激发极化法：地球物理勘探中的电法方法

激发极化法是利用岩矿石电化学性质为物理前提的一种地球物理勘探方法。在直流电法勘探中，人们发现，当向岩（矿）石供入电流时，在电流强度不变的情况下，仍能观测到测量电极间的电位差随时间而变化，并在相当长时间后趋于某一稳定的饱和值；在断开电流后，测量电极间的电位差随时间而下降，并在相当长时间后衰减到接近于零值。这种在充电和放电过程中的现象称为激发极化效应（简称激电效应）。它是岩（矿）石及其所含水溶液在外电流场作用下产生电化学极化的结果。

激发极化法是以岩石、矿石的激电效应差异为物质基础，通过观测和研究地下介质的激电效应，达到勘查地下物质分布的一种电法勘探方法，简称激电法。

4.5.1 稳定电流场中岩石和矿石的激发极化特征

为了使问题简单化，通常将岩、矿石的激发极化分为两大类：面极化、体极化。

1）面极化特征

致密的金属矿或石墨矿具有面极化特征（图4．29）。面极化的特征是激发极化现象发生在极化体与围岩溶液的界面上。

图4.29 面极化特征的测量装置

一般讨论面极化的两个性质：①时间特征；②非线性特征。

（1）时间特征。图4．30是在实验室测得的石墨矿与黄铁矿阳极极化（实线）和阴极极化（虚线）充、放电曲线。由图可见，石墨和黄铜矿超电压充电、放电曲线的总趋势是相同的，在刚开始充电时，超电压随时间的延长很快地增大；随着充电时间的延长超电压增大的速度逐渐变慢最后趋近于某一“饱和值”。放电曲线与充电曲线呈倒相似，在断电之后，最初超电压随时间的延长很快地下降，随着放电时间的延长，超电压衰减的速度逐渐变慢，直到最后慢慢衰减到零。

图4.30 石墨矿与黄铁矿阳极极化（实线）和阴极极化（虚线）充、放电曲线

（a）石墨矿；（b）黄铁矿

进一步比较细致地分析图4．30所示的曲线，可以看到：外电场的电流密度Jo越大，超电压上升达到“饱和值”的时间就越短。对通常野外生产中，在所研究的地质体附近可能达到的电流密度（Jo＜1μA/cm2）来说，充电2min，甚至5min都远未达到“饱和值”；同样，放电2min，甚至5min也远未衰减到零。这说明面极化的充电和放电速度都是比较慢的。而其中石墨又比黄铜矿更慢。

（2）非线性特征。从图4．30还可以看出，当外电流密度为Jo＜1μA/cm2时，归一化的超电压值（ε/Jo）的充、放电曲线在观测误差范围内（＜10％）与外电流密度Jo的大小和方向（阳极极化和阴极极化）无关，即ε/Jo＝常数（与Jo无关）。这说明在小电流密度的情况下：①超电压ε与电流密度Jo成正比，即超电压e与电流密度Jo呈线性关系；②阳极超电压和阴极超电压相等（也可称阴极、阳极为均势）。

当外电流密度很大时（对石墨Jo≥40μA/cm2时，对黄铁矿Jo≥5μA/cm2时）归一化的超电压值（ε/Jo）的充、放电曲线，在观测误差范围内（＜10％）明显地偏离小电流时的相应曲线（即ε/Jo与Jo有关），同时阳极极化曲线（实线）和阴极极化曲线（虚线）彼此分开，这说明在大电流密度的激发下：①超电压ε与电流密度Jo不成正比变化，即超电压s与电流密度Jo呈非线性关系；②阳极超电压和阴极超电压互不相等。有意思的是，对石墨来说，当电流密度Jo从小变大时，开始是阳极超电压大于阴极超电压（以下称阳极占优势）；但当继续增大电流密度，或电流密度相当大而延长充电时间时，便逐渐变为均势，进而变为阴极超电压大于阳极超电压（以下称阴极占优势）。黄铜矿情况则不同，当电流密度从小变大时，阴极、阳极超电压的关系总是阴极占优势。而且阴极、阳极超电压之差比石墨大得多。

对其他致密金属矿石标本所做的观测表明，磁铁矿的非线性特征（包括阴极、阳极超电压之间的关系）与石墨很相似；而方铅矿、黄铁矿等硫化矿物的非线性特征（包括阴、阳极超电压之间的关系）与黄铁矿相似。

