水文地質(zhì)
電法勘探方法在水文和工程地質(zhì)中的應(yīng)用
文章來(lái)源:地大熱能 發(fā)布作者: 發(fā)表時(shí)間:2021-11-03 13:35:40瀏覽次數(shù):1159
一、引言
電法勘探方法可以追溯到19世紀(jì)初P.Fox在硫化金屬礦上發(fā)現(xiàn)自然電場(chǎng)現(xiàn)象,至今已有100多年的歷史。我國(guó)電法勘探始于20世紀(jì)30年代,由當(dāng)時(shí)北平研究院物理研究所的顧功敘先生所開創(chuàng)。經(jīng)過(guò)70余年的發(fā)展,我國(guó)的電法勘探無(wú)論在基礎(chǔ)理論、方法技術(shù)和應(yīng)用效果等方面都取得了巨大的進(jìn)展,使電法成為應(yīng)用地球物理學(xué)中方法種類最多、應(yīng)用面最廣、適應(yīng)性最強(qiáng)的一門分支學(xué)科。同時(shí),經(jīng)過(guò)廣大地球物理工作者不懈努力,在深部構(gòu)造、礦產(chǎn)資源、水文及工程地質(zhì)、考古、環(huán)保、地質(zhì)災(zāi)害、反恐等領(lǐng)域,電法已經(jīng)和正在發(fā)揮著重要作用。限于篇幅,本文僅對(duì)其中幾種主要方法,如高密度電法、激發(fā)極化法、CSAMT、瞬變電磁法和地質(zhì)雷達(dá)等作簡(jiǎn)要介紹,并就這些方法在水文和工程地質(zhì)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述,供廣大水文和工程地質(zhì)、工程物探人員參考。
二、高密度電法
高密度電法實(shí)際上是集中了電剖面法和電測(cè)深法,其原理與普通電阻率法相同,所不同的是在觀測(cè)中設(shè)置了高密度的觀測(cè)點(diǎn),是一種陣列勘探方法。關(guān)于陣列電法勘探的思想源于20世紀(jì)70年代末期,英國(guó)人設(shè)計(jì)的電測(cè)深偏置系統(tǒng)就是高密度電法的最初模式,20世紀(jì)80年代中期日本借助電極轉(zhuǎn)換板實(shí)現(xiàn)了野外高密度電法的數(shù)據(jù)采集。我國(guó)是從20世紀(jì)末期開始研究高密度電法及其應(yīng)用技術(shù),從理論方法和實(shí)際應(yīng)用的角度進(jìn)行了探討并完善,現(xiàn)有中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、原長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院、重慶的有關(guān)儀器廠家研制成了幾種類型的儀器。
高密度電法野外測(cè)量時(shí)將全部電極(幾十至上百根)置于剖面上,利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀便可實(shí)現(xiàn)剖面中不同電極距、不同電極排列方式的數(shù)據(jù)快速自動(dòng)采集。與常規(guī)電阻率法相比,高密度電法具有以下優(yōu)點(diǎn):
1.電極布置一次性完成,不僅減少了因電極設(shè)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(jìn)行測(cè)量,可以獲得豐富的有關(guān)地電斷面的信息;
3.野外數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化或半自動(dòng)化,提高了數(shù)據(jù)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(fā)展,高密度電法資料的電阻率成像技術(shù)也從一維和二維發(fā)展到三維,極大地提高了地電資料的解釋精度。 