電法勘探方法在水文和工程地質(zhì)中的應用

  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)現自然電場(chǎng)現象，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(shí)北平研究院物理研究所的顧功敘先生所開(kāi)創(chuàng )。經(jīng)過(guò)７０余年的發(fā)展，我國的電法勘探無(wú)論在基礎理論、方法技術(shù)和應用效果等方面都取得了巨大的進(jìn)展，使電法成為應用地球物理學(xué)中方法種類(lèi)最多、應用面最廣、適應性最強的一門(mén)分支學(xué)科。同時(shí)，經(jīng)過(guò)廣大地球物理工作者不懈努力，在深部構造、礦產(chǎn)資源、水文及工程地質(zhì)、考古、環(huán)保、地質(zhì)災害、反恐等領(lǐng)域，電法已經(jīng)和正在發(fā)揮著(zhù)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(zhì)雷達等作簡(jiǎn)要介紹，并就這些方法在水文和工程地質(zhì)中的應用進(jìn)行闡述，供廣大水文和工程地質(zhì)、工程物探人員參考。

 

  二、高密度電法

 

  高密度電法實(shí)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(guān)測中設置了高密度的觀(guān)測點(diǎn)，是一種陣列勘探方法。關(guān)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(shí)現了野外高密度電法的數據采集。我國是從２０世紀末期開(kāi)始研究高密度電法及其應用技術(shù)，從理論方法和實(shí)際應用的角度進(jìn)行了探討并完善，現有中國地質(zhì)大學(xué)、原長(cháng)春地質(zhì)學(xué)院、重慶的有關(guān)儀器廠(chǎng)家研制成了幾種類(lèi)型的儀器。

 

  高密度電法野外測量時(shí)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(kāi)關(guān)和微機工程電測儀便可實(shí)現剖面中不同電極距、不同電極排列方式的數據快速自動(dòng)采集。與常規電阻率法相比，高密度電法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

 

  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(jìn)行測量，可以獲得豐富的有關(guān)地電斷面的信息；

 

  ３．野外數據采集實(shí)現了自動(dòng)化或半自動(dòng)化，提高了數據采集速度，避免了手工誤操作。此外，隨著(zhù)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(shù)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(lǐng)域比較廣，尤其在水文和工程地質(zhì)勘查方面，主要有：底青云（２００２）、吳長(cháng)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定性評價(jià)、壩基滲漏勘查、堤壩裂縫檢測上見(jiàn)到了好的應用效果；嚴文根（２００２）將高密度電法用在電廠(chǎng)大壩的基巖面起伏及其強度特性評價(jià)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(chǎng)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(zhì)有別于周?chē)橘|(zhì)的地下有形體；楊湘生（２００１）在湘西北巖溶石山區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(ài)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(chǎng)擴建工程中的巖土工程勘察問(wèn)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(chǎng)地類(lèi)別。此外，何門(mén)貴（２００２）、劉曉東（２００１）、王士鵬（２０００）在尋找地下水、管線(xiàn)探測、查明采空區、調查巖溶及地質(zhì)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(guān)測到隨時(shí)間緩慢變化的附加電場(chǎng)，稱(chēng)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(lái)解決地質(zhì)問(wèn)題的一類(lèi)勘探方法。激電法是２０世紀５０年代末在我國開(kāi)始研究和推廣的，早期是以直流（時(shí)間域）激電法為主，２０世紀７０年代初開(kāi)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(kāi)始對頻譜激電法進(jìn)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(chǎng)，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(diǎn)。 在實(shí)際地質(zhì)應用方面，初期的激電法主要用于勘查硫化金屬礦床，后來(lái)發(fā)展到諸多領(lǐng)域，如氧化礦床、 非金屬礦床、工程地質(zhì)問(wèn)題等。近年來(lái)，激電法找水效果十分顯著(zhù)，被譽(yù)為“找水新法”。早在上世紀６０年代，國外學(xué)者ＶｉｃｔｏｒＶａｃｑｕｉｅｒ（１９５７）等提出了用激電二次場(chǎng)衰減速度找水的思想。在該思想的啟迪下，我國也開(kāi)展了有關(guān)研究，并將激電場(chǎng)的衰減速度具體化為半衰時(shí)、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(lèi)型的地下水資源，而且可以在同一水文地質(zhì)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(lái)。目前，我國已有北京地質(zhì)儀器廠(chǎng)、重慶地質(zhì)儀器廠(chǎng)和山西平堯地質(zhì)儀器廠(chǎng)生產(chǎn)出適合尋找地下水的儀器。

