電法勘探方法在水文和工程地質中的應用

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　摘要：文章簡要敘述了我國目前發(fā)展較快的幾種主要電法勘探方法的發(fā)展概況及其在工程和水文地質中的應用。

　　關鍵詞：電法勘探；高密度電法；激發(fā)極化法；CSAMT；瞬變電磁法；地質雷達

　　一、引言

　　電法勘探方法可以追溯到19世紀初P.Fox在硫化金屬礦上發(fā)現(xiàn)自然電場現(xiàn)象，至今已有100多年的歷史。我國電法勘探始于20世紀30年代，由當時北平研究院物理研究所的顧功敘先生所開創(chuàng)。經過70余年的發(fā)展，我國的電法勘探無論在基礎理論、方法技術和應用效果等方面都取得了巨大的進展，使電法成為應用地球物理學中方法種類最多、應用面最廣、適應性最強的一門分支學科。同時，經過廣大地球物理工作者不懈努力，在深部構造、礦產資源、水文及工程地質、考古、環(huán)保、地質災害、反恐等領域，電法已經和正在發(fā)揮著重要作用。限于篇幅，本文僅對其中幾種主要方法，如高密度電法、激發(fā)極化法、CSAMT、瞬變電磁法和地質雷達等作簡要介紹，并就這些方法在水文和工程地質中的應用進行闡述，供廣大水文和工程地質、工程物探人員參考。

　　二、高密度電法

　　高密度電法實際上是集中了電剖面法和電測深法，其原理與普通電阻率法相同，所不同的是在觀測中設置了高密度的觀測點，是一種陣列勘探方法。關于陣列電法勘探的思想源于20世紀70年代末期，英國人設計的電測深偏置系統(tǒng)就是高密度電法的最初模式，20世紀80年代中期日本借助電極轉換板實現(xiàn)了野外高密度電法的數據采集。我國是從20世紀末期開始研究高密度電法及其應用技術，從理論方法和實際應用的角度進行了探討并完善，現(xiàn)有中國地質大學、原長春地質學院、重慶的有關儀器廠家研制成了幾種類型的儀器。

　　高密度電法野外測量時將全部電極（幾十至上百根）置于剖面上，利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現(xiàn)剖面中不同電極距、不同電極排列方式的數據快速自動采集。與常規(guī)電阻率法相比，高密度電法具有以下優(yōu)點：1.電極布置一次性完成，不僅減少了因電極設置引起的故障和干擾，并且提高了效率；2.能夠選用多種電極排列方式進行測量，可以獲得豐富的有關地電斷面的信息；3.野外數據采集實現(xiàn)了自動化或半自動化，提高了數據采集速度，避免了手工誤操作。此外，隨著地球物理反演方法的發(fā)展，高密度電法資料的電阻率成像技術也從一維和二維發(fā)展到三維，極大地提高了地電資料的解釋精度。

　　高密度電法應用領域比較廣，尤其在水文和工程地質勘查方面，主要有：底青云（2002）、吳長盛（2001）、郭鐵柱（2001）、董浩斌（2001）等使用高密度電法在水庫大壩的壩體穩(wěn)定性評價、壩基滲漏勘查、堤壩裂縫檢測上見到了好的應用效果；嚴文根（2002）將高密度電法用在電廠大壩的基巖面起伏及其強度特性評價上；王文州（2001）、王玉清（2001）、侯烈忠（1997）等將高密度電法用在高速公路高架橋、高層建筑選址、機場跑道的地基勘探中；郭秀軍（2001）采用高密度電法探測防空洞、涵洞、溶洞、地下局部不明障礙物等物理性質有別于周圍介質的地下有形體；楊湘生（2001）在湘西北巖溶石山區(qū)找水中應用高密度電法確定最佳井位方面取得了好的效果；解愛華（2003）采用高密度電法與瞬態(tài)瑞雷面波法完成了國際機場擴建工程中的巖土工程勘察問題，查明古河道、墓穴和洞穴的分布及埋深，利用土層的剪切波速劃分場地類別。此外，何門貴（2002）、劉曉東（2001）、王士鵬（2000）在尋找地下水、管線探測、查明采空區(qū)、調查巖溶及地質災害等工程物探中使用了高密度電法。

