Question

电阻率剖面法的应用

Answer 1

（一）电阻率法的仪器及装备

1.对电阻率法仪器的基本要求

为了便于观测和保证精度,要求供电电源输出稳定,电压连续可调,而对接收机则要求：

1）灵敏度高。仪器灵敏度越高,可测的ΔU_MN值越小。在ρ_s一定的条件下,ΔU_MN与I成正比。因此,提高仪器灵敏度可减小供电电流,有利于减轻电源重量和减少供电电极数目,并可用细的供电导线,从而使整个装备轻便。

2）抗干扰能力强。仪器要求对50Hz工业干扰信号和各种偶然干扰具有很强的拟制能力,以保证仪器的高灵敏度。

3）稳定性高。野外用的仪器要求能够适应各种气候条件,因此仪器应能在相当大的温度和湿度变化范围内保持性能稳定。

4）输入阻抗高。要使在野外接地条件改变的情况下仪器仍能保持所需精度,要求仪器具有较高的输入阻抗。

2.电阻率法的装备

除电测仪器外,野外工作中还需要有：供电电源、供电和测量电极、导线、线架和通信设备。供电电源常用90V电池箱、12V蓄电瓶或小型发电机。供电电极常用40～50cm长,直径为1～2cm的铁棒,一般制成锥形以便打入地下。测量电极用30～40cm长,直径为1～2cm的铜棒,也要制成锥形。用铜棒是因为铜较铁化学性质稳定些,可减少电位差测量中的干扰。导线与线架按工区条件、工作电流大小等因素选择电阻小、拉力大、重量轻、绝缘好、耐磨损的导线,为应用方便常常把导线绕于各式线架上。通信设备可采用对讲机。

（二）岩、矿石电阻率的测定及资料整理方法

1.岩、矿石电阻率的测定方法

不同岩、矿石电性参数的差异是布置电阻率法工作的前提,也是解释电阻率法资料的重要依据,因此,测定和掌握不同岩、矿石电阻率是电阻率法工作中不可缺少的部分,这项工作应贯穿于整个电阻率法测量工作过程中。

测定的方法可以概括为三类：露头法、标本法和测井法。这里仅介绍前两种方法。

（1）露头小四极法

对有天然露头或人工露头（如探槽、坑道）的岩石或矿体,用小四极法在露头上直接测定。测定时,可选择在露头较为平坦的地面上进行,既可单点观测,也可进行小极距测深或按一定距离做剖面观测,测定时应注意下面几点：

1）选择比较新鲜的、有平坦表面的岩石露头,其长度至少应为2

,宽度至少为1.5

；

2）选择两个相互垂直的方位布极,以了解岩石的非各向同性；

3）供电电极必须满足点电源要求；

4）配备附加电阻,需要时串入供电回路,以减小供电电流,或作为标准电阻以测定较小的供电电流值；

5）接地电阻过大时,可在电极下垫一小团浸透硫酸铜溶液的棉花球；

6）为提高所观测参数的可靠性,应进行重复观测,可改变电流或视情况稍加大极距进行测定；

7）测定时,除了记录观测数据外,还应记录测点号、位置及简略描述测点附近岩石的成分、结构、蚀变、矿化和含水性能。

（2）标本小四极法

标本法是在野外采集岩、矿石标本,在室内测定其性能的方法。与露头法相比,此法可比较深入、细致地研究岩、矿石的电学性质。但由于标本难以保持天然条件下的温度、湿度等,电阻率参数的真实性较差。在踏勘阶段或普查工作中,或者其他方法在取得电阻率资料受到限制的情况下,用标本法测定岩、矿石电阻率参数,以对各类岩石的电阻率做相对比较,还是有意义的。应该注意下列几点：

