第四章 频率域激发极化法
其它电法：激发极化和电磁法
人工场源频率测深的激发方式有两种， 其中一种是利用接地电极，将交变电流送人 地下，当供电偶极，距离不很大时，由此而 产生的电磁场就相当于水平电偶极子的场， 另一种激发方式是采用不接地线框，其中通 以交变电流后在其周围便形成了一个相当于 垂直磁偶极子的电磁场。
三、甚低频电磁法
甚低频 （VLF）电磁法是一种被动源电 探方法，它利用超长波通讯电台所发射的电 磁波为场源，通过在地表、空中或地下探测 场的参数变化，从而来达到找矿或解决有关 水文工程地质问题的目的。
（二）联合剖面装置
联剖装置能得到2条ηs曲线，将2条曲线配合 起来作推断解释，能较准确确定极化体位置（根据 “反交点”）和判断极化体倾向。但联剖ηs曲线较复 杂，对相邻极化体的分辨能力较差，且对近地表小 极化体的干扰反映较灵敏，地形对异常的畸变也较 明显和复杂。
此外，从工作方法和技术看，电极距对联剖异 常的影响较大，恰当地选用电极距对联剖装置很重 要，有时甚至需要几种电极距作测量，这会使生产 效率降低；联剖需要敷设一条“无穷远线”，这不仅 使装置笨重，生产效率低，而且电磁耦合干扰问题 较大。故联剖不用作普查找矿的基本装置，仅在详 查中为解决特定问题（如确定极化体位置和产状 等），才在少数剖面上布置激电联剖测量，而且多 在时间域激电法中采用。
在我国，偶极装置主要用于电磁耦合问题 比较突出的频率域激电法。
四、激发极化法应用实例
（一）激发极化法在水文地质调查中的应用 不同岩、矿石的激发极化特性主要表现在二次
场的大小及其随时间的变化上。在金属矿的普查勘 探中，主要采用了表征二次场大小的参数，如极化 率及频散率等。但在水文地质调查中，我们更重视 表征二次场衰减特性的参数，如衰减度，激发比、 衰减时等。激发极化法在水文地质调查中的应用主 要有两点：一是区分含碳质的岩层与含水岩层所引 起的异常，二是寻找地下水，划分出富水地段。
电法勘探-直流电法-激发极化法
（1）装置类型 （2）极化体的导电性 （3）装置相对于极化体的位置 （4）充放电时间
注意与电阻 率和视电阻 率对比
二、激发极化法的仪器装备和工作方法
装置类型与电阻率法相同。联合剖面、中间梯度和电 测深装置；交流激电法常用偶极装置。常用中间梯度 和偶极装置
三、极化体的激电异常
（一）中间梯度装置的激电异常
不同岩矿石极化率对比表
（三）激发极化法测定的参数
2.视极化率ηs和视频散率Ρs Nhomakorabeas
V2 V
100 %
Ps
V f1 V f 2 V f2
100 %
在电场有效作用范围内各种岩矿石极化率或频散率 的综合影响值——视极化率或视频散率。
（三）激发极化法测定的参数
3.视极化率ηs和视频散率Ρs的影响因素
常用中间梯度和偶极装置三极化体的激电异常一中间梯度装置的激电异常三极化体的激电异常一中间梯度装置的激电异常三极化体的激电异常一中间梯度装置的激电异常三极化体的激电异常一中间梯度装置的激电异常注意两侧剖面注意两侧剖面极大值在地面极大值在地面上的投影并不上的投影并不在铜板正上方在铜板正上方三极化体的激电异常二联合剖面装置的激电异常三极化体的激电异常二联合剖面装置的激电异常三极化体的激电异常三偶极剖面装置的激电异常注意与直流电测深曲线对比三极化体的激电异常四测深装置的激电异常1211????四激发极化法的应用一高电阻率高极化率判断矿体倾向采用中梯装置电剖面法激发极化法四激发极化法的应用二
激发极化法（IP）的优点：
① 能寻找侵染状矿体。 ② 能区分电子导体和离子导体产生的异常。
③ 地形起伏不会产生假异常。
激发极化法（IP）的缺点：
① 矿化（黄铁矿化、石墨化的岩层）岩层产生 强激电异常
频率域激电法
1
x
