激发极化法(长安大学课件)

激发极化效应的时间参数
(1)在激发电流不变的条件下，开始 时二次电位差△V2随充电时间增加而迅速 增加，但随时间增加，△V2增加变慢，又 经过一段时间(约2～5分钟) △V2达到饱 和渐近值。断开电源后， △V2开始放电， 开始时衰减快，然后变慢，最后衰减到 零。如所示。 (2) 不同的岩矿石的充、放电时间特 征也不一样 a) 一般来说在相同激励条件下，面 极化介质 ( 致密块状矿体 ) 达到饱和渐近 值所需的时间，比体极化介质(浸染状矿 体)达到饱和渐近值所需的时间长。 b)颗粒大、孔隙大、富水性强的体 极化介质，其充、放电速度更慢，即高 含水性的岩石比含水性差的岩石充、放 电时间长 。
图1.1.1
通俗一点说：在供电过程中，或切断电源电流的一个 较短的时间内，由人工电场激励而迫使岩矿石产生电化学 作用所引起的一个随时间有规律变化的附加电场产生的现 象，称为激发极化现象。 激发极化现象与岩矿石的电化学性质有关，尤其在 硫化物金属矿床、石墨、无烟煤等矿体上反映很为明显。 激发极化法的优点： 1、激发极化法可以用来区分由电子导体（如金属硫 化物矿床）和离子导体（如含水破碎带）引起的异常； 2、激发极化法不会产生纯地形引起的异常； 3、可以发现电阻率与围岩无明显差异的侵染状金属 矿床的存在。
三、 稳定电流场中岩矿石的激发极化特性 面极化与体极化
所谓的“面极化”和“体极化”，差别只具相对意义。严格地讲，所有的 激发极化都是面极化。只是微观分析与宏观分析的需要，出发点不同。从激 发极化勘探的角度来说，将岩矿石的激发极化情况分为“面极化”和“体极 化”两大类，是有可能而且必要的。
1、第一类是指电子导体的激发极化。细小颗粒的电子导体 与围岩溶液界面产生激发极化过程，可以推广到一定规模的电子 导体的极化过程，特点是极化发生在极化体（如致密的金属矿体 、石墨）与围岩溶液的接触面上，故称之为“面极化”。 2、第二类是当许多电子导电矿物颗粒分散分布在矿化岩石 中时，激发极化效应发生在极化体（如侵染状金属矿、石墨化岩 石等）整体中。虽然就单个电子导电颗粒而言是表面极化，但宏 观的去看整个矿体，是在整个体积内部发生了极化。也就是说整 个矿体所表现出来的极化现象是无数极化单元的总和，故称之为 “体极化”。离子导电岩石的激发极化也属于体极化。
堆积电荷放电 阳离子位移
（a）
（b）
（c）
图1.2.2 岩石颗粒表面电层形变形成激发极化 （a）正常双电层 （b）充电过程 （c）放电过程
※薄膜极化——离子导体激发极化效应的一种假说
一些学者做了一系列的实验：纯石英砂（颗粒表面的黏土用酸和水洗净）或压实 的黏土，或者在石英砂中全部空隙填以黏土时，在这三种情况下都几乎观察不到激发 极化效应。当在沙粒中含有10%的黏土时，可观察到明显的激电效应；再增加黏土含 量，激电效应随之减弱。基于这些实验结果，提出了与黏土含量有关的“薄膜极化” 假说。 1、在常态下，岩矿石砂粒表面带有的黏土等泥质杂质，这些杂质表面具有吸附 负离子的特性，因此在黏土表面溶液之间形成双电层（偶电层）；而岩石颗粒之间的 孔隙很小，截面积与岩石颗粒-溶液界面上偶电层的扩散层厚度差不多，则整个孔隙皆 处在扩散层内，其中包含过剩的正离子，它吸引负离子而排斥正离子。 2、岩石颗粒间的孔隙不是均应相等的，存在宽孔区和窄孔区。