高密度電法應(yīng)用領(lǐng)域比較廣,尤其在水文和工程地質(zhì)勘查方面,主要有:底青云(2002)、吳長(zhǎng)盛(2001)、郭鐵柱(2001)、 董浩斌(2001)等使用高密度電法在水庫(kù)大壩的壩體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、壩基滲漏勘查、堤壩裂縫檢測(cè)上見到了好的應(yīng)用效果;嚴(yán)文根(2002)將高密度電法用在電廠大壩的基巖面起伏及其強(qiáng)度特性評(píng)價(jià)上;王文州(2001)、王玉清(2001)、侯烈忠(1997)等將高密度電法用在高速公路高架橋、高層建筑選址、機(jī)場(chǎng)跑道的地基勘探中;郭秀軍(2001)采用高密度電法探測(cè)防空洞、涵洞、溶洞、地下局部不明障礙物等物理性質(zhì)有別于周圍介質(zhì)的地下有形體;楊湘生(2001)在湘西北巖溶石山區(qū)找水中應(yīng)用高密度電法確定最佳井位方面取得了好的效果;解愛華(2003)采用高密度電法與瞬態(tài)瑞雷面波法完成了國(guó)際機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程中的巖土工程勘察問(wèn)題,查明古河道、墓穴和洞穴的分布及埋深,利用土層的剪切波速劃分場(chǎng)地類別。此外,何門貴(2002)、劉曉東(2001)、王士鵬(2000)在尋找地下水、管線探測(cè)、查明采空區(qū)、調(diào)查巖溶及地質(zhì)災(zāi)害等工程物探中使用了高密度電法。
三、激發(fā)極化法
在電法勘探中,當(dāng)電極排列向大地供入或切斷電流的瞬間,在測(cè)量電極之間總能觀測(cè)到隨時(shí)間緩慢變化的附加電場(chǎng),稱為激發(fā)極化效應(yīng)。激發(fā)極化法(或激電法)就是以巖、礦石激發(fā)極化效應(yīng)的差異為基礎(chǔ)來(lái)解決地質(zhì)問(wèn)題的一類勘探方法。激電法是20世紀(jì)50年代末在我國(guó)開始研究和推廣的,早期是以直流(時(shí)間域)激電法為主,20世紀(jì)70年代初開始研究交流(頻率域)激電法———主要是變頻法,20世紀(jì)80年代初又開始對(duì)頻譜激電法進(jìn)行研究,也就是研究復(fù)視電阻率隨頻率的變化———即復(fù)視電阻率的頻譜。由于該方法測(cè)量的是二次場(chǎng),具有不受地形起伏和圍巖電性不均勻的影響、可測(cè)量的參數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)。 在實(shí)際地質(zhì)應(yīng)用方面,初期的激電法主要用于勘查硫化金屬礦床,后來(lái)發(fā)展到諸多領(lǐng)域,如氧化礦床、 非金屬礦床、工程地質(zhì)問(wèn)題等。近年來(lái),激電法找水效果十分顯著,被譽(yù)為“找水新法”。早在上世紀(jì)60年代,國(guó)外學(xué)者VictorVacquier(1957)等提出了用激電二次場(chǎng)衰減速度找水的思想。在該思想的啟迪下,我國(guó)也開展了有關(guān)研究,并將激電場(chǎng)的衰減速度具體化為半衰時(shí)、衰減度、激化比等特征參數(shù),這些參數(shù)不僅能較準(zhǔn)確地找到各種類型的地下水資源,而且可以在同一水文地質(zhì)單元內(nèi)預(yù)測(cè)涌水量大小,把激電參數(shù)與地層的含水性聯(lián)系起來(lái)。目前,我國(guó)已有北京地質(zhì)儀器廠、重慶地質(zhì)儀器廠和山西平堯地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)出適合尋找地下水的儀器。
在找水方面的具體應(yīng)用有:楊進(jìn)(1997)用回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)及回歸預(yù)測(cè)方法預(yù)報(bào)了地下涌水量;姜義生(2000)使用雙頻激電法不僅解決了居民飲用的地下水源,而且解決了干擾地下施工的漏水帶;龍凡(2002)使用激電法中視激化率和半衰時(shí)參數(shù)在砂頁(yè)巖地區(qū)、灰?guī)r地區(qū)、花崗巖地區(qū)和玄武巖地區(qū)找到了地下水資源,并且用回歸直線法預(yù)測(cè)了單井涌水量;王聿軍(2001)使用激電法在貧水山區(qū)進(jìn)行找水;王俊業(yè)(2000)用激電參數(shù)和電阻率參數(shù)對(duì)地層的富水性進(jìn)行評(píng)價(jià),取得了好的結(jié)果;李金銘(1993)、 金學(xué)名(1993)使用激電法的偏離度參數(shù)尋找地下水資源;李茂塔(2001)、 李金銘(1990、1994)對(duì)激電法找水的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了研究;周立功(2001)使用激電法在重力土壩穩(wěn)定性檢測(cè)中查明最大下沉段堤下介質(zhì)賦水情況。