　　三、激發(fā)極化法

　　在電法勘探中，當電極排列向大地供入或切斷電流的瞬間，在測量電極之間總能觀測到隨時間緩慢變化的附加電場，稱為激發(fā)極化效應。激發(fā)極化法（或激電法）就是以巖、礦石激發(fā)極化效應的差異為基礎來解決地質問題的一類勘探方法。激電法是20世紀50年代末在我國開始研究和推廣的，早期是以直流（時間域）激電法為主，20世紀70年代初開始研究交流（頻率域）激電法——主要是變頻法，20世紀80年代初又開始對頻譜激電法進行研究，也就是研究復視電阻率隨頻率的變化——即復視電阻率的頻譜。由于該方法測量的是二次場，具有不受地形起伏和圍巖電性不均勻的影響、可測量的參數多等優(yōu)點。

　　在實際地質應用方面，初期的激電法主要用于勘查硫化金屬礦床，后來發(fā)展到諸多領域，如氧化礦床、非金屬礦床、工程地質問題等。近年來，激電法找水效果十分顯著，被譽為“找水新法”。早在上世紀60年代，國外學者VictorVacquier（1957）等提出了用激電二次場衰減速度找水的思想。在該思想的啟迪下，我國也開展了有關研究，并將激電場的衰減速度具體化為半衰時、衰減度、激化比等特征參數，這些參數不僅能較準確地找到各種類型的地下水資源，而且可以在同一水文地質單元內預測涌水量大小，把激電參數與地層的含水性聯(lián)系起來。目前，我國已有北京地質儀器廠、重慶地質儀器廠和山西平堯地質儀器廠生產出適合尋找地下水的儀器。

　　在找水方面的具體應用有：楊進（1997）用回歸系數的顯著性檢驗及回歸預測方法預報了地下涌水量；姜義生（2000）使用雙頻激電法不僅解決了居民飲用的地下水源，而且解決了干擾地下施工的漏水帶；龍凡（2002）使用激電法中視激化率和半衰時參數在砂頁巖地區(qū)、灰?guī)r地區(qū)、花崗巖地區(qū)和玄武巖地區(qū)找到了地下水資源，并且用回歸直線法預測了單井涌水量；王聿軍（2001）使用激電法在貧水山區(qū)進行找水；王俊業(yè)（2000）用激電參數和電阻率參數對地層的富水性進行評價，取得了好的結果；李金銘（1993）、金學名（1993）使用激電法的偏離度參數尋找地下水資源；李茂塔（2001）、李金銘（1990、1994）對激電法找水的基礎理論進行了研究；周立功（2001）使用激電法在重力土壩穩(wěn)定性檢測中查明最大下沉段堤下介質賦水情況。

　　值得一提的是，利用激電法找水或確定地層的含水性，最好與高密度電阻率法相結合，這樣可以降低地球物理解釋的多解性，提高找水的成功率。高密度電阻率法在確定高阻或低阻地質體具有優(yōu)越性，但低阻地質體并不代表富含地下水，可能是由于泥巖引起地層的電阻率下降。這時，可以通過使用激電法來區(qū)分含水地層和泥巖，因為激電二次場與巖石的孔隙有關，在純粹泥巖中極化率比較小，在含水砂礫巖中極化率比較大，此外二次場的衰減速度也與孔隙的大小、形狀和寬窄有關，這就是激電法找水的機理所在。

　　四、可控源音頻大地電磁法（CSAMT）

　　可控源音頻大地電磁法是在大地電磁法（MT）和音頻大地電磁法（AMT）基礎上發(fā)展起來的一種可控源頻率測深方法。CSAMT是1975年由MyronGoldstein提出，它基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組建立了視電阻率和電場與磁場比值之間的關系，并且根據電磁波的趨膚效應理論得出電磁波的傳播深度（或探測深度）與頻率之間的關系，這樣可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測深度，達到頻率測深的目的。目前，已商業(yè)化的CSAMT儀器是由加拿大鳳凰公司與美國宗基公司研制的。

　　CSAMT采用可控制人工場源，測量由電偶極源傳送到地下的電磁場分量，兩個電極電源的距離為1～2km，測量是在距離場源5～10km以外的范圍進行，此時場源可以近似為一個平面波。由于該方法的探測深度較大（通?？蛇_2km），并且兼有剖面和測深雙重性質，因此具有諸多優(yōu)點：第一，使用可控制的人工場源，測量參數為電場與磁場之比——卡尼亞電阻率，增強了抗干擾能力，并減少地形的影響。第二，利用改變頻率而非改變幾何尺寸進行不同深度的電測深，提高了工作效率，一次發(fā)射可同時完成7個點的電磁測深。第三，探測深度范圍大，一般可達1～2km.第四，橫向分辨率高，可以靈敏地發(fā)現(xiàn)斷層。第五，高阻屏蔽作用小，可以穿透高阻層。與MT和AMT法相同，CSAMT法也受靜態(tài)效應和近場效應的影響，可以通過多種靜態(tài)校正方法來消除“靜態(tài)效應”的影響。

