电法勘探不仅可以利用地下天然存在的电场或电磁场，还能通过人工方法以多种形式在地下建立电场或电磁场。

目前，可将电法勘探分为两大类，即传导类电法勘探（如电阻率法）和感应类电法勘探（如电磁波法、探地雷达等）。

（一）电阻率法

电阻率法是建立在地壳中各种岩石之间具有导电差异的基础上，通过观测和研究与这些差异有关的天然电场或人工电场的分布规律，达到查明地下地质构造或寻找矿产资源的目的。

1.电阻率法的理论基础

岩石间的电阻率差异是电阻率法的物理前提。电阻率是描述物质导电性能的一个电性参数。从物理学中我们已经知道，当电流沿着一段导体的延伸方向流过时，导体的电阻R与其长度l成正比，与垂直于电流方向的导体横截面积S成反比，即

式中：ρ——导体的电阻率。可将式（5-1）改写成

显然，电阻率在数值上等于电流垂直通过单位立方体截面时，该导体所呈现的电阻。岩石的电阻率值越大，其导电性就越差；反之，则导电性越好。

2.电阻率公式及视电阻率

（1）电阻率公式。

电阻率法工作中，通常是在地面上任意两点用供电极A、B供电，在另两点用测量电板MN测定电位差（图5-8）。

电阻率的计算公式为

图5-8　任意四极装置示意图

式中：ΔVMN——测量电极M、N之间的电压差（V）；

　　　I——电源供电电流（A）；

　　　K——装置系数（或排列系数），它是一个与各电极间的距离有关的物理量。

式（5-5）是利用四级装置测定均匀各向同性半空间电阻率的基本公式。在野外工作中，装置形式和极距一经确定，K值便可计算出来。

获得岩石电阻率的方法之一，是用小极距的四极装置在岩石露头上进行测定，称为露头法。此外，通过电测井或标本测定也可以获得岩石的电阻率。

（2）视电阻率。

式（5-5）是在均匀各向同性半空间，即地表水平、地下介质均匀各向同性的假设下导出的。实际工作中，地下介质往往呈各向异性非均匀分布，且地表也不水平，因此有必要研究这种情况下的稳定电场。

首先需要引入“地电断面”的概念。所谓地电断面，是指根据地下地质体电阻率的差异而划分界线的断面。这些界线可能同地质体、地质层位的界线吻合，也可能不一致。图5-9中的地电断面中分布呈倾斜接触，电阻率分别为ρ1和ρ2的两种岩层，还有一个电阻率为ρ3的透镜体。向地下通电并进行测量，也可以按式（5-5）求出一个“电阻率”值。不过，它既不是ρ1，也不是ρ2和ρ3，而是与三者都有关的物理量，用符号ρs表示，并称之为视电阻率，即

图5-9　四极装置建立的电场在地电断面中的分布

视电阻率实质上是在电场有效作用范围内各种地质体电阻率的综合影响值。虽然式（5-5）和式（5-6）等号右端的形式完全相同，但左端的ρ和ρs却是两个完全不同的概念。只有在地下介质均匀且各向同性的情况下，ρ和ρs才是等同的。

由图5-9还可以看出，在图（a）所示的情况下，除地层ρ1外，地层ρ2对视电阻率ρs的值也有相当大的影响，但透镜体对ρs的影响很小。在图（b）的情况下，地层对ρs的影响减小而透镜体对ρs的影响相当大。因此，不难理解，影响视电阻率的因素有：① 电极装置的类型及电极距；② 测点位置；③ 电场有效作用范围内各地质体的电阻率；④ 各地质体的分布状况，包括它们的形状、大小、厚度、埋深和相互位置等。

3.电阻率法的仪器及装备

根据式（5-6），电阻率法测量仪器的任务就是测量电位差ΔVMN和供电电流I。为适应野外条件，仪器除必须有较高的灵敏度、较好的稳定性、较强的抗干扰能力外，还必须有较高的输入阻抗，以克服测量电极打入地下而产生的“接地电阻”对测量结果的影响。

目前，国内常用的直流电法仪有DDC-2B型电子自动补偿仪、ZWD-2型直流数字电测仪、JD-2型自控电位仪、C-2型微测深仪、LZSD-C型自动直流数字电测仪、MIR-IB型多功能直流电测仪，以及近年来出现的高密度电法仪等。

