何良土壤电阻率测量技术应用研究.doc
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1、土壤电阻率测量技术应用研究何良 石艺1中国地质大学,2中南电力设计院一.项目概况 电力系统的接地问题是一个看似简朴、而事实上却非常复杂又至关重要的问题。它是维护电力系统安个可靠运营、保障运营人员和电气设备安全的主线保证和重要措施。特别是随着我国电力事业的飞速发展,电网规模不断扩大,系统电压等级不断提高,系统容量的不断增大,接地短路电流亦越来越大,一个安全有效的接地装置显得越来越重要。接地电阻值是发电厂、变电站接地系统的.重要技术指标。接地电阻的变化直接关系到电力系统的安全运营。实际工作中,电阻率测试偏小,会导致安全上的隐患。电阻率测试偏大,又会导致不必要的资源浪费。如何简便、准确地测量接地电阻
2、是长期困扰电力工作者的一大难题。本项目通过研究影响土壤电阻率的影响因素,对比不同的测试方法,总结和提出土壤电阻率测试中应注意的问题以及改善方法。二.土壤电阻率及其影响因素2.1什么是电阻率:表征某种物质导电性的参数是电阻率。在国际单位制中,某种物质的电阻率被定义为电流垂直通过每边长度为一米的立方体均匀物质时,所碰到的电阻值。电阻率的单位为欧 姆米,记作m。显然,物质的导电性愈好,其电阻率值愈小,反之,假如某种物质的电阻率很大,则该物质的导电性很差。 我们知道,自然状态下的岩石土壤是由各种固体矿物组成的,并且或多或少都具有一定数量的孔隙水。因此,研究岩石土壤的导电性,必须分别考察它的组成成分固体
3、矿物和孔隙水的导电性。按照导电机制可将固体矿物为分三种类型:金属导体、半导体和固体电解质。金属导体的导电性十分好 ,其电阻率值很低,一般 106m;大多数金属矿物属于半导体其电阻率高于金属导体,通常10 1 m;固体电解质的电阻率非常大。几乎所有的天然岩石都或多或少地具有水分。这些存在岩石裂隙或孔隙中的水分(统称孔隙水)通常对岩、矿石的导电性质有影响。纯的蒸馏水的导电性极差,几乎可以当作是缘绝体。但是,天然岩石中的孔隙水总是在不同限度上具有某些盐份(电解质),当电解质溶于水形成电解液时,其中一部分电解质的正、负离子会彼止分开,并可在溶液中互不依赖地自由运动,即所谓电离或离解。电解液正是借助于其
4、中处在电离状态的正、负离子而导电,故为离子导体。因此,孔隙水的电阻率一般都远小于造岩矿物。大量实测资料证明,岩石孔隙水的电阻率值很少超过100m,通常在1 10m之间。 2.2 土壤电阻率的影响因素土壤都是矿物的集合体,并且经常具有一定的孔隙水。因此,岩、矿石的电阻率必然和它的组成矿物及所含水的导电性、含量、结构、构造及其互相作用等有关。 2.2.1岩、矿石电阻率与其成分和结构的关系 大多数岩石和矿石,可视为均匀相连的胶结物和不同形状的矿物颗粒所组成。岩、矿石的电 阻率决定于这些胶结物和矿物颗粒的电阻率、形状及其百分含量。研究不同结构岩、矿石的电阻率与其成份和含量的关系:假设胶结物的电阻率为1
5、,矿物颗粒的电阻率为2。若岩、矿石仅由这两种矿物组成时,其电阻率与1 、 2 及矿物颗粒的百分体积含量V有关,并且当矿物颗粒的形状不同时,其关系不同。根据等效电阻率的近似理论,不同结构岩、矿石的电阻率分别有如下表达形式:矿物颗粒为球形的岩、矿石(如砂岩、砾岩、浸染状的金属矿石)电阻率为:下图分别给出了三种不同形态矿物颗粒组成的岩、矿石之电阻率与矿物颗粒体积含量 V 的关系曲线由图可见,在球形矿物颗粒的情况下,不管矿物自身为高阻还是低阻 ,当其体积含量不太大( V60% )时,则岩、矿石的电阻率值均接近于胶结物的电阻率 1,而受2 之影响甚小;仅当矿物颗粒的体积含量相称大时(V60%), 2 才