　　CSAMT法一出現(xiàn)就展示了比較好的應用前景，尤其是作為普通電阻率法和激發(fā)極化法的補充，可以解決深層的地質問題，如在尋找隱伏金屬礦、油氣構造勘查、推覆體或火山巖下找煤、地熱勘查和水文工程地質勘查等方面，均取得了良好的地質效果。在地下水資源方面，CSAMT法適合尋找深部的基巖裂隙水：石昆法（1999）使用CSAMT法在灰?guī)r中尋找斷層，并打出了地下水；郭建華（1995）用CSAMT法在干旱地區(qū)尋找地下水資源及探測隱伏構造；蔣達龍（1994）用CSAMT法發(fā)現(xiàn)地下熱水資源；底青云（2001）結合CSAMT法和高密度電法探測深層和淺層的地下水資源；底青云（2002）使用CSAMT法查找礦山頂板涌水隱患；嚴盛新（2003）用CSAMT法在沙漠腹地尋找地下水資源；吳璐蘋（1996）用CSAMT法在山區(qū)、半山區(qū)等地質條件復雜地區(qū)進行找水。此外，CSAMT法在工程勘探中的壩體滲漏調查、國家南水北調工程西線的地質勘查、小浪底水利工程等項目，都可以發(fā)揮良好的作用，如劉錄剛（2004）用CSAMT法在雁門關隧道中進行超前地質預報。

　　五、瞬變電磁法（TEM）

　　瞬變電磁法是利用不接地或接地線源向地下發(fā)送一次場，在一次場的間歇期間，測量由地質體產生的感應電磁場隨時間的變化。根據二次場的衰減曲線特征，就可以判斷地下不同深度地質體的電性特征及規(guī)模大小等。由于該方法是觀測純二次場，消除了由一次場所產生的裝置偶合噪音，具有體積效應小、橫向分辨率高、探測深度深、對低阻反映靈敏、與探測地質體有最佳偶合、受旁側地質體影響小等優(yōu)點。

　　瞬變電磁法最初是由前蘇聯(lián)學者在20世紀30年代提出用于解決地質構造問題，20世紀50年代用于找礦，20世紀60年代以后從方法原理到一、二維反演都得到了廣泛應用和發(fā)展。在我國，該方法研究始于20世紀70年代，20世紀90年代后逐步向工程檢測、環(huán)境、災害等應用領域發(fā)展。從20世紀80年代開始，原長春地質學院、原地礦部物化探研究所、中南大學等研究機構分別在方法理論、儀器及野外試驗、一維及二維正反演方法等方面做了大量工作，并且自行研制了幾種功率小、探測深度淺的瞬變電磁法儀器，在生產實際中見到了好的應用效果。然而，大功率、探測深的瞬變電磁法儀器國內尚在研制中，目前主要依賴進口。

　　瞬變電磁法除了廣泛應用于金屬礦產、石油、煤田、地熱以及凍土帶和海洋地質等地質勘查工作之外，在水文和工程地質勘查中也取得了非常好的應用效果，如楊文欽（2002）、張保祥（2002）、郁萬彩（2001）、蔣文（2004）等使用瞬變電磁法查明斷層及頂板砂巖的導水性及富水性、勘查地下水資源及界定地下水位、評價斷層空間位置及含水性和尋找地下含水構造；劉繼東（1999）、李貅（2000）、袁江華（2002）、閻述（1999）等使用瞬變電磁法探測煤柱及圈定老窯采空區(qū)、勘察煤田礦井涌水通道、探測小浪底水庫庫區(qū)煤礦采空區(qū)和探測地下洞體的存在；劉羽（1995）用瞬變電磁法評價塌陷成因及危害性、評價防滲帷幕穩(wěn)定性、探測高層建筑地基和評價大橋橋址穩(wěn)定性；郭玉松（1998）使用瞬變電磁法探測堤防工程隱患、勘查水庫壩址；薛國強（2003）使用瞬變電磁法探測公路隧道工程中的不良地質構造；李文堯（2000）用瞬變電磁法在抗洪搶險中尋找漏水斷裂或溶洞；敬榮中（2003）使用瞬變電磁法結合四極測深探測地下管網分布。

