【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 2148 利用地震P波屬性識(shí)別裂隙發(fā)育帶 圖2149 最終預(yù)測(cè)成果圖 圖2150 地震解釋成果圖 電法勘探原理與方法 概述電法勘探是根據(jù)地殼中各類巖石或礦體的電磁學(xué)性質(zhì)（如導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、介電性）和電化學(xué)特性的差異，通過對(duì)人工（或天然）電磁場(chǎng)（或電化學(xué)場(chǎng)）的空間分布規(guī)律及時(shí)間特性的觀測(cè)和研究，來勘查地質(zhì)構(gòu)造和尋找有用礦產(chǎn)的一類物探方法。電法勘探方法較多，按電磁場(chǎng)的時(shí)間特性可分為直流電法（又稱電阻率法、時(shí)間域電法）、交流電法（頻率域電法）、過渡過程法（脈沖瞬變場(chǎng)法）。直流電法是以地殼中不同巖、礦石的電阻率差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過觀測(cè)、研究人工建立的穩(wěn)定電流場(chǎng)在地下巖、礦石中的分布和變化規(guī)律以達(dá)到找礦、研究地質(zhì)構(gòu)造和尋找地下水的一種電法勘探的分支方法。交流電法是電法勘探的重要分支方法，該方法利用巖（礦）石的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性和介電性的差異，應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，觀測(cè)和研究人工或天然形成的電磁場(chǎng)的分布規(guī)律（頻率特性和時(shí)間特性），進(jìn)而解決有關(guān)的各類地質(zhì)問題。目前，用于煤礦的電法勘探方法主要有電阻率法、充電法、激發(fā)極化法(IP)、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁測(cè)深法（CSAMT）、EH4等。 含煤地層的主要電學(xué)特征地下巖層導(dǎo)電性的差異是電法勘探的前提，研究巖石的導(dǎo)電性有利于理解電法勘探的原理。巖石是不同礦物的集合體，并且常常含有一定的孔隙水，因此，巖石的電阻率必然和它的礦物成分、含水性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其相互作用等有關(guān)。不同巖石的電阻率變化范圍很大，常溫下可從108Wm變化到10+15Wm。含煤地層主要由砂—泥質(zhì)巖石和碳酸鹽巖石組成，它們的電性特征分別討論如下：（1）砂—泥質(zhì)巖石。砂—泥質(zhì)巖石包括碎屑巖類和粘土巖類。碎屑巖由碎屑顆粒、膠結(jié)物、泥質(zhì)及含水孔隙組成，與碳酸鹽巖石相比，碎屑巖的孔隙度較大，孔隙結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、規(guī)則。一般，碎屑巖的電阻率隨其粒度的減小、分選性變好、泥質(zhì)含量增高、膠結(jié)程度變差和孔隙中水含鹽量的增大而降低。砂巖電阻率在n～n180。103Wm之間變化。分選性差、顆粒粗、膠結(jié)程度高的致密砂巖電阻率高；反之，分選性好、顆粒細(xì)、膠結(jié)程度低的疏松砂巖電阻率相對(duì)較低。膠結(jié)物不同，砂巖電阻率也不同，鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)的砂巖電阻率一般比泥質(zhì)、粘土質(zhì)膠結(jié)的砂巖電阻率高。礫巖由于顆粒粗、分選性差，故常具有比砂巖高的電阻率。