【文章內(nèi)容簡介】 2148 利用地震P波屬性識別裂隙發(fā)育帶 圖2149 最終預(yù)測成果圖 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，通過對人工（或天然）電磁場（或電化學(xué)場）的空間分布規(guī)律及時間特性的觀測和研究，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，按電磁場的時間特性可分為直流電法（又稱電阻率法、時間域電法）、交流電法（頻率域電法）、過渡過程法（脈沖瞬變場法）。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、研究人工建立的穩(wěn)定電流場在地下巖、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，觀測和研究人工或天然形成的電磁場的分布規(guī)律（頻率特性和時間特性），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，因為泥質(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，由于增添了泥質(zhì)的附加導(dǎo)電性，其電阻率也會降低。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，其電阻率將會明顯降低。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1．兩個異性點電流源的電場在地表相距為2L的點電流源A和B分別以和向地下介質(zhì)供電，介質(zhì)中任意點的電位和電場強度可用一個點電流源的電場按疊加原理求出。介質(zhì)中等位面和電流線的分布如圖2152所示，可知電極附近電場強度的絕對值大、電位變化明顯，而在AB中間約1/3~1/2地段處，電場和電位均變化緩慢，可近似為均勻場。圖2152 兩個導(dǎo)性點電流源的電場電法勘探是根據(jù)在地表觀測場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明顯變化時才能觀測出來。介質(zhì)中的電流分布越深，勘探深度也就越大，對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，大部分電流集中于AB附近。當(dāng)AB確定后，在地表觀測電場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，以中點的電流分布最深，電場最均勻，勘探深度最大。因此，在中點觀測最佳，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定均勻大地的電阻率時，通常采用四極裝置形式，即兩個供電電極A、B，兩個測量電極M、N。當(dāng)通過供電電極A、B向地下發(fā)送電流時，就在地下電阻率為的均勻半空間建立穩(wěn)定的電場。在MN處觀測電位差大小，由公式即可計算電阻率的大小。 （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/長為AB的長方體（圖2153）定為理想勘探體積。在這個勘探體積范圍內(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)體對正常場的擾動才會被觀測到。圖2153 勘探體積示意圖圖 圖2154 非均勻大地視電阻率測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。這個綜合影響值是在電場分布范圍內(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）；供電電極和測量電極間的相互位置；工作裝置和地質(zhì)體的相對位置等。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，視電阻率有時接近一種巖石真電阻率，有時又接近另一種巖石的真電阻率。因而，按一定方式觀測視電阻率的變化規(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)電場性質(zhì)、觀測裝置形式及觀測方式，電阻率法分為多種方法。常用方法的特點及其在煤礦地質(zhì)勘查中的應(yīng)用范圍見表2119。表2119 電阻率法分類及應(yīng)用范圍場的性質(zhì)主要應(yīng)用范圍人工場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)造電測深法基巖埋深、探測含水層厚度及埋深、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)極化法探測地下孔隙、裂隙水分布范圍天然場自然電場法探測地下水運動規(guī)律 垂向電測深法1．垂向電測深法原理電測深法是在同一測點上逐次增大供電電極距AB，使勘探深度由小逐漸加深，于是可觀測到測點處沿深度方向上由淺至深的視電阻率變化規(guī)律。通過對反映地電斷面變化的電測深曲線的分析，可以了解深度方向上地電斷面的特征。在電測深法中，最常采用的對稱四極裝置如圖2155a所示，圖中，AB為供電電極、MN為測量電極，它們對稱于觀測點O布置。工作時，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)觀測一次和，按照（143）式計算出視電阻率值。根據(jù)每個極距的觀測結(jié)果，可繪制出以為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)（采用雙對數(shù)坐標(biāo)系）的電測深曲線（1433b）。下面以兩個水平電性層的地電斷面為例，來說明電測深法的物理實質(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，層相對于層的厚度視為無限大。 （a） (b)圖2155 直流測深法工作原理圖當(dāng)用較小的供電電極距（）測量時，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，此時電流不受高阻層的影響，此時；。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，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的分布。由于高阻對電流的排斥作用，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)在整個勘探體積中僅占很小比例，所以介質(zhì)在影響場的分布問題上起主導(dǎo)作用?？梢宰C明，此時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，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電極裝置沿著測線平移，這樣便可觀測到在一定深度范圍內(nèi)視電阻率沿著剖面的橫向變化。相對于電測深而言，電剖面法更適用于探測產(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電流的吸引和排斥作用電剖面法的主要裝置形式有：對稱聯(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等于點距或2倍點距。對稱剖面法對稱四極法AM=MN=NB時稱為溫納爾裝置；AB＞＞MN時稱為施侖貝爾裝置。復(fù)合對稱四極法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’計算公式同上由于對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，也可以認(rèn)為是斷面測量。1）高密度電阻率法觀測系統(tǒng)高密度電阻率法是為滿足淺部精細(xì)勘查的實際需要而研制的一種電法勘探系統(tǒng)?，F(xiàn)場測量時只需將電極設(shè)置在一定間隔的測點上，測點密度遠(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)是一種由單片機控制的電極自動換接裝置，它可以根據(jù)需要自動進(jìn)行電極裝置形式、極距及測點的轉(zhuǎn)換。測量信號用電極轉(zhuǎn)換開關(guān)送入微機工程電測儀，并將測量結(jié)果依次存入隨機存儲器。將數(shù)據(jù)回放并送入微機便可用專門程序軟件對原始資料進(jìn)行處理。施工過程為：首先以固定點距x沿測線布置一系列電極(電極數(shù)量與測量儀器系統(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，一次完成該測點上各種裝置形式的觀測(電極排列中點為記錄點)，一個測點觀測完后，通過開關(guān)自動轉(zhuǎn)接下一組電極(即向前移動一個點距x)，以同樣方法進(jìn)行該點觀測，直到電極距為的整條剖面觀測完為止。之后，再選取電極，…，不同極距的裝置，重復(fù)以上觀測。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點總數(shù)是固定的，因此，極距擴大時，反映不同勘探深度的測點數(shù)將依次減少。把測量結(jié)果置于測點下方深度為的點位上，于是，整條剖面的測量結(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相對于常規(guī)電測深和電剖面法，高密度電阻率法有以下特點：（1）由于電極布設(shè)是一次完成的，這不僅減少