地表電性不均勻體對(duì)物探測(cè)水的影響及對(duì)策

楊佃俊，楊樹華，楊樹偉

（1.濰坊市水利局，山東 濰坊261031；2.濰坊市白浪河水庫運(yùn)營(yíng)維護(hù)中心，山東 濰坊261052；3.濰坊市星河地下水研究所，山東 濰坊261031）

天然電場(chǎng)選頻法（以下簡(jiǎn)稱天電法）屬于大地電磁測(cè)深的范疇，是近幾年發(fā)展很快的物探找水方法。它對(duì)天然電磁波向地下傳播再反射到地面的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，裝備簡(jiǎn)單，測(cè)速快，易操作，效果好，很受找水工作者歡迎。以湖南普奇地質(zhì)勘探設(shè)備研究院生產(chǎn)的S系列測(cè)水儀為例，可以根據(jù)打井深度任意變換500 m、300 m、150 m、100 m不同的測(cè)量深度，測(cè)量精度可達(dá)0.001 mV。測(cè)完一個(gè)測(cè)點(diǎn)只需要2~3 min，可以將多個(gè)測(cè)點(diǎn)多個(gè)頻率測(cè)出的數(shù)據(jù)繪成一張剖面圖。測(cè)完1條測(cè)線，不用借助電腦，只要點(diǎn)一下“繪制剖面圖”就可自動(dòng)繪制出原始剖面圖。還可以處理剖面圖、數(shù)字曲線圖等3種彩圖，分析出地下的含水層結(jié)構(gòu)。

1 地表電性不均勻體對(duì)天電法的影響

與人工電場(chǎng)法相比，天電法的信號(hào)源在不利的電磁環(huán)境下不夠穩(wěn)定，必須對(duì)同一條測(cè)線連測(cè)兩遍，才能更好地辨別其電磁環(huán)境是否穩(wěn)定，反映出的異常是否可靠。在地表電性較均勻的情況下只要堅(jiān)持復(fù)測(cè)，這個(gè)問題大多都能得到較好的解決，但在地表電性不均勻體存在的情況下，天電法受其影響的程度要比電阻率法大得多，會(huì)造成很多的假異常，必須引起重視，加以解決。

2 電性不均勻體的特點(diǎn)

所謂地表電性不均勻體就是指在地表無序分布的、導(dǎo)電性能各異、電阻率差異較大的地質(zhì)體。這些不均勻體類型多樣，在山丘地區(qū)廣泛存在，用肉眼大多不易察覺，歸納起來主要有以下幾種：一是土層厚薄不均勻。土層的電阻率比其下覆的大多數(shù)基巖小得多，當(dāng)土層變厚時(shí)可以形成地表低值不均勻體。二是土層的巖性不均勻。包氣帶中有時(shí)有一些干砂層或干碎石層，這在沖溝中或是坡麓堆積中能經(jīng)常見到，可以形成地表高值不均勻體。三是基巖巖性不均勻。在軟硬巖石相間的地層中，如果某處巖石傾角較大，且基本沒有土層覆蓋，會(huì)形成地表高低值頻繁交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，成為多發(fā)的地表電性不均勻體。四是巖石淺表層的風(fēng)化裂隙發(fā)育不均勻。在花崗巖、變粒巖等結(jié)晶巖石地區(qū)淺表層風(fēng)化裂隙發(fā)育很不均勻，容易形成深淺不一的囊狀風(fēng)化帶，成為地表低值不均勻體。尤其是在雨季，風(fēng)化裂隙帶的濕度比較大，電阻率變小，裂隙帶以外電阻率仍然較大，高低值相差更大。五是堅(jiān)硬巖石局部裸露，裸巖時(shí)隱時(shí)現(xiàn)。巖石裸露的地方就是地表高值體，隱伏的地方就是地表低值體。這樣形成的地表電性不均勻體對(duì)天電法影響更大。

3 影響原理

天電法找水主要是分析水平方向或垂直方向數(shù)值的變化，這種變化可以用剖面圖的等值線或顏色變化反映出來，數(shù)值突變的地方一般被稱作“異?！保@些異常往往是斷層、裂隙帶、風(fēng)化帶、巖脈、巖性突變等原因造成的，成為找水的主要目標(biāo)。讀圖的主要任務(wù)就是要分辨出異常的真假，找出含水構(gòu)造。

電磁波在地下的傳播始終遵循趨膚效應(yīng)，也會(huì)遵循電磁波的反射折射等規(guī)律。電磁波向地下傳播首先要透過地表的第一層介質(zhì)，介質(zhì)的導(dǎo)電性能（或稱為“屏蔽效能”）的大小在很大程度上決定了電磁波向下傳播信號(hào)的強(qiáng)弱。介質(zhì)的電阻率越小，“屏蔽效能”就越大，更容易吸收電磁波。

如果表層是低值層，它吸收的電磁波就越多，向下傳播的信號(hào)就越弱，就會(huì)形成從淺到深數(shù)值都變小的低值點(diǎn)，在圖中的表現(xiàn)形式就是“低值下傳”。

