电法勘探在找水方面的简介

2014-12-25王丽

城市建设理论研究 2014年37期

摘要：近年来，电法勘探在找水方面的效果已得到普遍的肯定。本文介绍了高密度电法、CSAMT法、激发极化法、瞬变电磁法及地质雷达法在这方面的应用以及各种方法间的相互比较。

关键词：电法找水高密度电法CSAMT法激发极化法瞬变电磁法地质雷达法

中图分类号：F407文献标识码： A

1概述

我国乃至世界目前都面临着严重的水资源的短缺，利用新技术、新方法合理勘探开发并利用水资源，是经济腾飞的关键。地下水是重要的生产、生活水源之一。地下各种含水构造对采矿、环保、农业、地下工程等部门也有重大意义。在我国远离江河的城镇、农村，亟待解决用水的问题，已迫在眉睫，随着国民经济的发展，为满足四个现代化建设的要求，对水资源的需要将提到重要的议事日程上来。因此，今日应用物探手段，电法方法找到天然、纯净、丰富的地下水资源，已是我们物探工作者的重要任务之一了。

2电法找水

2.1电法找水的含义及理论依据

所谓电法就是用电场测量地下岩石的视电阻率，由于岩石视电阻率不同，可以划出岩石界面的一种方法。水的电阻率很低，利用水与围岩的明显电性差异来寻找赋水位置的一种方法称电法找水。目前电法找水有很多种方法，其中最常用的是视电阻率法和视极化率法（也称激发极化法）。电法找水的理论依据是利用岩石的这种电性差异，当我们在地面用两电极向地下供电时，在两极间就形成了一个电场，在这个电场中我们用仪表测出某点的点位和电流强度，而求出该点的视电阻率。如果在电场之间有水，那么就可在水位上面显现低阻值。正是根据这样的手段进行电法找水的。

2.2应用电法找水的准确性

电法找水的理论依据是科学的，因为电阻率是反映地下岩石的导电能力的，所以我们得到电阻率值恰恰反映了岩石的电性，因而使我们找到的水位准确。找到水位后，可在水位上面应用测深法求出该水位的埋藏深度，同时根据多个测深点可以得到赋水构造的走向和倾向，因此，电法找水准确率高，是其他地质方法所无法比拟的。

3电法找水方法简介

3.1高密度电法

高密度电阻率法实际上是集中了电剖面法和电测深法，就其原理而言与传统的电阻率法完全相同，它仍然是以岩（矿）石的导电性差异为基础的一类电探方法，研究在施加电场的作用下，地中传导电流的分布规律。高密度电阻率法最大的特点是电极可以沿测线同时布设几十到几百根，仪器按选定的供电、测量排列方式自动采集所有电极的电位值。电极距可以视探测深度和探测目标体的尺度设置到很小的距离（最小极距可设置到几十厘米），并且可以同时采集地面和井中的数据，充分体现了高密度的特点，多方位大量的数据为反演成像打下了良好的基础。方法可用于剖面测量、面积性三维电性细结构成像。该方法的优势是可以探测200m以内的电阻率精细结构，以推断精细的地质构造。与常规电法相比，高密度电法具有以下优点：

1）电极布设一次性完成，减少了因电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差。

2）能有效进行多种电极排列方式的测量，从而可以获得较丰富的关于地电结构状态的信息。

3）数据的采集和收录全部实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快，而且避免了由于人工操作所出现的误差和错误。

4）可以实现资料的的现场实时处理和脱机处理，根据需要自动绘制和打印各种成果图件，大大提高了电阻率法的智能化程度。

此外，随着地球物理反演方法的发展，高密度电法资料的电阻率成像技术也从一维和二维发展到三维，极大地提高了地电资料的解释精度。

3.2 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）基础上发展起来的一种可控源频率测深方法。可控源音频大地电磁法是1975年由MyronColdstein提出，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（），并且根据电磁波的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（），这样可以通过改变发射频率来改变探测深度，以达到频率测深的目的。