1）选择较平坦的标本面等距排列电极,

至多为标本长度的2/3,但不应超过标本的宽度；采集标本的体积尽量大些,一般应6cm×6cm×10cm；

2）为了了解岩石的非各向同性,应分别在不同方向布极观测；

3）电极应尽可能小；改善接地条件可在电极下垫一含硫酸铜溶液的小棉球,但其直径不应大于电极距的1/10长度；

4）干燥标本应浸水处理,测量前将水擦净；

5）以采用较短的供电时间为宜。

测定岩、矿石电性应有代表性,在测区内均匀分布。测定时,须记录测点编号、位置,并简述测点附近岩石的成分、结构、构造、蚀变、矿化和含水性能。

2.岩、矿石电阻率资料的整理方法

岩、矿石电阻率的数值在相当大的范围内变化。因此,在某一露头或某一标本所测得的电阻率值,并不能代表整个工区该种岩、矿石的电阻率值。为了对全工区各种岩、矿石电阻率值获得较全面的认识,必须在全工区各地段选择一些露头或采集一些标本测定其电阻率。即使是测定数量相当多,测定方法本身误差不大,所得结果仍然是很分散的,不易确定某种岩、矿石电阻率的数值,必须将测定结果加以统计整理。野外常用的表示方法有：绘制分布曲线、计算电阻率的几何平均值等。

（三）野外工作方法与技术

1.测区范围、测网与比例尺

根据任务书的要求及工区的地质、矿产和过去物探工作等情况,合理地确定测区范围。测区范围应包括整个被探测对象可能存在的地段,应保证探测结果轮廓完整,其周围应包括一定面积的“正常”地段。同时要照顾到测区边界整齐规则。如果测区边沿发现异常时,应根据需要扩大测区,将异常追索完整。

测线的方向应垂直被探测地质体的主要走向。如成矿受构造控制,测线应垂直构造的走向；成矿受岩性的控制,则应垂直岩层走向。当发现的异常走向与测线交角小于90°过多时,应垂直异常走向布置补充工作。

测网密度由被探测地质体的大小、埋深和工作性质来确定。普查时,至少要有1～2条测线穿过异常,每条测线上至少有3～5个测点在异常区；详查时,至少应有3～5条测线、5～10点/线穿过异常；精测工作的测网密度要求是：当再加密点线距时,异常基本特征不变。在野外施工发现了异常时,操作员根据情况加点、加线,以了解异常基本形态。

测网密度和比例尺说明物探工作的详细程度。一般将测线的实际距离缩小为图上1cm,此缩小比例即为相应的比例尺,因此物探图上线距都是1cm。

电法普查常用的测网为100m×50m、100m×20m；详查常用的测网为50m×20m、20m×10m。相应的比例尺为1：1万、1：5000和1：5000、1：2000。

测网的敷设均在电法测量工作开始前进行,通常以较高精度的基线控制测区和测线。为了保证绘图准确,基线应与附近国家三角点联测。电阻率法具体对测量精度的要求如下。

（1）测点平面位置的精度要求

测点平面位置存在误差时,展在图上后将使按测点绘制的物探曲线以及地质体形态产生畸变,与事实不符；而且物探图与地形图、地质图综合时将发生位移,因此规范规定,测点位置在图上最大误差为2mm。

（2）相邻点距和电极排列方向的精度要求

相邻点距和电极排列方向的误差,影响各电极之间的距离和方向,即影响ΔU和K值。但计算ρ_s时,K值采用无误差的标准值,于是计算出ρ_s带有误差,从而使ρ_s曲线带有假象,因此敷设测点必须满足一定的精度要求。

按规范规定：当点距小于或等于10m时,相邻点的测定极限误差不超过6%。当点距大于10m时,相邻点距的测定极限误差不超过4%,A、B、M、N应排列在一条直线上,方向差不超过5°。

2.电极距的选择

我们知道,勘探深度与电极距的大小有关,对于埋藏深度一定的勘探对象,若采用电极距过小,则电流达不到探测对象,因此视电阻率也就不反映所勘探的地质体；相反,采用的电极距过大,虽然电流流的深了,但对不同地质体不一定得到最明显的异常（有些形状的地质体存在最佳极距）,布置大极距工作时所需的装备也笨重,功效低,成本高,因此合理选用电极距是电剖面法野外工作的重要问题。

（1）联合剖面法极距的选择

对于联合剖面法的极距有供电电极距AO、BO（无穷远极）,测量电极距MN。一般对AO的选择,主要考虑勘探对象的形状和顶部埋深大小。对自然条件下遇到最多的脉状矿体,为得到比较明显的异常,就得选择最合适的极距（称最佳极距）,通过实验得出AO的大小应等于或大于三倍矿顶埋深,即