　　六、地質雷達（GPR）

　　地質雷達與探空雷達技術相似，是利用寬帶高頻時域電磁脈沖波的反射探測目標體，只是頻率相對較低，用于解決地質問題，又稱“探地雷達”。將雷達技術用于探地，早在1910年就已經提出，在隨后的60年中該方法多限于對波吸收很弱的鹽、冰等介質中。直到20世紀70年代以后，地質雷達才得到迅速推廣應用。我國地質雷達儀器的研制始于20世紀70年代初期，由多家高校和研究機構進行儀器研制和野外試驗工作。但是由于種種原因，研究成果至今未能用于實際。目前，國內使用的地質雷達儀器都是引進的，能夠提供商用地質雷達技術的有美國、加拿大、瑞典、俄羅斯等國家。

　　地質雷達是由地面的發(fā)射天線將電磁波送入地下，經地下目標體反射被地面接收天線所接收，通過分析接收到電磁波的時頻、振幅特性，可以評價地質體的展布形態(tài)和性質。由于雷達穿透深度與發(fā)射的電磁波頻率有關，使其穿透深度有限，但分辨率很高，可達0.05米以下。早期，地質雷達只能探測幾米內的目標體，應用范圍比較狹窄。此外，地質雷達與地震反射法原理相似，一些地震資料處理解釋方法可以借用。目前，地質雷達探測深度最大可達100米，使之成為水文和工程地質勘察中最有效的地球物理方法。

　　地質雷達因具有分辨率高，成果解釋可靠的特點，在淺層地質勘探中，有著非常廣泛的應用。如探測覆蓋層厚度、基巖面起伏，查找潛伏斷層、破碎帶、古溶洞、管道溝、涵洞以及地下掩埋體，進行環(huán)境地質、考古調查等。在水文和工程地質中，地質雷達應用也是非常廣泛，主要有：楊天春（2001）、錢榮毅（2003）、鄧居智（1999）使用地質雷達進行公路、高速公路、機場道路等質量的無損檢測；趙永貴（2003）、薛建（2000）、史付生（2003）使用地質雷達進行隧道地質超前預報、檢測隧道襯砌質量；王俊茹（2003）、李永革（2001）、姬繼法（2002）使用地質雷達探測建筑物地下邊坡孤石、機場地下古墓等不良地質體分布，消除其對鄰近或上部構筑物構成的潛在威脅；姜衛(wèi)方（2000）、李大心（2000）、朱紅軍（2002）使用地質雷達調查滑坡體及滑坡面、評估崩塌、滑坡及地面沉降等地質災害；高建東（1999）、曾校豐（2000）、王百榮（2001）、張志清（2000）使用地質雷達探測水庫地下防滲墻、探測水庫壩體結構層及結構層材料老化變質、檢測灌漿質量及混凝土厚度、調查覆蓋層厚度及襯砌混凝土質量；楊向東（2001）使用地質雷達探測地下管道；李張明（2000）使用地質雷達在三峽工程施工中探明花崗巖不均勻風化分布范圍、圈定較大斷層及風化夾層的延伸范圍和產狀、檢測高速公路質量；王孝起（2001）使用地質雷達調查南水北調中線天津干渠基巖巖性及基巖面高程；張興磊（2001）使用地質雷達查明了煤柱破壞情況和采空區(qū)分布范圍，指導注漿施工；張欣海（1999）使用地質雷達查明了海上圍堤的斷面特征以及著底情況；陳愛云（2003）使用地質雷達在石質文物保護工程中查明巖體中含水裂隙和溶洞的分布規(guī)律及對文物的影響。

　　七、結論

　　通過對幾種主要電法勘探方法的發(fā)展、原理及實際應用進行綜述，可以看出，電法勘探方法在水文和工程地質勘探領域有著廣泛的應用，歸結起來有以下幾方面：

　　1.高密度電法由于其高效率、深探測和精確的地電剖面成像，成為水文和工程地質勘察中最有效的方法?？紤]到該方法的分辨率不高，在具體的應用中可以結合其他電法勘探、電測井等方法，達到精細地質解釋的目的。

　　2.地質雷達主要用于各類工程地質勘探，是工程地質勘探首選的電法勘探方法。同時，該方法可以借用地震勘探中已有的資料處理和解釋技術，使其迅速發(fā)展，可以在更多的領域發(fā)揮作用。

　　3.在水文地質勘探中，激發(fā)極化法和可控源音頻大地電磁法是首選的電法勘探方法，如果將激發(fā)極化法和高密度電法結合起來尋找地下水資源，效果將會更好。

　　4.瞬變電磁法在水文地質和工程地質勘探中都有著廣泛的應用，尤其是大功率瞬變電磁儀不僅可以在深部地質勘探中發(fā)揮作用，還具有較高的分辨能力。如果將該方法與高密度電法結合使用，有望解決深部精細地質勘察問題。