目前，可控音频大地电磁法采用可控制人工场源，测量由电偶极源传送到地下的磁场分量，两个电极电源的距离为1～2km，测量是在距离场源5～10km以外的范围进行，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（通常可达2km），并且兼有剖面和测深双重性质，因此具有诸多优点：①使用可控制的人工场源，信号强度比天然场大得多，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，并减少地形影响。②基于电磁波的趋肤深度原理，利用改变频率而非改变几何尺寸进行不同深度的电测深，一次发射可同时完成7个点电磁测深，提高了工作效率。③探测深度范围大，一般可达1～2km。④横向分辨率高，可灵敏地发现断层。⑤由于接收机在接收电场的同时还要接收磁场，因此高阻屏蔽作用小，可以穿透高阻层。

与大地电磁法和音频大地电磁法相同，可控音频大地电磁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清除“静态效应”的影响。可控音频大地电磁法一出现就展示了比较好的应用前景，尤其是作为普通电阻率和激发极化法的补充，可以解决深层的地质问题，如在寻找隐伏金属矿，油气构造勘查，推覆体或火山岩下找煤，地热勘查和水文工程地质勘查等方面，均取得良好的地质效果。

由于电法勘探本身的局限性，CSAMT方法同样存在无法避免的不足之处，即在划分第四系到第三系各地层之间因电阻率的差异小而不稳定。

3.3激发极化法

在进行电阻率法测量时，人们常常发现：在向地下供入稳定电流的情况下，仍可观测到测量电极间的点位差是随时间而变化（一般是变大），并经相当长时间（一般约几分钟）后趋于某一稳定的饱和值。在断开供电电流后，测量电极间的电位在最初一瞬间很快下降，而后便随时间相对缓慢下降，并在相当长时间后（通常约几分钟）衰减接近于零。这种在充电和放电过程中产生随时间缓慢变化的附件电场现象称为激发极化效应（简称激发效应），它是岩、矿石及其所含水溶液在电流作用下所发生的复杂电化学过程的结果。激发极化法（简称激电法）是以不同岩、矿石激电效应之差异为物质基础（见图1），在人工电场作用下，通过观测和研究激发极化电场以达到找矿或解决其他地质问题的一种电法勘探方法。

图1激电二次场充放电实验观测曲线

值得一提的是，利用激发极化法找水或确定地层的含水性，最好与高密度电阻率法相结合，这样可以降低解释的多解性，提高找水的成功率。高密度电阻率法在确定高阻或低阻地质体方面具有优越性，但低阻地质体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，可以通过使用激发极化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，这就是激发极化电法找水机理所在。应用激发极化法找水的过程中，应注意以下几个方面：

①在存在地电干扰的情况下，各种激电参数可能在含水层的反映不一致，根据各参数的表达式以及实际工作经验可以得出，极化率的稳定性、重复性、准确性较高，异常幅度大，好于其他各参数。

②在含水层的解释中，主要参数是极化率，结合视电阻率，并参照激发比、衰减度和半衰时。

③极化率是观测衰减二次场，一般是一次场的百分之几。为了提高观测精度，必须通过提高一次场来达到提高二次场的目的，因此，在实际测量中，应采用温纳测深装置来提高一次场的电压值。

④在变质岩、火成岩区中硫化物的含量较高，极化率等激电参数往往大于含水层的值，小于铁矿等硫化矿体的值，在上述区域找水应引起足够注意。

3.4瞬变电磁法（TEM）

瞬变电磁法是时间域的人工源主动探测法。其基本原理是通过地面水平线框向地下发射脉冲磁矩，该一次场关断后，测量一段时间内由地下介质感应生成二次场。地质体所感应出电流越大，其异常也越明显，因此，瞬变电磁法对含水的高导地层灵敏，并且有较强的抗干扰能力。该方法的探测深度与所使用的磁矩（即发射框面积乘以发射电流大小）大小成正比，一般有效分辨区间为400m以内。突出优点是观测纯二次场，且不受静态、近场效应、地形、接地条件影响。