在外电场的作用 下，正离子在其中移动较快（迁移率较大），故称这样的孔隙为正离子选择带；由于 孔隙中过剩正离子的阻塞，因此对负离子而言，实际上导电孔隙是被阻断的（负离子 在其中被过剩的正离子吸引，移动速度很小（即迁移率很小）故称上述孔隙为薄膜； 3、当外电流流过宽窄不同的孔隙时，由于窄孔隙中正离子的迁移率大于负离子 的迁移率，而宽孔隙中两者迁移率几乎相等，所以在窄孔隙中电流载流子主要由正离 子负担，电流将大量的正离子带走，结果在窄孔隙的电流流出端，形成正离子堆积； 而其电流流入端则正离子不足。于此同时由于负离子在宽孔隙中的迁移率大于窄孔隙 （薄膜）中的迁移率，因而在正离子造成堆积或不足的地方，同样造成负离子的堆积 和不足。这样造成了离子浓度沿孔隙的变化，所形成的离子浓度梯度将阻碍离子的运 动（即阻碍外电流），直到达到平衡为止。 4、当外电流截断后，由于离子的扩散作用，离子梯度将逐渐消失，恢复原来状 态，与此同时形成扩散电位，这就是在离子导体上观测到的激发极化。
（二）、体极化的特征 体极化是分布于整个极化体的许多微小极化单元的总和，它们定向排 列，首尾相接。当均匀极化时，在极化体内部，它们的正、负电荷相抵消， 只在极化体表面上呈面电荷分布，且在顺极化场方向的表面上面电荷为零。 也就是说从宏观看，极化体与围岩的接触面上不存在偶电层，而是呈现面电 荷分布的二次场电流源。因此不能像研究面极化那样来测量极化单元界面上 的超电压。 体极化岩矿石的充、放电曲线的形态，大体上与面极化超电压的充放 电曲线相似，但其充、放电速度比面极化时快得多，充电2-3ˊ便接近于“饱 和值”，而放电2-3ˊ就衰减近于零了。其中纯离子导电岩石比侵染状矿石充 放电速度更快。
2、非线性特性：
① 当供电电流密度不大（j0 < 1μA/cm²）时，过电位与j0成正比，且阳极和阴极 超电压相等； ② 当供电电流密度很大时（对石墨j0≥40μA/cm² ，对黄铜矿j0 ≥5μA/cm²）， 过电位ε与j0不再成正比变化，而成非线性关系，且阴极过电位不相等；
③对其他致密金属矿石所作的观测表明，磁铁矿的非线性特性（包括阴 极、阳极过电位间的关系）与石墨很相似；而方铅矿、黄铁矿等硫化矿物则 与黄铜矿相似。
电 法 勘 探
(激发极化法)
濮樊忠 pufz@
第一节
激发极化法的基本原理
一、 稳定电流场中的激发极化法效应
在进行电阻率法测量时，当人们在向 地下供入稳定电流的情况下，仍可观测到 测量电极间的电位差是随时间而变大，并 经相当时间（一般约几分钟）后趋于某一 稳定的饱和值；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， 而后便随时间而相对的缓慢的下降，并在 相当长时间后（通常约几分钟）衰减接近 于零，见图 1.1.1。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 称为激发极化法效应（简称激电效应）。 这种变化的附加场，称为“激发极化场 ”----二次场。
图1.2.1 电子导体的激发极化过程
（二） 离子导体的激发极化机理
一般造岩矿物为固体电解质，属离子导体。关于离子导体的 激发极化机理，大多认为岩石的激电效应与岩石颗粒和周围溶液 界面上的双电层有关。 岩石颗粒其表面吸附一层负离子，在静电场的作用下，与周 围溶液中的正离子在界面上形成双电层。在外电流作用下，岩石 颗粒表面双电层（图 1.2.2a ）中的阳离子发生位移，形成双电层 形变；（图 1.2.2b ）当外电流断开后堆积的离子放电以恢复到平 衡状态（图1.2.2c）,从而可观测到激发极化电场。 较大的岩石颗粒将有较大的时间常数（即充电和放电较慢） 。这是用激电法寻找地下含水层的物性基础。 离子导体激发极化是在外电场作用下 ,介质的表面或内部电荷 出现分离的现象。
