1、第一篇 电阻率法,电阻率法是以地壳中岩石和矿石的导电性差异为物质基础，通过观测与研究人工建立的地中电流场（稳定场或交变场）的分布规律达到找矿目的和解决其他地质问题的一组电法勘探分支方法。,第1章 岩石和矿石的导电性 在电法勘探中表征物质导电性的参数是电阻率或电导率,当：L=1m, S=1m2时:,某种物质的电阻率被定义为电流垂直流过1m3的立方体均匀物质时，所表现的电阻（）值。电阻率的单位为欧姆米，记作m。电导率为电阻率的倒数，其单位为西门子/米，记作s/m，物质的导电性越好，其电阻率值便越小，电导率便越大，反之亦然。,在物理学中，把所有物质按导电性分为三类：,按载流子的性质，导体又可以分为电
2、子导电的金属导体和离子导电的固体电解质两类。,1.1.1 岩、矿石电阻率的一般特点,1 矿物的电阻率 岩石和矿石都是矿物组成，按导电机制不同，固体矿物可分为三种类型，即金属导体、半导体和固体电解质。 大多数金属矿物均属于半导体。半导体中的电子很少，它们主要不靠自由电子导电，而是靠空穴导电，因此，其电阻率都高于金属导体，并有较大的变化范围（106106m），见表1.11。由表可见，大多数常见的金属硫化物（如黄铁矿、黄铜矿、方铅矿等）和某些氧化矿物（如磁铁矿），其电阻率均较低（1m）具有良好的导电性。,表1.11 常见半导体矿物的电阻率值,另一些金属硫化矿物和氧化矿物，如辉锑矿、闪锌矿、锡石、软锰
3、矿、铬铁矿和赤铁矿等，它们的电阻率较高（约为1106m）。 绝大多数造岩矿物（如辉石、长石、石英、云母和方解石等），均属于固体电解质，其电阻率都很高（106m ），在干燥情况可视为绝缘体。它们是结晶格子中具有共价键或离子键的介电体，其主要特点是在电场作用下带电粒子（电子和离子）极化，但不能自由移动。,2岩、矿石的电阻率,图1.11几种岩石电阻率值的分布范围曲线 由上述可知，矿物电阻率值是在一定范围内变化的，同种矿物可有不同的电阻率值，不同矿物也可有相同的电阻率值。因此，由矿物组成的岩石和矿石的电阻率也必然有较大的变化范围。图1.11为几种常见岩石电阻率值的分布范围曲线。,1.1.2 影响岩、矿
4、石电阻率的因素,1岩、矿石导电率与成分和结构的关系 为了研究不同结构岩、矿石的电阻率与其成分和含量的关系，假设胶结物的电阻率为1，矿物颗粒的电阻率为2，则岩（矿）石电阻率与1、2及矿物颗粒的百分体积含量V有关，并且不同形状的矿物颗粒，其关系是不同的。根据等效电阻率的近似理论，不同结构岩、矿石的电阻率分别有如下关系式： 当岩、矿石的矿物颗粒为球形时，其电阻率表达式为,针状颗粒:若岩、矿石的矿物颗粒为针状（近似于拉长的旋转椭球体a=bc）时，岩、矿石的电阻率具有方向性。沿着矿物颗粒长轴和垂直矿物颗粒长轴方向，岩、矿石电阻率的表达式分别为,由上两式可知，总有关系 n t。,圆片状颗粒：若岩、矿石的矿
5、物颗粒为片状（近似于压扁的旋转椭球体a=b，c0）时，沿着片状矿物面和垂直于片状矿物面的方向上，岩、矿石的电阻率可分别表示为,由上两式可知，总有关系 n t。,图1.1.3 岩、矿石电阻率与矿物颗粒体积含量的关系曲线 1-球状颗粒（a=b=c）；2-针状颗粒（a=b=1/40c）;3-片状颗粒（a=b=40c）。虚线为纵向电阻率t；实线为横向电阻率n,图1.1.3分别给出了根据以上公式计算所得的三种不同形状矿物颗粒组成的岩、矿石电阻率与矿物颗粒体积含量的关系曲线。由图中曲线1可见，在球形矿物颗粒的情况下，不论矿物本身为高阻还是低阻，当体积含量不太大（V60%）时，整体岩、矿石的电阻率受2之影响
