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新泰市鲁新岩土工程勘察有限公司

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电法勘探方法在水文和工程地质中的应用
发布时间:2016-10-14        浏览次数:276        返回列表
 一、引言

  电法勘探方法可以追溯到19世纪初P.Fox在硫化金属矿上发现自然电场现象,至今已有100多年的历史。我国电法勘探始于20世纪30年代,由当时北平研究院物理研究所的顾功叙先生所开创。经过70余年的发展,我国的电法勘探无论在基础理论、方法技术和应用效果等方面都取得了巨大的进展,使电法成为应用地球物理学中方法种类最多、应用面最广、适应性最强的一门分支学科。同时,经过广大地球物理工作者不懈努力,在深部构造、矿产资源、水文及工程地质、考古、环保、地质灾害、反恐等领域,电法已经和正在发挥着重要作用。限于篇幅,本文仅对其中几种主要方法,如高密度电法、激发极化法、CSAMT、瞬变电磁法和地质雷达等作简要介绍,并就这些方法在水文和工程地质中的应用进行阐述,供广大水文和工程地质、工程物探人员参考。

二、高密度电法

  高密度电法实际上是集中了电剖面法和电测深法,其原理与普通电阻率法相同,所不同的是在观测中设置了高密度的观测点,是一种阵列勘探方法。关于阵列电法勘探的思想源于20世纪70年代末期,英国人设计的电测深偏置系统就是高密度电法的最初模式,20世纪80年代中期日本借助电极转换板实现了野外高密度电法的数据采集。我国是从20世纪末期开始研究高密度电法及其应用技术,从理论方法和实际应用的角度进行了探讨并完善,现有中国地质大学、原长春地质学院、重庆的有关仪器厂家研制成了几种类型的仪器。

  高密度电法野外测量时将全部电极(几十至上百根)置于剖面上,利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现剖面中不同电极距、不同电极排列方式的数据快速自动采集。与常规电阻率法相比,高密度电法具有以下优点:

  1电极布置一次性完成,不仅减少了因电极设置引起的故障和干扰,并且提高了效率;

  2能够选用多种电极排列方式进行测量,可以获得丰富的有关地电断面的信息;3。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,避免了手工误操作。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。

  高密度电法应用领域比较广,尤其在水文和工程地质勘查方面,主要有:底青云(2002)、吴长盛(2001)、郭铁柱(2001)、董浩斌(2001)等使用高密度电法在水库大坝的坝体稳定性评价、坝基渗漏勘查、堤坝裂缝检测上见到了好的应用效果;严文根(2002)将高密度电法用在电厂大坝的基岩面起伏及其强度特性评价上;王文州(2001)、王玉清(2001)、侯烈忠(1997)等将高密度电法用在高速公路高架桥、高层建筑选址、机场跑道的地基勘探中;郭秀军(2001)采用高密度电法探测防空洞、涵洞、溶洞、地下局部不明障碍物等物理性质有别于周围介质的地下有形体;杨湘生(2001)在湘西北岩溶石山区找水中应用高密度电法确定最佳井位方面取得了好的效果;解爱华(2003)采用高密度电法与瞬态瑞雷面波法完成了国际机场扩建工程中的岩土工程勘察问题,查明古河道、墓穴和洞穴的分布及埋深,利用土层的剪切波速划分场地类别。此外,何门贵(2002)、刘晓东(2001)、王士鹏(2000)在寻找地下水、管线探测、查明采空区、调查岩溶及地质灾害等工程物探中使用了高密度电法。

三、激发极化法

  在电法勘探中,当电极排列向大地供入或切断电流的瞬间,在测量电极之间总能观测到随时间缓慢变化的附加电场,称为激发极化效应。激发极化法(或激电法)就是以岩、矿石激发极化效应的差异为基础来解决地质问题的一类勘探方法。激电法是20世纪50年代末在我国开始研究和推广的,早期是以直流(时间域)激电法为主,20世纪70年代初开始研究交流(频率域)激电法——主要是变频法,20世纪80年代初又开始对频谱激电法进行研究,也就是研究复视电阻率随频率的变化——即复视电阻率的频谱。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、可测量的参数多等优点。

  在实际地质应用方面,初期的激电法主要用于勘查硫化金属矿床,后来发展到诸多领域,如氧化矿床、非金属矿床、工程地质问题等。近年来,激电法找水效果十分显着,被誉为“找水新法”。早在上世纪60年代,国外学者Victor Vacquier(1957)等提出了用激电二次场衰减速度找水的思想。在该思想的启迪下,我国也开展了有关研究,并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找到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涌水量大小,把激电参数与地层的含水性联系起来。目前,我国已有北京地质仪器厂、重庆地质仪器厂和山西平尧地质仪器厂生产出适合寻找地下水的仪器。

