電法勘探方法在水文和工程地質(zhì)中的應(yīng)用探析

劉 葉，歐東新

（桂林理工大學 地球科學學院，廣西 桂林 541000）

1 電法勘探方法在水文和工程地質(zhì)中的應(yīng)用概況

新時代形勢下，我國的社會經(jīng)濟快速發(fā)展和人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)生活需求使國家在能源消耗上日益吃緊，特別是在全球經(jīng)濟一體化和大數(shù)據(jù)信息化智能化的快速發(fā)展背景下，各種創(chuàng)新科學技術(shù)層出不窮，在促進社會經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。社會經(jīng)濟的發(fā)展和資源需求的日益擴大化使國家在礦產(chǎn)開發(fā)、工程項目建設(shè)上投入力度加大，水文、工程地質(zhì)勘探工作的效率和質(zhì)量要求也越來越高，因此新型先進的勘探技術(shù)被開發(fā)、創(chuàng)新，被應(yīng)用在不同的領(lǐng)域當中。電法勘探方法是當前地球物理學當中方法種類最多且應(yīng)用性最強的一門分支學科[1]。它是一種通過利用介質(zhì)存在的電性差異如巖石在導(dǎo)電、導(dǎo)磁和極化特性等方面的電學性質(zhì)，通過觀測和分析電磁場、天然和人工電場空間和時間分布規(guī)律來對研究對象性質(zhì)和形態(tài)進行研究的一種地球物理方法。它除了在水文、工程地質(zhì)勘探被廣泛應(yīng)用外，在考古、地質(zhì)災(zāi)害控制、環(huán)境保護、礦產(chǎn)資源開發(fā)等方面都發(fā)揮著重要作用。我國使用、普及電法勘探方法已有相當長一段發(fā)展歷史，在理論基礎(chǔ)、方法技術(shù)實踐應(yīng)用上都取得較好的發(fā)展成績，但與發(fā)達國家相比其水平還存在一定差距。特別是圍繞我國社會實情，作為能源消耗大國，目前還處于社會主義初級階段，社會經(jīng)濟的發(fā)展很大程度上還是依賴于初級加工制造業(yè)，對資源消耗依賴巨大。而當前國際的競爭實質(zhì)上很大程度就是能源、資源競爭，因此我國也從十八大開始提出建設(shè)生態(tài)文明的基本國策，在加強國際合作、提高能源利用率、資源重復(fù)可循環(huán)利用等方式方法上不斷探索，在加強對國家資源綠色勘探、開發(fā)上也積極創(chuàng)新發(fā)展。隨著互聯(lián)網(wǎng)信息智能技術(shù)的發(fā)展，勘探技術(shù)也不斷得到創(chuàng)新改進，電法勘探方法中的多種方法如瞬變電磁法、地質(zhì)雷達、高密度電法、可控源音頻大地電磁法、激發(fā)極化法等有了不同的創(chuàng)新突破，在不同領(lǐng)域應(yīng)用中發(fā)揮著積極作用。如瞬變電磁法在煤礦開采中的四采區(qū)合理布置、采取防水治水方案編制、煤炭資源安全回采處理等工作上提供有效精準的理論基礎(chǔ)和地質(zhì)資料，使煤炭開采的精準度和安全度得到有效提高[2]。因此，積極探索電法勘探方法的科學合理應(yīng)用，提高水文、工程地質(zhì)勘探工作質(zhì)量是十分必要的。

2 電法勘探技術(shù)應(yīng)用分析

在水文和工程地質(zhì)實際應(yīng)用中的電法勘探技術(shù)主要包含地質(zhì)雷達、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法、高密度電法、激發(fā)極化法等常用方法。

2.1 地質(zhì)雷達

地質(zhì)雷達是運用比探空雷達探測頻率更低的發(fā)射寬帶高頻時域電磁脈沖波反射作用原理對目標進行勘測，其勘探原理主要是：發(fā)射機將超高頻電磁波脈沖電磁波訊號通過發(fā)射天線或發(fā)射寬帶傳送到地下，訊號在遇到探測目標時產(chǎn)生反射訊號，接收天線將直達訊號和反射訊號輸入到接收機經(jīng)放大后由示波顯示器顯示出來。其中：訊號的有無可以通過示波器進行顯示，由此來判斷被測目標是否存在；探測目標的距離則由反射訊號到達滯后時間和目標物體平均反射波速的關(guān)系進行計算得出[3]。通過分析電磁脈沖波的頻率、振幅等有關(guān)參數(shù)可以確定地質(zhì)的分布情況和地質(zhì)性質(zhì)。由于其工作原理和地震反射原理大致相同，因此地質(zhì)雷達也被稱為探地雷達，在探地工程中運用更為廣泛。發(fā)射電磁脈沖波的頻率和地質(zhì)雷達穿透效果成正比例關(guān)系，即電磁脈沖波頻率越高，地質(zhì)雷達的穿透程度也就越大，因此地質(zhì)雷達的探測能力比使用普通電磁波的探測類儀器如管線探測儀更具優(yōu)勢。