1）电子导体在没有外加电场的情况下，在电子导体与溶液界面上自然形 成的双电层电位（电极电位），它的内外电子处于平衡状态，称为平衡电极电 位，记为Φ平见图1.2.1a；
2）当有外加电流流过上述电子导体－溶液系统时，电子导体两端电极电 位产生偏差而出现“过电位”（也叫“超电压”），电极开始极化，电子导体 内部的电荷将重新分布形成“阴极”及“阳极”。由于电化学反应速度滞后于 电荷传递速度，形成电荷堆积（充电过程），在周围溶液中也分别于电子导体 的“阴极”和“阳极”处，形成阳离子和阴离子的堆积，使正常双电层发生变 化，见图1.2b。
石墨（a）和黄铜 矿（b）标本在不 同电流密度j时的 阳极超电压△φ+ （实线）和阴级 超电压△φ-（虚 线）的充、放电 实验曲线 图1.3.3
（一）、面极化的特性
1、时间特性：
从上图矿体充、放电曲线的形态可以看到：在刚开始充电时，过电位随时间很 快增大，随着时间延长，过电位增长速度变慢，最后趋近于某一“饱和值”。放电曲 线与充电曲线成倒像相似，在断电之后，最初过电位随时间很快减小；随着时间的延 长，过电位衰减速度也逐渐变慢，直到最后慢慢衰减到零。 外电场电流密度j0越大 ，过电位上升达到“饱和值”的时间就越短。对于通常野外生产中，处于地下的矿体 表面，电流密度十分小（j0 <1μA/cm²）,充电两分钟，甚至五分钟都远未衰减到零。 这说明面极化的充放电都是比较慢的，而其中石墨又比黄铜矿更慢。
(3)磁性矿物的非线性特征与石墨相似；而方铅矿、黄铜矿的 非线性特征与黄铜矿相似。
值得注意的是：在野外实际勘查中，在同装臵、同 极距、同测点等相同条件下，在测量误差允许范围内， 不会因改变电流而引起 ηs的变化。这是因为一次场的 电流密度在线性段电流密度小于5μA/cm2的条件，例如 在均匀半无限介质表面上有一点电源A，供电电流强度 I=1A，在距A点10米处的M点的电流密度： j0=I/S=1A/2πr2ｍ2＝0.159μA/cm2
二、岩矿石的激发极化法成因
关于岩矿石激发极化成因或机理问题是一个研究中的问题，已有不同的假 设提出来。现介绍一些公认的假设和一些研究成果。 （一）电子导体的激发极化机理 自由电子导电的导体称电子导体。目前，国内外对电子导体（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（overvoltage）的结果。
图1.3.1
线性特征 (1) 面极化体当激发电流密度<1uA/cm2时，△V2与电流密度成正比， 既然 △V2与电流密度成正比，那么△V与I也成正比，所以η与电流强度无关,如图 所示。
图 激发极化场与供电电流强度的关系
(2) 在线性极化条件下，阳极过电位△φ+ 与阴极过电位 △φ- 绝对值相等，即“均势”； (3) 体极化体在较大的电流密度变化范围内，二次电位差 与供电电流强度成正比。即浸染状矿体没有明显的非线性和正 反向极化的特征。 非线性特征 面极化体具有过电位与电流密度之间呈明显的非线性关系。 (1) 当激发电流密度很大时(石墨≥40μA/cm2，黄铜矿 ≥5μA/cm2)阳极过电位曲线与阴极过电位曲线分开，即在同 一电流密度和同一充、放电时间，阳极过电位与阴极过电压不 等,即: