电阻率法野外工作中的几个问题
理工 理工是一个广大的领域包含物理、化学、生物、工程、天文、数学及前面六大类的各种运用与组合。理工事实上是自然、科学、和科技的容合。在西方世界里,理工这个字并不存在;理工在英文解释里,是自然(Science)与科技(Technology)的结合。理工二字最早是1880年代,由当时的中国留学生从国外的Science和Technology翻译合成的。时至今日,但凡有人提起世界理工大学之最,人人皆推麻省理工学院。麻省之名蜚声海外,成为世界各地莘莘学子心向神往,趋之若鹜的科学圣殿。 [编辑] 理工领域包含 物理-研究大自然现象及规律的学问 化学-研究物质的性质、组成、结构和变化的科学 生物-研究有生命的个体 工程-应用科学和技术的原理来解决人类问题 天文-观察及解释天体的物质状况及事件为主的学科 数学-研究量、结构、变化以及空间模型的学科;被誉为“科学的语言”
理工学科是指理学和工学两大学科。理工,是一个广大的领域包含物理、化学、生物、工程、天文、数学及前面六大类的各种运用与组合。
理学
理学是中国大学教育中重要的一支学科,是指研究自然物质运动基本规律的科学,大学理科毕业后通常即成为理学士。与文学、工学、教育学、历史学等并列,组成了我国的高等教育学科体系。
理学研究的内容广泛,本科专业通常有:数学与应用数学、信息与计算科学、物理学、应用物理学、化学、应用化学、生物科学、生物技术、天文学、地质学、地球化学、地理科学、资源环境与城乡规划管理、地理信息系统、地球物理学、大气科学、应用气象学、海洋科学、海洋技术、理论与应用力学、光学、材料物理、材料化学、环境科学、生态学、心理学、应用心理学、统计学等。
工学
工学是指工程学科的总称。包含 仪器仪表 能源动力 电气信息 交通运输 海洋工程 轻工纺织 航空航天 力学生物工程 农业工程 林业工程 公安技术 植物生产 地矿 材料 机械 食品 武器 土建 水利测绘 环境与安全 化工与制药 等专业。
(一)岩、矿石电阻率的测定及资料整理方法
1.岩、矿石电阻率的测定方法
各种岩、矿石间的电阻率存在差异是电阻率法的物性前提,因此在某一工区开展电法工作时,应对该区的岩、矿石电阻率进行测定。
测定的方法可以概括为三类:露头法、标本法和测井法。这里仅介绍前两种方法。
(1)露头法。对有天然露头或人工露头(如探槽、坑道)的岩石或矿体,用小四极法在露头上直接测定。测定时,可选择在露头较为平坦的面上进行,既可单点观测,也可进行小极距测深或剖面测量,且AB一般应小于露头长度的二分之一和宽度的三分之二。根据测定结果(ΔU和I)和所用K值代入均匀大地电阻率计算公式ρ=K·ΔU/I即可得到该岩、矿石的电阻率值。
用露头测定法所得结果,虽然较其他方法接近客观实际,但工区不是所有岩、矿石均有露头可利用,因而不得不采用标本法等其他方法。此外有的天然露头由于受到风化而使所测得的电阻率缺乏代表性。因此利用钻孔进行电测井是测定岩、矿电阻率较好的方法。
图2-1-52 测量岩、矿石标本电阻率的装置简图
(2)标本法。对于岩芯标本或稍加工的长方形标本如图2-1-52所示,常用A、B两个面电极供电(电流为I),并通过两个相距为l的环形电极M、N测量其间之电位差(ΔU)。设电流通过标本的横截面积为S,则按下式便可算得其电阻率值:
地电场与电法勘探
2.岩、矿石电阻率资料的整理方法
第一篇中曾指出,岩、矿石电阻率的数值在相当大的范围内变化。因此,在某一露头或某一标本所测得的电阻率值,并不能代表整个工区该种岩、矿石的电阻率值。为了对全工区各种岩、矿石电阻率值获得较全面的认识,必须在全工区各地段选择一些露头或采集一些标本测定其电阻率。即使是测定数量相当多,测定方法本身误差不大,所得结果仍然是很分散的,不易确定某种岩、矿石电阻率的数值,必须将测定结果加以统计整理。这里介绍几种野外常用的表示方法。