6、甚小，其值接近胶结物电阻率1；仅当颗粒体积含量相当大（V80%）时，2才对有明显作用。这是由于颗粒体积含量不大时，各颗粒是相互分离的，而胶结物却是彼此连通的，故矿物颗粒对整体岩、矿石电阻率的影响不大，此时胶结物起主要导电作用。,但是，当颗粒体积含量相当大，以致彼此连通时，矿物颗粒的电阻率2便对岩、矿石的电阻率有明显影响。可见，岩、矿石中某种组成部分对整体岩、矿石电阻率影响的大小，主要决定于它们的连通情况：连通者起的作用大，孤立者起的作用小。例如，浸染状金属矿石，胶结物多为彼此连通的造岩矿物，故整个矿石表现为高阻电性；又如含水砂岩，其胶结物为彼此相连、导电性好的孔隙水，故含水砂岩的电阻率通常低于
7、一般岩石的电阻率。,由图可见，对于片状和针状结构的岩、矿石，不论12，还是1t。这表明，片状或针状结构的岩、矿石电阻率具有明显的方向性，即各向异性。对比图中三种不同结构岩、矿石的曲线可以看出：含良导片状或针状矿物颗粒的岩、矿石之横向电阻率n与含同样体积的球形颗粒的岩、矿石电阻率相差不大， 而其纵向电阻率t却明显低于含球形颗粒岩、矿石的电阻率值；含高阻片状（或针状）颗粒岩、矿石纵向电阻率t与含同样体积的球形颗粒的岩、矿石电阻率和针状颗粒的岩、矿石横向电阻率n均相差不多，而其n却明显大于球形或针状结构的岩、矿石电阻率。,由上所述不难理解：自然界含片状或针状良导矿物的网脉状或细脉状金属矿石，沿网脉或
8、细脉方向的电阻率值明显低于同等金属矿物含量的浸染状矿石的电阻率值；而含片状、树枝状高阻矿物（如石英脉）的岩石，垂直于岩脉方向上的电阻率值往往很高。因此，一般情况下，岩、矿石的结构构造比矿物颗粒含量对岩、矿石电阻率的影响更大些。,1-球状颗粒（a=b=c）；2-针状颗粒（a=b=1/40c）;3-片状颗粒（a=b=40c）。虚线为纵向电阻率t；实线为横向电阻率n,图1.12 岩、矿石电阻率与矿物颗粒体积含量的关系曲线,在自然界中，大多数沉积岩和一部分变质岩，由于沉积和构造挤压作用，往往使两种或多种不同电性的薄层交替成层，形成层状构造。在一般情况下，层状岩石的电阻率也具有方向性。如图1.13所示，
9、若两种电阻率分别为1和2的薄层岩石交替成层，它们的总厚度分别为h1和h2，则可按电阻并联和串联的关系，得到沿层理方向和垂直层,图1.13 层状结构岩石模型 （a）实际岩石；（b）等效模型,如图1.13所示，若两种电阻率分别为1和2的薄层岩石交替成层，它们的总厚度分别为h1和h2，则可按电阻并联和串联的关系，得到沿层理方向和垂直层理方向的电阻率表达式,电阻串联n方向: Rn=R1+R2,电阻并联t方向:,表1.12中列出了几种常见岩石的非各向同性系数和n/t值。由表可见，某些岩石（如石墨化炭质页岩、泥质页岩等），在垂直和平行层理两个方向的电阻率相差竟达47倍以上，这在资料的推断解释中，应引起充分
10、重视。,由以上两式可以看出，由不同电阻率（12）薄层岩石交替形成的层状岩石，不论1和2的相对大小，亦不论h1和h2的大小（除零而外），其电阻率皆具有非各向同性，并且总是沿层理方向的电阻率t小于垂直于层理方向的电阻率n。为了表征层状岩石的非各向同性程度和平均的导电性，定义其非各向同性系数和平均电阻率m分别为,2岩、矿石电阻率与所含水份的关系,天然水的电阻率一般处在10110m范围（见表1.13），其高低主要取决于总矿化度。因为不同盐的离子迁移率大体相同，因此电解质化学成分对电阻率的影响较小。图1.14为食盐溶液电阻率变化与浓度的关系曲线，可见二者呈反比关系。 岩、矿石所含水份的多少（或湿度大小）