粘土、頁巖、泥巖等粘土類巖石以泥質(zhì)顆粒的離子導(dǎo)電方式為主，因?yàn)槟噘|(zhì)顆粒表面的電荷量基本相同，所以粘土、泥巖、頁巖等的導(dǎo)電性比較穩(wěn)定，它們的電阻率一般在1～n180。10Wm之間變化。其中，頁巖比粘土和泥巖更致密，故其電阻率稍高。當(dāng)砂巖或礫巖含有泥質(zhì)時(shí)，由于增添了泥質(zhì)的附加導(dǎo)電性，其電阻率也會(huì)降低。砂—泥質(zhì)巖石電阻率由小到大的順序是：泥巖或粘土＜頁巖＜細(xì)砂巖或粉砂巖＜中砂巖＜粗砂巖＜礫巖。（2）碳酸鹽巖石。碳酸鹽巖石主要以純化學(xué)方式沉淀生成。這類巖石的顆粒極細(xì)，粒間幾乎沒有孔隙，故其電阻率通常很高，可達(dá)5180。103～104Wm。然而，當(dāng)碳酸鹽巖石在外因作用下形成的裂隙或溶洞充水時(shí)，其電阻率將會(huì)明顯降低。此外，如果碳酸鹽巖石含有泥質(zhì)，它的電阻率也會(huì)有所下降。（3）煤的電阻率與煤化程度、煤巖成分、礦物雜質(zhì)含量以及水分等因素有關(guān)。煤化程度很低的褐煤，常含有較高的水分和溶于水的腐植酸離子，故其電阻率較低，一般僅為n180。10～n180。102。隨著煤化程度的加深，褐煤中水分和溶于水的腐植酸離子含量將顯著減少，因而褐煤的離子導(dǎo)電性減弱，其電阻率明顯增高。煙煤常具有較高的電阻率，但隨煤變質(zhì)程度的加深，電阻率減小，過渡至無煙煤，電阻率急劇下降。煙煤電阻率的變化范圍為n180。102～n180。103。無煙煤常具有良好的電子導(dǎo)電性，因而其電阻率很低，一般在1以下。表2118 常見巖石電阻率（單位：）分類巖石名稱天然巖石干燥巖石沉積巖粘土～30泥頁巖103104長(zhǎng)石砂巖103104砂巖104105石灰?guī)r104107變質(zhì)巖角巖103107片麻巖104106石英巖106火成巖花崗巖10431012玄武巖104107橄欖巖103石英閃長(zhǎng)巖104106綜上所述，電阻率是表征巖石和煤性質(zhì)的重要物理參數(shù)，巖石和煤的電阻率不同程度地依賴于它們的成分、結(jié)構(gòu)、所含水分等因素，隨著影響因素的改變而在較大范圍內(nèi)變化。因此，在一定的地質(zhì)、物性條件下，可以通過測(cè)定巖石或煤的電阻率來解決煤礦生產(chǎn)中遇到的許多地質(zhì)問題。 電阻率法基本理論與方法1．兩個(gè)異性點(diǎn)電流源的電場(chǎng)在地表相距為2L的點(diǎn)電流源A和B分別以和向地下介質(zhì)供電，介質(zhì)中任意點(diǎn)的電位和電場(chǎng)強(qiáng)度可用一個(gè)點(diǎn)電流源的電場(chǎng)按疊加原理求出。介質(zhì)中等位面和電流線的分布如圖2152所示，可知電極附近電場(chǎng)強(qiáng)度的絕對(duì)值大、電位變化明顯，而在AB中間約1/3~1/2地段處，電場(chǎng)和電位均變化緩慢，可近似為均勻場(chǎng)。圖2152 兩個(gè)導(dǎo)性點(diǎn)電流源的電場(chǎng)電法勘探是根據(jù)在地表觀測(cè)場(chǎng)值的變化來了解地下地質(zhì)體分布的，地下不均勻體的存在和分布只有在地表引起電場(chǎng)明顯變化時(shí)才能觀測(cè)出來。介質(zhì)中的電流分布越深，勘探深度也就越大，對(duì)深層不均勻體的反映也越明顯。根據(jù)以上討論可以得出以下結(jié)論：（1）在地表由A、B供電時(shí)，大部分電流集中于AB附近。當(dāng)AB確定后，在地表觀測(cè)電場(chǎng)只能反映一定深度范圍內(nèi)的電性不均勻體；（2）欲想增加勘探深度，就必須加大供電電極距，使更多的電流往深處分布。