激发极化法解析ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 激发极化法,在进行电阻率法测量时，人们常常发现：在向地下供入稳定电流的情况下，仍可观测到测量电极间的电位差是随时间而变化（一般是变大），并经相当时间（一般约几分钟）后趋于某一稳定的饱和值；在断开供电电流后，测量电极间的电位差在最初一瞬间很快下降，而后便随时间相对缓慢地下降，并在相当长时间后（通常约几分钟）衰减接近千零。这种,在充电和放电过程中产生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（简称激电法）是以不同岩、矿石激电效应之差异为物质基础，通过观测和研究大地激电效应，来探查地下地质情况的一种分支电法。,第一节激发极化法基础,一、岩石和矿石的激发极化机理,（一）电子导体的激发极化机理,电子导体（包括大多数金属矿和石墨及其矿化岩石）的激发极化机理一般认为是由于电子导体与其周围溶液的界面上发生过电位差的结果。,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平衡电极电位之变化，在电化学中称为“过电位”或“超电压”。,平衡电极电位,过电位,（二）离子导体的激发极化机理,关于离子导体的激发极化机理，,所提出的假说和争论均较电子导体的多,，但大多认为岩石的激电效应与岩石颗粒和周围溶液界面上的双电层有关。其中一个比较有代表性的假说是双电层形变假说。,双电层形变形成激发极化的速度和放电的快慢，决定于离子沿颗粒表面移动的速度和路径长短，因而较大的岩石颗粒将有较大的时间常数（即充电和放电较慢）。这是用,激电法寻找地下含水层的物性基础,。,二、稳定电流场中岩石和矿石的激发极化特性,岩、矿石的激发极化分为理想的两大类。,第一类是“,面极化,”，如致密的金属矿或石墨矿均属此类。其特点是激发极化都发生在极化体与围岩溶液的界面上。,第二类是“,体极化,”，如浸染状金属矿和矿化（包括石墨化）岩石及离子导电岩石的激发极化都属此类。其特点是极化单元（微小的金属矿物或岩石颗粒）成体分布于整个极化体中。,标本在外电流激发下，电流流入端成为,阴极,，产生阴极极化；电流流出端成为,阳极,，产生阳极极化。在标本一端的边缘及其相邻近的水溶液中分别放置测量电极,M,和,N,，,用毫伏计测量外电流场激发下标本与水溶液界面上的过电位,。,石墨（,a,）,和黄铜矿（,b,）,标本在不同外电流密度,j0,的激发下，阳极过电位（实线）和阴极过电位（虚线）随充电时间,T,和放电时间,t,的变化曲线。,引入一个称为极化率,yita(T,t,）,的新参数，来表征体极化介质的激电性质,:,式中,deltU2(T,t),是供电时间为,T,和断电后,t,时刻测得的二次电位差。,极化率是用百分数表示的无量纲参数,。由于,deltU2(T,t),和,deltU,（,T,）,均与供电电流,I,成正比（线性关系），,极化率是与电流无关的常数,。但极化率与供电时间,T,和测量延迟时间,t,有关，因此，当提到极化率时，必须指出其对应的供电和测量时间,T,和,t,。,为简单起见，如不特加说明，一般便将极化率,yita,定义为长供电和无延时的极限极化率。,大量实测资料表明，地下体极化岩、矿石的极化率主要决定于其中所含电子导电矿物的体积百分含量及其结构。一般说来，含量越大，导电矿物颗粒越细小，矿化岩（矿）石越致密，极化率就越大。完全不含电子导电矿物的岩石，其极化率通常很小，一般不超过,1,2,，少数可达,3,4,。,激电效应随岩、矿石中电子导电矿物含量增高而增强的特性，是激电法成功应用于金属矿普查找矿的物理,化学基础。,（一）交变电流场中岩、矿石的激发极化现象,虽然各种岩、矿石的幅频和相频曲线的基本性态都是一样的，但不同的岩、矿石有不同的频率特征。