电法勘探方法在水文和工程地质中的应用探析

刘 叶，欧东新

（桂林理工大学 地球科学学院，广西 桂林 541000）

1 电法勘探方法在水文和工程地质中的应用概况

新时代形势下，我国的社会经济快速发展和人们日益增长的物质生活需求使国家在能源消耗上日益吃紧，特别是在全球经济一体化和大数据信息化智能化的快速发展背景下，各种创新科学技术层出不穷，在促进社会经济建设和发展中发挥着重要作用。社会经济的发展和资源需求的日益扩大化使国家在矿产开发、工程项目建设上投入力度加大，水文、工程地质勘探工作的效率和质量要求也越来越高，因此新型先进的勘探技术被开发、创新，被应用在不同的领域当中。电法勘探方法是当前地球物理学当中方法种类最多且应用性最强的一门分支学科[1]。它是一种通过利用介质存在的电性差异如岩石在导电、导磁和极化特性等方面的电学性质，通过观测和分析电磁场、天然和人工电场空间和时间分布规律来对研究对象性质和形态进行研究的一种地球物理方法。它除了在水文、工程地质勘探被广泛应用外，在考古、地质灾害控制、环境保护、矿产资源开发等方面都发挥着重要作用。我国使用、普及电法勘探方法已有相当长一段发展历史，在理论基础、方法技术实践应用上都取得较好的发展成绩，但与发达国家相比其水平还存在一定差距。特别是围绕我国社会实情，作为能源消耗大国，目前还处于社会主义初级阶段，社会经济的发展很大程度上还是依赖于初级加工制造业，对资源消耗依赖巨大。而当前国际的竞争实质上很大程度就是能源、资源竞争，因此我国也从十八大开始提出建设生态文明的基本国策，在加强国际合作、提高能源利用率、资源重复可循环利用等方式方法上不断探索，在加强对国家资源绿色勘探、开发上也积极创新发展。随着互联网信息智能技术的发展，勘探技术也不断得到创新改进，电法勘探方法中的多种方法如瞬变电磁法、地质雷达、高密度电法、可控源音频大地电磁法、激发极化法等有了不同的创新突破，在不同领域应用中发挥着积极作用。如瞬变电磁法在煤矿开采中的四采区合理布置、采取防水治水方案编制、煤炭资源安全回采处理等工作上提供有效精准的理论基础和地质资料，使煤炭开采的精准度和安全度得到有效提高[2]。因此，积极探索电法勘探方法的科学合理应用，提高水文、工程地质勘探工作质量是十分必要的。

2 电法勘探技术应用分析

在水文和工程地质实际应用中的电法勘探技术主要包含地质雷达、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法、高密度电法、激发极化法等常用方法。

2.1 地质雷达

地质雷达是运用比探空雷达探测频率更低的发射宽带高频时域电磁脉冲波反射作用原理对目标进行勘测，其勘探原理主要是：发射机将超高频电磁波脉冲电磁波讯号通过发射天线或发射宽带传送到地下，讯号在遇到探测目标时产生反射讯号，接收天线将直达讯号和反射讯号输入到接收机经放大后由示波显示器显示出来。其中：讯号的有无可以通过示波器进行显示，由此来判断被测目标是否存在；探测目标的距离则由反射讯号到达滞后时间和目标物体平均反射波速的关系进行计算得出[3]。通过分析电磁脉冲波的频率、振幅等有关参数可以确定地质的分布情况和地质性质。由于其工作原理和地震反射原理大致相同，因此地质雷达也被称为探地雷达，在探地工程中运用更为广泛。发射电磁脉冲波的频率和地质雷达穿透效果成正比例关系，即电磁脉冲波频率越高，地质雷达的穿透程度也就越大，因此地质雷达的探测能力比使用普通电磁波的探测类仪器如管线探测仪更具优势。

地质雷达最早运用于波吸收率相对较低的冰层和盐介质层的地质探测，经过长时期的实践发展后才得以快速推广运用。目前我国在研制地质雷达勘探仪器上主要依赖相关机构和高校共同完成，但由于受到诸多因素的影响，想要在实际地质勘探中获得更精确有效数据，大多数情况下还是得依靠从国外引进的先进设备。地质雷达的分辨率高是一显著优势，这就意味着经它探测的结果数据会更加精准，因此它的应用领域非常的广泛。它不仅在考古、地质灾害、环境污染（冰川、地下水污染）、溶洞、潜水面等水文勘探被广泛应用，在工程地质如大型基础设施建设、城市建设中的公路地基和铺层、城市供给排水系统铺设、建筑的钢筋水泥结构和无损伤等检测等也广泛应用地质雷达[4]。以某城市大型工程建设项目的供水地层地质勘探工作为例，根据探测仪器对被探测区域不同深度土层所显示的不同电阻率，结合地质雷达探测仪器绘制的纵向分布图以此来来判断土层地质性质。如表层电阻率为200Ω.m～400Ω.m且呈半闭合状态，则该表层土质为回填砂土。当电阻率为40Ω.m～70Ω.m，则土层为淤泥质土，处于表层回填砂土的下层，再往下就多为粉质粘土。以上的推断为工程的顺利建设提供科学精准的地质勘探参考数据。

