái)模擬。,電阻R1模擬未被阻塞的溶液孔隙通道中的溶液的電阻；電阻R2模擬被阻塞的溶液孔隙通道中的溶液的電阻與金屬顆粒的電阻的和；復(fù)阻抗（jωX）－C和R3的并聯(lián)組合模擬金屬－離子溶液界面阻抗。

36、,（1.3-28）,這一表達(dá)式稱(chēng)為柯?tīng)枺聽(tīng)栕杩贡磉_(dá)式式中：Z（0）－零頻率時(shí)的阻抗；m－極化率（相當(dāng)于η）；τ－時(shí)間常數(shù)；c－頻率相關(guān)系數(shù)。上述4個(gè)參數(shù)稱(chēng)為柯?tīng)枺聽(tīng)枀?shù),2、復(fù)電阻率的柯?tīng)枺聽(tīng)柋磉_(dá)式及其頻譜特性,式中ρ0是零頻率時(shí)的電阻率，其余參數(shù)與上述相同。用此式可計(jì)算出用柯?tīng)枺聽(tīng)柋磉_(dá)式表示的復(fù)電阻率的實(shí)、虛分量和振幅、相位的頻譜。,四個(gè)參數(shù)小結(jié)：ρ0和 m表征導(dǎo)電性和激電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)；C表征激電譜的陡緩

37、的參數(shù)；τ表征激電譜沿頻率軸或時(shí)間軸的位置的參數(shù)。,大量實(shí)測(cè)資料表明：C：0.1－0.6；導(dǎo)電礦物顆粒不均勻者C小；反之，C較大，常用值為0.25；τ有較大的變化范圍：n×10-2～n ×102 s,（a）、導(dǎo)電礦物顆粒大，相互連通較好的稠密、浸染狀、塊狀和細(xì)脈狀， τ值大。導(dǎo)電礦物連通越好， τ值越大，可達(dá)100s；（b）、無(wú)礦化的純離子導(dǎo)電巖石和導(dǎo)電礦物成細(xì)粒，互不相連的巖礦石，τ＜ 1s。,

38、三、表征巖石和礦石介電極化的參數(shù)利用巖礦石的介電性在利用交變電場(chǎng)進(jìn)行電法勘查的情況下，巖石、礦石的電性除顯示出與電阻率有關(guān)的傳導(dǎo)電流外，還顯示出與巖、礦石介電常數(shù)ε有關(guān)的“位移電流”。因此，在導(dǎo)電介質(zhì)中總 電流密度 j為：,Jρ 為傳導(dǎo)電流密度JD 為位移電流密度,,（1.3-39）,當(dāng) m>>1時(shí)，介質(zhì)中傳導(dǎo)電流起主要作用，此時(shí)可忽略位移電流作用 ；反之，當(dāng) m10)和介電體(m<0.1

39、)的范圍示于圖1.3-24,考慮到野外實(shí)際情況， 圖中取εｒ?yàn)?-50。由圖1.3－24可見(jiàn)，對(duì)于頻率f＜n·1000Hz及介質(zhì)電阻率＜105Ω·ｍ范圍內(nèi)皆 可忽略位移電流作用。在自然條件下，巖石電阻率一般很少超過(guò)該值。故在低頻電磁法中不考慮位移電流影響。只是在頻率超過(guò)106Ｈｚ的高頻電磁法(如探地雷達(dá)、無(wú)線(xiàn)電波透視法及其它電波法)中才考慮位移電流作用。,在諧變場(chǎng)情況下分析麥克斯韋第一方程時(shí)，如果以復(fù)介電

40、常數(shù)(對(duì)于導(dǎo)電介質(zhì))代替ε(對(duì)于介電體)，則在導(dǎo)電介質(zhì)和介電體中場(chǎng)滿(mǎn)足同一形式 的方程,復(fù)介電常數(shù)的虛部對(duì)實(shí)部的比值等于 電磁系數(shù)，并給出由介質(zhì)導(dǎo)電性引起的能量損耗特性。它等于損耗角的正切，即,絕大多數(shù)造巖礦物的相對(duì)介電常數(shù)不超過(guò)10 ～ 11，見(jiàn)表1.3-6。然而，一些氧化物、硫 化物和碳酸鹽的εr值可達(dá)20至80 ～ 170(如金紅石)。對(duì)于廣泛分布的巖石，尤其是沉 積巖，影響介電常數(shù)的主要因素是其含水性，

41、且水分子的張弛極化是介電極化的重要原因。 只是對(duì)于堅(jiān)固和干燥的巖石，礦物成分方為影響介電常數(shù)值的重要因素。,火成巖的相對(duì)介電常數(shù)εr 變化范圍為7 ～ 15。在超基性巖石和基性巖石中其值相對(duì)偏 高，而在酸性巖石中其值較低。變質(zhì)巖的εr 數(shù)在5 ～ 17范圍內(nèi)變化，沉積巖的εr 變化范圍較寬(2.5 ～ 40)。最低值是對(duì)干燥的多孔隙巖石測(cè)得的，最高值是這些孔隙 被地下水充滿(mǎn)時(shí)測(cè)得的。,對(duì)大多數(shù)疏松沉積巖而言，相對(duì)介電常數(shù)隨

42、巖石中相對(duì)水分含量的 增加而增大，見(jiàn)圖1.3-25。由圖可見(jiàn)，隨著濕度的增加，εr一開(kāi)始很快增加，最后達(dá)到飽和值100。在低頻電場(chǎng)中，濕度較低(1%)條件下已出現(xiàn)飽和現(xiàn)象；而在高頻電場(chǎng)中 ，當(dāng)濕度很高(10 ～ 30%)時(shí)才出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。,圖1.3-26是濕態(tài)和干態(tài)輝長(zhǎng)巖的相對(duì)介電常數(shù)、損耗角正切、電阻率等參數(shù)與頻率依賴(lài)關(guān) 系的標(biāo)本測(cè)量曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)，隨著頻率的增高，濕態(tài)標(biāo)本的介電常數(shù)和損耗角下降，且趨 近于干態(tài)的常數(shù)值。

43、,相反，對(duì)復(fù)電阻率曲線(xiàn)而言，濕態(tài)標(biāo)本的電阻率從(10５-10６Hz) 開(kāi)始下降，并趨近于干態(tài)的45°角漸近線(xiàn)。這一頻率可稱(chēng)為臨界頻率。由此可見(jiàn)，在低頻感 應(yīng)法的野外工作中，可認(rèn)為電阻率是不隨頻率變化的。,四、巖石和礦石的磁性磁導(dǎo)率是電磁感應(yīng)法中利用的另一重要物性參數(shù)，它表征物質(zhì)在磁化作用下集中磁力線(xiàn)的性質(zhì)。在交變電磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H間存在如下關(guān)系B=μH其中μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，或稱(chēng)絕對(duì)磁導(dǎo)率。