地質(zhì)雷達最早運用于波吸收率相對較低的冰層和鹽介質(zhì)層的地質(zhì)探測，經(jīng)過長時期的實踐發(fā)展后才得以快速推廣運用。目前我國在研制地質(zhì)雷達勘探儀器上主要依賴相關(guān)機構(gòu)和高校共同完成，但由于受到諸多因素的影響，想要在實際地質(zhì)勘探中獲得更精確有效數(shù)據(jù)，大多數(shù)情況下還是得依靠從國外引進的先進設(shè)備。地質(zhì)雷達的分辨率高是一顯著優(yōu)勢，這就意味著經(jīng)它探測的結(jié)果數(shù)據(jù)會更加精準，因此它的應(yīng)用領(lǐng)域非常的廣泛。它不僅在考古、地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境污染（冰川、地下水污染）、溶洞、潛水面等水文勘探被廣泛應(yīng)用，在工程地質(zhì)如大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城市建設(shè)中的公路地基和鋪層、城市供給排水系統(tǒng)鋪設(shè)、建筑的鋼筋水泥結(jié)構(gòu)和無損傷等檢測等也廣泛應(yīng)用地質(zhì)雷達[4]。以某城市大型工程建設(shè)項目的供水地層地質(zhì)勘探工作為例，根據(jù)探測儀器對被探測區(qū)域不同深度土層所顯示的不同電阻率，結(jié)合地質(zhì)雷達探測儀器繪制的縱向分布圖以此來來判斷土層地質(zhì)性質(zhì)。如表層電阻率為200Ω.m～400Ω.m且呈半閉合狀態(tài)，則該表層土質(zhì)為回填砂土。當電阻率為40Ω.m～70Ω.m，則土層為淤泥質(zhì)土，處于表層回填砂土的下層，再往下就多為粉質(zhì)粘土。以上的推斷為工程的順利建設(shè)提供科學精準的地質(zhì)勘探參考數(shù)據(jù)。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法最早在20世紀30年代由蘇聯(lián)學者提出，其主要工作原理是在空中或是地面設(shè)置發(fā)射點線圈，以不接地回線或者是接地線源朝地下發(fā)射一次脈沖磁場，形成磁場感應(yīng)。在這一次場的間歇期間，通過對與地下土質(zhì)層產(chǎn)生感應(yīng)電流和時間變化而形成的電磁場變化，形成二次場衰減曲線圖，從而得出不同地質(zhì)體產(chǎn)生感應(yīng)磁場的差異，以此來推斷地下不同地質(zhì)體的特性和規(guī)模大小。由于瞬變電磁法對一次場所產(chǎn)生的裝置耦合噪音進行了消除，因此得出的分辨率更為精確。此外，它還具有以下優(yōu)勢：一是設(shè)備裝置體積較小，攜帶和操作更為靈活方便；二是系統(tǒng)反應(yīng)更加靈敏，分辨率更加準確，能夠及時敏銳的獲取更詳細的地質(zhì)動態(tài)信息，因此勘探工作效率更高。有賴于不同地質(zhì)會產(chǎn)生不同磁場這一基本科學理論，瞬變電磁法可以勘探更具深度的地質(zhì)，且不容易受到地形地勢等地質(zhì)狀況的影響。通過更加強的靈活敏銳性，它能對不同地質(zhì)的分辨率等勘測數(shù)據(jù)不僅能在更短的時間內(nèi)作出記錄和傳送，而且在分辨率分析上更為準確和科學。

瞬變電磁法的諸多優(yōu)勢使其一開始就用于地質(zhì)構(gòu)造問題的解決，到了20世紀50年代就主要用于找礦，而在我國被逐步廣泛應(yīng)用于環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害、工程檢測等領(lǐng)域則始于20世紀90年代。目前我國已自主研制了幾款探測深度淺、功率小、實際操作應(yīng)用效果好的瞬變電磁法儀器，但在大功率、探測深的瞬變電磁法儀器自主開發(fā)上還與發(fā)達國家存在差距，主要還得依賴進口。瞬變電磁法在水文和工程地質(zhì)勘探中的應(yīng)用主要有：如礦產(chǎn)開采水文和地質(zhì)勘測中的地下水資源及地下水位的界定、礦區(qū)頂板和斷層砂巖的導(dǎo)水性、富水性的查明、地下含水結(jié)構(gòu)尋找、斷層空間位置及含水性的評價等。在礦區(qū)安全生產(chǎn)中，對于煤柱及老窯采空區(qū)、煤田礦井用水通道的探測等瞬變電磁法也發(fā)揮著重要作用。在工程建設(shè)地質(zhì)勘探中，瞬變電磁法在公路隧道工程不良地質(zhì)構(gòu)造探測、防洪堤和水庫壩址隱患探測、大橋或高層建筑地基、防滲帷幕等穩(wěn)定性探測和評價、市政地下管網(wǎng)分布探測等方面也充分發(fā)揮著技術(shù)優(yōu)勢。

