电阻率剖面法

　电阻率剖面法~

10.3.1　基本原理
电阻率剖面法（Resistivity Profiling）是以地下岩（矿）石电阻率差异为基础，人工建立地下稳定直流或脉动电场，按某种电极装置形式保持电极距不变，沿测线逐点观测，研究某一深度范围内岩（矿）石沿水平方向的电阻率变化，以查明矿产和研究有关地质问题的一组直流电勘探方法。
电阻率剖面法的视电阻率公式为

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式中：K为装置系数；VMN为观测电极MN间的电位差；I为AB电极供电电流。

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10.3.2　观测方法
地形和勘探目的不同，电阻率剖面法可采用的装置形式不同，表10-4为常见剖面装置及其特征一览表。
10.3.3　技术要求
为使探测对象在观测结果中得到明显反映，电阻率剖面法的工作设计必须满足下列地球物理前提：①探测对象与围岩或其他地质体之间存在明显的电阻率差异；②探测对象相对其埋深具有一定的规模；③探测对象的视电阻率异常能从干扰背景中分辨。
在地质条件或地球物理前提不具备的地区，不得布置电法剖面工作；在地质条件具备而地球物理前提不明、方法有效性不肯定的测区，开工前应做电阻率剖面法试验。
遇下列复杂条件时，一般不布置电阻率剖面法工作：①地形切割剧烈，悬崖峭壁，河网发育以及通行困难地区；②覆盖层厚度大或地表盐渍化，电阻率低，形成低电阻层的屏蔽效应而无法可靠观测信号的地区；③无法避免或无法消除工业游散电流干扰的地区；④接地电阻过大，又无法改善接地条件的地区，如大面积砾石分布区、风化石堆积区、地表冻土达1～2m的地带。
表10-4　常见电阻率剖面装置及特征一览表


10.3.4　成果表达形式
（1）电参数剖面图：反应异常变化的幅度；
（2）综合剖面图：含解释推断成果；
（3）剖面平面图：研究异常的平面分布特点；
（4）等值线平面图：可供研究异常平面分布特点，但是联合剖面和偶极剖面不宜采用；
（5）综合平面图：研究测区中物理场性质，揭示地质控制因素；
（6）推断成果图：一套全面反映地质成果的图件。
10.3.5　资料解释原则
（1）掌握当地的地质及物性资料；
（2）充分研究已知点异常特征，从已知到未知进行解释；
（3）以定性解释为主，确定异常性质（低阻或高阻异常），结合当地条件，阐明异常的地质因素；
（4）在充分研究点异常特征的基础上，分析有关定性图件，进行面上研究，掌握异常发育规律；
（5）在有条件的地方，对反应较好的曲线可进行定量解释；
（6）应对解释结果的可靠程度进行论证。
10.3.6　仪器设备
电阻率剖面法仪器设备见表10-2。

电阻率剖面法简称电剖面法，工作中最常用的主要有中间梯度法（MN）、四极对称剖面法（AMNB）和联合剖面法（AMN∞MNB）。其主要任务是研究倾角较大和水平方向电性变化较大的地电断面。由于各种装置相对于不均匀体的位置有比较复杂的关系，所观测到的ρS曲线的正演运算相当复杂，因此在解释过程中主要是进行定性解释。现对上述各种装置类型特点介绍如下。
（一）中间梯度法
中间梯度法装置（简称中梯装置）在水文地质勘查中主要用于追索阻水的高阻陡倾斜岩脉、第四系松散沉积、冲积物的展布范围。这种装置的独特优点是最大限度地克服了供电电极附近电性不均匀的影响。对于某一测量区间来说，供电电极附近地层不均匀性的影响是一个常数，MN测量电极在该区间内逐点测量，所得的ρS曲线的变化，反映的必然都是MN电极附近地下岩层的变化。另外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在几条测线上同时进行旁测，见图1－2－1。

图1－2－1 中间梯度法装置示意图

D为旁测线与AB线垂距，旁测距离 中梯装置的观测范围一般处于AB之间的地段 所得ρS异常形态比较简单，易于解释。主剖面线上装置系数计算公式为：

地球物理找水方法技术与仪器

旁测测线上装置系数计算公式为：

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当剖面线较长需要几个装置才能观测完毕时，且接头点开口较大，需把上述地段放在AB中间地段重新测量，以免漏掉有意义的异常。最佳供电极距AB按以下公式选择：

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式中：h为目的层的顶端埋深。测量极距MN取值按下式：

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式中：MN应等于1～2倍的点距。
（二）对称四极剖面法
对称四极法主要用于圈定古河道、寻找第四系松散沉积物含水层、确定基底起伏形态，布极方法如图1－2－2所示。