2.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法最早在20世纪30年代由苏联学者提出，其主要工作原理是在空中或是地面设置发射点线圈，以不接地回线或者是接地线源朝地下发射一次脉冲磁场，形成磁场感应。在这一次场的间歇期间，通过对与地下土质层产生感应电流和时间变化而形成的电磁场变化，形成二次场衰减曲线图，从而得出不同地质体产生感应磁场的差异，以此来推断地下不同地质体的特性和规模大小。由于瞬变电磁法对一次场所产生的装置耦合噪音进行了消除，因此得出的分辨率更为精确。此外，它还具有以下优势：一是设备装置体积较小，携带和操作更为灵活方便；二是系统反应更加灵敏，分辨率更加准确，能够及时敏锐的获取更详细的地质动态信息，因此勘探工作效率更高。有赖于不同地质会产生不同磁场这一基本科学理论，瞬变电磁法可以勘探更具深度的地质，且不容易受到地形地势等地质状况的影响。通过更加强的灵活敏锐性，它能对不同地质的分辨率等勘测数据不仅能在更短的时间内作出记录和传送，而且在分辨率分析上更为准确和科学。

瞬变电磁法的诸多优势使其一开始就用于地质构造问题的解决，到了20世纪50年代就主要用于找矿，而在我国被逐步广泛应用于环境、地质灾害、工程检测等领域则始于20世纪90年代。目前我国已自主研制了几款探测深度浅、功率小、实际操作应用效果好的瞬变电磁法仪器，但在大功率、探测深的瞬变电磁法仪器自主开发上还与发达国家存在差距，主要还得依赖进口。瞬变电磁法在水文和工程地质勘探中的应用主要有：如矿产开采水文和地质勘测中的地下水资源及地下水位的界定、矿区顶板和断层砂岩的导水性、富水性的查明、地下含水结构寻找、断层空间位置及含水性的评价等。在矿区安全生产中，对于煤柱及老窑采空区、煤田矿井用水通道的探测等瞬变电磁法也发挥着重要作用。在工程建设地质勘探中，瞬变电磁法在公路隧道工程不良地质构造探测、防洪堤和水库坝址隐患探测、大桥或高层建筑地基、防渗帷幕等稳定性探测和评价、市政地下管网分布探测等方面也充分发挥着技术优势。

2.3 高密度电法

与普通电阻率法相比，高密度电法属于列阵勘探方法，是采用高密度布点将电剖面和电测探法结合对二维地电断面进行测量的一种电阻率法勘查技术。与传统的电阻率法勘探模式相比，高密度电法显得更智能化。它通过微机工程电测仪器和程控电极转换开关对放置于剖面上所有电极排列方式、电极距离进行检测，数据收集完全是自动化。高密度电法在经历长期的研究探索和实践后，我国在其应用实践上取得较大的进步和完善。高密度电法的优势主要集中在其数据采集的高度自动化，它可以不停顿、一次性完成任务，从而可以杜绝因人为因素所导致的数据丢失不良现象，并极大的降低电极设置引起的干扰和故障出现的风险。同时在野外数据采集工作中通过半自动化或全自动化，使手工数据采集方式得以摒弃，提高了工作效率。高密度电法智能化获取的信息数据量大、更完整齐全，观测精确度、探测深度、探测速度等都更具优势，因此在水文和工程地质勘查应用中具有广大的前景。目前高密度电法与其他电法勘探方法科学结合，有效避开其分辨效率不是很高的弊端，主要用于地下水源的寻找、地质灾害的调查、煤矿踩空区域的管线勘探、大型工程建设中如桥梁、高层建筑、大型基础设施的地基勘探、水库堤坝稳定性和坝基渗漏勘查、隧道工程建设中防空洞、侧溶洞和涵洞以及地下不明障碍物体物理性质区和周边介质地下形体检查、考古工作中队墓穴、洞穴、古河道的场地类别划分等领域。如在市政污水管网工程地质勘探中，需要利用高密度电法阵列勘探方法和连续滚动式扫描测量的方法对地下管网地质岩土层性质进行划分[5]。通过高密度电法的分辨率，高密度电法在土层划分时会形成高清晰影像效果，再通过电性结合地质解释，可以得出以下结论：地层上部出现高电阻率，为杂填土层；表层为路基垫层电性反映，下层位粉质粘土电性反映。通过岩土层土质划分，可以为工程建设的顺利开展提供科学真实的参考数据依据。