电阻率法的其他设备还有作为供电电极用的铁棒、作为测量电极用的铜棒、导线、线架，以及供电电源（45 V乙型干电池或小型发电机）等。

（二）高密度电阻率法

高密度电阻率法是一种在方法技术上有较大进步的电阻率法。就其原理而言，它与常规电阻率法完全相同。但由于它采用了多电极高密度一次布极并实现了跑极和数据采集的自动化，因此相对常规电阻率法来说，它具有许多优点：① 由于电极的布设是一次完成的，测量过程中无须跑极，因此可防止因电极移动而引起的故障和干扰；② 一条观测剖面上，通过电极变换和数据转换可获得多种装置的ρs断面等值线图；③ 可进行资料的现场实时处理与成图解释；④ 成本低，效率高。

由于高密度电阻率法与常规电阻率法相比有以上一些优点，因此自20世纪80年代初由日本学者提出后，经国内对方法、仪器的研制开发与生产，很快在水、工、环等领域中得到了推广应用并取得良好的效果，现简要介绍如下。

1.高密度电阻率法的观测系统

高密度电阻率法在一条观测剖面上，通常要打上数十根乃至上百根电极（一个排列常用60根），而且多为等间距布设。所谓观测系统是指在一个排列上进行逐点观测时，供电和测量电极采用何种排列方式。目前常用的有四电极排列的“三电位系统”、三电极排列的“双边三极系统”以及二极采集系统等（图5-10）。

图5-10　RESECS Ⅱ高密度电法仪（德国DMT公司）

2.三电位观测系统

如图5-11所示，相隔距离为a（a=nx，x为点距，n=1，2，3，…）的4个电极，只需改变导线的连接方式，在同一测点上便可获得3种装置（α、β、γ）的视电阻率（、、）值，故称三电位系统。其中α即温纳装置，β即偶极装置，γ则称双二极装置。

图5-11　三电位观测系统示意图（x=1，a=2x）

3种装置的视电阻率及其相互关系表达式为

(www.daowen.com)

3种装置的视电阻率断面等值线分布各异，但在当前所讨论地电条件下，温纳装置的和偶极装置的对低阻凹陷中高阻体的反映较好，而双二极装置的则无明显反映。因此，利用三电位观测系统获得的3种视电阻率资料，可根据它们的不同特点，用来解决不同的地质问题。

3.双边三极观测系统

如图5-12所示，该系统是当供电电极A固定在某测点之后，在其两边各测点上沿相反方向进行逐点观测。当整条剖面测定后，在相同极距AO（O为MN中点）所对应的测点上均可获得2个三极装置的视电阻率值（和）。根据前面在讨论电阻率法装置时给出的它们之间的相互关系表达式，便可换算出对称四极、温纳、偶极以及双二极等装置的视电阻率，进而可绘出它们的ρs断面等值线图。

图5-12　双边三极观测系统示意图

4.高密度电阻率法的实际应用

（1）主要仪器设备。

高密度电阻率法为了实现跑极和数据采集自动化，除测量主机和电极外，还需要配有多道电极转换器、多芯电缆和微处理机。以往国内用的高密度电阻率仪多为电缆芯数与电极道数相同的连接方式，如对60道电极而言，则需配上12芯的电缆5根。若扩展到100道以上，则需要的电缆根数更多，因此影响了工作效率。为了克服这一问题，近年已研制出一种分布式智能化测量系统，即用一根10芯电缆可覆盖所有电极通道（最大可覆盖240道），并且电极通道转换、测量和数据处理等工作均由笔记本电脑完成，实现了工作方式选择、参数设置、数据处理及资料解释等的自动化、智能化。

（2）应用实例。

实践证明，高密度电阻率法是一种“多快好省”的勘探方法，在地基勘察、坝基选址、水库或堤坝查漏、地裂缝探测、岩溶塌陷及煤矿采空区调查等方面，均能发挥重要作用，并取得良好效果。

