电法勘探在水文地质勘察中的应用情况及联合剖面示意图

电法勘探是物探的主要方法之一,它是通过对天然电场和人工电场的研究,来获得岩石不同电学特性的资料,以判断有关水文地质问题。电法的用途广泛,它可用于探测盖层的厚度、断层裂隙、岩石单元、海水入侵等。

根据电场建立的方法、场源的性质、方法所依据的电学性质及测量方式特点的不同,电法勘探可分为直流与交流电法勘探两大类,而每一类方法又分为很多种,它们在水文地质工作中的应用亦各有侧重,见表3-3。

表3-3　电法勘探的种类及其在水文地质勘察中的应用情况(据房佩贤,1987)

3.2.1.1 电阻率法

自然界中各种岩石的导电性能不同。一般情况下,岩浆岩、变质岩和沉积岩中的致密灰岩的电阻率都很高(大于10～100Ω·m),只有当它们受到风化,构造破碎时,由于含泥量增多,水分增加,其电阻率值才降到10～100Ω·m级或更小。对于松散沉积物而言,随着颗粒直径的增大,电阻率也随之增高,一般从30Ω·m到70Ω·m,砾卵石层可达200Ω·m。作为隔水层的黏性土、粉土等则具有很低的电阻率,一般在8～30Ω·m左右。电阻率法就是利用这种地质体导电性的差异,通过建立人工电场并进行观测,求得某个测点下面不同深度或剖面上不同测点的视电阻率后,再进行推断和地质解释。

为了解决不同的地质问题,常采用不同的电极排列形式和移动方式(简称为装置),因而将电阻率法又可细分电剖面法、电测深法和高密度电阻率法。

(1)电剖面法。根据装置的不同,分为对称四极剖面、复合对称四极剖面、三极剖面、复合对称三极剖面、联合剖面、偶极剖面、中间梯度测量法等。

图3-2　联合剖面法装置示意图

以联合剖面为例。联合剖面法是电剖面法中最重要的方法,它实际上是由两个三极装置组合而成,即将AMNB布置在一条直线上,增加一个供电电极C。C极垂直于AMNB方向布置于无穷远处(图3-2)。一般CO=(5～10)AO。装置沿测线逐点移动,每个点观测2次,轮流给A极和B极供电。一次是用AMN装置测,所得的视电阻率用表示;另一次是用MNB装置测,所得的视电阻率用表示。作图时,习惯把线绘制成实线,把线绘制成虚线。

联合剖面的交点[7]:

正交点:相交,在交点左边,在交点右边。

反交点:相交,在交点左边,在交点右边。

高阻交点:交点处视电阻率大于围岩视电阻率。

低阻交点:交点处视电阻率小于围岩视电阻率。

低阻正交点:往往指示低电阻体和含水的断裂带的存在。

高阻反交点:常出现在高阻体上方,指示高电阻岩脉。

低阻反交点:往往由山脊地形引起。

高阻正交点:往往由山谷地形引起。

在岩溶地区:①当岩溶发育埋深不大时,在曲线上出现一个或几个点的电阻率同步下降(溶洞含水或含泥时)或上升(干燥空洞时),曲线呈尖底状异常(图3-3);②当岩溶发育带较宽,溶槽较深,这时的岩溶发育带异常类似于陡立的低阻带,联合剖面曲线呈现出明显的低阻正交点(图3-4);③当岩溶发育带很宽,但向下延伸不大时,联合剖面曲线呈现出宽阔的正反交替的低阻异常带(图3-5)。

图3-3　某岩溶地段联合剖面曲线出现尖底状正交异常图

图3-4　岩溶发育带向下延伸较大时联合剖面曲线出现的低阻正交点

1—黏性土;2—岩溶发育带;3—泥质灰岩

图3-5　利用联合剖面法探测到地下岩溶发育带的情形

1—第四系地层;2—灰岩;3—断层;4—溶隙

图3-6　电测深原理示意图

┈┈—电流线分布;——电位线

(2)电测深法。电测深法(electrical sounding)包括电阻率测深和激发极化测深。它是在地面的一个测深点上(图3-6中MN的中点),通过逐次加大供电电极及AB极距的大小,测量同-点的、不同AB极距的视电阻率ρs值,研究这个测深点下不同深度的地质断面情况。