值得一提的是,利用激電法找水或確定地層的含水性,最好與高密度電阻率法相結(jié)合,這樣可以降低地球物理解釋的多解性,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(zhì)體具有優(yōu)越性,但低阻地質(zhì)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(shí),可以通過(guò)使用激電法來(lái)區(qū)分含水地層和泥巖,因?yàn)榧る姸螆?chǎng)與巖石的孔隙有關(guān),在純粹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(chǎng)的衰減速度也與孔隙的大小、形狀和寬窄有關(guān),這就是激電法找水的機(jī)理所在。
四、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(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種可控源頻率測(cè)深方法。CSAMT是1975年由MyronGoldstein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(chǎng)與磁場(chǎng)比值之間的關(guān)系,并且根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論得出電磁波的傳播深度(或探測(cè)深度)與頻率之間的關(guān)系,這樣可以通過(guò)改變發(fā)射頻率來(lái)改變探測(cè)深度,達(dá)到頻率測(cè)深的目的。目前,已商業(yè)化的CSAMT儀器是由加拿大鳳凰公司與美國(guó)宗基公司研制的。 CSAMT采用可控制人工場(chǎng)源,測(cè)量由電偶極源傳送到地 下的電磁場(chǎng)分量,兩個(gè)電極電源的距離為1~2km,測(cè)量是在距離場(chǎng)源5~10km以外的范圍進(jìn)行,此時(shí)場(chǎng)源可以近似為一個(gè)平面波。由于該方法的探測(cè)深度較大(通??蛇_(dá)2km),并且兼有剖面和測(cè)深雙重性質(zhì),因此具有諸多優(yōu)點(diǎn):第一,使用可控制的人工場(chǎng)源,測(cè)量參數(shù)為電場(chǎng)與磁場(chǎng)之比———卡尼亞電阻率,增強(qiáng)了抗干擾能力,并減少地形的影響。第二,利用改變頻率而非改變幾何尺寸進(jìn)行不同深度的電測(cè)深,提高了工作效率,一次發(fā)射可同時(shí)完成7個(gè)點(diǎn)的電磁測(cè)深。第三,探測(cè)深度范圍大,一般可達(dá)1~2km。第四,橫向分辨率高,可以靈敏地發(fā)現(xiàn)斷層。第五,高阻屏蔽作用小,可以穿透高阻層。與MT和AMT法相同,CSAMT法也受靜態(tài)效應(yīng)和近場(chǎng)效應(yīng)的影響,可以通過(guò)多種靜態(tài)校正方法來(lái)消除“靜態(tài)效應(yīng)” 的影響。CSAMT法一出現(xiàn)就展示了比較好的應(yīng)用前景,尤其是作 為普通電阻率法和激發(fā)極化法的補(bǔ)充,可以解決深層的地質(zhì)問(wèn)題,如在尋找隱伏金屬礦、油氣構(gòu)造勘查、推覆體或火山巖 下找煤、地?zé)峥辈?/a>和水文工程地質(zhì)勘查等方面,均取得了良好的地質(zhì)效果。