普通物探_第3-2节_电法勘探之激发极化法

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1、（华东）3.2 激发极化法 电阻率法测量时，稳定场的建立需要一个过程： 通电后，可观测到测量电极间的电位差随时间而变化（一般是变大），并经过相当长的时间（通常是几分钟）后趋于某一稳定的饱和值； 断电后，测量电极间的电位差在最初的瞬间很快下降，而后随时间相对缓慢地衰减，并在相当长的时间(也是几分钟)后接近于零。 这种现象表明，岩（矿）石在外电流（一次场）激发作用下产生了二次（极化）电场。充电和放电曲线（华东）激发极化法 这种在充电和放电过程中产生的随时间缓慢变化的附加电场现象称为激发极化效应，简称激电效应，它是岩（矿）石及其所含水溶液在电流作用下所发生的复杂电化学过程的结果。 激发极化法（简称激

2、电法）就是以不同岩（矿）石激电效应的差异为基础，通过观测和研究大地激电效应，用于探查地下地质情况的电法分支方法。 进行激电法测量，可以用直流电激发激电场，在时间域进行观测，称为直流（时间域）激电法，也可以用超低频交流电激发激电场，在频率域观测，称为交流（频率域）激电法。（华东）激发极化法 激电法是重要的金属矿电法勘探方法之一，最初主要用于勘探浸染状的铜、铀等金属矿床。 激电法的应用范围很广，在金属与非金属固体矿产的勘查、寻找地下水资源、油气矿藏和地热田等方面都获得了成功的应用。不同岩石矿物结构（华东）激发极化法 AAA 主要内容 3.2.1 激发极化法的理论基础 3.2.2 激电测深曲线的特点

3、 3.2.3 激电测深法的方法技术 3.2.4 激电测深法在油气勘探中的应用 （华东）3.2.1 激发极化法的理论基础 A 主要内容 1. 岩（矿）石的激发极化机理 2. 测量岩（矿）石激电特性的装置 3. 稳定电流场中岩（矿）石的激电特性（华东）1. 岩（矿）石的激发极化机理 实验研究表明，电子导体（包括大多数金属矿和石墨及其矿化岩石）的激发极化机理与电化学中供电电极的电解极化相同，是电子导体与其周围溶液的界面上发生过电位（Overvoltage）的结果。 一般造岩矿物为固体电解质，属离子导体，在野外和室内也能观测到较明显的激电效应。关于离子导体的激发极化，一般都认为与岩石颗粒和周围溶液界面

4、上的双电层有关。（华东）（1）电子导体的激发极化机理 在一定的外电流作用下，电极和溶液界面上的双电层电位差相对于平衡电极电位的变化，在电化学中称为过电位或超电压。过电位的产生与电流流过电极-溶液界面相伴随的一系列电化学反应（简称电极过程）的迟缓性有关。 在电子导体与溶液的界面上自然形成双电层电位差（电极电位），称为平衡电极电位，如图（a）所示。电子导体的激发极化过程 （华东）电子导体的激发极化机理 当有电流流过上述电子导体-溶液系统时，在电场的作用下，电子导体内部的电荷将重新分布，自由电子在电流流入端相对聚集，形成“阴极”，电流流出端则形成“阳极”；外电层也发生相应的变化，在电子导体的“阴极”

5、和“阳极”分别形成阳离子和阴离子的堆积，如图（b）所示。在供电瞬间，过电位迅速建立并急剧增大，随供电时间的延续，其增长变缓并趋于饱和。电子导体的激发极化过程 （华东）电子导体的激发极化机理 外电流断开后，维持过电位的能源已不存在，堆积在界面两侧的异性电荷将通过界面本身、电子导体内部及周围的溶液放电，如图（c）所示，使界面上的电荷分布逐渐恢复到正常的双电层；与此同时，过电位亦随时间逐渐减少，直至最后消失。这就是过电位的放电过程。电子导体的激发极化过程 （华东）（2）离子导体的激发极化机理 由于阳离子的交换特性，在岩石颗粒和周围溶液得分界面上形成双电层：靠近界面的部分，阳离子被固相表面的异性电荷吸