AO≥3H（H为矿顶埋深）

经过大量模拟实验还发现,对薄板状良导性矿体而言,只有当某一特定最佳极距时,才能观测到最明显的异常,比这一特定最佳电极距再小或再大均会使异常变得不明显,这个最佳极距为

AO＝12（L+D）

其中：L为矿脉沿走向的长度；D为矿脉向下延伸的长度；如果临近有不均匀体,还应使

P（P为矿体与不均匀体之间的距离）

（2）对称四级法极距的选择

实际工作中常用的数据如下：

AB＞（4～6）H

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其中：H为矿顶埋深。复合四级剖面中,小极距A′B′主要反映浅部,大极距反映深部,两者的比值在两倍以上。

（3）中间梯度法电极距的选择

在保证观测质量可靠的前提下,供电电距AB应尽可能大,测量电极距 MN＝

AB,实际工作中为了跑极方便,一般均使MN等于测点距。

其理由如下：AB越大,电流分布越深越广,AB中部近似均匀的正常场范围就加深加大,有利于异常幅度加大,也使观测范围扩大了。这样不但使异常显示更明显,而且可以减小转移排列的次数,提高质量和效率。故选取极距时,还要使ΔU＞20ΔU_干扰,以保证观测质量。

3.质量检查及精度要求

原始资料的准确性是取得良好地质效果的重要前提。原始资料不可靠,就无法做出正确地分析和解释。所以在野外要做一定的检查观测,以衡量工作质量。

了解原始资料的准确性,可通过重复观测及系统检查观测两种方式进行。前者是操作员在进行野外基本观测的过程中,发现读数过小点、可疑点、突变点等情况,自己决定进行的,视工作需要而定,无一定的比例数规定。这种检查是在相同工作条件下的等精度重复测量。后者是根据工作情况、工作成果,在一个阶段内,为评价某测区总体工作质量而进行的独立检查观测（不同日期、不同操作员）,其工作量不应少于总工作量的5%,检查点应较均匀地分布在全测区,有异常的地段要重点检查。

两种检查观测的要求如下。

（1）重复观测

在采用改变供电电极接地条件或改变供电电源电压的办法,改变供电电流强度25%以上的情况下进行重复观测。重复观测的精度,按“相对误差”（δ）计算,即

电法勘探技术

式中：ρ_s为原始观测的视电阻率值；ρ′_s为重复观测的视电阻率值。两次观测的百分相对误差δ＜5%,认为是合格的。

两次观测不合格时,如有一次极距跑错,则作废之；如是同点位重复观测超差时,则应进行多次重复,并按二比一原则取数,参加平均的n次读数按以下公式衡量精度：

电法勘探技术

（2）系统检查观测

系统检查观测一般按照“均方相对误差”（M）衡量精度：

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式中：Δρ_si为某一检查点上原始观测与检查观测的视电阻率差,即Δρ_si＝ρ_si－ρ′_si；

为检查观测与原始观测视电阻率的算术平均值,即

；n为检查观测的总点数。

均方相对误差M＜4%,认为质量是可靠的。个别点“相对误差”最大不超过“均方相对误差”的三倍。相对误差超过均方相对误差的点数,不得超过总检查点数的三分之一。

当遇到系统检查观测与原始观测曲线形态一致,但存在明显的系统误差时,应查明原因（例如,地表及浅部温度变化、仪器性能改变等）,允许在进行系统误差校正后,再进行均方相对误差或相对误差的计算。

当评价某工区工作质量时,除观测精度之外,还应考虑最小电位差小于0.5mV的不得超过总工作量的10%。

4.保证观测质量的措施

提高观测精度、保证观测质量的措施,主要包括提高信噪比、减小漏电影响、克服干扰、提高仪器的测量精度等方面。

（1）提高信噪比

可以通过加大电源功率和减小接地电阻来实现,因为电源功率不便改变,所以实际工作中主要通过减小接地电阻的办法来提高信噪比。

图1-35 计算半球形电极的接地电阻

所谓接地电阻,就是电流由电极分散流向岩石这个大导体所受的阻力。一个电极的接地电阻,是指从这个电极表面到无穷远之间的大地电阻。若电极是半球形,通过这个电极向电阻率为ρ的岩石中供电,电流呈辐射状流出。如图1-35所示。用求点电源电位公式的方法求出其电极的接地电阻为