图1－2－2 对称四极剖面法装置示意图

供电电极AB和测量电极MN对称分布在测点O两侧，并沿一直线排列。一般AB长度选择遵循以下公式：

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（三）联合剖面法
联合剖面法简称联剖，布极方式如图1－2－3所示。用联合剖面法可寻找追索相对围岩为低阻的含水构造断裂带和岩溶发育带。因有一个笨重的无穷远极C，故其生产效率较低，多用于详查工作阶段。装置系数计算公式为：

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图1－2－3 联剖装置示意图

它是由两个三极装置AMN和MNB组成的。其最大特点就是在一条观测剖面上能得到两条ρS曲线。它能较准确地确定基岩含水破碎带的位置（根据所谓正交点），还可以根据大小不同极距A0所得正交点位移方向判断含水破碎带的倾向。
以上3种常用装置的电剖面法，在地势开阔的平原地带均可开展工作。应垂直探测目的层走向布极，并需要用试验工作选择出最佳极距，以取得形态完整、幅度较大的视电阻率异常。应有3条以上电剖面通过探测对象，异常带内至少有3个满足观测精度的观测点。当测区内有机井或钻孔时，应有剖面线通过已知井（孔）。

电阻率剖面法又称电剖面法。其工作原理与电测深法相同，该方法在工作中是采用不 变的电极距，并使整个装置沿着观测剖面移动，逐点观测视电阻率ρ_S的变化。由于电极 距固定不变，勘探深度就保持在同一个范围内，因而ρ_S值沿剖面的变化可以把地下某一 深度以上具有不同电阻率的地质体沿剖面方向的分布情况反映出来。

根据电极排列方式的不同，电剖面法又有许多变种。目前常用的有联合剖面法、对称 四极剖面法、中间梯度法以及偶极剖面法等。图4-12所示是它们的电极排列方式。由于 电极排列方式的差异，各种电剖面法所解决的地质问题也不同。但总地来讲，电剖面法适 于探测陡倾的层状或脉状金属矿体和高阻岩脉，划分接触带，配合地质填图，也能为寻找 含水断裂破碎带等水文、工程地质工作服务。

图4-12 电剖面法常用的电极排列简图

（一）联合剖面法

联合剖面法是两个三极排列AMN∞和∞MNB联合进行探测的一种电剖面法。所谓三极排列是指一个供电电极置于无穷远的排列，如图4-12（a）所示。A，M，N，B四 个电极位于同一直线（即测线）上，以MN之间的中点为测点，且AO＝BO，MO＝NO。电极C是两个三极排列共同的无穷远极，一般敷设在测线的中垂线上，与测线之间的距 离大于AO的5倍（CO＞5AO）。

工作中将A，M，N，B四个电极沿测线一起移动，并保持各电极间的距离不变。在 每个测点上分别测出A与C极供电时的电位差 和电流强度I，B与C极供电的电位差 和电流强度I，然后按式（4-12）求得两个视电阻率 和 ，即

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式中：KA和KB分别为AMN∞和∞MNB两种排列的装置系数，根据计算可得

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因此，联合剖面法的剖面曲线图上有两条视电阻率曲线 和 ，具体如图4-13所示。

图4-13 直立良导低阻薄板上的联合剖面曲线与对称四极剖面曲线的对比图 —联合剖面曲线； —对称四极曲线

图4-13 是直立良导低阻薄板（或称薄脉）上的联合剖面曲线与对称四极剖面曲线的对比图。从联合剖面曲线看， 和 两支曲线在低阻板顶相交，板左侧 ，板右侧 ，且交点处视电阻率值小于围岩的电阻率，因此在良导薄板上联剖视电阻率曲线出 现低阻正交点。直立低阻板上两条ρS曲线对称，在倾斜薄板上两条ρS曲线不对称，倾向 一侧的视电阻率极小值小于反倾向一侧的视电阻率极小值，因此， 极小值与 极小值连 线的倾斜方向与低阻板倾向一致。

当薄板电阻率ρ₀大于围岩电阻率ρ₁时，可称为高阻薄板。模型实验表明，直立高阻 薄板顶端联合剖面曲线有一个高阻反交点（即板左侧 ，板右侧 ）。倾斜高阻 薄板的联合剖面曲线呈不对称状，反倾向一侧的视电阻率极大值大于倾向一侧的视电阻率 极大值，两条曲线极大值连线的倾斜方向与高阻板倾向一致。