RRa aRRb bRRc
(3.8)
由(3.7)式经过相当推演后，可将等效网络阻抗写成
ZiZ0 1m11i1c
(3.9)
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将阻抗Z(iω)和Z(0)对测量装置作归一化，计算电 阻率 KUKZ，则可得体极化条件下复电阻 率的表达式：I
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我们考察矿化岩石（体极化体）内一个小单元[图
3-1(a)]其中脉石矿物（1）实际上为绝缘体；离子
导电（裂隙水）通道（2）概括为两条：a——未被
电子导电矿物粒（3）堵塞的通道和b——被电子导
电矿物粒堵塞的通道。a通道只有纯电阻Ra；而b通 道除离子导体和电子导体内部的纯电阻Rb之外，还 串联有电子导电颗粒表面极化的等效阻抗ZIP。根
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图2.3
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岩石颗粒-溶液界面上双电层的结构
图2.4 岩石颗粒表面双层变形引起的激电效应
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• 在外电流作用下，岩石颗粒表面双电层分散区之 阳离子发生位移，形成双电层形变(图2.4，b)；
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• 1950年以前，所有的IP测量都是在时间域进行的。 1950年根据实验室的测量结果，科列特和赛格尔 提出了用不同频率的交流测量方式。维特大大地 扩展了这种方法的可能性，并在当年进行了成功 的实验
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激发极化法极化率衰减曲线测量技术
激发极化法极化率衰减曲线测量技术上海绿海电脑科技有限公司陆焕文电法勘探测量方法与仪器的分类：1：按电场生成分类：可分为天然电场法和人工电场法。
天然电场是大地中自然产生的，或者是有雷电，远距离长波无线电台发出的电场，底下电化学效应自己引起的电场（自然电场）。
人工电场是勘探人员用发送机法术固定的电流波形在底下建立的人工电场。
人工电场还可以分成传导类电场和感应类电场，传导类电场是发送机的发送电极接地的（用铜电极赶插入地下）。
感应类电场是用无线电发送天线向空中发射后感应到地下的，即发送机发送端不接地（如测地雷达）。
2：按被测的参数分类：根据测量不同的物探参数可以分成不同的测量仪器，从被测信号频率的高低可分成以下几类：* 直流：（超低频1HZ以下）直流电阻率法* 低频：（0.1HZ～20HZ）激发极化法* 音频：（20HZ～10KHZ）音频磁大地电流法3：按测量效率分类：按一次供电可同时测多少的物理册点分类：* 单点普通方法：每测一个物理点后要移动测量电极到新物理点再测，需要“跑极”，这种方法仪器简单，人工多，效率低。
* 多点同时测量的高密度法：这种方法可以一次发送机供电。
同时多个物理测点上同时测量，测量效率高，数据可靠性高。
高密度测量中还可分为多线制和总线制。
多线制是一台主机上引出多道测量线，用星形网直接接到不同物理点的MN接线电极上。
这种方法的缺点是要用长导线传诵模拟量ΔV信号，而ΔV信号是mV级的微弱信号，容易受空中电磁波干扰，测量精度受影响。
总线制是一台主机与多台从机用一根电缆连接起来，组成一个野外现成总线局域网，主机用数字通讯指挥各从机同时测量，测量完成后用数字通讯把各从机测得的信号分时传送给主机。
