1、地球物理勘探仪器,4 电法测量仪器,主要内容 4.1 电法勘探及测量仪器概述,4.1电法勘探及测量仪器概述,理论基础：电磁场理论 研究对象：矿产资源或地质构造等 前提条件：研究对象与围岩存在电性差异,1.电法勘探定义,定义：电法勘探是以研究对象和围岩之间的电性差异为基础，利用物理学原理，通过观测和分析天然及人工电磁场的空间和时间分布规律，查明地质构造和寻找矿产的一种地球物理方法。,2.电法勘探简史,电法勘探的发展历史并不长，真正利用地电场进行电法勘探的时间，大致始于19世纪末和20世纪初。其中，在天然场源方面：1835年英国学者福克斯(R.W.Fox)首先用自然电场法发现了一个硫化矿床；20世
2、纪初开始将大地电流法用于矿产资源勘探；20世纪50年代前苏联学者吉洪诺夫和法国学者卡尼亚(L.Caniard)建立了探测地球深部电性结构的大地电磁测深法。,在人工场源方面：19世纪末提出的电阻率法到20世纪初已趋成熟；1920年由法国学者施伦贝尔热(c.Schlumberger)发现的激电效应，后经各国学者的深入研究于20世纪50年代形成了激发极化法；电磁剖面法始于1917年，于1925年首次获得找矿效果；,2.电法勘探简史,20世纪80年代以来，随着经济建设的迅猛发展和科学技术的不断进步，人工源频率测深法和瞬变测深法在前苏联学者考夫曼(A.A.Kofman)和美国学者凯乐(G.V.Kelle
3、r)共同建立的理论基础上发展较快，与此同时由加拿大学者D.W.Strangway和M.A.Goldstein提出的可控源音频大地电磁法以及由德国最早提出的探地雷达法和由日本率先实现的高密度电阻率法等方法，在资源、工程、环境等方面都得到了迅速发展与应用。,2.电法勘探简史,此外，由前苏联于20世纪70-80年代研究提出的压电法和震电法，近年来已取得一定进展，有望能用于矿产资源勘查和地质灾害的预报中。,2.电法勘探简史,3.电法勘探在我国的发展,我国的电法勘探始于20世纪30年代。1936年丁毅在安徽当涂铁矿进行了电法勘探工作。1939到1942年顾功叙在云南东川汤丹、易门铜矿开展了自然电场测量等
4、电法工作。,系统的电法勘探主要是在新中国成立后才逐步发展起来，并在深部构造、固体矿产、石油、水文和工程以及环境等各个领域的勘测调查中发挥了重要作用。,3.电法勘探在我国的发展,早在20世纪50年代末，我国就开始了激发极化法的实验研究，当时是以直流(时间域)激电法为主，发展了短导线测量和近场源激电法等。,3.电法勘探在我国的发展,到20世纪70年代开始研究推广交流(频率域)激电法，主要是变频法。为了适应我国金属矿区地形复杂、交通不便的情况，中南大学何继善等提出了双频激电法。它是对变频法的重要发展，目前已在全国推广，并在国外开展了工作。除了金属矿之外，激电法用于寻找水资源，也发挥了重要作用，取得了
5、显著经济和社会效益。,3.电法勘探在我国的发展,我国于上个世纪80年代初开始频谱激电法的理论研究和仪器研制。在方法的物理化学基础、模拟相似准则、复杂条件下三维体的激电和电磁模拟以及由视谱直接反演真谱参数等方面的研究成果，均具有较高理论水平和实用价值。在野外数据采集方法和数据处理与解释软件方面也都达到规范化的要求。,3.电法勘探在我国的发展,我国在20世纪80年代中期开始开展CSAMT法（可控源音频大地电磁法）的试验和生产工作，并取得良好的地质效果。我国学者(罗延钟，1995)利用迭代法和数值逼近法建立了新的近场校正方法，并且建立的双极源CSAMT法一维正、反演算法，取得很好效果。,3.电法勘探
6、在我国的发展,随着研究的深人和实际工作的需要，以及计算机技术和计算方法的进步，电法成像近年来发展很快。我国在这一领域中的理论和方法也取得许多成果。其中井间无线电波透视开展最早，并在勘查金属盲矿体和岩洞等方面取得实际效果。在石油勘探方面也取得很好的实验效果。采用阵列观测方式的直流电阻率成像方法，是电法近年来发展的一个方面。我国在仪器制造、正反演理论研究和实际应用等方面都达到较高水平。,3.电法勘探在我国的发展,4.电法勘探的分类,电法勘探是应用地球物理学中方法种类最多，应用面最广的一种方法。因此，电法勘探的方法种类很多，分类方法也不尽相同。在以往的教科书中，有的将其分成直流电法和交流电法两大类；
