1、浅述水工环地质勘察过程中电法的应用摘要:随着电子科学技术的飞速发展，电法的应用范围越来越广阔，特别是在地质勘察领域发挥着重要作用。笔者结合自身工作经验对电法在水工环地质勘察中的应用作出分析与探讨。 关键词: 原理；雷达；电法；电磁场；原则 中图分类号：TN95 文献标识码：A 文章编号： 1 方法原理及应用 1.1 激发极化法 在人工电流场次场或激发场作用下，具有不同电化学性质的岩石或矿石，由于电化学作用将产生随时间变化的二次电场(激发极化场)。这种物理化学作用称为激发极化效应。激发极化法(或激电法)就是利用岩、矿石的导电性、激发极化特性差异,观测和研究人工形成的激发极化场的变化规律,进行找矿
2、和解决其他地质问题的一组人工场源形式的勘探方法。激电法在我国的研究和推广大致经历了直流(时间域)激电法、交流(频率域)激电法主要是变频法、频谱激电法(研究复视电阻率随频率的变化,即复视电阻率的频谱)三个阶段。由于该方法测量的是二次场,具有不受地形起伏和围岩电性不均匀的影响,可测量多参数等优点,所以被广泛应用于水工环地质勘察领域。 在电法的研究过程中,通过对大量的岩、矿石极化率实测数据进行统计后发现:非矿化岩石的充放电速度比矿化岩石更快,利用岩石激电效应的这种时间特性,对评价激电异常和应用激电法找水均有实际意义。对此,我国学者“在利用激电二次场衰减速度找水(Victor Vacquier 195
3、7)”思想的指导下,做了大量的开创性工作。即将激电场的衰减速度具体化为半衰时、衰减度、激化比等特征参数,这些参数不仅能较准确地探明各种类型的地下水资源,而且可以在同一水文地质单元内预测出涌水量的大小,把激电参数与地层的含水性联系起来。近年来,在我国应用激电法找水效果十分显著,被誉为“找水新法” 。 1.2 高密度电法 高密度电法是以研究地下介质体的电阻率差异为地球物理基础,集电剖面和电测深为一体,采用高密度布点,进行二维地电断面测量的一种电阻率勘察技术。它属于一种阵列式勘探方法,它的理论基础与常规的电阻率法相同，集中了电剖面法和电测深法。与常规电阻率法相比,高密度电法具有以下优点:电极布置可一
4、次性完成,减少了因电极设置引起的故障和干扰,提高了工作效率;能选用多种电极排列方式进行测量,可获得丰富的有关地电断面信息;野外数据采集实现了自动化或半自动化,提高了数据采集速度,避免了手工错误操作。 1.3 可控源音频大地电磁法(CSAMT) 可控源音频大地电磁法是在大地电磁法(MT)和音频大地电磁法(AMT)基础上发展起来的,利用接地水平电偶源为信号源的一种电磁测深法。CSAMT 是 1975 年由 Myron Goldstein 提出的,它基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组建立了视电阻率和电场与磁场比值之间的关系,并且根据电磁波趋肤效应理论得出电磁波的传播深度(或探测深度)与频率之间的关系
5、,通过改变发射频率来改变探测深度达到频率测深的目的。 CSAMT 方法就是利用不同岩石的电导率差异观测一次场电位和磁场强度变化的一种电磁勘探方法。CSAMT 采用可控制人工场源。测量由电偶极源传送到地下的电磁场分量，两个电极电源的距离为 12km。测量是在距离场源 510km 以外的范畴进行此时场源可以近似为一个平面波。由于该方法的探测深度较大(可达 2km),并且兼有剖面和测深双重性质,因此具有诸多优点:使用可控制的人工场源,测量参数为电场与磁场之比卡尼亚电阻率,增强了抗干扰能力,并减少了地形的影响。利用改变频率而不改变几何尺寸的方法进行不同深度的电测深,提高了工作效率,一次发射可同时完成
6、7 个点的电磁测深。探测深度范围大,一般可达12km。横向分辨率高,可以灵敏地发现断层。高阻屏蔽作用小，可以穿透高阻层。与 MT、AMT 法相同, CSAMT 法也受静态效应和近场效应的影响, 可以通过多种静态校正方法来消除“静态效应”的影响。 1.4 瞬变电磁法(TEM) 瞬变电磁法(TEM)于 20 世纪 8090 年代在我国开始推广应用。首先在金属矿勘探中获得了较好的效果,进而推广应用到工程检测、环境、灾害等领域,并显示出了明显的优势。其原理是利用回线(接地或不接地的)向地下发送一次脉冲电磁波(多为矩形波),在其间歇期间观测二次涡流场。当地下存在电性不均匀地质体时,能观测到不均匀体的涡流