在长线上传送的是数字信号。
选用半双工的RS485通讯总线，距离可达1000米，数字不易受干扰，一根电缆线最多可以带128个从机。
4：按野外的布极方法分类，以下介绍几种常用的布极和K 值计算公式 * 中间梯度法A 供电电极组B 供电电极组 M NM NA MN 距（米） BKmn = (2π* AM * AN * BM * BN) / [MN *(AM * AN + BM * BN)]A,B供电电极是固定的，MN在A，B中间区域移动（在A，B的1/2区域内）*电测探法（对称测探法）BK值与中间梯度法计算相同，只是这儿的AM = BN在此M，N是固定在AB中间，而A，B供电电极是可以对称的向两边移动。
激发极化法
AB AB ≥ MN ≥ 的常规关系确定。为了满足这一关系，通常在一条 3 30
分布。一般
关于测量电极距 MN ，则可按 测深曲线上会出现 MN 的接头点。
几种装置在不同地电条件下的正演 曲线及异常规律
起伏地形条件下脉状体上中梯装置的 电阻网模拟剖面曲线
球体上方三种极距的ηs曲 线都有所谓的“反交点”。 交点两侧曲线成镜像对称， 随着AO的加在，两则极大 值向远离球体方向位移。 当然，如果AO（→∞）极 距足够远，两曲组将重合 成一条（相当于中梯）
交点 在两 板体 中间
高低不同两板体， 曲线不对称，如果 根据所夹面积解释 产装右倾，则出错 误
1 (L l) （ 1.2.17） 2 AO BO ≥ 3h 或 （ 1.2.18） 式中 L 为极化体走向长度； l 为极化体下延长度； h 为极化体顶端埋藏深度 AO BO
1 1 MN ~ AO 3 5
（1.2.19)
“无穷远” 极，应垂直测线方向布设，它与最近测线的距离应大于 AO 的 3-5 倍。当斜交测线方向布设 时，它与最近测线的距离应大于 AO 的 10 倍。
一般来讲，激电法可采用电阻率法中的各种装置类型。但究竟选择哪种装置采用多大电极距，还需根据任务要求，工作地区的地质、 地球物理条件和装置本身的特点等进行综合考虑。现对激电法中目前常用的几种装置类型特点及电极距的确定原则介绍如下，供参考。 （一）中间梯度装置 1．装置特点 中间梯度位置（简称中梯装置） ，它的最大优点，就是敷设一次供电导线和供电电极（ A、 B）能在相当大的面积上进行测量，特别 是能用几台接收机同时在几条测线上进行观测（图 1.2.3） ,因而具有较高的生产效率。最适于做面积性普查工作。 另外，由于中梯装置的观测范围处于 A、B 之间的中间地段，接近于水平均匀极化条件，故对各种产状和不同相对电阻率的极化体， 均能产生较明显的异常，且异常形态比较简单，易于解释。 大家知道，中间梯度装置有纵向中梯和横向中梯之分。图 1.2.3 所示为常用的纵向中梯，即 AB 连线方向（测线方向）垂直于目标极 化体的走向。而横向中梯的 AB 连线方向则是与目标极化体的走向平行。由于横向中梯只适于勘查良导电或低阻脉状极化体，而对电阻 率与围岩相近或高于围岩的极化体则效果不佳。因此在金属矿产普查阶段应用较少。
第四章频率域激发极化法
第四章 频率域激发极化法频率域激电法主要使用偶极装置。
我国常用的频率域视激电参数为视频散率 P s ；80 年 代初期，研制和引进了相位激电仪，开始在频率域激电法中研究新的参数——视相位φs ； 随后又研制和引进了频谱激电系统，使视复电阻率频谱r s (i w )成了新的研究对象。
下面分别 介绍这些参数的异常形态。
3.4.1 视频散率异常除在小比例尺普查找矿阶段使用单个或两个极距作偶极剖面观测外， 通常偶极—偶极装 置都采用多个极距的测量，即供电和测量偶极长度保持相同（AB =MN =a ），逐个改变偶极间 隔系数（一般 n=1，2，3，……，6）进行观测。