6、引，不能自由活动，形成紧密层；稍微远离界面，吸引力减弱，阳离子可以在一定范围内平行岩石颗粒表面移动，形成分散层。岩石颗粒-溶液界面上的双电层结构（华东）离子导体的激发极化机理 在外电场作用下，溶液离子在岩石孔隙通道中移动，在毛细管的电流流出端形成离子的堆积，而在电流的流入端则出现离子的不足，浓度差异使离子往浓度小的方向扩散，产生扩散起因的二次电场。二次电场阻碍离子浓度的进一步增长，使浓度差异和二次电场随时间的增大而趋于饱和。岩石颗粒-溶液界面上的双电层结构（华东）离子导体的激发极化机理 外电场断开后，离子通过扩散而逐渐恢复原来的状态，二次电场随时间衰减，最后消失。 离子导体岩石的激电特性决定于

7、离子扩散的路径，即孔隙的构造，如颗粒和孔隙的大小等。岩石颗粒-溶液界面上的双电层结构（华东）2. 测量岩（矿）石激电特性的装置 将待测标本置于绝缘的、不透水的长方形小盒内，标本与盒底、盒边之间用熔融的石蜡或橡皮泥密封，使标本两侧溶液互不流通； 两侧溶液的液面高度相同，略低于标本顶面； 在小盒的两端各放一块铜板作供电电极A和B，在盒内溶液中产生均匀电场； 在标本两侧各放置一个不极化电极作为测量电极M和N。测量岩（矿）石标本激电特性的装置简图（华东）3. 稳定电流场中岩（矿）石的激电特性 主要内容： （1）激电场的时间特性 （2）激电效应与供电电流密度的关系 （3）描述激电特性强度的参数 （4）不

8、同岩（矿）石的极化率 （5）等效电阻率（华东）（1）激电场的时间特性 图中所示为黄铁矿化岩石标本上测得的电位差随供电时间和断电时间的变化曲线，该曲线表示了激电场的时间特性。 接通电源的瞬间（t = 0），测到的是一次场电位差，此后，电位差随时间的增大开始迅速增大，然后增长变缓，最后趋于某一饱和值。供电时的总场电位差是一次场电位差和二次场电位差之和，即：122( )( ) (0)( )U tUUtUUt 黄铁矿化岩石标本上的激电场测量结果 a: 实测的U(t)充电曲线 b: 换算的U2(t)充电曲线 c: 实测的U2(t)放电曲线（华东）激电场的时间特性 总场电位差的变化曲线称为充电曲线，它反映

9、了激电效应在供电后的充电过程。 供电时的二次场电位差U2(t)可由总场电位差减去一次场电位差求得，如图中曲线b所示。 断电后测到的仅为二次场的变化，断电瞬间的二次场电位差等于供电过程末尾的二次场电位差，其后随断电时间 t 的增大而衰减，直到最后消失，该曲线称为放电曲线。 黄铁矿化岩石标本上的激电场测量结果 a: 实测的U(t)充电曲线 b: 换算的U2(t)充电曲线 c: 实测的U2(t)放电曲线（华东）激电场的时间特性 激电场的时间特性主要决定于极化类型和岩（矿）石的结构。主要由电子导体产生的激电场一般充、放电较慢，其中致密金属矿最慢，浸染金属矿及矿化次之；离子导体的激电场般充、放电速度最快

10、，其中，颗粒细小的又比颗粒粗的快；此外，实验研究和实际测量结果还表明，含盐水的岩层要比含淡水的岩层充、放电速度快。 激电效应的时间特性对评价激电异常和利用激电法找水均有实际意义。黄铁矿化岩石标本上的激电场测量结果 a: 实测的U(t)充电曲线 b: 换算的U2(t)充电曲线 c: 实测的U2(t)充电曲线（华东）（2）激电效应与供电电流密度的关系 理论研究和标本测定均表明，在实际测量的电流密度下（如 ），一般岩石的激电效应与供电电流密度间都存在线性关系，即二次场电位差与电流密度成正比。 对于线性介质，供长直流脉冲电流时的时间响应 U(T) 与瞬变响应 U2(t) 之间有如下关系： 即长时间供电

11、达到饱和时的总场电位差，减去供电某一时刻 T 的总场电位差，等于断电后 t=T 时的二次场电位差。20mA/m10j2( )( )( )UtUU T （华东）激电效应与供电电流密度的关系 激发电流密度较大时（对黄铁矿 ），不同电流密度的归一化电位充、放电曲线互不重叠，并且阴极和阳极过电位曲线也彼此分开，表现出明显的非线性和阴极或阳极优势。20mA/m500j（华东）（3）描述激电特性强度的参数 在激电效应与供电电流密度质间呈线性关系的条件下，引入极化率参数以表征岩（矿）石激电特性的强弱： 式中U2(t) 为断电后某一时刻 t（延迟时间）测量的二次场电位差；U(T)为断电前测量的总场电位差； 极