物探方法在找水方面的應用

  摘要:本文介紹了包括高密度電法、激發極化法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法和地質雷達法 等5種物探方法及其找水原理、發展史和應用范圍。為不同地區采取不同方法找水指明了方向。

 

  關鍵詞:物探方法;找水原理;應用范圍

 

  我國是個缺水的國家,地下水是我國重要的生產、生活水源之一。地下各種含水構造對采礦、環保、農業、地下工程等部門也有重大意義。因此地下水的高效率、高精度勘查就成為水資源研究中首先要解決的問題。

 

  當地質單元含有地下水后,其電導率與含水飽和度、礦化度、地層孔隙度、滲透率等諸多因素相關。通常,含水層相對隔水層或低飽和地層呈現明顯的高導電性,因此電導率異常是地下水地球物理電磁法勘探的主要依據。除電導率特征外,含水層通常還有較高的介電常數,所以高飽和地層可以對地質雷達等高頻設備所發射的電磁波產生明顯影響。另外,在某些特殊情況下,磁異常、彈性波阻抗異常、放射異常等均被間接地用于水文地質研究。本文對其中幾種主要方法,如高密電法、激發 極化法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法和地質雷達等作簡要介紹,并就這些方法在水文和工程地質中的應用進行簡單闡述供大家參考。

 

  1 高密度電法 高密度電法實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,所不同的是在觀測中設置高密度觀測點,是一種陣列勘探方法。關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現了野外高密度電法數據采集。我國是從20世紀末期開始研究高密度電法及其應用技術,從理論方法和實際應用的角度進行了探討并完善。

 

  高密度電法野外測量時將全部電極(幾十至上百根)置于剖面上,利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現剖面中不同電極距、不同電極排列方式的數據快速自動采集。與常規電阻率法相比,高密度電法具以下優點: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行測量,可以獲得豐富的有關地電斷面信息;③野外數據采集實現了自動化和半自動化,提高了數據采集速度,避免了手工誤操作。此外,隨著地球物理反演方法的發展,高密度電法資料的電阻率成像技術也從一維和二維發展到三維,極大的提高了地電資料的解釋精度。

 

  2 激發極化法

 

  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測到隨時間緩慢變化的附加電場,稱為激發極化效應。激發極化法就是以巖、礦石激發極化效應的差異為基礎來解決地質問題的一類勘探方法。激發極化法是20世紀50年代末在我國開始研究和推廣的,早期是以直流(時間域)激發極化法為主,20世紀70年代初開始研究交流(頻率域)激發極化法,主要是變頻法。20世紀80年代初又開始對頻譜激發極化法進行研究,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,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點。

 

  在實際地質應用方面,初期的激發極化法主要用于勘查硫化金屬礦床,后來發展到諸多領域,如氧化礦、非金屬礦床工程地質問題等。近年來,激發極化法找水效果十分顯著,被譽為找水新法。早在20世紀60年代,國外學者VictorVacquier(1957)等提出了用激電二次場衰減速度找水的思想。在該思想啟迪下,我國也開展了有關研究,并將激電場的衰減速度具體化為半衰時、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型的地下水資源,而且可以同一水文地質單元內預測水量大小,把激電參數與地層的含水性聯系起來。 值得一提的是,利用激發極化法找水或確定地層的含水性,最好于與高密度電阻率法相結合,這樣可以降低解釋的多解性,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體方面具有優越性,但低阻地質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,可以通過使用激發極化法來區分含水地層和泥巖,因為激電二次場與巖石的孔隙有關,在純泥巖中極化率比較小,在含水砂礫巖中極化率比較大,此外,二次場的衰減速度也與孔隙的大小,形狀和寬窄有關,這就是激發極化電法找水機理所在。

 