电测深法多采用对称四极排列,称为对称四极测深法。在AB极距离短时,电流分布浅,ρs曲线主要反映浅层情况;当AB极距大时,电流分布深,ρs曲线主要反映深部地层的影响(图3-7)。ρs曲线是绘在以AB/2和ρs为坐标的双对数坐标纸上。

图3-7　地下有2个电阻不同的地层时,电测深曲线变化过程

(a)当ρ2＞ρ1时;(b)当ρ2＜ρ1时

图3-8(a)是根据电测深曲线推测地层的变化,图3-8(b)是根据电测深曲线推测火成岩风化壳的分带及地下水埋深;图3-8(c)为图(a)和图(b)享有相同的电测深图。

图3-8　利用电测深判断地下水位埋深

(a)第四系孔隙潜水含水层;(b)火成岩风化带中的网状孔隙裂隙潜水含水层;(c)电测深图

(3)高密度电阻率法。

原理:高密度电法的工作原理与常规电阻率法大体相同,其测量选用的是温纳装置(图3-9)。测量时,AM=MN=NB=AB/3为一个电极间距,探测深度为AB/3,A、B、M、N逐点同时向右移动,得到第一层剖面线;接着AM、MN、NB增大一个电极间距,A、B、M、N逐点同时向右移动,得到另一层剖面数据;这样不断扫描测量下去,就会得到一个倒梯形断面图(图3-10)。

为了提高工作效率,目前野外数据的采集是通过阵列电极装置形式来实现的。野外工作时将数十根电极一次性布设完毕,每根电极既是供电电极,又是测量电极。通过程控多路电极转换开关和电测仪实施数据的自动、快速采集。

图3-9　高密度电阻率法工作原理示意图

图3-10　某岩溶25-25-1剖面的高密度电法视电阻率等值线断面图

图3-10为某岩溶地段测到的高密度电法图。从该图可以看出:钻孔ZK607处地表以下为低电阻带(电阻率低于200Ω·m),推测有含水断层经过,岩石破碎。而ZK607左右两侧的高阻带(电阻率1200Ω·m)则显示岩石很完整,岩溶基本不发育。

3.2.1.2 自然电场法

当地下水在孔隙地层中流动时,毛细孔壁产生选择性吸附负离子的作用,使正离子相对向水流下游移动,形成过滤电位。因此作区域性的自然电位测量,可判断潜水的流向。在水库的漏水地段可常出现自然电位的负异常,而在隐伏上升泉处则可获得自然电位的正异常。

3.2.1.3 激发极化法

实验室研究表明,含水砂层在充电以后,断电的瞬间可以观测到由于充电所激发的二次电位,该二次电位衰减的速度随含水量的增加而变缓。在实践中利用这种方法圈定地下水富集带和确定井位已有不少成功的实例,但它在理论和观测技术方面还有待改进。

3.2.1.4 地质雷达

图3-11　地质雷达工作原理图

是交流电法勘探中的一种,它是利用对空雷达的原理,由发射机发射脉冲电磁波,其中一部分沿着空气与介质(岩土体)的分界面传播的直达波,经过时间t0后到达接收天线,被接收机所接收。另一部分则传入介质内,若在其中遇到电性不同的另一介质体(如地下水、洞穴、其他岩性的地层),就会被反射和折射,经过时间ts后回到接收天线,称为回波。根据所接收的两种波的传播时间差,就可判断另一介质的存在并测算其埋藏位置(图3-11)。地质雷达具有分辨能力强、判译精度高,一般不受高阻屏蔽及水平层、各向异性的影响等优点。它对探查浅部介质体,如地下空洞、管线位置,覆盖层厚度等的效果尤佳。