(1)绘制分布曲线。当某种岩、矿测定的数量较大(一般多于50个)时,可绘制分布曲线以描述其电阻率的特点。曲线的横坐标为电阻率值的对数,纵坐标Δn为在某一电阻率范围内标本(或露头的观测点)出现的数目,纵坐标也可用Δn n表示,其中n为标本(或露头观测点)的总数。
一般说,从分布曲线的形态,可反映出岩、矿电阻率的一些主要特征。例如:①一组均匀的岩石,其分布曲线常常是形状简单,只有一个极大值。如果某种岩石,由于成分的分异或构造等原因使其可以划分为几个组时,则分布曲线具有复杂的形状和几个极大值。其中每个极大值对应于某一组岩石。②分布曲线极大值的横坐标值,反映了该种岩石电阻率值的高低。③分布曲线尖锐,表明其电阻率分布集中,即变化范围小。而分布曲线宽缓,则说明其电阻率分散,变化范围大。
(2)计算电阻率的几何平均值。对测定数量少的岩、矿石,不能绘制分布曲线,这时,可按下式计算其几何平均值:
地电场与电法勘探
这里n表示标本块数。
(3)列出其他统计图表。除了绘制分布曲线或计算几何平均值外,还可根据具体情况列出其他能反映岩、矿石电阻率特征的图表。
(二)电极的接地电阻
在电阻率法中,用A、B、M、N电极与大地相接,以进行供电与测量。电极的接地电阻是指从电极表面到大地无限远处所呈现的电阻。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供较大的电流,MN电极接地电阻过大,将使观测误差增大。
图2-1-53 计算半球形电极的接地电阻
现来计算图2-1-53所示半球形电极的接地电阻,设电极半径为r0,与大地电阻率ρ相比,电极本身的电阻率很小,可看作等位体,以电极中心为球心,划一系列的半球面,每相邻两球面半径之差为dr,即这些半球面将大地划分为一系列厚度为dr的半球层,整个大地的电阻便为这一系列半球层电阻的总和。
对于任意一层半球层而言,由于dr≪r,半球面S=2πr2。故该半球层的电阻dR为
地电场与电法勘探
将上式对r积分,便可求得半球形电极的接地电阻:
地电场与电法勘探
可见R与电极半径成反比,而与大地电阻率成正比。下面计算从电极表面到某一半径r的球层所呈现的电阻R
地电场与电法勘探
例如
地电场与电法勘探
可见,接地电阻主要由电极附近[r=(5~10)r0]土壤或岩石的电阻决定。故在干燥土壤上打电极时,为了降低接地电阻,可在电极周围浇水。虽然浇水范围只在电极附近,但接地电阻便可大为降低。
在实际工作中,为了方便总是使用棒状电极。棒状电极接地电阻的意义与球状电极一致,只是计算复杂些。这里直接引用计算的结果:
地电场与电法勘探
式中r0为电极的半径,l为电极入土深度。从式中可见,棒状电极的接地电阻,与土壤电阻率成正比,并与棒的粗细及入土深度有关。
图2-1-54 棒状电极组成的电极系
应当指出,上式是假定电极表面与土壤接触良好情况下得到的,但实际上,由于土壤的颗粒性,电极表面常只与部分土壤接触,故使实际测得的接地电阻远大于按上式计算所得的数值。
为了减小接地电阻,除了浇水及将电极适当打深及夯实土壤之外,常采用多根电极并联的办法如图2-1-54。并联电极的总接地电阻Rn与单根电极接地电阻R的关系为
地电场与电法勘探
式中n为电极的根数。应当说明,公式(2-1-121)是在各电极间的距离p很大时才是正确的。如果p太小,则Rn值将增大。一般p>2l即可。
(三)漏电问题
野外工作中,由于测量系统(包括仪器、供电线路和测量线路)某一部分漏电,常对观测结果造成很大误差,必须引起重视。
1.供电线漏电的影响
以图2-1-55三极排列为例,设供电线在某点a由于绝缘损坏而对地漏电,相当在a处打了一个附加的供电电极。设总供电电流为I,而漏电电流为εI,此时,MN之间的电位差:ΔU′MN为
图2-1-55 供电线漏电示意图
