充电法的实际应用

（一）充电法的应用范围及应用条件

1.充电法可以用来等解决以下几方面的地质问题

1）确定已揭露（或出露）矿山隐伏关系部分的形状、产状、规模、平面分布位置及深度；

2）确定已揭露相邻矿体之间的连接关系；

3）在已知矿体附近找盲矿体；

4）利用单井测定地下水的流向和流速；

5）研究滑波及追踪地下金属管线等。

2.充电法的应用条件

1）被研究的对象（充电体）至少已有一处被揭露或出露,以便设置充电点；

2）充电体相对围岩应是良导体；

3）充电体规模越大,埋藏越浅,应用方法的效果越理想；充电法的最大研究深度一般仅为充电体延伸长度之半；

4）充电法主要用于详查或勘探阶段。

（二）充电法的观测方式

1.供电电极与充电体的连接方法

在充电法中,供电电极的正极必须与充电体相接,由于充电体出露的条件不同,所以连接方式也不同。

1）充电法用于评价金属矿详查阶段时,若是在金属矿体上打进一组（3～10根）铁电极,将它们并联起来,与电源的正极相接。不易打进铁电极时,可以采用重物将细铁丝或铜丝紧紧地压在矿体表面上。

2）当矿物在钻孔中出露时,需要用特制的刷子电极作供电电极,用电缆将刷子电极放入井中的矿体上。

3）充电法用于寻找地下管线时,若地面上能找到管线出露点,则可直接将供电正极接到管线的出露点处。

4）供电电极的负极应设在距测区1000～1500m处低洼潮湿的地方,以保证测区电场的均匀和减小接地电阻,增加供电电流强度。

2.充电法的仪器、设备

由于充电法需要供电,故仪器不仅要有电位的测量系统,还必须有供电系统。其仪器设备与电阻率相同。

3.观测方式和方法

充电法中主要有电位法、电位梯度法和直接追索等位线法三种观测方式。

为了观测充电电场的空间分布,充电法野外工作一般采用两种测量方法：一种是电位法；一种是电位梯度法。

电位法是把一个测量电极N置于无穷远处,并把该点作为电位的相对零点。另一个测量电极M沿测线逐点移动,观测各点相对于“无穷远”电极间的电位差。为了消除供电电流的变化对测量结果的影响,一般将测量结果用供电（即充电）电流进行归一,即把电位法的测量结果用U/I来表示。

电位梯度法（简称梯度法,图4-3）是使测量电极MN的大小保持一定（通常为1～2个测点距）,沿测线移动,逐点观测电极间的电位差ΔU_MN,同时记录供电电流,其结果用ΔU_MN/（MN·I_AB）来表示。电位梯度法的测量结果一般记录在MN的中点,由于电位梯度值可正可负,故野外观测中必须注意ΔU_MN的符号变化。

图4-3 充电法梯度观测示意图

此外,在某些情况下,充电法的野外观测还可以采用追索等位线的方法。追索等位线法是利用测量电极M、N及联在其间的10～20m导线和检流计组成的追索线路,在测区内直接追索充电电场的等电位线。以充电点在地表的投影点为中心,布设夹角为45°的辐射状测线,然后距充电点由远至近,以一定的间隔追索等电位线,根据等位线的形态和分布,便可了解充电体的产状特征。

前两种观测方式是目前野外生产常采用的主要方式,特别是梯度法的装置轻便,梯度曲线分辨力较强,故在充电法中最常用。直接追索等位线法生产效率较低,又仅能获得等电位线资料,故一般很少用于面积性测量,只在用充电法确定地下水流向和流速时应用。

目前除采用直流电法外,还可采用低频交流电法,即向充电点供以低频交变电流,在地面上测低频交流电场。这种低频交流充电法在我国主要用于测试压裂施工中的裂缝方位,地质效果较明显,在油气田中得到应用。

（三）应用实例

充电法在金属矿勘查中用来确定矿体的形态与规模；水文、工程及环境地质调查中,主要用来确定地下水的流速、流向,追索岩溶区的地下暗河分布等。

1.用充电法确定矿体的形态与规模

下面以青海某铜钴矿床上充电法工作为例,说明充电法在金属矿勘探中的应用。该矿呈层状、似层状,缓倾斜地产于超基性岩中,为超基性岩浆深部熔离贯入热液型矿床。矿石主要为块状含铜黄铁矿,含铜、锌黄铁矿及含铜磁黄铁矿,伴生钴元素。矿石导电性极好,与围岩有明显差异。矿体埋深约几十米。区内多为第四系覆盖,地表仅见两处矿体露头,地质工作困难。该矿使用充电法的任务是：了解地表出露的矿体在地下的延伸情况和确定已知矿之间的连接关系。