如果表層是高值層，它吸收的電磁波較少，向下傳播的信號(hào)就更強(qiáng)，則會(huì)形成從淺到深數(shù)值都變大的高值點(diǎn)，在圖中的表現(xiàn)形式就是“高值下傳”。

電磁波在地下的傳播可用麥克斯韋方程來表達(dá)：

式中：δ為電磁波的趨膚深度，m；ρ為介質(zhì)電阻率，Ω·m；f為電磁波頻率，Hz。

從上式可以看出，電磁波的頻率越大，穿透深度越小。當(dāng)頻率一定時(shí)，介質(zhì)的電阻率越小穿透深度也越小。如果第一層（即表層）是低值不均勻體，由于電磁波被吸收了很多，信號(hào)變?nèi)趿?，穿透深度小了，低值下傳現(xiàn)象就出現(xiàn)了。高值下傳同理。只有不存在地表電性不均勻體時(shí)，測(cè)出的數(shù)值大小才會(huì)真正反映出地下深部各層介質(zhì)的電性特征。

4 案例及啟示

萊州市南相村地處丘陵區(qū)，巖性為二長(zhǎng)花崗巖，罕見有斷層和巖脈。該村為建豬場(chǎng)打了20多眼井，有2/3基本無水，其余水量較小。選取1個(gè)地勢(shì)較低的已知井做了天電法測(cè)量，同時(shí)也做了同一條測(cè)線的重復(fù)測(cè)量。

圖1 在不均勻體存在條件下原測(cè)圖與原位復(fù)測(cè)圖的比較

測(cè)量用的電極距10 m，測(cè)點(diǎn)距5 m，1~13點(diǎn)為原測(cè)圖，15~27點(diǎn)為原位復(fù)測(cè)圖，把兩個(gè)圖繪制到了一張圖上，用空測(cè)點(diǎn)14加以分開。從圖中可以看出，原測(cè)圖的3、4、10號(hào)點(diǎn)為相對(duì)低值點(diǎn)，1、2、7、8、11、12、13號(hào)點(diǎn)為相對(duì)高值點(diǎn)。在復(fù)測(cè)圖上低值點(diǎn)和高值點(diǎn)與原測(cè)圖完全一致，說明儀器測(cè)量精度很高，抗干擾能力很強(qiáng)。實(shí)打井位在2和3號(hào)點(diǎn)之間，這里數(shù)值反差明顯，是高低值的結(jié)合部，僅從該圖看井位是合理的，應(yīng)該水量很好。經(jīng)了解，該井實(shí)打150 m，只在十幾米處出水，水量1 m3/h，再向下基本無水，與圖的表現(xiàn)完全不符。

為探求剖面圖與實(shí)打出水量不符合的原因，平移4 m后測(cè)了一條平行測(cè)線，錯(cuò)位復(fù)測(cè)圖如圖2。從圖中可以看出，在原測(cè)圖和原位復(fù)測(cè)圖中出現(xiàn)的3、4、10號(hào)的低值點(diǎn)都不見了，因而高低值的結(jié)合部也就不存在了，說明這些低值點(diǎn)是不真實(shí)的，即假異常。由此可知，這些假異常可能都是地表電性不均勻體造成的，只靠原位復(fù)測(cè)難以辨別出來。

圖2 在不均勻體存在條件下原測(cè)圖與錯(cuò)位復(fù)測(cè)圖的比較

5 錯(cuò)位復(fù)測(cè)應(yīng)用

找水的目的主要是找斷層、裂隙帶、巖脈、巖層突變等構(gòu)造原因造成的地質(zhì)異常，這些異常往往有一定的方向性和延伸性，而地表電性不均勻體絕大多數(shù)是不規(guī)律的，沒有一定的方向性和延伸性，是這兩種地質(zhì)體的最大區(qū)別。因此，可以利用錯(cuò)位復(fù)測(cè)法在離開原測(cè)線若干米處再測(cè)一條平行線，將二者的成圖進(jìn)行對(duì)比分析即可將兩種地質(zhì)體區(qū)別開來。

圖3中，1~15點(diǎn)是原測(cè)圖，17~31點(diǎn)是原位復(fù)測(cè)圖，二者一致性好。為了分析7點(diǎn)的低值異常是不是地表不均勻體造成的，將測(cè)線平移10 m進(jìn)行錯(cuò)位復(fù)測(cè)，7點(diǎn)和21點(diǎn)是同一個(gè)測(cè)點(diǎn)。在圖4中可以看出，7點(diǎn)仍然是低值異常，且低值層深度都在150~200 m之間。因此，7點(diǎn)確定為井位。經(jīng)實(shí)打，在深度90 m處見水，出水量在深185 m處達(dá)5 m3/h，深230 m處達(dá)15 m3/h，應(yīng)用錯(cuò)位復(fù)測(cè)法大大提高了成井率。

圖3 在無不均勻體條件下原測(cè)圖與原位復(fù)測(cè)圖的比較

圖4 在無不均勻體條件下原測(cè)圖與錯(cuò)位復(fù)測(cè)圖的比較