瞬变电磁法不足之处是评估地层含水量时一般只能通过电阻率对比，定量研究需要做抽水试验。瞬变电磁法在变质岩地区，对异常推断较困难。随着探测深度加大，层间渗透水和金属矿的影响越来越明显。瞬变电磁法资料中容易因激发极化效应出现测深曲线的非正常变化。另外还存在数据量大，资料解释较为复杂的特点。不便于野外工作的快速分析和现场决策。

3.5地质雷达法（GPR）

地质雷达法与探空雷达技术相似，利用宽带高频时域电磁脉冲波的反射探测目标体，只是频率相对较低，用于解决地质问题，又称“探地雷达”，将雷达技术用于地质探测，早在1910年就已经提出，在随后的60年中该方法多限于对波吸收很弱的盐、冰等介质中。直到20世纪70年代以后，地质雷达才得到迅速推广应用。

地质雷达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，通过分析所接收到电磁波的时频、振幅特性，可以评价地质体的展布形态和性质。由于雷达穿透深度与发射的电磁波频率有关，使其穿透深度有限，但分辨率很高，可达0.05m以下。早期地质雷达只能探测几米内的目标，应用范围比较窄。此外，地质雷达与地震反射原理相似，一些地震资料处理解释方法可以借用。目前，地质雷达探测深度最大可达100m，使之成为水文和工程地质勘查中有效地地球物理方法。

4结论

物探找水时首先要根据水文地质条件确定含水层，再根据含水层的埋深及与围岩的物性差异选择物探方法及确定装置系数。目前，我国各地找水均采用电法找水，有的依据岩石的电阻率，有的依据岩石的极化率，近年来又兴起了半衰时法、声选频大地电场法等找水。总之，电法找水效益可行，效果极佳，随着电法仪的不断更新，方法的不断改善，电法找水越来越准确，缺水地区的用水问题已不再是个困难的事情了。

通过对上述方法的简述，电法勘探在找水方面的应用，归纳起来有以下几个方面：

1）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查中最有效的方法。考虑到该方法分辨率不高，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。

2）在水文勘探中，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，如果将激发极化法和高密度电法结合起来寻找地下水资源，效果会更好。

3）瞬变电磁法在水文地质和工程地质勘探中都有着广泛的应用，尤其是大功率瞬变电磁仪不仅可以在深部地质勘探中发挥作用，还具有较高分辨能力。如果将该方法与高密度电法结合使用，有望解决深部精细地质勘探问题。

4）地质雷达主要用于各类工程地质勘探，是工程地质勘探首选地电法勘探方法。同时，该方法可以借用地震勘探中已有的资料处理和解释技术，使其迅速发展，可以在更多领域发挥作用。

5）深层找水和浅层找水，决定了应采用深浅相结合的地球物理方法。CSAMT法探测深度大，可查明从地表到地下2000m深的地质情况；高密度电法探测深度较浅，但分辨率极高，因此两种方法相结合，就可形成深浅相结合的立体电法。

综上分析，认为物探电法勘探是探测地下水行之有效的方法。要想取得理想的效果，首先要根据测区不同的地貌地质单元、地球物理特征等要素，合理布置电法剖面，采用不同的排列方式，有针对性地开展野外工作；然后对不同的电性参数认真分析研究，结合已知地质资料，将电法资料转化为地质成果。

参考文献：

【1】严盛新.可控源大地电磁测深法(CSAMT)在沙漠腹地找水中的技术应用.新疆有色金属.2008.

【2】田玉昆,刘怀山,张晶,张维冈.高密度电法寻找地下水在即墨地区的应用.工程地球物理学报.2008,12.

【3】魏国团.电法找水方法的应用.企业科技与发展.2009,6.

【4】张福生.电法找水的应用.煤炭技术.2002,10.