在时间域中充、放电、较快的岩、矿石，在频率域中便具有,高频特征,在比较高的频率上总场值才快速衰减，并取得相位极值；反之，在时间域中充、放电、较慢的岩、矿石，在频率域中则具有,低频特征,总场幅值的迅速衰减和相位极值出现在较低的频率上。,频率城激电测量和时间域激电测量在本质上是一致的，在数学意义上是等效的，差异主要在技术上。,三、交变电流场中岩石和矿石的激发极化性质,四、激发极化场的计算和模拟方法,要计算任何一种视激电参数，都需要先计算包括一次场和激电二次场在内的极化总场。,激发极化的形成和衰减是一个比较缓慢的过程，在时间域中，充、放电过程大体发生在（,nx10(-2)nx10(2)S,）,的时间区段中；在频率域中激电效应基本上只发生在超低频段上（,nx10(-2)nx10(2)Hz,）。,对于这样缓慢变化的电场，通常可以忽略电磁感应和电磁辐射效应。所以,在计算激发极化总场时可以近似采用对稳定电流场的处理方法，即用标量电位,U,来描述极化总场，它可通过求解拉普拉斯方程的边值问题来获得。,第二节 常用装置的激电异常,激电法可以沿用电阻率法的各种电极装置，其中用得比较广泛的有,中间梯度,（中梯）、,联合剖面,（联剖）、,对称四极测深,（测深）和,偶极一偶极,（偶极）等装置。下面将根据前节介绍的计算和模拟方法获得的结果，分别讨论上述装置的激电异常特点。,1,主剖面上的异常,主剖面,yita(s,),剖面曲线，和,高阻球体上的中梯,Ps,异常曲线形状相同,：在球心正上方有异常极大值，两侧异常对称地减小，并在出现负的极小值后逐渐回升到零。由球外二次场的电流分布（虚线），可解释上述异常特征。,Yita(s,),异常幅度随球体几何参数和电参数的变化规律和前面讨论球体二次场电位的变化规律是完全一致的。,一、,球形极化体的中梯激电异常,体极化和面极化球体中梯激电异常的空间分布，都近似与位于球心的电偶极子的电场分布相同。,2,异常的平面分布,球体的,yita(s,),异常平面等值线,具有拉长的图形,，其走向垂直于外电场方向。当改变供电（即测线）方向时，等值线将随之改变延伸方向。但是由于球体的对称性，等值线的形状并不改变。,Yita(s,),异常平面等值线呈伸长图形容易产生错觉：似乎引起激电异常的极化体也有相应的延伸形状。但是，,yita(s,),剖面平面图可反映出极化体走向不长的特征，当测线离开主剖面时，凡异常曲线的幅度明显降低，而宽度明显增大。,二、,球形极化体的联剖激电异常,球形极化体视极化率联剖曲线与高阻球体上视电阻率联剖曲线的形状相似，其共同特点是用,AMNoo,和,ooMNB,测得的视极化率曲线（,yita(sA,),和,yita(sB,),）,相互对称，并在球心上方有高的反交点。在电极距,AO,相对于球心深度不大时，异常幅度较小，形状比较简单，在反交点两侧,yita(sA,),和,yita(sB,),各,有一个极大值和极小值。,随着极距增大，异常幅度上升，同时形状变得较复杂，在反交点两侧，,yita(sA,),和,yita(sB,),各有一个主极大值，其后又出现一个次极小值和次极大值。后者是由于供电电极通过球体上方时引起的。,当电极距进一步增大时，,yita(sA,),和,yita(sB,),的次极小值进一步降低，同时，主极大值点向球心上方的反交点靠近，两条曲线的分异性变差。而当电极距很大时，,yita(sA,),和,yita(sB,),重合，变成中梯装置的,yita(s,),曲线。,高极化体上的激电异常在形式上和高阻体上的,Ps,异常相似。这可从“等效电阻率法”原理得到解释，按照这一原理，激电效应等效于各极化体的电阻率从真电阻率,Pi,增大到等效电阻率,Pi0,Pi/(1,一,yita(i,),，,故某极化体引起的二次场异常等效于该地质体电阻率增高引起的一次场异常。,当测深点偏离球心正上方时（,x=0.5,），,yita(s,),异常值变小；,当测深点偏离到球体在地面投影边缘或投影外时,(x=1),yita(s,),测深曲线出现极大值（变成三层,K,型），并在电极距,AB/2,oo,时，,yita(s,),趋于较极大值小的渐近值。