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简评直流电阻率法原理及物探仪的优劣 郑州地象科技有限公司 寇伟 13903832188 直流电阻率法是有电以来最早的地球物理勘探仪器。从网上无从查找直流电阻率的起源时间，仅查到激发极化法是在1920年由法国学者施伦贝尔热首先提出的，迄今也有一百年以上了。而在国内，也只是解放后从前苏联引进并开始推广，目前在地质部门依然广泛应用于找水找矿勘探工作中，在技术上虽然落后于时代、但也一时难以被替代。 直流电法包括普通电阻率法、高密度电阻率法、激发极化法等，都是需要用直流电源AB正负电极拉开超过两倍于探测深度的距离对大地馈电，通过另一对MN接地电极采集充电时及断电后的反映地下岩石电阻率的电位值。根据欧姆定律，电流与电压之比为电阻，而电导率则是电阻的倒数。因此，电导率高的物质电阻低，反之亦然。直流电阻率法利用电极对地下物质施加一定的电压，并通过不同的电阻计量装置测量电流，从而计算地下物质的电导率。直流电阻率法是所有直流电法的根基，以下仅对直流电阻率法进行研讨，先搞明白其原理、能做什么、怎么做的、效果如何，再说怎么应用其找水找矿。 一、简论直流电阻率法原理 无论是何种物探方法，都要清楚其基本原理，采集样本的物性参数，计算表征物性参数值的假设条件、计算方法，反演解释的约束条件，不能人云亦云，鹦鹉学舌。 1、大地是不良导体。从整体来看地壳属于不良导体，一般干燥岩石的电阻率都很大，在极间距较大加压馈电时，AB正负极之间的岩石形成微弱的带电量不等的离子体（自由电子）而导电，极间距越大、电导性越差。只有存在电导率高的含水层或潮湿层、品位高的金属矿脉等，才会具有一定程度的导电性。 2、测取的并非真实的电阻率。用电阻率法测取地下多种多层岩石的电阻率并不是某一种岩石的真电阻率，它除受各种岩石电阻率的综合影响外，还与介质的结构、构造、分布等具体情况有关，也会受到AB供电极距和MN测量电极的相互位置、馈电电流大小等采集方式的影响，所以只能称它为视电阻率（视同为电阻率），是一个表征地下介质电性参数的相对值。 3、地下非均匀介质对于电阻率测深数据的真实性影响极大。直流电法假设在地下为均匀介质的情况下，直流电源AB正负电极拉开超过两倍于探测深度的距离对大地馈电，直流电在地下半圆形均匀介质内生成一个均匀电场，通过另一对MN接地电极采集充电后反映地下岩石视电阻率的电位值、以及断电后的激发极化参数值。然而，大地岩层是由不同物质构成的非均匀介质体，对大地馈电两极之间形成的电场也是非均匀的，尤其是在高电阻率的作用下，插入到地表的电极放电后的电流并非是按照假设那样均匀地射入地下，而是逐渐衰减式微，测深值内所含不同深度测值所占比例并非是均匀的、而是深度越大占比越少。 二、直流电阻率法的固有缺陷 直流电阻率法仪是有电以来最早的、也是最简单的物探设备，它在原理及应用上都存在一些固有的缺陷。要清楚这些缺陷，才能在实际应用中避免走入误区。 1、馈电后极距间电荷一定会走最近的路。由电源通过AB正负两极向大地馈电，电荷不可能像原理图上画的AB间半圆形流动，更不可能形成均匀分布的电场。即使是假设的均匀分布介质体，电荷也会选择最近的路去走，这样就会形成浅层的电荷密度大，越往深处走电荷密度越少。也就是说测深数值总量里包含的浅层信息量占比多，包含的深层信息量占比渐少，深度越大、信息量占比越少。 2、馈电后极距间电荷一定会走最容易走的路。在非均匀不良导体介质属性的大地内，馈电后电荷由正极流向负极，肯定是会挑最容易走的路流动，电阻率越小的路径通过的电荷就越多，电阻率越大的路径通过的电荷就越少。结果就产生了遇水路则通、遇硬岩层则阻的低阻层和高阻层问题，无论是遇到通路的低阻层、还是遇到阻力大的高阻层，极间距内的电荷都不会再向深层流动，肯定就测不到深层介质层的信息了。 3、采集信息包含极间距的体积效应。电源AB正副电极间长度决定了探测深度，而MN电极极距则决定了采集信息的范围。MN极距越短，点间距就可以越小，测深结果的体积效应就越小，由各探测点形成剖面的横向分辨率就越高；MN极距越长，点间距就不可能小，测深结果的体积效应就越大，由间距较大探测点形成剖面的横向分辨率就不可能高。