地质雷达是目前分辨率最高的工程地球物理方法,近年来在我国被广泛应用于隧道超前预报工作。水是自然界中常见的物质中介电常数最大、电磁波速最低的介质。与岩土介质和空气的差异很大。含水界面会产生强烈的电磁反射,岩体中的含水溶洞、饱水破碎带很容易被地质雷达检测所发现,因而常将地质雷达作为掌子面前方含水的断裂带、破碎带、溶洞的预报工具。在深埋隧道的富水地层以及溶洞发育地区,地质雷达是一种很好的预报手段。不过,地质雷达目前探测距离较短,在20～25m以内,因此对于长隧道只能根据施工进度分段进行。

图3-12为某岩溶地段的地质雷达图像,从该图可以看出,在没有岩溶发育的测点上无明显的反射特征,而在溶洞发育的测点上则反应强烈[13]。图3-12(a)中23～28号测点间的地下连续出现3个局部强反射区,且波形同向轴连续性好,顶部波轴呈拱形,为溶洞引起的异常反映,与附近钻探揭示的本地段岩溶呈串珠状垂向连续分布的特点一致[13]。

图3-12　某岩溶地段地质雷达图像及解译图(据王传雷,1994)

(a)雷达图像;(b)解译图

3.2.1.5 其他技术

近年来电法探测的仪器和技术都取得了较快的发展。电法仪器比较成功地移植了地震仪成熟的经验技术,现其主要的技术指标(如动态范围、采样间隔、模数转换等)几乎与地震没有什么差别。其中最令人瞩目的是以下3种。

(1)地面核磁共振(NMR)。地面核磁共振找水技术是目前唯一可用于直接探测地下水的物探技术。利用该项技术可以获得除什么地方有水、有多少水的资料之外,还可以获得含水层的有关信息。自1978年起,苏联科学院西伯利亚分院化学动力和燃烧研究所(ICKC)开始了利用核磁共振技术找水的全面研究。他们用三年时间研制出原始仪器,并在其后的10年间对仪器进行改进,开发出世界上第一台在地磁场中测定NMR信号的仪器,称为核磁共振层析找水仪(Hydro scope)。该仪器作为新的探测地下水的重要手段,于1988年在苏联和英国申请了专利。1992年俄罗斯的核磁共振层析找水仪在法国进行了成功演示。两年后法国地调局(BRGM)的IRIS公司购买了该仪器的专利,并与原研制单位ICKC合作,着手研制新型的核磁共振找水仪—核磁感应系统(NUMIS)。法国在1996年春推出商品型NMR找水仪,并生产出6套NUMIS系统。法国IRIS公司研制的NUMIS系统是在俄罗斯Hydroscope的基础上改进的。到目前为止,拥有NUMIS系统的国家除俄罗斯和法国外,还有中国和德国。

1997年年底中国地质大学(武汉)引进了法国IRIS公司研制的NUMIS系统,这是中国引进的第一套NUMIS系统。1999年中国地质科学院水环所、新疆水利厅石油供水办公室各引进一套NUMIS。2001年春天水利部牧区水利科学研究所引进一套NUMIS系统的升级找水设备NUMIS+。上述单位利用NMR找水方法先后在湖北、湖南、河北、福建、内蒙古、新疆等11个省市和地区进行了找水实践,并找到了地下水。研究成果填补了中国用NMR技术直接找水的空白,使中国跃居使用该技术找水的世界先进国家行列[2,5]。

NMR找水原理:NMR找水方法就是以核磁共振现象为基础的,它通过建立非均匀磁场和地球物理NMR层析,研究地下水的空间分布。除油层、气层外,水(H2 O)中的氢核是地层中氢核的主体。H+具有非零磁矩,并且处于不同化学环境中的同类原子核(如水、苯或环乙烷中的氢原子)具有不同的共振频率,当施加一个与地磁场方向不同的外磁场时,氢核磁矩将偏离磁场方向,一旦外磁场消失,氢核将绕地磁场旋进,其磁矩方向恢复到地磁场方向。通过施加具有拉摩尔圆频率的外磁场,再测量氢核的共振讯号,便可实践核磁共振测量。在给定的频率范围内,如果存在有NMR信号,那就说明试样中含有该种原子核类型的物质。