2.3 高密度電法

與普通電阻率法相比，高密度電法屬于列陣勘探方法，是采用高密度布點將電剖面和電測探法結(jié)合對二維地電斷面進行測量的一種電阻率法勘查技術(shù)。與傳統(tǒng)的電阻率法勘探模式相比，高密度電法顯得更智能化。它通過微機工程電測儀器和程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)對放置于剖面上所有電極排列方式、電極距離進行檢測，數(shù)據(jù)收集完全是自動化。高密度電法在經(jīng)歷長期的研究探索和實踐后，我國在其應(yīng)用實踐上取得較大的進步和完善。高密度電法的優(yōu)勢主要集中在其數(shù)據(jù)采集的高度自動化，它可以不停頓、一次性完成任務(wù)，從而可以杜絕因人為因素所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失不良現(xiàn)象，并極大的降低電極設(shè)置引起的干擾和故障出現(xiàn)的風險。同時在野外數(shù)據(jù)采集工作中通過半自動化或全自動化，使手工數(shù)據(jù)采集方式得以摒棄，提高了工作效率。高密度電法智能化獲取的信息數(shù)據(jù)量大、更完整齊全，觀測精確度、探測深度、探測速度等都更具優(yōu)勢，因此在水文和工程地質(zhì)勘查應(yīng)用中具有廣大的前景。目前高密度電法與其他電法勘探方法科學結(jié)合，有效避開其分辨效率不是很高的弊端，主要用于地下水源的尋找、地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查、煤礦踩空區(qū)域的管線勘探、大型工程建設(shè)中如橋梁、高層建筑、大型基礎(chǔ)設(shè)施的地基勘探、水庫堤壩穩(wěn)定性和壩基滲漏勘查、隧道工程建設(shè)中防空洞、側(cè)溶洞和涵洞以及地下不明障礙物體物理性質(zhì)區(qū)和周邊介質(zhì)地下形體檢查、考古工作中隊墓穴、洞穴、古河道的場地類別劃分等領(lǐng)域。如在市政污水管網(wǎng)工程地質(zhì)勘探中，需要利用高密度電法陣列勘探方法和連續(xù)滾動式掃描測量的方法對地下管網(wǎng)地質(zhì)巖土層性質(zhì)進行劃分[5]。通過高密度電法的分辨率，高密度電法在土層劃分時會形成高清晰影像效果，再通過電性結(jié)合地質(zhì)解釋，可以得出以下結(jié)論：地層上部出現(xiàn)高電阻率，為雜填土層；表層為路基墊層電性反映，下層位粉質(zhì)粘土電性反映。通過巖土層土質(zhì)劃分，可以為工程建設(shè)的順利開展提供科學真實的參考數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.4 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法主要是以音頻大地電測法（MT）和大地電測法（ATM）兩大電測法為基礎(chǔ)，其工作原理基礎(chǔ)是電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組，通過建立視電阻率的磁場與電場間的比例關(guān)系，進一步依據(jù)電測波理論得出其探測深度和頻率的關(guān)系，從而達到相應(yīng)的頻率探測目的。可控源音頻大地電磁法使用需要采用可控制的人工場源，然后對兩個有電偶極源傳輸?shù)降孛嬉韵碌碾姶艌龇至窟M行主要測量，并對電源和具體測量位置的間距和電極電源的間距做好把控，從而才能使場源以平面波來勘測?？煽卦匆纛l大地電磁法將測深和剖面兩種特性很好的融合，在探測深度上較其他方法具有更明顯的應(yīng)用優(yōu)勢：一是利用頻率的變化來對不同深度的地層進行電測深度，避免了傳統(tǒng)方法中因幾何尺寸變化所帶來的數(shù)據(jù)偏差和工作效率降低的不良影響。深探數(shù)據(jù)精準度和工作效率上得到明顯提高。二是可控制的人工場源減少了干擾因素的影響，可控源音頻大地電磁法可以有效增強電阻抗干擾能力，可以有效減少如工程地形地勢等因素對電阻的影響。三是可控源音頻大地電磁法可以同時發(fā)射7個不同頻率的電測勘測脈沖波，這樣探測深度范圍得到進一步擴大，勘探工作時間得以有效縮短，勘探數(shù)據(jù)能更全面準確，勘探效率得以更有效提高。四是橫向上的分辨率更高，從而更能靈敏的發(fā)現(xiàn)斷層?？煽卦匆纛l大地電磁法的這些優(yōu)勢使它在找礦、地下水源尋找、水庫壩體滲漏情況調(diào)查等水文和工程地質(zhì)工作中得以充分發(fā)揮。如在水庫壩體滲漏情況查找探測上，根據(jù)水庫大壩防滲漏墻不同高度中電阻率等值線的狀態(tài)和異常情況來判斷防滲漏墻是否存在滲漏的情形。此外，還可以根據(jù)水文地質(zhì)中電阻率的不同來判斷不同土層的地質(zhì)性質(zhì)。如水庫所在地中地下水受降雨補充，巖石具有很強透水性，巖溶就會比較濕潤，所以電阻率會偏低，由此推斷該地段為灰?guī)r，且存在溶隙、裂縫等現(xiàn)象。而如果是較為緊密的紫紅色砂頁巖，由于巖溶沒了填充物較為干燥，則呈現(xiàn)高電阻率現(xiàn)象。

