第三章 激发极化法

3.1
激发极化效应及其成因
虽然早在电法勘探发展的初期激发极化现象就已经被人们所发现， 但是将它成功地用于
找矿或解决某些水文地质问题却是近几十年的事。 直到目前为止， 对激发极化法的物理—化 学机制还缺乏明确、统一的认识。下面我们以某些为人们所公认的假说为基础，分别就电子 导体和离子导体的激发极化机理作一概略介绍。 1．电子导体激电场的成因 在电场的作用下， 发生在电子导体和围岩溶液间的激发极化效应是一个复杂的电化学过 程，所产生的过电位（或超电压）是引起激发极化效应的基本原因。 前已述及，处于同一种电化学溶液中的电子导体，在其表面将形成双电层。双电层间形 成一个稳定的电极电位， 对外并不形成电场。 这种在自然状态下的双电层电位差是电子导体 与围岩溶液接触时的电极电位，称为平衡电极电位。 在电场作用下， 当电流通过电子导体与围岩溶液的界面时， 导体内部的电荷将重新分布 ， 自由电子逆电场方向移向电流流入端，使其等效于电解电池的“阴极”；在电流流出端则呈 现出相对增多的正电荷，使其等效于电解电池的“阳极”。与此同时，围岩中的带电离子也 将在电场作用下产生相对运动，并分别在“阴极”及“阳极”附近形成正离子和负离子的堆 积，从而使双电层发生了变化，见图 2.3.1。在电流的作用下，导体的“阴
U 2
（4）激发比 ( J )

5.25 0.25
U 2 (t ) dt
5
由视极化率与衰减度组合的一个综合参数 J 称为激发比。 该参数在激电找水工作中也得 到广泛应用。其表达式为
U 2 （2.3-5） 100% U 1 由于 U 1 U 2 ，故式中 U 用 U 1 代替。在含水层上，一般 s 和 D 均为高值反映，取二 者乘积，可使异常放大，反映更为明显。 J s D
图 2.3.2 离子导体激电场的成因 （a）具有分散结构的双电层； （b）薄膜极化效应原理
能自由活动，构成了双电层的紧密区，其厚度约为 10－8m。离界面稍远处的正离子，由于受 到的吸引力较弱，可以平行界面方向自由移动，构成了双电层的扩散区，厚度约为 10-6～1O7m。
薄膜极化效应是离子导体激发极化的主要原因。 当岩石颗粒间的孔隙直径和双电层扩散 区的厚度相当时， 则整个孔隙皆处于双电层扩散区内， 其中过剩的阳离子吸引负离子而排斥 阳离子。故在外电场作用下，扩展区的阴离子移动较馒，或者说其迁移率 v 较小。我们称 这样的岩石孔隙为阳离子选择带或薄膜。 当电流通过宽窄不同而彼此相联的岩石孔隙时，由于窄孔隙（即薄膜）中阳离子的迁移 率 v 大于阴离子的迁移率 v ；而宽孔隙中阴、阳离子的迁移率几乎相等，于是窄孔隙里的
第三章
激发极化法
电法勘探工作中我们发现， 当向大地供入电流或切断电流的瞬间， 在测量电极之间总能 观测到随时间变化的电位差，这种在充、放电的过程中，产生随时间缓慢变化的附加电场的 现象，称为激发极化效应（简称激电效应） 。激发极化法（或称激电法）就是以岩、矿石激 发效应的差异为基础， 通过观测和研究大地激电效应来探查地下地质情况或解决某些水文地 质问题的一类电法勘探方法。 采用直流电或交流电都可以研究地下介质的激电效应， 前者称 为时间域激发极化法，后者称为频率域激发极化法。二者在基本原理方面是一致的，只是在 方法技术上有较大差异。
（2.3-3）
式中 U ( f D ) 、 U ( f G ) 分别表示超低频段（ n 10 2 ~ n 10 2 Hz ）低频和高频供电电流所形 成的总场电位差。和 s 一样，它也是电流作用范围内地形及各种极化体激发极化效应的综 合反映。由于时间域激电法和频率域激电法在物理本质上是一致的，因此在极限条件下，即
图 2.3.5 广东某地电法找水综合剖面图
s (T , t )
U 2 (t ) 100% U (T )
（2.3-1）
式中 U (T ) 供电时间为 T 时测得的极化场电位差；U 2 (t ) 为断电后 t 时刻测得的二次场电位差。
s 用百分数表示，它的大小和分布反映了地下一定深度范围内极化体的存在和赋存状况。
由（2.3-1）式可见，视极化率与供电时间 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时间 T 和测量时间 t 。为简单起见，我们将视极化率定义为长 时间供电（ T ）和无延时 (t 0) 时的测量结果，即 U 2 s 100% U （2）视频散率（ Ps ） 视频散率是频率域激发化法的一种基本测量参数，其表达式为 U ( f D ) U ( f G ) Ps ( f D , f G ) 100% U ( f G ) （2.3-2）
3.3 激发极化法在水文地质调查中的应用
从上述讨论可知， 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。 激发极化法的野外工作方法和其它物探方法类似， 是在事先布置好的测网上逐点进行观 测。时间域激电法所用的装置和电阻率法完全一样，有中间梯度装置，联合剖面装置，对称 四极装置和测深装置。频率域激电法原则上也可用与电阻率法相同的装置，但是，为了克服 电磁耦合的干扰，更多的是使用偶极装置。
U ( f D 0) 和 U ( f G ) 时，两种方法会有完全相同的测量结果。
（3）衰减度（ D ） 衰减度是反映激发极化场衰减快慢的一种测量参数， 用百分数来表示。 二次场衰减越快 ， 其衰减度就越小。其表达式为
D
U 2 100% U 2
Hale Waihona Puke （2.3-4）式中 U 2 为供电 30s、断电后 0.25s 时的二次场电位差；U 2 为断电后 0.25s 至 5.25s 内二次 电位差的平均值。即