所以，偶极—偶极装置兼有剖面法和测深 法的双重性质，它的观测结果，除可绘制成剖面曲线外，更多地是表示为拟断面图。
图 3.4.1 给出了低阻水平、倾斜、垂直板状体和水平圆柱体上偶极装置的视频散率 P s 拟断面图。
模拟参数表明围岩是不极化的，而低阻极化体的频散率 P 2®100%。
从图 3.4.1 可看到，不同形状和产状的极化体上的 P s 拟断面图有很大差别：低阻水平板状极化体的 P s 拟断面图的高值等值线对称地位于极化体两侧下方，呈“八”字形分布。
当一个偶极（AB 或 MN ）位于远处，另一个偶极（MN 或 AB ）位于极化体正上方，对极化体水平极化（即沿延伸方向极化），可得到最大的激电异常。
低阻倾斜板状极化体的 P s拟断面图具有不对称形状， 主异常的倾斜方向与极化体的倾向相反，极化体位于主异常等值线簇的上端附近。
P s 异常极大点位于 极化体下盘。
这是因为该点图3.4.2 体极化球体上偶极装置的视相位φs 剖面曲线和拟断面图球体参数：r 0=5；h 0=6，ρ20=10Ω·m ，m 2=0.6，c 2=0.25，τ2=1s ；围岩参数：ρ10=10Ω·m ，m 1=0.04，c 1=0.25，τ1=0.1s ；偶极长度 a=2；频率 f =1Hz 。
激发极化法
电法勘探:根据地壳中不同岩层之间、岩石和矿石之间存在的电磁性质差异，通过观测天然存在的或由人工建立的电场、电磁场分布,来研究地质构造、寻找有用矿产资源,解决工程、环境、灾害等地质问题的一种地球物理勘探方法。
方法分类：主动源人工或天然场源自然电场法被动源 大地电磁测深法甚低频电磁法电阻率法：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的分布规律进行找矿和解决地质电阻率法电磁法 充电法 激发激化法问题的一组电法勘探的分支方法。
充电法：向矿体充电，通过观测其充电电场的空间分布来了解矿体规模和赋存状态的电法勘探方法。
电磁法：是以地壳中岩、矿石的导电性、导磁性和介电性为主要物性基础，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。
自然电场法：利用岩、矿石由于电化学作用在其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：利用在低、中频率范围很宽（10-4-104Hz）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。
甚低频电磁法：利用分散在全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。
激发极化法一、概念1、激电效应在向地下供入稳定电流时，测量电极间的电位差随时间而变大并经过一段（一般约几分钟）时间后趋于某一饱和值（充电过程）；在断开供电电流后，测量电极间的电位差在最初一瞬间很快下降而后随时间相对缓慢地下降，并经过一段（一般约几分钟）时间后衰减接近于零（放电过程）。
这种在充电和放电过程中产生随时间缓慢变化的附加电场现象，称为激电效应（激发极化效应）。
2、激发极化法它是以地壳中不同岩、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。
4激发极化法解析
第一节激发极化法基础
一、岩石和矿石的激发极化机理
（一）电子导体的激发极化机理 电子导体（包括大多数金属矿和石墨及其矿化岩石）的激发极化机理一般认 为是由于电子导体与其周围溶液的界面上发生过电位差的结果。 在一定的外电流作用下，“电极”和溶液界面上的双电层电位差相对平衡电 极电位之变化，在电化学中称为“过电位”或“超电压” 。