在地下水資源方面,CSAMT法適合尋找深部的基巖裂隙水:石昆法(1999)使用CSAMT法在灰?guī)r中尋找斷層,并打出了地下水;郭建華(1995)用CSAMT法在干旱地區(qū)尋找地下水資源及探測(cè)隱伏構(gòu)造;蔣達(dá)龍(1994)用CSAMT法發(fā)現(xiàn)地下熱水資源;底青云(2001)結(jié)合CSAMT法和高密度電法探測(cè)深層和淺層的地下水資源;底青云(2002)使用CSAMT法查找礦山頂板涌水隱患;嚴(yán)盛新(2003)用CSAMT法在沙漠腹地尋找地下水資源;吳璐蘋(1996)用CSAMT法在山區(qū)、半山區(qū)等地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行找水。此外,CSAMT法在工程勘探中的壩體滲漏調(diào)查、國(guó)家南水北調(diào)工程西線的地質(zhì)勘查、小浪底水利工程等項(xiàng)目,都可以發(fā)揮良好的作用,如劉錄剛(2004)用CSAMT法在雁門關(guān)隧道中進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。
五、瞬變電磁法(TEM)
瞬變電磁法是利用不接地或接地線源向地下發(fā)送一次場(chǎng),在一次場(chǎng)的間歇期間,測(cè)量由地質(zhì)體產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化。根據(jù)二次場(chǎng)的衰減曲線特征,就可以判斷地下不同深度地質(zhì)體的電性特征及規(guī)模大小等。由于該方法是觀測(cè)純二次場(chǎng),消除了由一次場(chǎng)所產(chǎn)生的裝置偶合噪音,具有體積效應(yīng)小、橫向分辨率高、探測(cè)深度深、對(duì)低阻反映靈敏、與探測(cè)地質(zhì)體有最佳偶合、受旁側(cè)地質(zhì)體影響小等優(yōu)點(diǎn)。 瞬變電磁法最初是由前蘇聯(lián)學(xué)者在20世紀(jì)30年代提出用于解決地質(zhì)構(gòu)造問(wèn)題,20世紀(jì)50年代用于找礦,20世紀(jì)60年代以后從方法原理到一、二維反演都得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。在我國(guó),該方法研究始于20世紀(jì)70年代,20世紀(jì)90年代后逐步向工程檢測(cè)、環(huán)境、災(zāi)害等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。從20世紀(jì)80年代開始,原長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院、原地礦部物化探研究所、中南大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)分別在方法理論、儀器及野外試驗(yàn)、一維及二維正反演方法等方面做了大量工作,并且自行研制了幾種功率小、探測(cè)深度淺的瞬變電磁法儀器,在生產(chǎn)實(shí)際中見到了好的應(yīng)用效果。然而,大功率、探測(cè)深的瞬變電磁法儀器國(guó)內(nèi)尚在研制中,目前主要依賴進(jìn)口。 瞬變電磁法除了廣泛應(yīng)用于金屬礦產(chǎn)、石油、煤田、地?zé)?/a>以及凍土帶和海洋地質(zhì)等地質(zhì)勘查工作之外,在水文和工程地質(zhì)勘查中也取得了非常好的應(yīng)用效果,如楊文欽(2002)、張保祥(2002)、郁萬(wàn)彩(2001)、蔣文(2004)等使用瞬變電磁法查明斷層及頂板砂巖的導(dǎo)水性及富水性、勘查地下水資源及界定地下水位、評(píng)價(jià)斷層空間位置及含水性和尋找地下含水構(gòu)造;劉繼東(1999)、 李貅(2000)、袁江華(2002)、閻述(1999)等使用瞬變電磁法探測(cè)煤柱及圈定老窯采空區(qū)、勘察煤田礦井涌水通道、探測(cè)小浪底水庫(kù)庫(kù)區(qū)煤礦采空區(qū)和探測(cè)地下洞體的存在;劉羽(1995)用瞬變電磁法評(píng)價(jià)塌陷成因及危害性、評(píng)價(jià)防滲帷幕穩(wěn)定性、探測(cè)高層建筑地基和評(píng)價(jià)大橋橋址穩(wěn)定性;郭玉松(1998)使用瞬變電磁法探測(cè)堤防工程隱患、勘查水庫(kù)壩址;薛國(guó)強(qiáng)(2003)使用瞬變電磁法探測(cè)公路隧道工程中的不良地質(zhì)構(gòu)造;李文堯(2000)用瞬變電磁法在抗洪搶險(xiǎn)中尋找漏水?dāng)嗔鸦蛉芏矗痪礃s中(2003)使用瞬變電磁法結(jié)合四極測(cè)深探測(cè)地下管網(wǎng)分布。