在大电流密度激发下，石墨与硫化物金属矿激发极化（即超电压）非线性特征（包括阴极、阳极超电压之间的关系）的上述差别，从物性基础上提供了利用非线性（包括阴极、阳极极化）观测技术来区分石墨和硫化物金属矿激电异常的可能性。

2）体极化特征

体极化是分布于整个极化体中的许多微小极化单元之极化效应的总和，故不能像研究面极化那样，用测量极化单元界面上的过电位来表征它的激电效应。

体极化特征：浸染状金属矿或矿化岩石、离子导电岩石的激发极化特点是微小金属矿物或岩石颗粒组成的极化单元分布于整个极化体中（无数小面极化的极化效应总和）。

用图4．31所示装置对一块黄铁矿化岩石标本测得的电位差随时间变化曲线表明，其电位差随时间变化。这是由于激发极化产生的电位差ΔU2（T）（即二次电位差）在供电后从零开始逐渐变大（充电过程）及断电后二次电位差ΔU2（T）逐渐衰减到零的结果。在无激电效应时，电流流过标本形成的电压降称为一次电位差ΔU1，它不随时间的变化而变化。在标本被激发极化后，供电时间为观测到的电位差为一次电位与二次电位的总和，即

ΔU＝ΔU1＋ΔU2（T） 　（4．33）

式中，ΔU为总场电位差，激发极化产生电位差ΔU2（T）随时间变化，充电时从零逐渐增大，放电时逐渐减为零。(www.xing528.com)

图4.31 体极化特征的测量装置

但在地面电法通常采用的电流密度范围内，体极化效应一般是线性的，为此引入一个称为极化率η的参数，来表征体极化介质的激电性质。极化率η与电流无关，而与供电时间T和测量延迟时间t有关。

极化率η是用百分数表示的无量纲参数。提到极化率时必须指出其供电时间T和测量时间t。

岩矿石极化率主要取决于所含电子导电矿物的体积分数及其结构。一般来说，含量越大，导电矿物颗粒越细小，矿化岩石越致密，极化率就越大。

近年来，随着仪器的不断更新，以及国外名词的引入，又提出了“充电率”的概念。一般来说，“极化率”是将断电后某一时刻的二次电位除以一次电位或总场电位，是某一个单点时刻的极化率，一般用百分比（％）表示；而“充电率”是将断电后某一段时间的二次电位进行积分得到某一时段二次电位衰减曲线与时间轴所夹的面积除以一次电位或总场电位，是某一个时段的积分值的平均值，一般用mV/V（％）表示。

需要指出的是，在同一个地区，使用不同的仪器会测出不同的极化率或充电率，这是因为不同的仪器供电时间和测量时间不同，所以在同一个地区用不同仪器测量时，要进行归一化。

4.5.2 激发极化法的应用

1）常用装置下的激电异常

激发极化法常用装置类型与电阻率法相同，时间域激发极化法主要装置有：中间梯度、联合剖面、偶极 偶极、四极测深。对于联合剖面装置，用AMN∞和∞MNB测得的视极化率曲线相互对称，并在球心上方有高的“反交点”。在电极距AO相对于球心深度ho不大时，异常幅度较小，形状比较简单，在反交点ηA和ηB各有一个极大值和极小值。随着极距增大，异常幅度上升，同时形状变得复杂，在反交点两侧ηA和ηB各有一主极值，其后又出现一个次极小值和次极大值。随着电极距增大，两条ηA和ηB重合，变成中梯装置曲线（图4．32）。特征也可以用等效电阻率法解释。

图4.32 球形极化体上视极化率联合剖面曲线

ho/ro＝2；μ2＝ρ2/ρ1＝1；η1＝1％；η2＝50％

2）激发极化法特点

（1）纯异常测量，不受或少受地形和局部导电不均影响。

（2）对浸染状金属矿有明显的勘查效果（电阻率并不低但极化率高）。

（3）可解决某些矿异常与非矿异常的区分。

（4）石墨、炭质、黄铁矿化异常是强干扰。

（5）要求观测精度高，电磁耦合干扰大。

3）应用

破山银矿矿产资源勘查，如图4．33所示，矿体异常具有低阻、高极化特征。

图4.33 破山异常带250线物探地质综合剖面

1—银矿体；2—测深点；为歪头山组；AH为斜长角闪片岩中梯装置：AB＝900m，MN＝40m；联剖：AO＝BO＝200m，MN＝20m