在实际工作中，MN电极间距较小时极间电阻也小，所采集信号的电位值相应很小，尤其是在地下覆盖层及浅表层的湿度大、电阻率很低的情况下，会导致各探测点采集电位值数据的差别过小、观察不出异常；无奈中只有加大MN极距，同时也就增加了探测结果的体积效应、降低了剖面的横向分辨率。 三、应用直流电阻率法仪存在的问题 目前的物探设备中，应用时间最长、普及最广、积累经验最多的当属直流电法。引进推广应用直流电法找水找矿等已约有70年的历史，国内专业物探技术人员在实践中研究出很多应用方法和技巧、总结出许多成功的经验，是一种普及率很高的物探方法，尤其是在固体矿产勘探工作中还在作为主力物探设备。直流电阻率法作为直流电法的基础物探方法，其在应用中存在的一些基本问题亦为所有直流电法仪存在的问题。 1、接地电阻问题。在直流电法中，用A、B、M、N电极插入大地进行供电与测量。在实际工作中，总是希望接地电阻尽可能小些，AB电极接地电阻小，可在一定的供电电压下馈入较大的电流， MN电极接地电阻过大，将使观测误差增大。理论上有不少解决办法和规范要求，但在勘探现场复杂的地形地质环境下是很难实现的。 2、体积效应问题。在供电电源一定的情况下，AB极间距越大、接收体就越大，馈入到地下有限的电荷就会被分摊渐微，介质电性反应微弱，实际采集到信号中的有用信号占比会很少、各种干扰信号占比过多，严重影响到采集数据的可信度。而靠增大供电电源的功率来提高地下介质反应强度，在野外复杂勘探环境中也是很不现实的。 3、测深数据的可比性问题。理论上讲直流电法测深的探测深度为二分之一AB极间距，若是测深的深度间隔10米，每测一个深度值AB极间距就要再加大20米，馈入电流的流动半径就要增大10米，体积效应会增大更多。也就是说，在同一电源供电相同馈电量的条件下，在不同AB极间距下体积不等、电场分布空间不同分别采集到的信号，可比性会随着深度的增加、AB极间距下体积的倍增而变差，若是深度间隔较大时基本上就不具有可比性。 4、测深数据信息易混乱不清。（1）测深时不同深度采集的视电阻率数值，都是时间域信号的一个总量值，理论上是包含了MN极距下从地表至二分之一AB极间距为长度路径经过介质的综合信息，并非只是该深度层介质的视电阻率值，很多人分析时容易误解；（2）由于体积效应和纵深高阻衰减增大的原因，所测视电阻率总量中包含各层信息占比是随着深度增加而递减的；（3）所测数据所含最深层介质信息对应的实际深度，并非是按照二分之一AB极间距增加的，而是随着实际深度的增加递减的；（4）当馈入电流遇到地下岩层为含水低阻层被短路、受到高阻层阻挡而不能继续下行时，在MN极距间拾取到的信号中就不会包含之下介质层的信息。以上种种情况，在实际勘探不同地质体时出现混乱不清的问题大小都是不可知的，在数据分析反演中也是看不出、不可滤的，所以才会造成分析结果的多解性和误判。 5、勘探投入与效果和效率严重不匹配。目前应用直流电阻率法找水定井已经很少了，大部分都被其它物探方法所替代，究其原因主要是勘探效率低下、定井效果差。一个300米深度、纵向间隔10米的测深点，一天才能做两三个，只能凭经验挑选几个点做测深，比较后选择一个较好的点就定井，根本搞不清地下构造分布形态就定井怎么能成井呢。应用直流电阻率法找矿效率更差，勘探人员年年辛辛苦苦的背着设备穿山越岭布线勘探，为的就是完成那些预算的工作量，换来的成果可能就被报告中反演解译成果的多解性给废掉了。若一年完成一千个电阻率测深点的工作量，应用MT-VCT探矿仪几天就可以做完，而且纵向分辨率精度为20厘米/层，勘探效果更好。应用直流电法设备找矿，除了在查明矿脉之后用激电测深法来鉴别是否为金属矿脉之外，其它因效率低效果差皆可弃置不用。 总之，直流电阻率法仪作为一种已有一百多年历史的物探方法，近几十年为我国物探找矿找水事业做出了不可磨灭的贡献。然而，直流电阻率法仪原理上的缺陷及探测结果的多解性也一直影响着其应用效果。随着物探领域新技术、新方法、新仪器的发明和应用，更快捷简便、大数据真实展现地质构造、准确有效的物探仪器设备，正在逐渐被地质勘探者所接受、终究要完全替代直流电阻率法仪用于找水找矿勘探工作。 2023年7月29日
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雷达卡
发表于 2023-7-29 11:19
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