2.4 可控源音频大地电磁法

可控源音频大地电磁法主要是以音频大地电测法（MT）和大地电测法（ATM）两大电测法为基础，其工作原理基础是电磁波传播理论和麦克斯韦方程组，通过建立视电阻率的磁场与电场间的比例关系，进一步依据电测波理论得出其探测深度和频率的关系，从而达到相应的频率探测目的。可控源音频大地电磁法使用需要采用可控制的人工场源，然后对两个有电偶极源传输到地面以下的电磁场分量进行主要测量，并对电源和具体测量位置的间距和电极电源的间距做好把控，从而才能使场源以平面波来勘测。可控源音频大地电磁法将测深和剖面两种特性很好的融合，在探测深度上较其他方法具有更明显的应用优势：一是利用频率的变化来对不同深度的地层进行电测深度，避免了传统方法中因几何尺寸变化所带来的数据偏差和工作效率降低的不良影响。深探数据精准度和工作效率上得到明显提高。二是可控制的人工场源减少了干扰因素的影响，可控源音频大地电磁法可以有效增强电阻抗干扰能力，可以有效减少如工程地形地势等因素对电阻的影响。三是可控源音频大地电磁法可以同时发射7个不同频率的电测勘测脉冲波，这样探测深度范围得到进一步扩大，勘探工作时间得以有效缩短，勘探数据能更全面准确，勘探效率得以更有效提高。四是横向上的分辨率更高，从而更能灵敏的发现断层。可控源音频大地电磁法的这些优势使它在找矿、地下水源寻找、水库坝体渗漏情况调查等水文和工程地质工作中得以充分发挥。如在水库坝体渗漏情况查找探测上，根据水库大坝防渗漏墙不同高度中电阻率等值线的状态和异常情况来判断防渗漏墙是否存在渗漏的情形。此外，还可以根据水文地质中电阻率的不同来判断不同土层的地质性质。如水库所在地中地下水受降雨补充，岩石具有很强透水性，岩溶就会比较湿润，所以电阻率会偏低，由此推断该地段为灰岩，且存在溶隙、裂缝等现象。而如果是较为紧密的紫红色砂页岩，由于岩溶没了填充物较为干燥，则呈现高电阻率现象。

2.5 激发极化法

激发极化法主要是利用了激发极化效应，简称激电效应。在电法勘探中，在电极排列向大地提供电流或者切断电流的一瞬间，在这种类似充、放电的过程中测量电极之间就能观察到随着时间变化附加电场所出现的变化，这就是激电效应。激发极化法通过用电流激发岩石、矿石，通过观察它们所产生的激发效应所带来的差异性从而达到水文和工程地质勘探的目的。由于激发极化法主要用到电流，因此又分为直流激发极化法和交流激发极化法，直流是看时间域，交流是看频率域，差异存在于方法技术上。激发极化法由于不受地形起伏和围岩电性不均匀等因素的影响、可测量参数范围广，在查找各种类型的地下水源上具有明显优势。通过对在矿石、岩石上所激发的极化效应所存在的差异性，可以在寻找水源、分析解决地质问题上提供精准的参照依据。在技术运用上如果与高密度电阻率法进行科学合理结合，可以有效提高水源寻找的成功率。目前激发极化法在寻水的具体应用主要有：地下涌水量的预测，主要通过回归系数预测和显著性检验相结合来实现。城市市政工程地下施工漏水带的排查，可使用双频激电法。在对贫水区进行找水时可利用激电参数和电阻率参数来对地层的含水量进行评估。在对工程建设中可以通过激电法来对最大下沉段堤的介质富水情况对水库重力土坝的稳定性进行检测。激发极化法近年来在找水工作中发挥了十分显著的作用，提高了地层含水性确定率和找水成功率，被称为“找水新法”。

3 结论

综上所述，电法勘探方法在水文和工程地质中的应用已经得到更为广泛的研究和创新，同时在其他领域如地质灾害如滑坡、采空区等勘察、环境污染处理如水源和土壤有害物质或污染源检测、工程质量缺陷检测等方面也得到广泛普及和应用。我国在电法勘探方法研究和应用上起步较发达国家较晚，但经过长期的不懈努力，目前我国在电法勘探技术研究和实践应用上已取得长足发展和令人骄傲的进步，在理论基础完善和操作技术成熟创新等方面取得自主的创新成就。为了进一步促进电法勘探方法在有效推动水文和工程地质建设上的积极作用，相关部门应加大对电法勘探方法的研究创新，使其得到更好的推广和应用，最终促进社会经济的有效发展。