为了解Ⅰ号矿体在地下的延伸情况,确定其形态与规模,以对该矿进行评价,利用Ⅲ号平巷揭露出的矿体露头八点进行充电。根据地面电位观测结果绘出的等电位线平面图示于图4-4。由图可见,等位线有明显拉长形状,内圈长短轴之比约为3.5,说明矿体在充电点A₁的东西方向上有相当大的延伸；等位线的内圈非常稀疏,最内圈200mV/A等位线内的归一化电位值为200～300mV/A,充电点A₁东北的矿体露头上的实测值亦在此范围内,因此推断200mV/A 等位线内布满矿体；矿体的范围由等位线最密集处的150mV/A等位线大致圈定；等位线在Ⅲ号平巷附近向外突出,表明矿体在那里也相应向外突出；等位线在西边比东边稀疏,因此,推断矿体向西倾伏,西边比东边埋藏深。后经勘探验证,充电法的上述推断是正确的,在推断边界范围内的钻孔均见矿。

在该矿区利用充电法确定已知矿间的连接关系也取得了成功。

图4-4 Ⅰ号矿体A₁点充电的等电位曲线平面图

1—等电位线；2—矿体露头；3—Ⅲ号平巷；4—充电点A₁；5—纵剖面AA′位置

2.测定地下水的流速、流向

利用一口穿透含水层的单井,应用追索等位线的方法可确定地下水的流速及流向。追索等位线法是利用测量电极M、N及连在其间的测量导线和检流计组成的追索线路,在测区内直接追索充电电场的等位线。

当向揭露的地下含水层中放入一定数量的食盐（或其他电解质）,盐被地下水溶解并形成一个随地下水移动的良导电盐水体,对这个盐水体充电,则根据地面不同时间观测的等电位线随时间变化,便可以获得地下水流向和流速的信息,如图4-5所示。

具体工作方法如下：

1）以待测井口为中心,布置夹角为45°的辐射状测线；

2）将充电电极A置于井中含水层中部,另一供电电极B打在离井口尽量远处,以大于A电极设置深度的10～20倍为宜。

3）固定的测量电极N,置于推测的地下水逆流方位上,距井口距离大致等于两倍含水层的深度（若井内有套管并位于含水层之上时,N电极需远放2～3倍）。充电时,测量电极M逐次在各方位的辐射半径上移动,寻找与N电极的等位点,并量取各等位点至井孔中心的距离,并做记录。

4）投放食盐前,测量一次正常等位线。如果水文地质条件简单,介质均匀,测得的等位线是以井口为中心的圆。

5）将足够数量的食盐（或其他电解质）装入布（麻）袋,投入井中,同时记下投盐时间t₁,并保证在整个观测过程中,袋内有足够未溶解的食盐。

图4-5 水的流速、流向测定原理图

图4-6 等位线平面图

6）投放食盐后,按适当时间间隔,进行不少于三次的等位线测量,并将各时间观测的等位线及正常等位线,按一定比例绘制等位线平面图,如图4-6所示。当固定电极N位于逆水方向时,等位线在N极相切。这时从井中心到等位线最大位移点的连线方向即是地下水的流向,而等位点沿水流方向的位移距离与对应的时间间隔之比,为地下水的流速,即

电法勘探技术

用公式计算地下水流速时,N极必须位于逆水流方向上。如果测量结果证明N极位置不合适,则必须校正后重新进行测定。

在利用充电法确定地下水流速、流向时,充电法取得良好效果的前提是：含水层埋深较浅,水力坡度较大,围岩的岩性比较单一且地表介质电性均匀、稳定,地形较平坦。

3.追索岩溶区的地下暗河

岩溶区灰岩电阻率高达n×10³Ω·m,而溶洞水的电阻率只有n×10Ω·m,二者电性差异明显。在地形及地质条件有利的情况下,利用充电法可以追踪地下暗河的分布及其延伸情况。

图4-7为应用充电法追索地下暗河的应用实例。进行充电法工作时,首先把充电点选在地下暗河的出露处,然后在垂直于地下暗河的可能走向方向上布设测线,并沿测线依次进行电位或电位梯度测量。图中给出了横穿某地下暗河剖面的电位及电位梯度曲线。将全部测量剖面上电位曲线的极大点及电位梯度曲线的零值点连接起来,这个异常轴就是地下暗河在地表的投影。

图4-7 充电法追索地下暗河

Ⅰ—电位曲线；Ⅱ—电位梯度曲线；Ⅲ—地表；Ⅳ—潜水面；Ⅴ—暗河图

图4-8为某铁路工区在进行工程地质调查时利用充电法了解岩溶区地下暗河分布的例子。电位梯度曲线异常在平面上呈规律分布,零值点的连线就是地下暗河在地表的投影。

根据上述推断成果,在异常带α处布置两个验证钻孔,均发现了地下暗河,在推断为支流或充水裂隙带的c处也布设了钻孔,但只见到溶蚀现象。

图4-8 某铁路工区用充电法探测地下暗河（据长春地质学院,1980）

1—电位梯度曲线；2—溶洞；3—推断地下暗河；4—铁管