如將作為勘探深度，顯然，要清楚地反映深度為h的異常體，供電電極距AB必須大于h；（3）在AB連線之間，以中點(diǎn)的電流分布最深，電場(chǎng)最均勻，勘探深度最大。因此，在中點(diǎn)觀測(cè)最佳，以便達(dá)到最大的勘探深度。2．視電阻率的概念及其定性分析方法在測(cè)定均勻大地的電阻率時(shí)，通常采用四極裝置形式，即兩個(gè)供電電極A、B，兩個(gè)測(cè)量電極M、N。當(dāng)通過供電電極A、B向地下發(fā)送電流時(shí)，就在地下電阻率為的均勻半空間建立穩(wěn)定的電場(chǎng)。在MN處觀測(cè)電位差大小，由公式即可計(jì)算電阻率的大小。 （141）式中 （142）公式(141)即為在均勻大地的地表采用任意電極裝置（或電極排列）測(cè)量電阻率的基本公式。其中K為電極裝置系數(shù)（或電極排列系數(shù)），是一個(gè)只與電極的空間位置有關(guān)的物理量。在電阻率法中，把寬和高等于AB/長(zhǎng)為AB的長(zhǎng)方體（圖2153）定為理想勘探體積。在這個(gè)勘探體積范圍內(nèi)集中了電流的大部分，而在其外電流很少。顯然，只有在該體積內(nèi)，且與圍巖有明顯電性差異的地質(zhì)體對(duì)正常場(chǎng)的擾動(dòng)才會(huì)被觀測(cè)到。圖2153 勘探體積示意圖圖 圖2154 非均勻大地視電阻率測(cè)量示意圖在非均勻大地表面布極，供電電流在地下分布范圍內(nèi)涉及到不同電阻率的介質(zhì)，如圖2154所示，在勘探體積所涉及的范圍內(nèi)，包含了電阻率為、和幾種巖層，因而由公式（141）計(jì)算出的數(shù)值是、和綜合作用的結(jié)果，而不是某單層的電阻率值。這個(gè)綜合影響值是在電場(chǎng)分布范圍內(nèi)各種巖石電阻率綜合影響的結(jié)果。我們稱其為視電阻率，并用來表示。 （143）視電阻率與真電阻率在概念上有著本質(zhì)的不同，決定視電阻率大小的因素有：電性不均勻體的分布狀態(tài)（形狀大小、深淺及產(chǎn)狀等）；供電電極和測(cè)量電極間的相互位置；工作裝置和地質(zhì)體的相對(duì)位置等。由此可知，視電阻率不僅與地質(zhì)體的電阻率及其分布狀態(tài)有關(guān)，而且還與電極排列形式及位置有關(guān)，所以在不同情況下，視電阻率有時(shí)接近一種巖石真電阻率，有時(shí)又接近另一種巖石的真電阻率。因而，按一定方式觀測(cè)視電阻率的變化規(guī)律，便可推斷出地下各種電性不均勻地質(zhì)體的分布狀態(tài)。3．電阻率法方法分類及應(yīng)用范圍根據(jù)電場(chǎng)性質(zhì)、觀測(cè)裝置形式及觀測(cè)方式，電阻率法分為多種方法。常用方法的特點(diǎn)及其在煤礦地質(zhì)勘查中的應(yīng)用范圍見表2119。表2119 電阻率法分類及應(yīng)用范圍場(chǎng)的性質(zhì)主要應(yīng)用范圍人工場(chǎng)電阻率法電剖面法追索斷層破碎帶、調(diào)查巖溶發(fā)育帶、探查地質(zhì)構(gòu)造電測(cè)深法基巖埋深、探測(cè)含水層厚度及埋深、探查地質(zhì)構(gòu)造充電法確定良導(dǎo)體的形態(tài)、巖溶發(fā)育及其影響范圍直流激發(fā)極化法探測(cè)地下孔隙、裂隙水分布范圍天然場(chǎng)自然電場(chǎng)法探測(cè)地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律 垂向電測(cè)深法1．垂向電測(cè)深法原理電測(cè)深法是在同一測(cè)點(diǎn)上逐次增大供電電極距AB，使勘探深度由小逐漸加深，于是可觀測(cè)到測(cè)點(diǎn)處沿深度方向上由淺至深的視電阻率變化規(guī)律。