7、有的则将其分成传导类电法和感应类电法两大类。,这里，我们将电法勘探分为主动源电法勘探方法、被动源电法勘探方法以及其他电法勘探方法。按此方法分类时，则在主动源电法勘探方法有：电阻率法、激发极化法、充电法和电磁法。在被动源电法方面的常用方法有：自然电场法、大地电磁测深法和甚低频电磁法。其他电法勘探方法有：航空电磁法、可控源音频大地电磁法、探地雷达法、海洋电法和震电法。,4.电法勘探的分类,1）主动源电法勘探方法,利用人工建立的地电场进行电法勘探的方法，我们称其为主动源电法勘探方法(简称主动源方法)。由于它们的场源形式较多、适应性强，所以应用范围很广。, 电阻率法,电阻率法是以地壳中岩石和矿石的导电
8、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)的分布规律进行找矿和解决地质问题的一组电法勘探分支方法。实践证明，电阻率法无论是在普查金属、非金属矿产和研究地质构造方面，还是在水文、工程、环境地质电查以及勘查能源等方面，均取得了良好的地质效果，发挥着重要作用。, 激发极化法,激发极化法(简称激电法)是以地壳中不同岩、矿石的激电效应差异为物质基础，通过观测与研究人工建立的直流(时间域)或交流(频率域)激电场的分布规律进行找矿和解决地质问题的一组电法勘探分支方法。实践证明，激电法是勘查各类金属矿产的主要方法，特别是对电阻率与围岩相差不大的浸染型金属矿床而言，与电阻率法和电磁法
9、相比更为有效。另外，激电法在寻找地下水和探测石油、天然气方面也能发挥作用，并取得了比较令人满意的结果。, 充电法,所谓充电法，顾名思义，可知它是一种向矿体充电，然后通过观测其充电电场的空间分布来了解矿体规模大小和赋存状态的电法勘探方法。, 电磁法,电磁(EM)法，是以地壳中岩、矿石的导电性、导磁性和介电性为主要物质基础，根据电磁感应原理，通过观测和研究电磁场的空间与时间分布规律，来寻找地下有用矿产资源和解决地质、环境工程等问题的一组电法勘探方法。它的全称是感应电磁法。,2）被动源电法勘探方法,利用天然存在的或由某些部门已经建立的电场、电磁场进行电法勘探的方法，我们称其为被动源电法。由于它们无须
10、由勘探者去建立场源，因此装备十分轻便，工作效率较高。, 自然电场法,自然电场法(简称自电法)，它是利用岩、矿石由于电化学作用在周围产生的自然极化电场进行找矿、填图和解决水文地质问题的一种被动源电法勘探方法。, 大地电磁测深法,大地电磁测深法(MT)是利用大地中频率范围很宽(10-4 104 Hz)广泛分布的天然变化的电磁场，进行深部地质构造研究的一种频率域电磁测深法。由于该法不需要人工建立场源，装备轻便、成本低，且具有比人工源频率测深法更大的勘探深度，所以除主要用于研究地壳和上地幔地质构造外，也常被用来进行油气勘查、地热勘探以及地震预报等研究工作。, 甚低频法,甚低频法(VLF)是利用分散在全
11、球各地数十个频率为15 25kHz的长波电台作为场源，进行地质矿产及水资源勘查。这些长波电台是为远方的潜艇导航及通信而建立的，功率强大(500 1000kW)，信号稳定。由于VLF法无需发射设备，因此装备非常轻便，工作效率高，成本低，所以很快便在许多国家得到推广应用。近30多年来，VLF法在寻找良导电的金属矿床、找水以及进行地质填图等方面取得了很好的地质效果。,3）其他电法勘探方法,除了前面我们介绍和讨论过的几种常用的主动源和被动源电法勘探方法之外，还有一些比较常用或近年来发展较快或具有较好应用前景的方法，也需要对其有个基本了解。, 航空电磁法,航空电磁法是在地面电磁法原理基础上发展起来的一种