 

  在找水方面的具體應用有：楊進(jìn)（１９９７）用回歸系數的顯著(zhù)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(shí)參數在砂頁(yè)巖地區、灰巖地區、花崗巖地區和玄武巖地區找到了地下水資源，并且用回歸直線(xiàn)法預測了單井涌水量；王聿軍（２００１）使用激電法在貧水山區進(jìn)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(jìn)行評價(jià)，取得了好的結果；李金銘（１９９３）、 金學(xué)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(jìn)行了研究；周立功（２００１）使用激電法在重力土壩穩定性檢測中查明最大下沉段堤下介質(zhì)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(zhì)體具有優(yōu)越性，但低阻地質(zhì)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(shí)，可以通過(guò)使用激電法來(lái)區分含水地層和泥巖，因為激電二次場(chǎng)與巖石的孔隙有關(guān)，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(chǎng)的衰減速度也與孔隙的大小、形狀和寬窄有關(guān)，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(lái)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(chǎng)與磁場(chǎng)比值之間的關(guān)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(guān)系，這樣可以通過(guò)改變發(fā)射頻率來(lái)改變探測深度，達到頻率測深的目的。目前，已商業(yè)化的ＣＳＡＭＴ?xún)x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(chǎng)源，測量由電偶極源傳送到地 下的電磁場(chǎng)分量，兩個(gè)電極電源的距離為１～２ｋｍ，測量是在距離場(chǎng)源５～１０ｋｍ以外的范圍進(jìn)行，此時(shí)場(chǎng)源可以近似為一個(gè)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(zhì)，因此具有諸多優(yōu)點(diǎn)：第一，使用可控制的人工場(chǎng)源，測量參數為電場(chǎng)與磁場(chǎng)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(jìn)行不同深度的電測深，提高了工作效率，一次發(fā)射可同時(shí)完成７個(gè)點(diǎn)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(chǎng)效應的影響，可以通過(guò)多種靜態(tài)校正方法來(lái)消除“靜態(tài)效應” 的影響。ＣＳＡＭＴ法一出現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(zhì)問(wèn)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(zhì)勘查等方面，均取得了良好的地質(zhì)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法在灰巖中尋找斷層，并打出了地下水；郭建華（１９９５）用ＣＳＡＭＴ法在干旱地區尋找地下水資源及探測隱伏構造；蔣達龍（１９９４）用ＣＳＡＭＴ法發(fā)現地下熱水資源；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(píng)（１９９６）用ＣＳＡＭＴ法在山區、半山區等地質(zhì)條件復雜地區進(jìn)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(xiàn)的地質(zhì)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(mén)關(guān)隧道中進(jìn)行超前地質(zhì)預報。

 

  五、瞬變電磁法（ＴＥＭ）

 

  瞬變電磁法是利用不接地或接地線(xiàn)源向地下發(fā)送一次場(chǎng)，在一次場(chǎng)的間歇期間，測量由地質(zhì)體產(chǎn)生的感應電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化。根據二次場(chǎng)的衰減曲線(xiàn)特征，就可以判斷地下不同深度地質(zhì)體的電性特征及規模大小等。由于該方法是觀(guān)測純二次場(chǎng)，消除了由一次場(chǎng)所產(chǎn)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(zhì)體有最佳偶合、受旁側地質(zhì)體影響小等優(yōu)點(diǎn)。 瞬變電磁法最初是由前蘇聯(lián)學(xué)者在２０世紀３０年代提出用于解決地質(zhì)構造問(wèn)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(lǐng)域發(fā)展。從２０世紀８０年代開(kāi)始，原長(cháng)春地質(zhì)學(xué)院、原地礦部物化探研究所、中南大學(xué)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(chǎn)實(shí)際中見(jiàn)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(lài)進(jìn)口。 瞬變電磁法除了廣泛應用于金屬礦產(chǎn)、石油、煤田、地熱以及凍土帶和海洋地質(zhì)等地質(zhì)勘查工作之外，在水文和工程地質(zhì)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(wàn)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(jià)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、勘察煤田礦井涌水通道、探測小浪底水庫庫區煤礦采空區和探測地下洞體的存在；劉羽（１９９５）用瞬變電磁法評價(jià)塌陷成因及危害性、評價(jià)防滲帷幕穩定性、探測高層建筑地基和評價(jià)大橋橋址穩定性；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(zhì)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(wǎng)分布。