式中deltU2(T,t)是供电时间为T和断电后t时刻测得的二次电位差。 极化率是用百分数表示的无量纲参数。由于deltU2(T,t)和deltU （T）均与供电电流I成正比（线性关系），极化率是与电流无关 的常数。但极化率与供电时间T和测量延迟时间t有关，因此，当 提到极化率时，必须指出其对应的供电和测量时间T和t。为简单 起见，如不特加说明，一般便将极化率yita定义为长供电和无延 时的极限极化率。 U ( ) U (0) (T , t ) |T ,t 0 U ( )
s (T , t y )
U 2 (t y ) U (T ) 100% ms (T , t y t j / 2)
t y t j ty
U 2 (t ) dt U (T )
时间域激电法的观测仪器较易制造，而且由于通常是观测供电脉冲断 开几百毫秒之后的二次电位差，受电磁耦合的干扰较小，故工作方法和解 释理论都比较简单。但这种时间感观测仪器乃是宽通带的接收机，对大地 噪声、工业游散电流和极化不稳等的抗干扰能力差，加之待测的二次电位 差通常远比一次电位差小，为提高信噪比往往要求大功率供电，从而使这 种方法的装备十分笨重，生产效率较低、成本高。
时间域谱激电法：是既保持频谱激电法能获得丰富信息的优 点，又能提高生产效率的一种新方法。这种方法观测直流脉冲激 发下总场电位差的充电过程 ΔU(T)（次要的）和断电后二次电位 差的放电过程ΔU2(t)（主要的）。 根据时间特性和频率特性的等效性可知，时间域谱激电法能 获得频谱激电法同样的信息；而前者原则上讲只要作一次测量便 可获得所需的时间谱数据。由于微电子技术的发展，当代时间域 激电测量系统已能通过自动跟踪和补偿极化电位差、信号增强技 术和数字滤波等来有效地压制干扰，克服早期时间域测量的缺点， 使时间域谱激电测量成为可能。不过，目前时间域谱激电法还有 一些理论和技术问题有待研究和完善，可能还要经过几年才能成 熟。
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图3.4.1 偶极装置的不同形状和 产状二维低阻极化体上的Ps拟断 面图（导电低模拟） 围岩电性：ρ 1（fD）=1，ρ 1 （fG）=1，即P1=0；极化体电 性：ρ 2（fD）=0，ρ 2（fG） =0.1，即P2→100%。极化体的断 面形状已绘在相应的拟断面图
与极化体的倾向相反，极化体位于主异常等值线簇 的上端附近。Ps 异常极大点位于极化体下盘。这是因为 该点对应的供电和测量偶极（中心在 O1 和 O2）的电流 线均沿长轴通过极化体，而对于低阻极化体这正是最佳 极化耦合位置，故激电异常最大；低阻直立板状极化体 拟断面图的 Ps 高值等值线对称地位于极化体中心附近， 并近于呈三角形。对于各种电极距（n=1，2，„„，8） ， 均为装置中心位于极化体正上方（供电和测量偶极对称 地位于极化体两侧）时取得异常极大值。因为此时地下 一次场电流线均近于沿长轴（即铅垂方向）或与长轴成 较小交角通过极化体，成为最佳极化耦合状态；水平圆 柱状极化体的 Ps 拟断面图呈“背斜”形式，其“轴部” （异常中心）大致在极化体中心附近。
3.4.2 视复电阻率频谱异常
图3.4.3 体极化球体上方不 同测点的 视相位频谱曲线h0=8，m1=0， n=5，其余条件同图3.4.2实 线表示负相位值，虚线表示 正相位值
二、不同相对电阻率的视相位频谱
图3.4.4 体极化球体正上方不同相对电阻率μ20的视相位频谱曲线 （四级近似计算结果）。曲线旁的数字表示μ20值，其余条件同图3.4.3
第四章 频率域激发极化法