联合剖面测量结果可绘成ρ_S剖面图（图4-13），也可绘成ρ_S剖面平面图，通过剖面平面图中相邻剖面上ρ_S曲线的对比，可以了解地质体沿走向的变化情况，如图4-14 所示。

实际工作中情况比较复杂。地表电性不均匀可以引起ρ_MN的变化；地形起伏可以影响 电流密度j_MN的分布；有时单纯地形影响就会引起与矿体相似的异常；相邻导电体的干扰 也可以造成异常的畸变。这些因素都将使ρ_S曲线大大复杂化。因此在进行资料解释之前，必须结合实际情况对实测曲线进行分析，消除一些干扰因素，辨认出由矿体引起的异常，才能进行正确的地质解释。

图4-14 某工区联合剖面法视电阻率剖面平面图

（二）对称四极法

对称四极法的电极排列如图4-12（b）所示。该方法在野外工作中始终保持A，M，N，B四个电极间距离不变，同时沿测线对称于M与N的中点O（即测点）向前移动，一般 ，这种方法测得的 值为

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将条件AM＝BN和AN＝BM代入装置系数公式，可得

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对称四极剖面ρ_S曲线见图4-13中的 。通过某些模型实验表明，对称四极 曲线 的异常幅度和分辨能力都不及联合剖面ρ_S曲线优越。但对称四极装置不需要笨重的无穷 远极，比较轻便，工作效率高，故多用于普查以及面积性的电阻率测绘等。

如果在对称四极装置的基础上，对称于O点再增加两个电极A′和B′，并且AB＞A′B′，这种装置称为复合对称四极剖面装置，见图4-12（c）。采用复合对称四极剖面法时，先 由大极距的A和B供电，M与N测量，求出 ；然后由小极距的A′和B′供电，M与N 测量，求出 。所以沿每条测线可得到两条不同勘探深度的视电阻率曲线。复合对称四极剖面法多用于探测覆盖层下基岩的起伏。图4-15（a）是基岩为高阻 的向斜构造；图4-15（b）是基岩为低阻的背斜构造。在上述两种情况下， 曲线（大 极距）具有相同的特征，即都有一极小值出现，所以单凭一条 曲线难以判别基岩起伏 情况。若用复合对称四极法就有可能解决这个问题。因为 曲线可以确定浅部的电性情 况，故在基岩为高阻的向斜上， 曲线低于 ；而在低阻的背斜上， 曲线位于 曲 线的上方。根据勘探目的和要求，复合对称四极法的极距选择，应力求大极距反映深部情 况，一般是AB/2≈（3～5）H（H是覆盖层的平均厚度）；小极距反映浅部情况，一般 A′B′/2≈（1～2）H。测量结果多用ρ_S剖面图表示。

图4-15 复合对称四极剖面法ρ_S曲线

对称剖面法的野外工作比较简单，生产效率高，表土不均匀和地形影响小。故常用于普 查阶段，以探测基底构造、基岩面起伏以及不同电阻率的岩层接触面等；在面积性工作中，常用于圈定某一深度范围内的视电阻率异常区，如岩溶分布范围与古河道的追索等。

图4-16是利用对称四极法追索古河道的例子。该图根据高阻异常特征清晰地反映了某地古河道的分布概貌。古河道是由一条主流和一条支流组成。古河道的视宽度由 剖 面曲线变化梯度最大的位置近似确定。如果曲线对称，说明古河床两岸也对称，极大值位 置对应古河床最深的中心部位。如果曲线不对称，可根据两翼曲线的陡缓来推断古河床两 岸坡度的陡缓。

图4-17是利用复合四极剖面法了解基岩起伏情况的例子。已知该区基岩深度大约为20～40m，因此选择小极距AB为40m，大极距AB为180m。由图可见，小极距的 有 一个高阻异常，推断这是浅部覆盖层中的高阻卵石透镜体的反映。大极距 曲线在小极 距曲线的上面，说明基岩的电阻率高于覆盖层电阻率。从大极距 曲线减去小极距曲线 即得出基岩起伏情况。

图4-16 对称四极法追索古河道的 剖面平面图

图4-17 某工区复合对称四极剖面法探测基岩起伏图

（三）中间梯度法

中间梯度法的装置特点见图4-12（d）。这种装置的供电电极距AB很大，通常选取AB为覆盖层厚度的70～80倍。测量电极距MN相对于AB小得多，一般选用MN＝ 。工作中保持A和B固定不动，M与N在A与B之间的中部约 的范围内同时移动，逐点进行测量。测点O为MN的中点。因为AB距离很大，在AB中 部测量范围内的电场可以认为是均匀电场。所以这种装置能最大限度地克服其他电剖面法 由于供电电极附近电性不均匀对视电阻率测量的影响。而且ρ_S曲线反映的必然是MN电 极附近地层电阻率的变化情况，这是该方法的优点。此外，这种装置在AB连线两侧 AB/6范围内的测线中部位置上，电场也近似于均匀电场。因此，在某一固定的A，B情 况下，又可以在相邻的AB/6范围内的测线中部进行中间梯度法测量。这种称为“一线布 置、多线测量”的方式，可以大大提高工作效率。