12、空中测量的电磁法。1950年在加拿大开始生产飞行，目前已发展到几十种航电系统和仪器类型，在国外已成为一种常用的普查找矿和地质填图方法。20世纪80年代以来，我国研制成功了几种航电系统，也已用于生产实践，并取得一定成果。,VTEM,AirMT system,HeliGEOTEM,国外的几种航空电法系统,ORAGS-TEM,接收吊舱,发射线圈,国内的航空电法测量系统,时间域航电仪（发射机、接收机、数据收录系统）, 可控源音频大地电磁法,可控源音频大地电磁法(CSAMT)是在大地电磁法(MT)和音频大地电磁法(AMT)的基础上发展起来的一种人工源频率域测深方法。,3 探地雷达法,探地雷达法(GPR)
13、，是利用一个天线发射高频宽带(1MHz 1GHz)电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波而进行地下介质结构探测的一种电磁法。由于它是从地面向地下发射电磁波来实现探测的，故称探地雷达法。有时亦称作地质雷达。它是近年来在环境、工程探测中发展最快，应用最广的一种地球物理方法。,英国GV系列高精度地质雷达,地质雷达之： Groundvue,Groundvue 1是操作界面友好而且很容易操作使用的设备。其天线中心频率为400MHz，频率范围为200-700MHz。单人即可完成所有测量任务，雷达体积小巧，轻便。,地质雷达之： Groundvue 1U,Groundvue 1U使用单一的平板电脑，在
14、日照下可以清晰读取雷达数据。使用方便简单，一个人即可完成野外数据采集任务。下拆手柄可以锁定在合适操作员的位置。 Groundvue 1U的形状与Groundvue 1相似。 天线中心频率为400MHz，频率范围为200-600MHz。,地质雷达之： Groundvue 2,Groundvue 2是操作界面友好而且很容易操作使用的设备。在测量前可以定义时窗和采样间距，在测量后数据处理过程中也可以根据需要改变时窗和采样间距 其天线中心频率为50MHz，频率范围为30-100MHz。,Radar,泥炭地环境调查,GPS Antenna,古建筑物残体检测,伦敦码头的重新改造启用,Groundvue 3
15、 最快的四通道数据采集器4GHz, 1.5GHz, 1GHz, 400MHz, 250MHz.,地质雷达之： Groundvue ,该雷达天线中心频率为兆赫兹，是目前世界频率最低的一款雷达，探测深度能够达到地下200米，具有划时代的意义该天线频率范围为5MHz-30MHz.,地质雷达之： Watervue,Borevue是专门为水上测量而设计的。可以清晰探测水下信息。该雷达频率范围为30MHz-100MHz。使用时直接贴在水面上进行测量。,裂缝检测专用探头,英国UTSI公司专门设计了用来检测裂缝的雷达天线。其特殊的结构设置，使裂缝检测更加方便准确。该天线为世界上唯一的裂缝检测专用天线, 海洋电
16、法,与研究程度较高的陆地电法勘探相比较，海洋电法的研究程度很低。在我国，这一领域近年来才开始起步。由中国地质大学等单位承担的海底大地电磁研究项目，已取得初步成果。,由于导电海水的存在，使得海洋电法勘探与陆地电法勘探的环境明显不同。海洋电法勘探的接收是在良好导电的海水中或海水与海底交界面上进行；对于人工场，发射也是在海水或海水与海底交界面上进行。导电性能良好的海水对电磁场的影响与空气对电磁场的影响是大不相同的。因此，必须对海洋电法勘探进行专门的研究，无法简单照搬陆地电法勘探的理论与技术。,图4-1 HED布极形式示意图,图4-2 海洋拖曳IP Streamer系统, 震电法,基于岩、矿石的压电和震电效应利用人工震源产生的弹性波在岩石中传播时激发形成的电磁场，来实现寻找特定勘探对象的物探方法被统称为震电法。它是同时研究弹性波场与电磁场，具有地震勘探与电法勘探相结合特点的一类新的勘探地球物理方法。,本节结束,