NMR找水的成功应用使物探技术从间接找水过渡到直接找水,是一项技术性的革命。但目前NMR技术尚处于发展的初级阶段,在仪器和应用技术方面都还存在一些需要改进的问题,比如提高仪器抗电磁信号干扰能力、加大勘查深度、减轻仪器重量、降低仪器成本以及NMR信息的反演等问题。

(2)瞬变电磁法(TEM)。它利用接地电极或不接地回线通以脉冲电流,在地下建立起一次脉冲磁场。在一次场的激励下,地质体将产生涡流,其大小与地质体的电特性有关。在一次磁场间歇期间,该涡流将逐渐消失并在衰减过程中,产生一个衰减的二次感应电磁场。通过设备将二次场的变化接收下来,经过处理、解释可以得到与断裂带及其他与水有关的地质资料。

由于瞬变电磁法仅观测二次场,与其他电性勘探方法相比,具有体积效应小、纵横向分辨率高、对低阻体反应灵敏、工作效率高、成本低廉等优点,是解决水文地质问题较理想的探测手段。此外,常规物探方法受环境限制大,难以开展水上作业,而瞬变电磁法则受环境影响较小,可以用于水上作业[2,5]。

近年来,数字技术的发展促进了一批TEM仪器的出现(如Geonics PROTEM 47,Sirotem MK3,Zonge Nano TEM,Bison TD 2000等),它们对10～200m浅层具有较高的探测能力。另外,还开发出TEM资料处理的新技术,有可能在事前没有较多可用地下资料的情况下,制作出逼真的解释模型[2,5]。

(3)EH-4电磁成像系统。EH-4电磁成像系统是由美国Geometrics公司和EMI公司于20世纪90年代联合生产的一种混合源频率域电磁测深系统,是可控源与天然源相结合的一种大地电磁测深系统,其有效勘探深度为几十米至三千米左右。它结合了CSAMT和MT的部分优点,利用人工发射信号补偿天然信号某些频段的不足,以获得高分辨率的电阻率成像。其核心仍是被动源电磁法,即采用一个便携式低功率发射器主动发射1～100k Hz人工电磁讯号,以补偿天然讯号的不足,从而获得高分辨率的成像。深部构造则通过天然背景场源成像(MT),其信息源为10Hz～100k Hz。

EH-4大地电磁系统观测的基本参数为正交的电场分量和磁场分量,通过密点连续测量,采用专业反演解释处理软件可以组成地下二维电阻率剖面,甚至三维立体电阻率成像。大地电磁测深仪器通过同时对一系列当地电场和磁场波动的测量来获得地表的电阻抗,一个大地电磁测量给出了测量点以下垂直电阻率的估计值。

主要用途:岩土电导率分层、地下水探测、基岩埋深调查、煤田勘探、金属矿详查和普查、环境调查、大坝、桥梁、铁路或公路路基、隧道勘查;咸、淡水分界面划分、断层构造探查、水库漏水点探查、地下三维成像等。

该仪器自1996年进入我国以来,短短几个月里就在西北干旱地区找水初见成效,在陕西富平隐伏岩溶区找到700m深部裂隙水,紧跟着又在中蒙边境发现100m深地下水源。新疆第二水文队与保定水文所合作,借助EH-4在罗布泊这个世界上最缺水的地方找到深部多层地下水;石油部物探局五处曾利用EH-4在四川峨眉山中找出1200米深的地下热泉,突破寻找深部水资源障碍。

图3-13是某岩溶地区EH-4测线等视电阻率断面图,该图采用20m测点距测定。从该图可以判定出第四系覆盖层的厚度为15～20m(相应于标高80～100m),浅部的耕植土与红黏土的电阻率为120～300Ω·m,下覆岩层的电阻率650～3700Ω·m为石灰岩。图中低电阻的凹槽带推测为断层带。