2.5 激發(fā)極化法

激發(fā)極化法主要是利用了激發(fā)極化效應(yīng)，簡稱激電效應(yīng)。在電法勘探中，在電極排列向大地提供電流或者切斷電流的一瞬間，在這種類似充、放電的過程中測量電極之間就能觀察到隨著時間變化附加電場所出現(xiàn)的變化，這就是激電效應(yīng)。激發(fā)極化法通過用電流激發(fā)巖石、礦石，通過觀察它們所產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)所帶來的差異性從而達到水文和工程地質(zhì)勘探的目的。由于激發(fā)極化法主要用到電流，因此又分為直流激發(fā)極化法和交流激發(fā)極化法，直流是看時間域，交流是看頻率域，差異存在于方法技術(shù)上。激發(fā)極化法由于不受地形起伏和圍巖電性不均勻等因素的影響、可測量參數(shù)范圍廣，在查找各種類型的地下水源上具有明顯優(yōu)勢。通過對在礦石、巖石上所激發(fā)的極化效應(yīng)所存在的差異性，可以在尋找水源、分析解決地質(zhì)問題上提供精準的參照依據(jù)。在技術(shù)運用上如果與高密度電阻率法進行科學合理結(jié)合，可以有效提高水源尋找的成功率。目前激發(fā)極化法在尋水的具體應(yīng)用主要有：地下涌水量的預(yù)測，主要通過回歸系數(shù)預(yù)測和顯著性檢驗相結(jié)合來實現(xiàn)。城市市政工程地下施工漏水帶的排查，可使用雙頻激電法。在對貧水區(qū)進行找水時可利用激電參數(shù)和電阻率參數(shù)來對地層的含水量進行評估。在對工程建設(shè)中可以通過激電法來對最大下沉段堤的介質(zhì)富水情況對水庫重力土壩的穩(wěn)定性進行檢測。激發(fā)極化法近年來在找水工作中發(fā)揮了十分顯著的作用，提高了地層含水性確定率和找水成功率，被稱為“找水新法”。

3 結(jié)論

綜上所述，電法勘探方法在水文和工程地質(zhì)中的應(yīng)用已經(jīng)得到更為廣泛的研究和創(chuàng)新，同時在其他領(lǐng)域如地質(zhì)災(zāi)害如滑坡、采空區(qū)等勘察、環(huán)境污染處理如水源和土壤有害物質(zhì)或污染源檢測、工程質(zhì)量缺陷檢測等方面也得到廣泛普及和應(yīng)用。我國在電法勘探方法研究和應(yīng)用上起步較發(fā)達國家較晚，但經(jīng)過長期的不懈努力，目前我國在電法勘探技術(shù)研究和實踐應(yīng)用上已取得長足發(fā)展和令人驕傲的進步，在理論基礎(chǔ)完善和操作技術(shù)成熟創(chuàng)新等方面取得自主的創(chuàng)新成就。為了進一步促進電法勘探方法在有效推動水文和工程地質(zhì)建設(shè)上的積極作用，相關(guān)部門應(yīng)加大對電法勘探方法的研究創(chuàng)新，使其得到更好的推廣和應(yīng)用，最終促進社會經(jīng)濟的有效發(fā)展。