自然电场法 电法勘探 地质详解.docVIP

第二节 自然电场法 在一定的地质-地球物理条件下，地中存在原天然稳定电流场称为自然电场。基于研究自然电场的分布规律来达到找矿或解决其它地质问题的一种方法称为自然电场法。本节将讨论自然电场的成因和分布规律，并在此基础上介绍自然电场法的应用。 一、岩石和矿石的自然极化 一般情况下物质都是电中性的，即正、负电荷保持平衡。但在一定条件下，某些物质或系统的正、负电荷会彼此分离，偏离平衡状态，通常称这种现象为“极化”。某些岩石和矿石在特定的自然条件下会呈现出极化状态，并在其周围形成自然电场，这便是岩、矿石的自然极化。 1、电子导体的自然极化 当电子导体和溶液接触时，由于热运动，导体的金属离子或自由电子可能有足够大的能量，以致克服晶格间的结合力越出导体而进入溶液中。从而破坏了导体与溶液的电中性，分别带导性电荷，并在分界面附近形成双电层，此双电层的电位差称为所论电子导体在该溶液中的电极电位。它与导体和溶液的性质有关。若导体及其周围的溶液都是均匀的，则界面上的双电层也是均匀的，这种均匀、封闭的双电层不会产生外电场。如果导体或溶液是不均匀的，则界面上的双电层呈不均匀分布，产生极化，并在导体内、外产生电场引起自然电流。这种极化所引起电流的趋势是减少造成极化的导体或溶液的不均匀性。故若不能继续保持原有的导体或溶液的不均匀性，使之因极化而引起的自然电流会随时间逐渐减小，以至最终消失。因此电子导体周围产生稳定电流场的条件是：导体或溶液具有不均匀性，并有某种外界作用保持这种不均匀性，使之不因极化放电而减弱。 图2.2.1 电子导电矿体的自然极化及自然电场 如图2.2.1所示，赋存于地下的电子导体矿体，当其被地下潜水面截过时，往往在周围形成稳定的自然电场。原因是，潜水面以上渗透带，由于靠近地表而富含氧气，使那里的（附着水）溶液氧化性较强；相反，潜水面以下含氧气较少，使那里的水溶液相对来说是还原性的。潜水面上、下部分总是分别处于性质不同的溶液中，在导体和周围溶液的分界面上形成不均匀的双层面，产生自然极化，并形成稳定的自然极化电流场。通常称这样的自然电场为氧化—还原电场。容易理解，通过大气降水的循环，从大气中不断向地下补充的氧气，提供了氧化—还原电场的能源。 在上述特定自然条件下，导体上部处于氧化性质溶液中，电极电位较高，导体相对带正电，而周围溶液带负电；而导体下部分处于还原性质溶液中，电极电位较低，导体相对带负电，周围溶液带正电。由此形成的电流在导体内部自上而下；而在导体外自下而上（见图2.2.1）。从地面上看，自然电流由四面八方流向导体，因此离导体越近电位越低。在导体正上方电位最低，称为自然电位负心。通常，在硫化金属矿上可观测到几十到五百毫伏的自然电位负异常；而在石墨化程度较高的地层或石墨矿上，自电负异常的幅度可达-800~-900 mV，甚至更大。 关于形成氧化-还原电场的具体过程，可参考有关文献。 2、离子导体的自然极化 地面电法勘探在离子导电的岩石中观测到的自然电场主要是由于动电效应所产生的流动电位所引起的。一般岩石颗粒与周围溶液之间形成的离子双电层，靠岩石颗粒一边带阴离子，而溶液一侧为阳离子。当地下水在岩石中流过时，将带走双电层溶液一侧（扩散区中）的部分阳离子。于是在水流的上游会留下多余的负电荷（阴离子），而在下游有多余的正电荷（阳离子）。因而破坏了正负电荷的平衡，形成极化，这种极化的结果，将沿水流方向产生电位差，这在电化学上叫流动电位。在此种极化机理中，好似水流过岩石时，岩石颗粒滤下了部分阴离子，故在电法勘探中形象地称由此形成的自然极化电流场为过滤电场。地壳中的过滤电场主要有裂隙渗漏电场，上升泉电场，山地电场和河流电场等。这类自然电场都与地下水的流动有关，基于对它们的观测和研究，有可能解决某些水文地质和工程地质问题，例如，确定地下水流向及地下水与地表水补给关系，寻找水库漏水带或构造破碎带及上升泉等，对寻找金属矿来说，各种过滤电场则是一种干扰。 图2.2.2 山地电场 为了考察过滤电场对金属矿电法的干扰程度和在水工物探中利用它的可能性，需要估算它的电位异常幅度。对于多孔岩可利用下式计算 =0.77 mV=0.77 mV (2.2.1) 式中—地下水的电阻率（Ω·m）；△P或△P’－引起地下水流的水压差。每十米水柱的水压约等于一个大气压。 除过滤电场外，不同岩性和孔隙水矿化度不同的离子导电岩石相接触时，还能产生扩散-吸附电场。不过，在地面电法勘探中后者通常很弱，难以应用，也不会形成明显干扰。 二、自然极化球体的电场 本节将以自然极化球体的电场为例，讨论电子导电矿体自然电场的特征。 设在均匀充满全空间的电阻率为ρ1的介质里，有一个电阻率为ρ2、半径为r0的球体。当球体被均匀极化时，球体表面形成不均匀的（异常）双电层，其电位差（近似看