6、对岩、矿石的电阻率值有明显作用。这是由于当矿物颗粒含量不大时,矿物颗粒被胶结物隔离开,其对导电作用的影响不大,而胶结物彼此连通,故岩、矿石整体的导电作用重要取决于它。总之,岩、矿石中某种组成部分对整体岩、矿石电阻率影响的大小, 决定于其连通情况。连通者起的作用大,孤立者起的作用小。综上所述,自然界含片状或针状良导矿物的网脉状或细脉状金属矿石,沿网脉或细脉方向的电阻率值,大大低于同等金属矿物含量的浸染状矿石电阻率;而含片状、树枝状高阻矿 物(如石英脉)的岩石,垂直于岩脉方向上的电阻率值往往很高。因此,一般情况下,岩、矿石的结构构造比矿物颗粒含量对岩、矿石电阻率的影响更重要。 2.2.2土壤电阻率
7、与所含水分的关系 孔隙中充满水分的砂、砾石的电阻率与其体积含水量(湿度)和孔隙水电阻率水的 关系可由(1.3-1)式导出:式中: 水为孔隙水的电阻率,为岩石的体积含水量,并有 1V 上式表白:岩石电阻率随水成正比关系变化,同时与湿度成反变关系。这种反变关系在湿度很小时(从零到百分之几)特别明显,由于当湿度减小 到一定限度后,岩石中的水呈现为附着在岩石孔隙表面的薄膜水,彼此不相连通,因而使岩石电阻率急剧增大。 对于孔隙未被水充满的岩石,电阻率与 和水的关系比较复杂,但总的规律仍是岩石电阻率与水成正比,并随 增大而减小。因此,岩石所含水分的多少和孔隙水电阻率的高、低乃是决定含水岩石电阻率的两个基本
8、因素。下表列出了几种天然水 的电阻率值。 表-几种常见天然水的电阻率名称电阻率()名称电阻率()雨水河水海水10000.11001.010地下水矿井水深层盐渍水1001100.112.2.3岩、矿石电阻率与温度的关系 电子导电矿物或矿石的电阻率随温度增高而上升;离子导电岩石的电阻率随温度增高而减少 。地表下二十至二十五米地段, 岩、矿石的温度(即地温)不受季节影响,保持为本地年平均温度,该段称为常温带。在探查金属及非金属矿产时,由于所研究的深度一般很少超过1000m,在通常的 气温条件下,温度对岩、矿石电阻率的影响不大。但是,应当指出,当气温降至0以下时,将会使地表含水岩石或土壤的电阻率发生很
9、大变化。 下图的实验结果表白:随温度减少至0以下,含水砂岩的电阻率显著增高。当温度降到-16时,含水砂岩的电阻率高达m以上,比冰点以上的电阻率值大三个量级。冰冻岩石电阻率显著增高是岩石中孔隙水结冰后失去了导电性水溶液的缘故。2.24.土壤电阻率与压力的关系 在压力极限内,压力大使孔隙中的水挤出来,则 变大,压力超过岩石破坏极限,则岩石破裂使减少。 综上所述,由于影响岩、矿石电阻率的因素众多,自然状态下某种岩、矿石的电阻率并非为某一特定值,而多是在一定范围内变化。顺便指出,在岩、矿石的所有物理性质中,以电阻率的变化范围最大。在电法勘查所研究的深度范围内,岩石的导电作用几乎全是靠充填于孔隙中的水溶
10、液来实现的。2.3 实际措施由于在实际野外作业中,温度压力变化不大,且电阻率岁这两个因素变化不明显,但对于含水性因素变化急剧,所以应十分注意含水性的特性,冰冻季节地表岩石或土壤电阻率显著增高,对电法勘查有很大影响,一方面它使电极接地电阻增大,导致直流电法施工困难;另一方面,表层电阻率增高使其它干扰减小,因而对感应类电法来说,是十分有利的工作条件。 3.测量原理与方法3.1 地层中电流的分布特性 在地表水平、地下半空间被导电性均匀、各向同性的岩石所充满的特定条件下,若通过地面 的点电流源 A(+)和B(-)向地下供入电流强度I 时,根据点源电场的基本公式,很容易写出地面任意两点 M和N 处的电位