频率域激电法主要使用偶极装置。 我国常用的频率域视激电参数为视频散 率Ps；80年代初期，研制和引进了相位 激电仪，开始在频率域激电法中研究新 的参数——视相位φs；随后又研制和引 进了频谱激电系统，使视复电阻率频谱 s(i)成了新的研究对象。下面分别介 绍这些参数的异常形态。
图 3.4.2 给出了频率 f=1Hz 时，一个体极化球 体上不同偶极间隔系数（n）的偶极装置视相位s 剖面曲线和拟断面图。它是在半空间条件下用近 似算法获得的。可以看出， s 剖面曲线在偶极间 隔小时（n=2） ，在球心正上方有 s（负值）的单 峰主极值，两侧出现异性次极值。虽然对视激电 相位s 来说，极化体正上方的主极值为负值，但 我们仍按常规激电法的习惯称其为“正异常” ；同 样，还将其两侧的反相异常称为“负异常” 。随着 偶极间隔增大（n=4） ，异常幅度变大，范围变宽； 但当偶极间隔很大时（n=8） ，球上出现双峰，且 主极值幅度略有减小。
3.4.3 频率域激电法的应用
图3.4.7 ××铜矿Ⅰ剖面频谱 激电地质综合剖面图 偶极装置：a=40m，n=1~6 1—T2Z周冲村组；2—T1s上青 龙组；3—T1x下青龙组；4— P2l龙潭组；5—P1q栖霞组； 6—S2f坟头组； 7—o石英闪长玢岩；8— 花岗闪长斑岩；9—黄铁矿化 花岗闪长斑岩；10—μ闪长玢 岩脉； 11—断层；12—铜钼矿化层
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3.4.1
视频散率异常
除在小比例尺普查找矿阶段使用单个或两个极距作 偶极剖面观测外， 通常偶极—偶极装置都采用多个极距的 测量，即供电和测量偶极长度保持相同（AB=MN=a） ，逐 个改变偶极间隔系数（一般 n=1，2，3，„„，6）进行 观测。所以，偶极—偶极装置兼有剖面法和测深法的双重 性质，它的观测结果，除可绘制成剖面曲线外，更多地是 表示为拟断面图。
图 3.4.1 给出了低阻水平、倾斜、垂直板状体和水 平圆柱体上偶极装置的视频散率 Ps 拟断面图。模拟参 数表明围岩是不极化的，而低阻极化体的频散率 P2100%。 从图 3.4.1 可看到，不同形状和产状的极化体上的 Ps 拟断面图有很大差别：低阻水平板状极化体的 Ps 拟断 面图的高值等值线对称地位于极化体两侧下方，呈 “八”字形分布。当一个偶极（AB 或 MN）位于远处， 另一个偶极（MN 或 AB）位于极化体正上方，对极化 体水平极化（即沿延伸方向极化） ，可得到最大的激电 异常。低阻倾斜板状极化体的 Ps 拟断面图具有不对称 形状，主异常的倾斜方向
图3.4.2 体极化球 体上偶极装置的 视相位φ s剖面曲 线和拟断面图 拟断面图中 实 线—“正异常”等 值线；虚线—“负 异常”等值线； 点划线—“零异常” 等值线；点线— 球体断面
对高阻极化体的模拟结果表明，高阻直立板状极 化体和低阻水平板状极化体的 Ps 拟断面异常形态相 同；而高阻水平板和低阻直立板的异常形态相似；高 阻倾斜板的异常形态则和反向倾斜的低阻板的异常形 态差不多；至于高阻圆柱状极化体，其异常形状基本 上和低阻圆柱状极化体的相同。以上不同导电性和不 同产状极化体的激电拟断面图异常形状的相似性，可 归纳为所谓“拟断面图异常的正交特性” ，即高阻板状 极化体和与之正交的低阻板状极化体的激电拟断面图 异常形态相同； 对于等轴状截面的水平圆柱体则是 “自 正交” ，即高阻和低阻极化体的激电异常形态彼此相 同。
图3.4.5 在具有不同真谱参数的球体正上方视充电率ms（虚线）和视时间常数τs（实线）随 相对电阻率μ20的变化曲线源自图上标注者外，其余条件同图3.4.3
三、不同埋深时的视相位频谱
图3.4.6 体极化球体正上方视充电率ms和视时间常数τ s随球心相对深度h0/r0的变化曲 线（四极近似计算结果，条件同图5.4—4）