不难理解，各测深点上,yita(s,),测,深曲线在,AB/2,oo,时的（右技）渐近值，等于中梯装置在该点的,yita(s,),值,。,当,xh0/sqrt(2),时，渐近值为负值。,yita(s,),测深曲线出现极大值，是由于供电电极移动到球体上方附近对球体的极化作用较强并改变极化方向的结果。,这给我们一个启示，即当在野外某个极化体上布置激电测深工作以研究该极化体时，应尽量不使供电电极在测深过程中越过相邻极化体，以避免或减小后者对测深曲线的畸变影响。为此，通常应使激电测深的布极方向沿极化体走向布置,四、对称四极测深装置的激电异常,电阻率测深主要用于层状构造，激电测深主要用来研究局部不均匀体。,球形极化体上的激电测深曲线,测深点位于球心正上方,(x=0):,yita(s,),测深曲线为二层,G,型：在小电极距，,yita(s,),接近围岩极化率,yita(1)=0,；随着极距增大，球体的作用变大，,yita(s,),逐渐增高；而当电极距很大时,yita(s,),趋于一个渐近值。该渐近值便为中梯装置在同一球体上的,yita(s,),极大值。,第三节 激电法方法变种的选择,激电法包括若干方法变种。,时间域激电法,：它测量某一持续时间,T,（,从几秒到几十秒）的单向或双向矩形脉冲电流激发下，二次电位差在断电后某一时刻,t,y,的瞬时值,U,2,(t,y,),或某一时间区段的积分值,时间域激电法的观测仪器较易制造，而且由于通常是观测供电脉冲断开几百毫秒之后的二次电位差，,受电磁耦合的干扰较小,，故工作方法和解释理论都比较简单。但这种时间感观测仪器乃是宽通带的接收机，对大地噪声、工业游散电流和极化不稳等的抗干扰能力差，加之待测的二次电位差通常远比一次电位差小，,为提高信噪比往往要求大功率供电，从而使这种方法的装备十分笨重，生产效率较低、成本高,。,根据这些测量结果计算,视,极化率或视充电率,t,y,断电后开始测量的延迟时间；,t,j,积分时间。,频率域激电法,：以观测交变总场电位差幅值为基础的,变频激电法,。这种方法至少要在两个频率上作观测，以获得视频散率,在两个频率上作观测使其野外工作不便，生产效率也较低。,为克服此缺点，以观测地面交变总场电位差相对于交变供电电流之相位移（视相位）为主要参数的,相位激电法,可以只在一个频率上作观测，这相对于变频法是一个进步。,变频法和相位法的接收机可采用选频性能很好的电子线路，观测给定频率的信号，因而抗干扰能力较强。这就降低了对供电电流强度的要求（通常可比常规时间域激电法减小十倍）。,频率域激电法的一个比较突出的问题是电磁偶合干扰,。为校正这种干扰就要求增加频率数，这又将降低生产效率。,复电阻率法,:,这种方法通过对实测复频谱的反演，可以识别和划分出激电和电磁耦合效应；并根据反演获得的激电谱参数（,P,s0,，,m,s,，,C,s,和,s,），,按结构区分引起激电异常的极化体和发现深部隐伏矿。,由于进行谱参数反演时有多解性，故应通过试验工作小心地总结该地质环境下的有关规律，以减少或消除多解性。频谱激电法的仪器、装备、观测技术、数据处理和推断解释理论都比较复杂；此外，它必须在若干频率上逐个频率进行观测，因而,生产效率很低,。所以，这种方法宜用作异常检查、评价和在有希望的地段发现深部矿，而不适用于普查找矿。,时间域谱激电法：,是既保持频谱,激,电法能获得丰富信息的优点，又能提高生产效率的一种新方法。这种方法观测直流脉冲激发下总场电位差的充电过程,U(T),（,次要的）和断电后二次电位差的放电过程,U,2,(t),（,主要的）。,根据时间特性和频率特性的等效性可知，时间域谱激电法能获得频谱,激,电法同样的信息；而前者原则上讲只要作一次测量便可获得所需的时间谱数据。由于微电子技术的发展，当代时间域激电测量系统已能通过自动跟踪和补偿极化电位差、信号增强技术和数字滤波等来有效地压制干扰，克服早期时间域测量的缺点，使