11、, 在地下岩石电性分布不均匀(同时赋存有两种或两种以上导电性不同的岩石或矿石)或地表起伏不平的情况下,若仍按测定均匀水平大地电阻率的方法计算的结果称之为视电阻率,以符号表达.M、N两点之间的电位差为: 将上式移项后,得:实际工作中,点源A、B是通过一对供电电极将电流I 供入地下,M、N两点通过一对测 量电极与观测电位差的仪器相接;并统称A、B和M、N分别为供电电极和测量电极。AM、AN、 BM、BN 分别为各电极间的水平距离。各个电极位置的几何关系通常用装置系数K表达,即于是(6.1.1)式简化为: 一般情况下,视电阻率虽然不是地下某一种岩石的真电阻率,但却是在电场作用的范围内,地下电性不均匀
12、体的综合反映。视电阻率值与地下不同导电性岩石(或矿体)的分布状况有关,还与所采用的装置类型、装置大小、装置相对于电性不均匀体的位置以及地形有关。电阻率法正是根据视电阻率的变化探查和发现地下导电性不均匀体的分布,从而达成找矿或解决其它地质问题的目的。 根据稳定电流场的基本性质,我们知道,在地下岩石导电性分布不均匀的情况下,自供电电极A供入地中的电流总是趋向于沿着电阻较小,路程较近的途径流向B极;流经不同电性体的总电流值保持恒定,表征地中电场分布的电流线呈连续的曲线,不会在地中忽然消失,也不会在某处无中生有。 此外,电流线间彼此互相排斥,因此,电流线不会所有集中于良导电体内,也不会所有电流线都选择
13、同一条最短途径,而是呈体分布状态。 事实上,视电阻率的变化,正是反映了电性不均匀岩石中电场的分布情况。 综上所述,我们将视电阻率的性质归纳如下: (1) 本地下只有同一种电性的岩石存在时,视电阻率就等于该岩石的真电阻率值。 (2) 本地下有电性不同的局部地质体赋存时,在高阻地质体上方的视电阻率值比 围岩电阻率值大;在良导地质体上方的视电阻率值比围岩电阻率值小。 若在地质 体上方,采用一定的装置沿地表剖面逐点观测视电阻率时,视电阻率 随测点变化 的曲线便能反映出地下电性不均匀体的位置和不均匀体电阻率的相对高低。上述曲线以视电阻率等于围岩电阻率的水平直线为正常背景,故视电阻率异常不受正常电流场分
14、布不均匀的影响, 曲线比电位或场强曲线对地下不均匀体的赋存情况反映的更抱负。 (3) 本地下有多种电性不同的岩石存在时,地面某点的视电阻率值,一般情况下既不等于这 种 岩石的电阻率,也不等于那种岩石的电阻率,而是多种电性不同岩石对电流场分布总的作用 结果;它与电性不均匀体的分布状况及各不均匀体的真电阻率值有关,而与供入地下的电流强度 I 的大小无关。 (4) 除了地下电性不均匀体之外,起伏的地形同样会改变地面电流场的分布状况,因此地形 对 电阻率法的观测结果有影响,对电阻率法资料进行解释时,是一种常见的、不可忽视的干扰因素。 3.2土壤电阻率的测试方法 各种岩,矿石土壤间的电阻率存在差异是电阻
15、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,这里仅简朴介绍。3.2.1露头法对天然露头或人工露头(如探槽,坑道)的岩石土壤,用小四级法在露头上直接测定。测定期,可选择在露头较为平坦的面上进行,既可以单点观测,也可以进行小极距测深或剖面测量,且AB一般应小于露头长度的一半和宽度的三分之二,根据测定的结果(U和I)和运用装置系数K值带入均匀大地电阻率计算公式P=K*U/I即可得到该岩石土壤的的电阻率值。 用露头法测定结果,瑞然较其他接近可观实际,但工区不是所有岩矿土壤均有露头可以运用,此外有的天然露头由于受到风化