地电场与电法勘探
不存在漏电时的电位差为
地电场与电法勘探
注意到电极A和漏电电极a的装置系数分别为
地电场与电法勘探
则由A极供电线漏电而造成之相对误差为
地电场与电法勘探
上式可作为供电线漏电的基本表达式(四极排列的结果类似)。分析该式可得:
(1)ε越大,误差越大。但要指出,ε是一个系数,即由漏电点流入地下之电流占总供电电流的百分比。以RA和Ra分别代表A极和漏电点的接地电阻,由图2-1-55有
地电场与电法勘探
可见,ε的大小与RA、Ra二者的相对大小有关。在Ra一定的情况下,RA越小,ε越小,漏电影响也越小。故减小电极的接地电阻和减小漏电电流都能减小漏电影响。
(2)漏电点位置的影响。根据公式(2-1-125)计算,漏电点位置对观测结果的影响由图2-1-56可见,漏电点越靠近测量电极,所形成的误差越大。这是因为当a趋近于测量电极时,Ka趋于零,因而δ将很大。从物理意义上讲,漏电点靠近测量电极时,相当于在测量电极附近打了一个附加的供电电极,其影响必然很大。在野外应将供电导线与测量导线分开一定距离,并注意测量电极附近供电导线的绝缘情况,(例如不要使供电导线在测量电极附近掉入水中等)。
(3)当漏电点在MN电极的中点时,从公式(2-1-124)可知δ=-ε,即引入的误差与漏电系数值相等。从图2-1-56还可看出,在MN中点附近因漏电引入的误差较小。
图2-1-56 供电线漏电点位置的影响
(4)漏电点在供电点附近时影响较小,放在供电电极附近的绕线架漏电便属这种情况,漏电点在供电电极外侧时,距离越远影响越小。
(5)当漏电点位置与MN的距离一定时,漏电影响随K(装置系数)值加大而加大。K值大即供电电极距大,而MN相对较小,此时ΔUMN也较小,故漏电影响增大。因此,在大极距工作时,应特别注意供电线漏电问题。
2.测量线漏电的影响
当MN线的漏电点靠近供电电极附近时,将造成很大误差。故工作中MN线不要靠近供电电极,也不宜与供电线绞在一起。
3.仪器漏电
仪器使用日久,或密封破坏,或者天气太潮湿等原因,使仪器内供电或测量回路发生漏电,将造成很大误差。有时在观测电流时还能正常工作,而观测电位差时则电位差几乎与供电电流无关。有时因手触仪器的金属部分,会出现指针乱摆或数字乱跳现象,也是仪器本身漏电的缘故。若仪器发生漏电,应将其排除,并更换干燥剂,恢复密封。
(四)观测精度
在电阻率率法工作规范中,要求对原始观测作一定数量的系统检查观测,并用“均方相对误差”衡量精度:
地电场与电法勘探
式中m为ρs的均方相对误差,δi=ρi-ρ′i;;ρi与ρ′i分别为第i点的原始观测值和检查观测值。
因为ρs=,故K、ΔU、I三项分别观测的误差均将导致ρi的误差。从误差理论可得:
地电场与电法勘探
式中mK、mΔU和mI分别是K、ΔU和I的均方相对误差。
一般情况下,要求 m≤5%,≤4%,因此,要求mK≤3%。
在mΔU和mI两项中,mI通常是不大的,一般可小于±1.5%,在中起主要作用的是mΔU。故必须注意提高观测ΔUMN的精度。如采取克服干扰、消除漏电、改善接地条件,或适当提高供电电压等措施。生产实践表明,除可采取上述措施外,还有一些不易控制因素也影响到ΔUMN的精度,如天晴日久和雨后刚晴,地表电阻率便不相同。因此为了保证总的观测精度,还对ΔUMN的观测精度提出更严格的一些要求,如要求 mΔU ≤3%。这样,即使有上述地表电阻率变化等因素存在,仍可使小于4%。
K值的精度是由测地工作的精度决定的,常不引起物探人员的注意,但它最后却反映到物探数据ρs的观测中去。除在测地工作中采取保证措施外,打电极时,应认真打在点位上以减少误差。
电阻率法野外工作的几个问题及电阻率剖面法的应用
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