7、场(即异常二次场)。由于瞬变电磁法所产生的电磁场在地下介质中的传播随时间延长而呈 47倾斜锥面向深部扩散,通常用吹出来的“烟圈”来形象地表达这种效应,即“烟圈效应” 。 瞬变电磁法根据激励场源不同可分为垂直磁偶源方法(使用不接地回线)和电偶源方法(使用接地电极),其中用得较多的是垂直磁偶源中的回线场源方法。与其它电磁法相比,瞬变电磁法具有以下优点:和其它电磁法一样,横向分辨率较高,对探测产状较陡的局部异常地质体较为“敏感”;观测纯异常,受地形影响小,而且没有装置耦合噪声干扰,观测精度较高;采用不接地回线工作,特别适宜于接地条件困难地区施工,野外施工方法技术简单,工效高;通过不同的参数组合选择,
8、可以灵活地改变探测深度,从十几米到近千米,探测不同深度的目标物。 1.5 地质雷达(GPR) 地质雷达,是探测地下物体的地质雷达的简称。是利用宽带高频时域电磁脉冲波(主频为 101000MHz)的反射探测目标体,用于解决地质问题的一种物探方法。其工作方法是:由地面的发射天线将电磁波送入地下,经地下目标体反射被地面接收天线所接收,通过分析接收到电磁波的时频、振幅特性,就可以评价出地质体的展布形态和性质。由于地质雷达穿透深度与发射的电磁波频率有关,故其穿透深度有限,探测深度最大可达 100m,但分辨率很高,可达 0.05m 以下。目前,地质雷达被公认为是短距离探测精度与分辨率最高、最有效的工程地球
9、物理方法。 2 电法应用的几点思考 (1)应坚持方法组合优化、 “聚焦”印证的原则。通过方法技术组合的优化,来实现“目标物”勘探的聚焦,以克服问题的多解性,尽可能准确地定性解释,尽可能精细地描述目标物的产出特征。在水文地质勘察中,激发极化法和可控源音频大地电磁法是首选的电法勘探方法,但物探方法的多解性是无法克服的,所以在寻找地下水资源或确定地层的含水性时,应按照“聚焦”原则将激发极化法和高密度电法结合起来应用,两者既可以相互弥补技术缺陷,又可以相互印证,实现定性)精细化解释,这样找水的成功率将会大大提高。 (2)应遵循地质地球物理小区“求异”的原则。在利用电阻率法找水时,高密度电阻率法无疑在确
10、定高阻或低阻地质体方面具有优越性,但低阻现象并不代表富含地下水,可能是由于泥岩引起地层的电阻率下降。这时应按照在同一地质地球物理小区内物性“求异”的原则,采用激电法来区分含水地层和泥岩,因为激电二次场与岩石的孔隙有关,在纯泥岩中极化率比较小,在含水砂砾岩中极化率比较大,此外二次场的衰减速度也与孔隙的大小、形状和宽窄有关,这也正是激电法找水的机理所在。 (3)应认真地看待电法勘察方法的准确性和精度问题。客观地讲,任何物探方法的准确性和勘察精度均受测区内地质)地球物理前提、环境干扰、仪器自身精度和制造水平及解释软件等方面所限制,电法类勘察更是如此。地质雷达在工程地质勘察领域被公认为是短距离探测分辨
11、率最高的首选电法类勘探方法,但不容忽视的是其探测距离与分辨率的矛盾无法克服;多次波及其他杂波,干扰严重,原始记录的信杂比低,有效波的识别及其成果解译比较困难;所获得的被探测对象的空间信息量太少,其资料成果的解释往往存在多解性。 (4)应着力解决提高分辨率和探测深度相互矛盾的问题。在物探方法中,提高“分辨率”和解决“大探测深度”问题是相互矛盾的。就目前的电法勘察方法而言,解决这两个问题只能是相对的。一方面,高密度电法由于其高效率、深探测和精确的地电剖面成像,成为水文和工程地质勘察中最有效的方法。但该方法的分辨率不高,在具体的应用中可以结合其他电法勘探、电测井等方法,达到精细地质解释的目的。另一方面,瞬变电磁法在水工环地质勘察中有着广泛的应用,尤其是大功率瞬变电磁仪不仅可以在深部勘察中发挥作用,还具有较高的分辨能力;如果与高密度电法结合使用,有望解决深部精细地质勘察问题。