 

  六、地質(zhì)雷達（ＧＰＲ）

 

  地質(zhì)雷達與探空雷達技術(shù)相似，是利用寬帶高頻時(shí)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(zhì)問(wèn)題，又稱(chēng)“探地雷達”。將雷達技術(shù)用于探地，早在１９１０年就已經(jīng)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(zhì)中。直到２０世紀７０年代以后，地質(zhì)雷達才得到迅速推廣應用。我國地質(zhì)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(jìn)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(shí)際。目前，國內使用的地質(zhì)雷達儀器都是引進(jìn)的，能夠提供商用地質(zhì)雷達技術(shù)的有美國、加拿大、瑞典、俄羅斯等國家。

 

  地質(zhì)雷達是由地面的發(fā)射天線(xiàn)將電磁波送入地下，經(jīng)地下目標體反射被地面接收天線(xiàn)所接收，通過(guò)分析接收到電磁波的時(shí)頻、振幅特性，可以評價(jià)地質(zhì)體的展布形態(tài)和性質(zhì)。由于雷達穿透深度與發(fā)射的電磁波頻率有關(guān)，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(zhì)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(zhì)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(zhì)雷達探測深度最大可達１００米，使之成為水文和工程地質(zhì)勘察中最有效的地球物理方法。 地質(zhì)雷達因具有分辨率高，成果解釋可靠的特點(diǎn)，在淺層地質(zhì)勘探中，有著(zhù)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(jìn)行環(huán)境地質(zhì)、 考古調查等。在水文和工程地質(zhì)中，地質(zhì)雷達應用也是非常廣泛，主要有：楊天春（２００１）、錢(qián)榮毅（２００３）、 鄧居智（１９９９）使用地質(zhì)雷達進(jìn)行公路、高速公路、機場(chǎng)道路等質(zhì)量的無(wú)損檢測；趙永貴（２００３）、 薛建（２０００）、史付生（２００３）使用地質(zhì)雷達進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預報、 檢測隧道襯砌質(zhì)量；王俊茹（２００３）、李永革（２００１）、姬繼法（２００２）使用地質(zhì)雷達探測建筑物地下邊坡孤石、機場(chǎng)地下古墓等不良地質(zhì)體分布，消除其對鄰近或上部構筑物構成的潛在威脅；姜衛方（２０００）、 李大心（２０００）、朱紅軍（２００２）使用地質(zhì)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(zhì)災害；高建東（１９９９）、 曾校豐（２０００）、王百榮（２００１）、張志清（２０００）使用地質(zhì)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(zhì)、檢測灌漿質(zhì)量及混凝土厚度、調查覆蓋層厚度及襯砌混凝土質(zhì)量；楊向東（２００１）使用地質(zhì)雷達探測地下管道；李張明（２０００）使用地質(zhì)雷達在三峽工程施工中探明花崗巖不均勻風(fēng)化分布范圍、圈定較大斷層及風(fēng)化夾層的延伸范圍和產(chǎn)狀、檢測高速公路質(zhì)量；王孝起（２００１）使用地質(zhì)雷達調查南水北調中線(xiàn)天津干渠基巖巖性及基巖面高程；張興磊（２００１）使用地質(zhì)雷達查明了煤柱破壞情況和采空區分布范 圍，指導注漿施工；張欣海（１９９９）使用地質(zhì)雷達查明了海上圍堤的斷面特征以及著(zhù)底情況；陳愛(ài)云（２００３）使用地質(zhì)雷達在石質(zhì)文物保護工程中查明巖體中含水裂隙和溶洞的分布規律及對文物的影響。

 

  七、結論

 

  通過(guò)對幾種主要電法勘探方法的發(fā)展、原理及實(shí)際應用進(jìn)行綜述，可以看出，電法勘探方法在水文和工程地質(zhì)勘探領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用，歸結起來(lái)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(zhì)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(zhì)解釋的目的。

 

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

 

  ３．在水文地質(zhì)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(lái)尋找地下水資源，效果將會(huì )更好。

 

  ４．瞬變電磁法在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)勘探中都有著(zhù)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(zhì)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(zhì)勘察問(wèn)題。