11、对其电阻率有较大影响。一般湿度大的岩石电阻率较低，而湿度小或干燥岩石的电阻率较高。,图1.14 食盐溶液电阻率与浓度的关系,岩石湿度的大小，主要决定于岩石的孔隙度及当地的水文地质条件。在潜水面以下，岩石孔隙通常被地下水所充满，此时，岩石的湿度便等于其孔隙度。表1.15给出了几种常见岩石孔隙度的测定结果，它可作为估计潜水面以下岩石湿度的一个参考资料。,处于潜水面以上的岩石，因大气中的水分通过降雨、雪可渗入地下，也并非完全干燥。在渗透过程中，由于岩石颗粒对水的吸附作用，岩石孔隙中能保存一部分水分。一般孔隙直径越小，吸水性越强，岩石的湿度便越大，故粘土的电阻率较低。,现以孔隙中充满水分的石英砂岩为例
12、，确定湿度对岩石电阻率影响的近似数量关系。由于水的电阻率水较砂粒的电阻率2低得多（水2），考虑到岩石中体积含水量或湿度 ，故代入上式得据式(1.12)可得岩石的电阻率为,式中为岩石的湿度，并有=1V，式中V为矿物颗粒的百分体积含量。,3岩、矿石电阻率与温度的关系,图1.15 含水砂岩电阻率随温度变化的实验曲线 砂岩孔隙度为12%；湿度=1.5%随温度的增高，电阻率是下降,图1.17 北京地区花岗岩的t曲线,4岩、矿石电阻率与压力的关系,图1.19 不同胶结度的粘土质砂岩的 /0p曲线 1薄膜胶结，胶结度12%；2.孔隙胶结，胶结度20%；3.孔隙胶结，胶结度28%；4.孔隙胶结，胶结度25%；
13、5.基底胶结，胶结度35%,随压力增大,电阻率增大,1.2 岩石和矿石的介电极化性质,1.2.1 介电极化的机理 对于具有高电阻率的岩、矿石来说，介电极化是一个重要的电学现象。一般物质都是电中性的，其中正、负电荷相互平衡，不产生宏观电场。但是，在外电场作用下，各种物质总在不同程度上出现正、负电荷两极分化，偏离平衡，形成极化。这种纯粹由物理（电力）作用所形成的极化，称为介电极化。现代物理学认为，物质的介电极化机理主要是电子极化、离子极化和取向极化三种。,电子极化：大家知道，物质的原子是由带正电的原子核和在其周围沿一定轨道运动的若干带负电的电子所组成。通常，正、负电荷的中心是彼此重合的，故不产生宏
14、观电场。当物质位于外电场中时，在外电场电力作用下，带正电的原子核将沿电场方向发生一微小的位移；同时，电子轨道也将稍许移向反电场方向，形成极化。各种物质都能在不同程度上产生电子极化。,离子极化：它发生于带离子键的物质中，大多数造岩矿物都属于这种物质。当外电场加于带离子键的物质上时，其分子中的阳、阴离子将分别沿电场方向和反电场方向发生微小位移，形成极化。 图1.21示出了电子极化和离子极化的理想模式。其中（a）表示未极化时，正、负电荷处于平衡的情况；（b）表示在外电场作用下，正电荷沿电场方向（向上）位移，而负电荷反电场方向（向下）移动，形成正、负电荷两极分化，偏离平衡的情况。,图(a)是无附加电场
15、,图(b)正电荷因迎着电场方向,电场中部不变,负电荷逆电场方向,附加电场与外电场方向相反,附加电场方向,图1.21 电子或离子介电极化的模式,取向极化：它发生于有极性分子所组成的物质中。这种极性分子的正、负电荷中心本来就不相重合，好似一个小的电偶极子。不过，由于分子的热运动，通常它们在物质中成不规则指向，所以总的看来物质还是正、负电荷平衡，合成偶极矩为零，不呈现“极性”（见图1.22（a）。但当这种物质被置于外电场中时，在外电场作用下，极性分子将会趋向于绕其重心旋转，使它们的偶极距方向（从负电荷中心到正电荷中心的方向）与外电场方向一致，形成极化（图1.22b）。地壳中最常见的呈现取向极化的物质是水，除此之外，还有石油和煤等碳氢化合物。,
