電法勘探在水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

吳廣宇

摘 要：電法勘探是一種利用地下水文、巖石和礦體的電化學(xué)或電磁學(xué)的差異性進(jìn)行地質(zhì)勘察的方法。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，電法勘探發(fā)展為高密度電法、可控源音頻大地電磁法（CSAMT）、瞬變電磁法（TEM）和地質(zhì)雷達(dá)法（GPR）等多種電法勘探技術(shù)。電法勘探以其適應(yīng)性強(qiáng)、種類多和勘察效果好的特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用在水文地質(zhì)勘察行業(yè)，并得到業(yè)內(nèi)的廣泛認(rèn)可。本文對電法勘探的幾種常見方法及其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析和討論。

關(guān)鍵詞：電法勘探；技術(shù)；地質(zhì)勘察

電法勘探的原理是利用自然電場或者人工電場、磁場或電化學(xué)場進(jìn)行測量，通過分析被測對象的磁性、電性、介電性和電化學(xué)分布規(guī)律進(jìn)行地質(zhì)勘察的。在1835年，英國科學(xué)家福克斯（P.Fox）首次在硫化銅礦床發(fā)現(xiàn)了自然電場，人們初次利用自然電場法進(jìn)行地質(zhì)勘察。在19世紀(jì)末科學(xué)家提出采用電阻率人工場源法進(jìn)行地質(zhì)勘察的方法，后來發(fā)展為聯(lián)合剖面法、四極法、電測深法和偶極剖面法等多個分支方法。電磁感應(yīng)法于1917年被科學(xué)家提出，并在1925年成功應(yīng)用在地質(zhì)勘察中。在1920年，科研工作者經(jīng)過深入研究提出采用激發(fā)極化效應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)勘察的電化學(xué)方法。

到20世紀(jì)30年代電法勘探技術(shù)引入我國，我國的電法勘探技術(shù)、基礎(chǔ)理論和應(yīng)用效果經(jīng)過幾十年的發(fā)展取得巨大的進(jìn)步，我國目前常用的電法勘探技術(shù)有：充電法、電阻率法、大地電磁測深罰、激發(fā)極化法、電磁感應(yīng)法和自然電場法等。

限于篇幅，本文僅對高密度電法、可控源音頻大地電磁法（CSAMT）、瞬變電磁法（TEM）和地質(zhì)雷達(dá)法（GPR）這四種主要的電法勘探技術(shù)進(jìn)行分析與闡述。

1 電法勘探技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)

1.1 高密度電法

高密度電法實(shí)際就是高密度電阻率法，與電阻率法的不同點(diǎn)是在勘探中的觀測點(diǎn)布設(shè)密度較高，屬于陣列勘探法的一種。英國科學(xué)家于20世紀(jì)70年代末首次利用陣列電法勘探思想設(shè)計出電測深偏置系統(tǒng)，電測深偏置系統(tǒng)為最初的高密度電法模型。

高密度電法集成了電測深法和電剖面法兩種方法，進(jìn)行測量時需將數(shù)十根和上百根的測量電極布設(shè)在測量剖面上，然后利用電極轉(zhuǎn)換板和微機(jī)電測儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。高密度電法成像圖主要為二維的地電斷面圖，隨著技術(shù)的發(fā)展高密度電法也可以進(jìn)行三維成像，大大的提高了地電斷面測量的精度。

高密度電法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）高密度電法的電極為一次性布設(shè)完成，減少了電極布設(shè)引起的測量誤差和干擾，便于野外數(shù)據(jù)的自動和快速的采集。

2）可以對電極的排列方式進(jìn)行組合，可以得到不同的地電斷面掃描圖，能夠較完整的反映出地電斷面的結(jié)構(gòu)特征。

3）實(shí)現(xiàn)了野外數(shù)據(jù)的半自動和全自動化的采集，并且測量的速度很快，極大的提高了工作效率。

4）可以對測量對象進(jìn)行二維的或三維的成像和自動繪圖，大大的提高了地電斷面測量的精度。

5）相比電阻率法具有成像精度高、成本低、測量速度快和勘探能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

因此，在含水破碎帶、采空區(qū)、溶洞和金屬礦藏等電差異性較大的區(qū)域均可以采用高密度電法進(jìn)行勘察。

1.2 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是一種可控源頻率探測技術(shù)，是在音頻大地電磁法（AMT）和大地電磁法（MT）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。可控源音頻大地電磁法的測量原理是通過麥克斯韋方程和電磁波傳播方程建立電場、磁場和電磁波之間關(guān)系的方程組，計算探測深度和頻率之間的比例關(guān)系。通過調(diào)整可控源的頻率可以改變電磁波的探深，從而達(dá)到頻率探測的目的。

可控源音頻大地電磁法的測量方法為：在相隔約2km的測量地點(diǎn)布設(shè)兩個電偶極源，這樣場源將近似成為一個平面波，然后可對電偶極源傳播到地下的電磁分量進(jìn)行測量。可控源音頻大地電磁法的探測深度可達(dá)2km，同時還可以對被測對象的剖面進(jìn)行探測。

可控源音頻大地電磁法的優(yōu)點(diǎn)為：

1）使用人工場源，不但可以控制場源頻率還可以減少外界的干擾。

2）可以控制探測的頻率和深度，可同時進(jìn)行多點(diǎn)的電磁探測，大大的提高了工作效率。

3）探測深度大，一般可以進(jìn)行2km深度的探測。

4）分辨率高，可以有效的對斷層進(jìn)行掃描。

5）屏蔽效應(yīng)低，電磁波可以有效穿透高阻屏蔽層，不影響測量。

可控源音頻大地電磁法可以應(yīng)用于深層的地質(zhì)勘察，如：油氣構(gòu)造、地下煤、地下金屬礦、地下水和地?zé)岬确矫娴目辈臁?/p>

1.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法的測量原理為電磁感應(yīng)定律。測量方法為：不接地在空中布設(shè)可以發(fā)射一定波形電磁場的發(fā)射線圈，通過發(fā)射線圈向地下發(fā)射一次電磁場，地下導(dǎo)電礦體產(chǎn)生感應(yīng)電流，斷電后測量感應(yīng)電磁場隨時間的衰減變化。瞬變電磁法屬于二次場檢測，避免了一次場偶合噪聲的影響，具有分辨率高、體積效應(yīng)小、受旁測地質(zhì)影響小、低阻反映靈敏和探測深度深的優(yōu)點(diǎn)。

1.4 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar）的測量原理是：利用發(fā)射器發(fā)射寬帶高頻時域電磁脈沖，當(dāng)脈沖遇到探測目標(biāo)后會反射回地面，然后被接收天線接收。通過對反射電磁波的振幅、頻率等特征進(jìn)行分析可以得到被測目標(biāo)的性質(zhì)和形態(tài)。地質(zhì)雷達(dá)的分辨率可達(dá)0.05米以下，但是探測深度最多可達(dá)100米，主要應(yīng)用于淺層地質(zhì)勘察。

2 結(jié)語

除了本文介紹的電法勘探技術(shù)還有激發(fā)極化法、自然電場法、充電法和大地電磁場法等多種電法勘探技術(shù)。電法勘探技術(shù)是地球物理學(xué)中適應(yīng)性最強(qiáng)、種類最大和應(yīng)用最廣的方法，逐漸滲透到多種領(lǐng)域的檢測勘察當(dāng)中。勘察工作者應(yīng)對每種電法勘探技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和了解，根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境恰當(dāng)?shù)倪x擇勘探方法，以取得可靠、準(zhǔn)確和詳細(xì)的水文地質(zhì)資料。

參考文獻(xiàn)：

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