载流子大都为阳离子。 电流将大量阳离子带走， 结果在窄孔隙的电流流出端形成阳离子的堆 积；在电流流入端形成阳离子的不足。由于窄孔隙对阴离子有一定的阻挡作用，因此在阳离 子堆积和不足的两端，同样造成阴离子的堆积与不足。这样，沿孔隙方向便形成了离子浓度 梯度，它将阻碍离子的运动，直至达到平衡为止。 当断去外电流之后，由于离子的扩散作用，离子浓度梯度将逐渐消失，并恢复到原来状 态。与此同时，形成扩散电位，这便是一般岩石（或离子导体）上形成的激发极化现象。
图 2.3.1
电子导体的激发极化效应
（a）供电前的均匀双电层； （b）供电时的极化现象； （c）断电后的放电现象
极”和“阳极”处双电层电位差相对于平衡电极电位的变化称为过电位或超电压。显然，超 电压的形成过程就是电极极化过程，在供电过程中，超电压随供电时间的增加而增大，最后 趋于饱和值；当切断供电电流后，堆积在界面两侧的异性电荷将通过导体和围岩放电，超电 压也将随时间的增加而逐渐减小，最后完全消失。这时，导体和围岩溶液间又恢复到供电之 前的均匀双电层状态。
理论和实践都表明， 激发极化法不受地形起伏和围岩电性不均匀的影响， 因此获得了广 泛的应用。在水文地质调查中，激发极化法主要应用在两个方面：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。 1．用视极化率判别水异常 激发化法在岩溶区找水时， 由于低阻碳质夹层的存在， 常会引起明显的电阻率法低阻异 常，这些异常与岩溶裂隙水或基岩裂隙水引起的异常特征类似，给区分水异常带来困难。由 于碳质岩层不仅能引起视电阻率的低阻异常， 还能引起高视极化率异常， 而水则无明显的视 极化率异常。因此，借助于激发极化法可识别碳质岩层对水异常的干扰。图 2.3.5 为广东某 地利用电阻率法和激发极化法在灰岩地区寻找地下水的工作结果。在剖面的 77 号 点 附 近 ， 有一个 sA 和 sB 同步下降的“ V ”字型低阻异常；测深曲线呈 KH 型，曲线未产生畸变； 视极化率 s 很小，仅为 1%。可见这是一个低阻极化率异常。推断此异常和碳质岩层无关， 为岩溶裂隙所引起。后经验证，在 27~75m 处见地下水。 2．衰减时（ S ）法找水 在激电法打水中， 我国近年来还成功的应用了衰减时法。 所谓衰减时是指二次场衰减到 某一百分比时所需的时间，也就是说，若将断电瞬间二次场的最大值记为 100%的话，则当 放电曲线衰减到某一百分数，比如说 50%时所需的时间即为半衰时。这是一种直接寻找地 下水的方法，对寻找第四系的含水层和基岩孔隙水具有较好的应用效果。
3.2
激发极化特征及测量参数
下面，我们以体极化为例来讨论岩、矿石在直流电场作用下的激发极化特性。
图 2.3.3 岩、矿石的充、放电曲线
图 2.3.4
黄铁矿标本的激电频率特性曲线
1．激发极化场的时间特性 激发极化场的时间特性与极化体与围岩溶液的性质有关。图 2.3.3 表示体极化岩、矿石 在充、放电过程中电位差与时间的关系曲线。在开始供电的瞬间，只观测到不随时间变化的 一次场电位差 U 1 ，随着供电时间的增长，激发极化电场（即二次场）电位差 U 2 先是迅 速增大，然后变慢，经过 2～3 分钟后逐渐达到饱和。这是因为在充电过程中，极化体与围 岩溶液间的超电压是随充电时间的增加而逐渐形成的。显然，在供电过程中，二次场叠加在 一次场上，我们把它称为总场或极化场，总场电位差，用 U 来表示。当断去供电电流后， 一次场立即消失、二次场电位差开始衰减很快，然后逐渐变慢，数分钟后衰减到零。 2．激发极化场的频率特性 频率域激发极化法是在超低频电流作用下， 根据电场随频率的变化特征来研究岩、 矿石 的激电效应。图 2.3.4 是一块黄铁矿标本的激电频率特性曲线，由图可见，在超低频段（0.n～ nHz）范围内， 交流电位差 U f （或者说由此而转换成的复电阻率）将随频率的升高而降低 ， 我们把这种现象称为频散特性或幅频特性。 由于激电效应的形成是一种物理化学过程， 需要 一定的时间才能完成。所以，当采用交流电场激发时，交流电的频率与单向供电持续时间的 关系是：频率越低，单向供电时间越长，激电效应越强，因而总场幅度便越大；相反，频率 越高，单向供电时间越短，激电效应越弱，总场幅度也越小。显然，如果适当地选取两种频 率来观测总场的电位差，便可从中检测出反映激电效应强弱的信息。 3. 激发极化法的测量参数 （1）视极化率（ s ） 视极化率是时间域激发极化法的一种基本测量参数。 当地下岩、 矿石的极化率分布不均 匀时， 用某一电极装置测量得到的视极化率， 实际上就是电流作用范围内地形及各种极化体 激发极化效应的综合反映；其表达式为