广东省鹤山市某单位拟在新建场区寻找地下水，以供生产之用，单井涌水量要求超过100 m3/d。采用高密度电阻率法查找区内基岩中的含水破碎带，为钻探成井提供井位。由地质勘查资料可知，场地覆盖层由填土、淤泥质土、软塑状粉质黏土、可塑粉质黏土、粉土等组成，厚度为0～25 m，下伏基岩为强—中分化细粒花岗岩。基岩（花岗岩）的分化带较发育，赋存有裂隙水，属块状岩类裂隙水。这类含水层在不同地点单井水量会有明显的差异，如能找到其中的断层破碎带或基岩中的局部低阻带，则成井希望较大。现场工作采用温纳装置，电极间距5 m，最大AB距为240 m，解释深度取AB/3。图5-13是其中一条测线上的电阻率等值线断面图，从图中可以看出：在工区中间有一条明显的高低阻接触带（在其他平行测线上均有此反映），倾向东，以此带为界，西部电阻较高，基岩埋深较浅，东部电阻较低，基岩埋深较大，这与地质钻探资料一致。结合场地平整前的地形图可知，场地西部原为一小山头，东部低凹，中间有一条小冲沟经过，从区域构造图中也可以看出场地不远处有区域断裂构造。由此推断，本场地电阻率断面图中的高低阻接触带为断层破碎带。据此提供钻井井位，成井后，出水量为159 m3/d。

图5-13　鹤山市某单位1-1'测线视电阻率断面等值线图

（三）电磁法

电磁法是以地壳中岩、矿石的导电性、导磁性和介电性差异为基础，通过观测和研究人工的或天然的交变电磁场的分布，来寻找矿产资源或解决其他地质问题的一类电法勘探方法。

电磁法所依据的是电磁感应现象。以低频电磁法（f＜10-4 Hz）为例，如图5-14所示，当发射机以交变电流I供入发射线圈时，就在该线圈周围建立了频率和相位都相同的交变磁场H1，H1称为一次场。若这个交变磁场穿过地下良导电体，则由于电磁感应，可使导体内产生二次感应电流I2（这是一种涡旋电流）。这个电流又在周围空间建立了交变磁场H2，H2称为二次场或异常场。利用接收线圈接收二次场或总场（一次场与二次场的合成），在接收机上记录或读出相应的场强或相位值，并分析它们的分布规律，就可以达到寻找有用矿产或解决其他地质问题的目的。

图5-14　电磁法原理示意图

电磁法的种类较多，按场源的形式可分为人工场源（又称主动场源）和天然场源（又称被动场源）两大类。前者包括可控源音频大地电磁测深法、无线电波透视法和地质雷达法等，后者包括天然音频法和大地电磁测深法等。

按发射场性质不同，又分为连续谱变（频率域）电磁法和阶跃瞬变（时间域）电磁法两类。

按工作环境，又可以将电磁法分为地面、航空和井中电磁法三类。与传导类电法相比，电磁法具有如下特点：① 它的发射和接收装置都可以不采用接地电极，而是以感应方式建立和观测电磁场，因此航空电法才成为可能；② 采用多种频率测量，可以扩大方法的应用范围；③ 观测电磁场的多种量值，如振幅（实分量、虚分量）、相位等，可以提高地质效果。

1.频率域电磁场的基本特征

在频率域电磁场中常用的电磁场是谐变场，其中场强、电流密度以及其他量均按余弦或正弦规律变化，如

这里φH和φE为初始相位。

借助于交流电的发射装置，如振荡器发电机等，在地中及空气中建立谐变场。激发方式一般有接地式的和感应式两种，如图5-15所示。第一种方式如图5-15（a）所示，与直流电法一样利用A、B供电电极，将交流电直接供入大地。由于供电导线和大地不仅具有电阻而且还有电感，所以由A、B电极直接传入地中的一次电流场在相位上与电源相位发生位移。地中的分散电流及供电导线中的集中电流均在其周围产生交变一次磁场。后者在地中又感应产生二次电场，它是封闭的涡旋电场。交变电磁场的第二种激发方式如图5-15（b）所示，它是在地表敷设通有交变电流的不接地回线或者多匝的小型发射线圈——磁偶极子，在回线或线圈周围产生交变一次磁场，由它激发地中的二次电磁场。感应激发方式多半用于接地条件较差的地区，这时可彻底摆脱接地的困难。

