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第一章频率域激发极化法的物理基础

第一节激发极化现象及其物理——化学解释

像图1.1那样，通过两电极A、B（称为供电电极）向地下供入电流，同时观察供电回路中的电流和接收电极对M、N之间的电位差，我们会发现，如果保持电源供电的电压不变，那末流经地下的电流强度I将随时间延长而渐渐减小，最后趋于比初始电流低的某个稳定值（图1.2中的曲线a）。电流随时间减小的现象使人们发生这样的联想：地下空间的电阻是不是变大了？如果保持供入大地的电流不变，则在接收电极MN间测得的电位差△V将随时间而缓慢增大，然后趋于比初始值高的某个稳定值（图1.2中的曲线b）。供电电流不变而测得的电位差△V随时间增大，引导人们怀疑，由于供入电流的作用，在地下是不是形成了一个附加的源电池？如果把供电回路的开关k断开，切断供入地下的电流，我们观察到MN间的电位差△V并不立刻消失，而是先快后慢地逐渐减小，经过相当长的时间，最终归于消失。这种接通电路时电位差渐渐增大，断开电路后存在剩余电位并渐渐衰减的现象，有点像电容器的充放电。

图1.1 图1.2

发生在大地中的这种现象，称之为激发极化。也就是因外电流的激励而发生的极化。所谓“极化”，是指在外电场作用下介质内部或者表面电荷出现分离的现象。激发极化的英文名称是inducedpolarization简称（IP）单词induce含有引诱、鼓励、刺激的意思。Polarization则是指（使）两极分化。可见，无论是用中文“激发极化”，还是英文“inducedpolarization”来描述上面的现象都是很贴切的。

在欧美，激发极化发展的早期，不少人把这种现象称为overvoltage，即“超电压”或者“过电压”。因为这一现象强烈地提示地下有一个附加的电压源存在。

术语“overvoltage”在电学和电化学中含义不同。在电学中是指超过电器正常承受能力的电压，而在电化学中指超过电极平衡电压的部分。借用到勘查地球物理中来，采用了它的后一种含义。下面将要看到这一借用既形象又妥贴。

人们还注意到，激发极化现象与供电维持的时间有密切的关系。如果供电维持的时

间很短，上述一系列的现象，包括接通时供电回路电流强度的减小、MN间电位差的增大，以及断电后MN间的剩余电位差及其衰减就很不明显。假如供电时间短到趋于零，成为一个极狭窄的脉冲，则上述这些现象完全不会发生。但也不是说供电时间越长，供电回路的电流就越小，MN间的电位差以及断电后的剩余电位差越大。而是供电维持一段时间之后，供电电流减小的速率和MN间电位差增大的速率都会变慢，渐渐趋于一个稳定的饱和值。断电后的剩余电位差和衰减的速率也保持一个固定的水平，进一步延长供电时间不会引起新的变化。

激发极化现象与地下介质的电学（电化学）性质有着本质的联系，使得激发极化法成为地球物理勘查的基本方法之一。金属矿石、石墨等电子导体，地下水、岩石等离子导体，具有各不相同的激发极化性质和特点。观察它们的激发极化效应便能达到勘查这些目标并且区分它们的目的。

激发极化的物理现象，反映了外电流引起的地下介质中电荷的分化和转移。这种分化转移是非常复杂而又多种多样的。目前把激发极化的机制，总的分为两类：电子导体的激发极化和离子导体的激发极化。前者是指电子导体和周围溶液界面上的电荷分化和转移，后者则是指岩石颗粒与溶液界面上的电荷分化转移。不论哪种激发极化机制，除了介质本身的内在因素外，外电流的激发是一个重要的条件。

图1.3 图1.4

为了便于理解这两种不同的机制，我们把地下介质简化成图1.3所示的极化岩石单元模型。单元上面的部分表示纯离子通道，下面的部分表示电子导体和离子导体的共同通道。在实际的地下介质中，离子通道和共同通道并不像图中这样互相隔离，而是彼此混和交织在一起。图上这样画只是为了叙述和理解的方便。

首先研究共同通道。为了看清发生在电子导体和周围溶液界面上发生的电荷分化和转移，我们把这一小部分放大绘于图1.4，电子导体界面上的激发极化又称为面极化。埋藏的电子导体长期受地下溶液浸泡。这些溶液是多种地质作用在久远地质年代形

成的成份复杂的离子溶液。导体的金属成份或多或少被离子溶液溶解，成为带正电荷的

金属离子，游移于溶液中，而把带负电荷的成份（主要是电子）“遗留”在导体内，形成初步的正负电荷分离。又由于电荷之间的引力，导体中的负电荷与溶液中的正电荷大多分布在导体——溶液界面的两侧。同时也发生电荷的中和，或者说再交换，使金属离子还原成金属。当这种分化与中和达到动态平衡，就在导体溶液界面上建立起一个稳定的双电层，正负电荷之间产生一个稳定的电位差，称为平衡电极电位或双电层电位，

记作ε（见图