通過對(duì)反映地電斷面變化的電測(cè)深曲線的分析，可以了解深度方向上地電斷面的特征。在電測(cè)深法中，最常采用的對(duì)稱四極裝置如圖2155a所示，圖中，AB為供電電極、MN為測(cè)量電極，它們對(duì)稱于觀測(cè)點(diǎn)O布置。工作時(shí)，供電電極距AB從最小電極距變化至最大電極距，每改變一次電極距AB，相應(yīng)觀測(cè)一次和，按照（143）式計(jì)算出視電阻率值。根據(jù)每個(gè)極距的觀測(cè)結(jié)果，可繪制出以為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)（采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系）的電測(cè)深曲線（1433b）。下面以兩個(gè)水平電性層的地電斷面為例，來說明電測(cè)深法的物理實(shí)質(zhì)。首先設(shè)厚度為、電阻率為的第一電性層之下為電阻率為的基底巖層，且，層相對(duì)于層的厚度視為無限大。 （a） (b)圖2155 直流測(cè)深法工作原理圖當(dāng)用較小的供電電極距（）測(cè)量時(shí)，根據(jù)勘探體積概念，認(rèn)為該裝置是處于均勻介質(zhì)中，下部高阻基底巖層埋藏較深，此時(shí)電流不受高阻層的影響，此時(shí)；。根據(jù)視電阻率微分形式表達(dá)式可得當(dāng)增大供電電極距時(shí)，電流向下穿透深度開始增加，即勘探深度加深，高阻層開始影響電場(chǎng)的分布。由于高阻對(duì)電流的排斥作用，使增大，則。隨著的繼續(xù)增大，介質(zhì)的影響愈加明顯，也愈來愈大（曲線2段）。當(dāng)，相應(yīng)的勘探體積內(nèi)主要為第二層介質(zhì)充滿，而第一層介質(zhì)在整個(gè)勘探體積中僅占很小比例，所以介質(zhì)在影響場(chǎng)的分布問題上起主導(dǎo)作用?？梢宰C明，此時(shí)得到的視電阻率值趨于第二層真電阻率，即→（曲線3段）。值隨變化的關(guān)系曲線稱電測(cè)深曲線。曲線的變化規(guī)律反映了垂直深度方向上斷面的電性變化，利用曲線可確定各電性層的厚度和電阻率值。當(dāng)?shù)仉姅嗝骖愋筒煌瑫r(shí)，曲線形狀也不相同。2. 電剖面法電剖面法是用以研究地電斷面橫向電性變化的一類方法。一般采用固定的電極距并使整個(gè)電極裝置沿著測(cè)線平移，這樣便可觀測(cè)到在一定深度范圍內(nèi)視電阻率沿著剖面的橫向變化。相對(duì)于電測(cè)深而言，電剖面法更適用于探測(cè)產(chǎn)狀陡立的高、低阻體，如劃分不同巖性的接觸帶、追索斷層及構(gòu)造破碎帶等。圖2156 地下低阻和高阻異常體對(duì)電流的吸引和排斥作用電剖面法的主要裝置形式有：對(duì)稱聯(lián)合剖面法、四極剖面法、偶極剖面法和中間梯度法等，水文物探中常用的方法及參數(shù)見表2120。表2120 常用電剖面法裝置形式及參數(shù)方法名稱裝置圖示及K值計(jì)算公式電極距選擇說明聯(lián)合剖面法H為浮土厚度；C極置于無窮遠(yuǎn)；MN等于點(diǎn)距或2倍點(diǎn)距。對(duì)稱剖面法對(duì)稱四極法AM=MN=NB時(shí)稱為溫納爾裝置；AB＞＞MN時(shí)稱為施侖貝爾裝置。復(fù)合對(duì)稱四極法A′B′小電極距反映淺部情況；AB大電極距反映深部情況。KAMNB，KA’MNB’計(jì)算公式同上由于對(duì)稱四極剖面裝置不需要無窮遠(yuǎn)極、野外工作輕便、效率高。在水文及工程地質(zhì)調(diào)查中多用于普查、探測(cè)基巖的起伏、構(gòu)造破碎帶及高阻巖脈等。在合適的條件下還可以圈定巖溶的分布范圍及追索古河道等。3. 