图5-15　谐变场的激发方式

2.时间域电磁场的基本特征

时间域电磁法中的瞬变场，是指那些在阶跃变化电流作用下，地中产生的过渡过程的感应电磁场。因为这一过渡过程的场具有瞬时变化的特点，故取名为瞬变场。与谐变场一样，其激发方式也有接地式和感应式两种。在阶跃电流（通电或断电）的强大变化磁场作用下，良导介质内产生涡旋的交变电磁场，其结构和频谱在时间和空间上均连续地发生变化。瞬变电磁场状态的基本参数是时间，这一时间依赖于岩石的导电性和收-发距。在近区的高阻岩石中，瞬变场的建立和消失很快（几十到几百毫秒），而在良导地层中，这一过程变得缓慢。在远区这一过程可持续几秒到几十秒，而在较厚的导电地质体中可延续到一分钟或更长。由此可见，研究瞬变电磁场随时间的变化规律，可探测具有不同导电性的地层分布（各层的纵向电导或地层总的纵向电导），也可以发现地下赋存的较大的良导矿体。

（四）探地雷达法

1.探地雷达的基本原理与方法技术

探地雷达法（GPR）是利用一个天线发射高顿宽带（1 MHz～1 GHz）电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波而进行地下介质结构探测的一种电磁法。由于它是从地面向地下发射电磁波来实现探测的，故称探地雷达，有时亦将其称作地质雷达。它是近年来在环境、工程探测中发展最快、应用最广的种地球物理方法。20世纪70年代以后，探地雷达的实际应用范围迅速扩大，包括石灰岩地区采石场的探测，淡水和沙漠地区的探测，工程地质探测，煤矿井探测，泥炭调查，放射性废弃物处理调查以及地面和钻孔雷达用于地质构造填图，水文地质调查，地基和道路下空洞及裂缝调查，埋设物探测，水坝、隧道、堤岸、古墓遗迹探查等。探地雷达利用以宽带短脉冲（脉冲宽为数纳秒以至更小）形式的高频电磁波（主频十几兆赫至数百以至千兆赫），通过天线（T）由地面送入地下，经底层或目标体反射后返回地面，然后用另一天线（R）进行接收，如图5-16所示。

图5-16　反射雷达探测原理

脉冲旅行时为

当地下介质中的波速v为已知时，可根据精确测得的走时t，求出反射点的深度（m）。

波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时进行测定。反射脉冲波形由重复间隔发射（重复率20 000～100 000 Hz）的电路，按采样定律等间隔地采集叠加后获得。考虑到高频波的随机干扰性质，由地下返回的反射波脉冲系列均经过多次叠加（叠加次数几十至数千）。这样，若地面的发射和接收天线沿探测线以等间隔移动时，即可在纵坐标为双程走时t（ns）、横坐标为距离x（m）的探地雷达屏幕上绘描出仅仅由反射体的深度所决定的“时-距”波形道的轨迹图（图5-17）。与此同时，探地雷达仪即以数字形式记下每一道波形的数据，它们经过数字处理之后，即由仪器绘描成图或打印输出。

由于探地雷达图像呈时-距关系形式，因此类似于地震记录剖面，画面的直观性较强，波形图面上同一反射脉冲起跳点所构成的“同相轴”可用来勾画出反射界面。当然，对于有限几何体的界面，只要返回的能量足够，图面的各道记录上均可追踪反射脉冲同相轴，这自然就歪曲了目的体的实际几何形态。

2.探地雷达法应用实例

图5-18为长江三峡宜昌三斗坪坝区用探地雷达划分花岗岩风化带的一条实测剖面，它是用50 MHz天线于雨后的探测结果。根据波形特点，雷达图可以清晰地分辨出表土以下全风化带、强风化带、弱风化带之间的界面，甚至弱风化带内的子界面以及与弱风化带的交界面也可以识别，它们的位置和相对厚度均与钻探结果吻合甚好。由于未进行高程校正，图上见到的台阶形界面系山坡或地表台阶陡坎的反映。

图5-17　探地雷达剖面记录示意图

图5-18　宜昌三斗坪长江北岸花岗岩风化带探测结果