电法勘探技术

若是棒状电极,其接地电阻为

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式中；l为电极入土深度；r₀为电极半径；ρ为岩土电阻率。

由式（1-56）和式（1-57）可见：接地电阻与电极半径成反比,即电极半径越大接地电阻越小；棒状电极入土深度越大,接地电阻越小；而接地电阻与岩石电阻率则是成正比,即岩石电阻率越小,接地电阻越小。

由此可知减小接地电阻的办法是：一方面增大电极与岩土接触的表面积,通常是将电极打深一些,或者用n根电极并联,而n根电极并联后,总接地电阻降低为单根的1/n；另一方面是减小电极周围岩土的电阻率,通常是在电极处浇水,甚至浇盐水,或者在不影响电极位置误差情况下,尽量选择电阻率低的潮湿地方打电极。

（2）减小漏电影响

漏电可发生在供电线路（包括电源）、测量线路和仪器各部位。因为研究电场分布规律和特征时,测量的电位差只考虑AB两个点电源的贡献,在电场中只考虑MN两点间的电位之差。如果在供电线路上出现漏电点,则多出了供电点；若测量线路出现漏电点,测出来的就不是MN两点间的电位差,而是更多点间的电位差了,所以漏电将严重影响观测质量。

减小漏电的办法：对于供电线路,一方面减小漏电电流,采取措施保证供电导线和电源绝缘良好,另一方面减小漏电电位差,让供电线与测量线相隔一定距离；对于测量线路,一方面加大导线的漏电电阻,采取措施保证导线对地绝缘良好,另一方面减小测量电极接地电阻；对于仪器可用橡皮垫将仪器和人对地绝缘。

（3）克服干扰

野外常见的干扰,包括极化不稳、大地电流、游散电流和感应干扰等。电阻率法是观测人工电场作用下MN间产生的电位差,而实际测量时在测量电极间还会有这些干扰电位差叠加进来,从而影响观测质量。

极化不稳是当电极与土壤中的水溶液接触时产生的电极电位发生变化时,引起极化电位差随时间变化的现象。克服极化不稳的办法是：采用化学性质稳定的金属做测量电极,如采用铅电极就优于铜电极,甚至采用不极化电极；避免将电极打在流水或腐殖物中；加大电位差数值。

大地电流是存在于地壳中的一种随时间变化的电流,它随太阳的辐射强度和大气圈电离层的状况而变化,因而时大时小。减小其影响的方法：在大地电流弱的时间工作,如避开中午工作；垂直大地电流的主要方向布极；加大供电电流,即增大电位差,以压制干扰；进行多次观测多次叠加,合理取舍读数。

游散电流是从接地线流入地中的电流,由于用电量的大小和地点的变化,使得游散电流的电流密度大小和方向都随时在变化。减小游散电流影响的方法：采用50周滤波器,消除交流成分的干扰；其他与减小大地电流影响的方法类似。

电磁干扰是由电磁感应引起的一类干扰。包括测量导线摆动切割地磁场磁力线产生的感应电动势、供电线与测量线之间的感应、测量线与电线或通信电缆之间的感应。减小或克服感应的办法是：测量导线落地铺放；让供电线与测量线相隔一定距离；测量线与电线或通信电缆不要平行铺放。

（4）测量精度

对于仪器的测量精度,要满足仪器的技术指标,不符合要求的仪器不能投入生产。此外,为防止跑错极要经常对点号,以及按规范要求进行重复观测,也是提高观测精度、保证观测质量的措施。

5.资料整理与常用图件绘制

资料验收时出现下列情况的应予作废：采用不符合有关规范技术要求的仪器设备所取得的全部观测结果,观测过程中某些主要方法技术指标未达到规范或设计要求,而严重影响质量的观测结果；测线上相邻点距或电极距不能保证精度时取得的结果；系统检查观测精度未达到设计要求,当扩大检查工作量至20%时,仍达不到设计要求的全部观测结果；不能辨认的数据,记录欠完整无法被利用的观测数据,伪造的观测数据。