高密度電阻率法高密度電阻率法的基本思想是由日本和英國(guó)的地球物理工作者最早提出的，它最初主要用于解決各種工程地質(zhì)和水文地質(zhì)問題。經(jīng)過十多年的發(fā)展，高密度電阻率法的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和資料處理解釋系統(tǒng)日臻成熟，在實(shí)際應(yīng)用中取得了令人滿意的地質(zhì)效果。高密度電阻率法是集測(cè)深和剖面法于一體的一種多裝置、多極距的組合方法，它具有一次布極即可進(jìn)行多裝置數(shù)據(jù)采集以及通過求取比值參數(shù)而能突出異常信息的特點(diǎn)，也可以認(rèn)為是斷面測(cè)量。1）高密度電阻率法觀測(cè)系統(tǒng)高密度電阻率法是為滿足淺部精細(xì)勘查的實(shí)際需要而研制的一種電法勘探系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)只需將電極設(shè)置在一定間隔的測(cè)點(diǎn)上，測(cè)點(diǎn)密度遠(yuǎn)較常規(guī)電阻率法大，一般從1m～10m。然后用多芯電纜將其連接到程控式多路電極轉(zhuǎn)換開關(guān)上，電極轉(zhuǎn)換開關(guān)是一種由單片機(jī)控制的電極自動(dòng)換接裝置，它可以根據(jù)需要自動(dòng)進(jìn)行電極裝置形式、極距及測(cè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換。測(cè)量信號(hào)用電極轉(zhuǎn)換開關(guān)送入微機(jī)工程電測(cè)儀，并將測(cè)量結(jié)果依次存入隨機(jī)存儲(chǔ)器。將數(shù)據(jù)回放并送入微機(jī)便可用專門程序軟件對(duì)原始資料進(jìn)行處理。施工過程為：首先以固定點(diǎn)距x沿測(cè)線布置一系列電極(電極數(shù)量與測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)有關(guān))，相鄰電極間距為x，取裝置電極距，將相距為的一組電極(四根電極)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(cè)點(diǎn)上各種裝置形式的觀測(cè)(電極排列中點(diǎn)為記錄點(diǎn))，一個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)完后，通過開關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)接下一組電極(即向前移動(dòng)一個(gè)點(diǎn)距x)，以同樣方法進(jìn)行該點(diǎn)觀測(cè)，直到電極距為的整條剖面觀測(cè)完為止。之后，再選取電極，…，不同極距的裝置，重復(fù)以上觀測(cè)。n稱為隔離系數(shù)。圖2158 高密度電阻率法勘探系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖顯然，由于一條剖面地表測(cè)點(diǎn)總數(shù)是固定的，因此，極距擴(kuò)大時(shí)，反映不同勘探深度的測(cè)點(diǎn)數(shù)將依次減少。把測(cè)量結(jié)果置于測(cè)點(diǎn)下方深度為的點(diǎn)位上，于是，整條剖面的測(cè)量結(jié)果便可以表示成一種倒三角形（或倒梯形）二維斷面的電性分布。2）高密度電阻率法特點(diǎn)相對(duì)于常規(guī)電測(cè)深和電剖面法，高密度電阻率法有以下特點(diǎn)：（1）由于電極布設(shè)是一次完成的，這不僅減少