中间梯度法工作中，按下式计算ρ_S和K值：

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但必须注意，装置系数K不是恒定的，测量电极每移动一次要计算一次K值。

中间梯度法用于寻找陡倾的高阻岩脉（如石英脉、伟晶岩脉等）可以取得显著的效果。因为在有浮土的情况下，高阻岩脉的屏蔽作用比较明显，排斥电流线使之汇聚于浮土，使 JMN急剧增加而ρ_S曲线上升形成突出的高峰；至于低阻岩脉，效果不明显。图4-18是我国 东北某铅锌矿区使用中间梯度法所得的ρ_S剖面平面图。该区铅锌矿位于倾角接近70°的高 阻石英脉中。图中两条ρ_S高值带是由含矿石英脉引起的。右边1号矿脉是已知的，左边2 号矿脉是根据中间梯度法ρ_S曲线形态与1号矿脉ρ_S曲线对比而圈定的。

图4-18 用中间梯度法追索石英脉

（四）偶极剖面法

偶极剖面法的装置特点见图4-12（e）。这种装置供电电极AB和测量电极MN均采用偶极并分开有一定距离，由于四个电极都在一条直线（即测线）上，故又称轴向偶极。其ρ_S表达式为

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其中：

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如果取AB＝MN，则

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当令AB＝MN＝a，BN＝na（取n为正整数）时，则

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偶极装置常取OO′中点为记录点。其中O为AB的中点，O′为MN的中点。OO′＝（n＋1）a。

偶极剖面法（简称偶极法）由于供电和测量均采用偶极装置，故又称双偶极或偶极— 偶极法，它一般采用轴向排列。该方法也是目前金属矿及其矿产资源调查中的一种常用方 法，尤其是与频率域激发极化法配合测量时，其应用更为普遍。

偶极法在各种金属矿上的异常反映是相当明显的，加之由于它的供电电极AB和测量电极MN是分开的，且所需导线均很短，因此它在减弱游散电流或电磁感应作用引起的 干扰方面，相对其他装置有明显的优越性。偶极法的主要缺点是，当极距较大时，在一个 矿体上往往可出现两个异常。故当有多个矿体存在或围岩电性不均匀时，曲线变得复杂，给解释带来困难。尽管如此，偶极法在实际找矿和填图工作中仍取得了较好的地质效果。

偶极装置的电极距OO′与联合剖面装置的电极距AO是相当的。因此，按照联合剖面 确定AO的原则，偶极的OO′应大于或等于3倍浮土厚度，而对于脉状矿体，则应取最佳 OO′＝L＋l（L和l分别为脉状体的走向长度和下延长度之半）。a的大小应为 不能取得太大，否则将会使异常减弱；但也不能取得过小，否则对围岩 电性不均匀将反映过于灵敏，使曲线呈锯齿状跳跃，并使观测电位差产生困难。

图4-19是偶极法进行地质填图的实测。图中为了查明某地覆盖层下花岗岩中破碎的 分布情况及确定古近-新近系中砂砾岩、泥岩与花岗岩的分界线，进行了偶极法的测量，为了便于对资料的解释，可将AB等于MN的所谓单边偶极ρ 曲线平移OO′后得到另一条单边 曲线。对于组成所谓的联合偶极剖面，这种“双边偶极”的作用与联剖相同，即可用两条曲线 的分布特征和交点性质来判断地下岩石的导电能力，从而较 准确地进行地质填图与找矿。

图4-19 用偶极法进行地质填图的实测ρ_s曲线

该区所用的电极距为AB＝MN＝10m，OO′＝30m。由图可见，在花岗岩破碎带上ρ_S 剖面曲线反映为低阻，并有明显的“正交点”。在古近-新近系砂砾岩、泥岩地层上，ρ_S更 低，形成一个明显的凹槽状。根据凹槽两侧 曲线上升最陡的地方，可较准确地 划定古近-新近系与花岗岩的分界线。而夹在古近-新近系与破碎带之间的花岗岩体上，ρ_S 表现为典型的宽高阻带，且有“反交点”存在。该区用“双边偶极剖面法”并根据ρ_S曲 线的特征进行的面积性地质填图取得了明显的效果。

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