电法勘探的常用图件及基本要求：

（1）交通位置图

一般采用较小比例尺绘制。图的范围必须至少包括一个县级以上居民地。图上应绘出铁路、公路等交通干线。重要的居民地、水系、境界等地理要素以及物化探测区轮廓,主要地物,并须绘出地理坐标。交通位置图上的物化探测区轮廓和工作路线,要用最强一级线条表示、测区轮廓范围当最长边在图上小于2mm时,用直径2mm的圆形黑点表示。

（2）实际材料图

是主要基础图件。实际材料图的内容应包括测区的地理位置、测网和工作比例尺；三角点（或物控点）及其与基线联测关系,基线封闭回路与闭合差；各种固定标志埋设位置及各种异常查证工程位置；剖面及其编号、方法或装置代号、各种性质的测深点位置编号和拉线方向；总基点、供电极或“无穷远”极接地点等特殊位置；重要的电性标本或地质标本采集点位及编号,经系统检查观测的测线或测线段。

（3）电参数剖面图

选择电参数剖面图的绘图比例尺,应注意使基本点距在该比例尺剖面图上为2～10mm,地形线的高程比例尺也服从这个原则,只有在特殊目的时,高程比例尺才允许放大；参数比例尺的大小,一般根据参数观测精度、异常特点,异常背景地段的干扰水平来选择合适的算术比例尺或对数比例尺,通常要将背景地段由观测误差引起的曲线跳动压缩在1mm以内,当异常幅度很大但又要突出弱异常时,可采用对数比例尺表示。

（4）综合剖面图

应包括下列内容：地形线、地质剖面和探矿工程；各种装置、极距的电剖面成果资料、电极接地点及测深点位置；其他物化探成果；解释推断成果、建议的异常查证工程。（5）剖面平面图

便于对比不同剖面的异常和研究异常的平面分布特点。确定剖面平面图的比例尺时应注意下列几点：剖面平面图的绘制比例尺常等于工作比例尺,有特殊需要时可以变换比例尺成图,但必须使基本点距在该比例尺的剖面平面图中为2～10mm,线距为10～40mm；选择的参数比例尺,应能较好地反映出有意义异常的细节,但应不使曲线过多重叠以致相互混淆。

同一测区的电参数,应尽可能采用一种比例尺绘图。当只用一种参数比例尺不能清晰地反映异常特点时,才允许采用另一种辅助比例尺对局部图域予以补充。辅助比例尺表示的图域应连续地占有一定图面,否则只能以角图或插图的形式表示。

（6）等值线平面图

能清晰地表现异常的平面分布,便于平面地质资料和其他物、化探资料进行综合对比。勾绘等值线时,应结合测区的地质图；同时考虑观测精度和存在的干扰电平。此外,还应酌情取舍误差范围内的个别数据,以便勾绘的等值线光滑。

（7）推断成果图

是一套全面反映地质成果的完整图件。它以推断平面图为主体,综合了推断剖面图和若干计算曲线内容,集中反映推断的地质结论和工作建议。该图应在认真研究,反复解释推断的基础上逐一完成。当测区的研究程度较低时,可只拟编推断剖面图。

6.应用实例

（1）联合剖面法的应用实例图1-36是某工区联合剖面法视电阻率剖面平面图。根据各条测线上

和

两条曲线正交点的连线,可以追索低阻体（断层）的延伸范围。而两条ρ_s曲线反交点的连线（双虚线）则反映了高阻岩脉的延伸情况。图中点线是高阻岩体与低阻岩体的接触界线。

图1-36 某工区联合剖面法ρ_s剖面平面图

1—测线；2—基线；3—测点号/测线号；4—ρ_s曲线；5—正、反交点；6—低阻正交点异常轴；7—高阻带；8—高、低阻岩性接触界线

（2）对称四级法的应用实例在地质填图中的应用。某地需查明基岩起伏情况以便为工程地质提供有用资料,因而采用复合对称四极装置进行测量,结果示于图1-37。该区浮土覆盖层为低阻,厚度约为20～40m,根据按覆盖层平均厚度选择电极距的原则,选择A′B′＝40m,AB＝180m。由图可见,大极距的ρ_s曲线主要反映深部基岩（花岗岩）的起伏,同时对浅部不均匀体亦有反映；小极距的ρ_s曲线反映了浅部覆盖层中高阻不均匀体（卵石）的存在,且为大极距ρ_s曲线中部高阻异常的正确解释提供了依据。