16、而使所测得的电阻率缺少代表性。3.2.2标本法对于岩心标本或稍加工的长发型标本,常用两个面电极供电(电流为I ),并通过两个相距为l的环形电极测量期间之电位差,设电流通过标本的横截面积为S,则按一下公示课算的其电阻率值:3.2.3测井法其原理是通过A、B两电极供应强度为I的电流,在井壁周边建立电场,然后测量M、N两点间(位于A、B两电极之间)的电位差的变化即反映了沿井孔剖面岩层电阻率的变化。最后应用公式(1)可求得岩层的视电阻率式中,Ra视电阻率;K电极系系数(与电极系的类型、尺寸有关)。由基本物理知识,电阻值公式为式中,R电阻值,;L导体长度,m;S导体横截面积,m2;电阻率,m。显然电阻值
17、和电阻率之间呈线性关系,并且在相同测量条件下,变换系数是恒定的。由上述原理可知,电阻率测井方法实际也是将测量得到的电阻值通过系数转换后,形成电阻率数据的。该方法有助于排除不同测量设备、测量面积和电流强度等因素的影响,有助于资料的对比及分析。测井时的电流强度较弱、影响半径较小,相对于油藏井距而言,可认为测量点周边处在无限大地层中,没有外边界条件的干扰。3.3电阻率法的常用电极装置类型及其原理方法 在电法勘查中,为了解决不同的地质问题,常采用不同的装置。目前,我国常用的电阻率装置类型有电剖面法、中间梯度法和电测深法。 电阻率法的常用装置类型与特点如下: 3.3.1、电阻率剖面法 电阻率剖面法简称为
18、电剖面法。它涉及许多分支装置:二极装置、三极装置、联合剖面装置 对称四极装置和偶极装置等。这些装置的共同特点是装置形式(电极排列方式)和装置大小 在工作过程中始终保持不变,将整个装置同时沿着测线移动,逐点观测电位差、供电电流I,并算出视电阻率 。随测点位置的变化曲线 剖面曲线是地下一定深度内沿观测剖面水平方向地电断面特性的反映。 该方法的共同点是测量点地下的电流分布认为是点电源电流。(1)二极装置(AM)(Pole-pole ) 这种装置的特点是供电电极 B 和测量电极 N 均置于“无穷远” 处接地。 这里所指的“无穷远”具有相对概念:若 B 极在M点产生的电位或A极在N点所产生 的电位相对于
19、A极在M点所产生的电位可忽略不计时,便可认为B极或N 极位于“无穷远”。因此,二极装置事实上是一种测量电位的装置。其表达式为:式中装置系数: 二极装置通常取 AM 中点作为记录点。(二)三极装置(AMN)(pole-dipole ) 当只将供电电极 B置于“无穷远”,而将AMN沿测线排列并进行逐 点观测时,便称为三极装置。其表达式为:式中:三极装置取 MN 中点为记录点。 (三) 联合剖面装置(AMN) 它由两个对称的三极装置联合组成,故称联合剖面装置。其中电源 负极接到置于“无穷远”处的 C极,正极可分别接至A极或B极。其 表达 式与三极装置的相同,分别为:式中联合剖面装置仍取 MN 中点作
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- 土壤 电阻率 测量 技术 应用 研究
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