  在找水方面的具体应用有:杨进(1997)用回归系数的显着性检验及回归预测方法预报了地下涌水量;姜义生(2000)使用双频激电法不仅解决了居民饮用的地下水源,而且解决了干扰地下施工的漏水带;龙凡(2002)使用激电法中视激化率和半衰时参数在砂页岩地区、灰岩地区、花岗岩地区和玄武岩地区找到了地下水资源,并且用回归直线法预测了单井涌水量;王聿军(2001)使用激电法在贫水山区进行找水;王俊业(2000)用激电参数和电阻率参数对地层的富水性进行评价,取得了好的结果;李金铭(1993)、金学名(1993)使用激电法的偏离度参数寻找地下水资源;李茂塔(2001)、李金铭(1990、1994)对激电法找水的基础理论进行了研究;周立功(2001)使用激电法在重力土坝稳定性检测中查明最大下沉段堤下介质赋水情况。

  值得一提的是,利用激电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,这样可以降低地球物理解释的多解性,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,在纯粹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,这就是激电法找水的机理所在。

四、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。CSAMT是1975年由Myron Goldstein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,达到频率测深的目的。目前,已商业化的CSAMT仪器是由加拿大凤凰公司与美国宗基公司研制的。

  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:第一,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,并减少地形的影响。第二,利用改变频率而非改变几何尺寸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7个点的电磁测深。第三,探测深度范围大,一般可达1~2km.第四,横向分辨率高,可以灵敏地发现断层。第五,高阻屏蔽作用小,可以穿透高阻层。与MT和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。

  CSAMT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法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,均取得了良好的地质效果。在地下水资源方面,CSAMT法适合寻找深部的基岩裂隙水:石昆法(1999)使用CSAMT法在灰岩中寻找断层,并打出了地下水;郭建华(1995)用CSAMT法在干旱地区寻找地下水资源及探测隐伏构造;蒋达龙(1994)用CSAMT法发现地下热水资源;底青云(2001)结合CSAMT法和高密度电法探测深层和浅层的地下水资源;底青云(2002)使用CSAMT法查找矿山顶板涌水隐患;严盛新(2003)用CSAMT法在沙漠腹地寻找地下水资源;吴璐苹(1996)用CSAMT法在山区、半山区等地质条件复杂地区进行找水。此外,CSAMT法在工程勘探中的坝体渗漏调查、国家南水北调工程西线的地质勘查、小浪底水利工程等项目,都可以发挥良好的作用,如刘录刚(2004)用CSAMT法在雁门关隧道中进行超前地质预报。

五、瞬变电磁法(TEM)

  瞬变电磁法是利用不接地或接地线源向地下发送一次场,在一次场的间歇期间,测量由地质体产生的感应电磁场随时间的变化。根据二次场的衰减曲线特征,就可以判断地下不同深度地质体的电性特征及规模大小等。由于该方法是观测纯二次场,消除了由一次场所产生的装置偶合噪音,具有体积效应小、横向分辨率高、探测深度深、对低阻反映灵敏、与探测地质体有最佳偶合、受旁侧地质体影响小等优点。

  瞬变电磁法最初是由前苏联学者在20世纪30年代提出用于解决地质构造问题,20世纪50年代用于找矿,20世纪60年代以后从方法原理到一、二维反演都得到了广泛应用和发展。在我国,该方法研究始于20世纪70年代,20世纪90年代后逐步向工程检测、环境、灾害等应用领域发展。从20世纪80年代开始,原长春地质学院、原地矿部物化探研究所、中南大学等研究机构分别在方法理论、仪器及野外试验、一维及二维正反演方法等方面做了大量工作,并且自行研制了几种功率小、探测深度浅的瞬变电磁法仪器,在生产实际中见到了好的应用效果。然而,大功率、探测深的瞬变电磁法仪器国内尚在研制中,目前主要依赖进口。

  瞬变电磁法除了广泛应用于金属矿产、石油、煤田、地热以及冻土带和海洋地质等地质勘查工作之外,在水文和工程地质勘查中也取得了非常好的应用效果,如杨文钦(2002)、张保祥(2002)、郁万彩(2001)、蒋文(2004)等使用瞬变电磁法查明断层及顶板砂岩的导水性及富水性、勘查地下水资源及界定地下水位、评价断层空间位置及含水性和寻找地下含水构造;刘继东(1999)、李貅(2000)、袁江华(2002)、阎述(1999)等使用瞬变电磁法探测煤柱及圈定老窑采空区、勘察煤田矿井涌水通道、探测小浪底水库库区煤矿采空区和探测地下洞体的存在;刘羽(1995)用瞬变电磁法评价塌陷成因及危害性、评价防渗帷幕稳定性、探测高层建筑地基和评价大桥桥址稳定性;郭玉松(1998)使用瞬变电磁法探测堤防工程隐患、勘查水库坝址;薛国强(2003)使用瞬变电磁法探测公路隧道工程中的不良地质构造;李文尧(2000)用瞬变电磁法在抗洪抢险中寻找漏水断裂或溶洞;敬荣中(2003)使用瞬变电磁法结合四极测深探测地下管网分布。