图1-37 用复合对称四极剖面法探测基岩起伏的实测剖面曲线

1—覆盖层；2—卵石；3—花岗岩

在水文地质工作中的应用。某地古河道两侧以及下部均由砂黏土组成,电阻率较低,古河床中充填有高阻的砂卵石。在该区用AB＝200 m,MN＝20 m的对称四极剖面法开展追索古河道的面积性测量,结果示于图1-38。由图中所示各剖面

极大值点连线,可清楚地看出古河道的走向及分支。根据各剖面曲线拐点坐标的连线勾绘出的异常范围,还可大致估计古河道的宽度及其沿走向的变化。

在地热勘查中的应用。电阻率法是用来寻找导热、储热构造,圈定地热田分布范围最常用的物探方法。地下水是由地表水补给的,进入地下的冷水在深处受放射性能或高温岩体的加热,其密度和黏滞性减小,离子活动性加大,从而使水的矿化度增加,电阻率下降。

图1-38 对称四极剖面法追索古河道的剖面平面图

图1-39 邓屋地热田联合剖面法剖面平面图

1—ρ_s曲线；2—钻孔；3—热水出露断裂（ρ_s＜200Ω·m的低阻带）；4—热水分布范围（ρ_s为200～300Ω·m的低阻区）

图1-39为邓屋地热田电法勘探成果。该地热田覆盖层厚度为10～20m,基岩岩性为花岗岩。通过联合剖面测量,在其剖面平面图上反映出一个东西长约1000m、南北宽约500m的低阻区。区内视电阻率为200～300Ω·m,而在区外测得的视电阻率平均值为600Ω·m。

结合区内热异常现象进行分析,认为该低阻区为地下热田的反映。在低阻区内由南到北还显示出三条大体呈东西向展布、视电阻率低于200Ω·m的低阻带,推测为断裂破碎带构成的地下热水通道。在南面低阻带上打的验证孔ZK57于60m深处见到破碎带,热水喷出地表达4m多高。经验证对比证明,这三条低阻带与三条沿东西向断裂分布的高温带相吻合。

（3）中间梯度法的应用实例

中间梯度法是用于追索陡立高阻脉状体的有效方法。由于许多热液型矿床与高阻岩脉在成因或空间上有密切关系,因此追索高阻岩脉便具有直接找矿意义。

中梯法的供电电极距（AB）很大,通常为几百米到几千米。因为AB越大,均匀电流场的分布范围越宽,因此测量范围越大。在主剖面上,一般可测区段为其中部的（1/2～1/3）AB,在平行于主剖面的旁侧剖面上,其与主剖面的最大垂直距离不应超过AB/6。由于中梯法布置一次供电电极,可同时测数条测线,因此,该法生产效率较高。

图1-40 石英脉型铅锌矿上中间梯度法ρ_s平面剖面图

1—已知石英脉；2—新圈定的石英脉

AB＝600m；MN＝10m

追索含铅锌矿的高阻石英脉。我国某一铅锌矿产于穿插在中生代花岗岩内的石英脉中。由于风化后的花岗岩疏松层含水,其电阻率较低（一般为100Ω·m）,而不易风化的石英脉电阻率则高达103～105Ω·m,其产状近于直立,沿走向方向延伸约数百米。图1-40为该矿上中梯法的ρ_s平面剖面图。由图可见,由于浮土及围岩中的电阻率不均匀性反映较明显,曲线出现锯齿状跳跃,因此仅根据一条剖面曲线推测石英脉的位置较困难。但若依据已知石英脉上的异常特点,通过对比相邻测线上的ρ_s曲线特征,即可追踪异常走向和推断引起异常的地质原因。该区运用上述方法,追索出了数条有意义的异常带,图中2号异常带,即是一条新圈定的石英脉。