  3 瞬變電磁法(TEM) 瞬變電磁法是時間域的人工源主動探測法。其基本原理是通過地面水平線框向地下發射脈沖磁矩,該一次場關斷后,測量一段時間內由地下介質感應生成二次場。地質體所感應出電流越大,其異常也越明顯,因此,瞬變電磁法對含水的高導地層靈敏,并且有較強的抗干擾能力。該方法的探測深度與所使用的磁矩(即發射框面積乘以發射電流大小)大小成正比,一般有效分辨區間為400m以內。突出優點是觀測純二次場,且不受靜態、近場效應、地形、接地條件影響。 瞬變電磁法不足之處是評估地層含水量時一般只能通過電阻率對比,定量研究需要做抽水試驗。瞬變電磁法在變質巖地區,對異常推斷較困難。隨著探測深度加大,層間滲透水和金屬礦的影響越來越明顯。瞬變電磁法資料中容易因激發極化效應出現測深曲線的非正常變化。另外還存在數據量大,資料解釋較為復雜的特點。不便于野外工作的快速分析和現場決策。

 

  4 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)基礎上發展起來的一種可控源頻率測深方法。可控源音頻大地電磁法是1975年由MyronColdstein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與磁場比值之間的關系,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)與頻率之間的關系,這樣可以通過改變發射頻率來改變探測深度,達到頻率測深的目的。

 

  目前,可控音頻大地電磁法采用可控制人工場源,測量由電偶極源傳送到地下的電磁場分量,兩個電極電源的距離為1～2km,測量是在距離場源5～10km以外的范圍進行,此時場源可以近似為 一個平面波。由于該方法的探測深度較大(通常 可達2km),并且兼有剖面和測深雙重性質,因此具有諸多優點:①使用可控制的人工場源,測量參數為電場與磁場之比———卡尼亞電阻率,增強了抗干擾能力,并減少地形影響。②利用改變頻率而非改變幾何尺寸進行不同深度的電測深,一次發射可同時完成7個點電磁測深,提高了工作效率。③探測深度范圍大,一般可達1～2km。④橫向分辨率高,很容易發現斷層。⑤高阻屏蔽作用小,可以穿透高阻層。

 

  與大地電磁法和音頻大地電磁法相同,可控音頻大地電磁法也受靜態效應和近場效應的影響,可以通過多種靜態校正方法來消除“靜態效應”的影響。可控音頻大地電磁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和激發極化法的補充,可以解決深層的地質問題,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勘查等方面,均取得良好的地質效果。

 

  5 地質雷達法(GPR)

 

  地質雷達法與探空雷達技術相似,利用寬帶高頻時域電磁脈沖波的反射探測目標體,只是頻率相對較低,用于解決地質問題,又稱“探地雷達”,將雷達技術用于地質探測,早在1910年就已經提出,在隨后的60年中該方法多限于對波吸收很弱的鹽、冰等介質中。直到20世紀70年代以后,地質雷達才得到迅速推廣應用。 地質雷達是由地面的反發射天線將電磁波送入地下,經地下目標體反射被地面接收天線所接收,通過分析所接收到電磁波的時頻、振幅特性,可以評價地質體的展布形態和性質。由于雷達穿透深度與發射的電磁波頻率有關,使其穿透深度有限,但分辨率很高,可達0105m以下。早期地質雷達只能探測幾米內的目標,應用范圍比較窄。此外,地質雷達與地震反射原理相似,一些地震資料處理解釋方法可以借用。目前,地質雷達探測深度最大可達100m,使之成為水文和工程地質勘查中有效的地球物理方法。

 

  6 結論 通過對幾種主要電法勘探方法的發展、原理及實際應用進行綜述,可以看出,電法勘探方法在水文和工程地質勘探領域有著廣泛的應用,歸結起來有以下幾方面:

 

  (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勘查中最有效的方法。考慮到該方法分辨率不高,在具體的應用中可以結合其他電法勘探、電測井等方法,達到精細地質解釋的目的。

 

  (2)在水文勘探中,激發極化法和可控源音頻大地電磁法是首選的電法勘探方法,如果將激發極化法和高密度電法結合起來尋找地下水資源,效果會更好。

 

  (3)瞬變電磁法在水文地質和工程地質勘探中都有著廣泛的應用,尤其是大功率瞬變電磁儀不僅可以在深部地質勘探中發揮作用,還具有較高分辨能力。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勘探問題。

 

  (4)地質雷達主要用于各類工程地質勘探,是工程地質勘探首選的電法勘探方法。同時,該方法可以借用地震勘探中已有的資料處理和解釋技術,使其迅速發展,可以在更多領域發揮作用。