六、地質(zhì)雷達(dá)(GPR)
地質(zhì)雷達(dá)與探空雷達(dá)技術(shù)相似,是利用寬帶高頻時(shí)域電磁脈沖波的反射探測(cè)目標(biāo)體,只是頻率相對(duì)較低,用于解決地質(zhì)問(wèn)題,又稱“探地雷達(dá)”。將雷達(dá)技術(shù)用于探地,早在1910年就已經(jīng)提出,在隨后的60年中該方法多限于對(duì)波吸收很弱的鹽、冰等介質(zhì)中。直到20世紀(jì)70年代以后,地質(zhì)雷達(dá)才得到迅速推廣應(yīng)用。我國(guó)地質(zhì)雷達(dá)儀器的研制始于20世紀(jì)70年代初期,由多家高校和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行儀器研制和野外試驗(yàn)工作。但是由于種種原因,研究成果至今未能用于實(shí)際。目前,國(guó)內(nèi)使用的地質(zhì)雷達(dá)儀器都是引進(jìn)的,能夠提供商用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的有美國(guó)、加拿大、瑞典、俄羅斯等國(guó)家。
地質(zhì)雷達(dá)是由地面的發(fā)射天線將電磁波送入地下,經(jīng)地下目標(biāo)體反射被地面接收天線所接收,通過(guò)分析接收到電磁波的時(shí)頻、振幅特性,可以評(píng)價(jià)地質(zhì)體的展布形態(tài)和性質(zhì)。由于雷達(dá)穿透深度與發(fā)射的電磁波頻率有關(guān),使其穿透深度有限,但分辨率很高,可達(dá)0.05米以下。早期,地質(zhì)雷達(dá)只能探測(cè)幾米內(nèi)的目標(biāo)體,應(yīng)用范圍比較狹窄。此外,地質(zhì)雷達(dá)與地震反射法原理相似,一些地震資料處理解釋方法可以借用。目前,地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)深度最大可達(dá)100米,使之成為水文和工程地質(zhì)勘察中最有效的地球物理方法。 地質(zhì)雷達(dá)因具有分辨率高,成果解釋可靠的特點(diǎn),在淺層地質(zhì)勘探中,有著非常廣泛的應(yīng)用。如探測(cè)覆蓋層厚度、基巖面起伏,查找潛伏斷層、破碎帶、古溶洞、管道溝、涵洞以及地下掩埋體,進(jìn)行環(huán)境地質(zhì)、 考古調(diào)查等。在水文和工程地質(zhì)中,地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用也是非常廣泛,主要有:楊天春(2001)、錢榮毅(2003)、 鄧居智(1999)使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行公路、高速公路、機(jī)場(chǎng)道路等質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè);趙永貴(2003)、 薛建(2000)、史付生(2003)使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、 檢測(cè)隧道襯砌質(zhì)量;王俊茹(2003)、李永革(2001)、姬繼法(2002)使用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)建筑物地下邊坡孤石、機(jī)場(chǎng)地下古墓等不良地質(zhì)體分布,消除其對(duì)鄰近或上部構(gòu)筑物構(gòu)成的潛在威脅;姜衛(wèi)方(2000)、 李大心(2000)、朱紅軍(2002)使用地質(zhì)雷達(dá)調(diào)查滑坡體及滑坡面、評(píng)估崩塌、滑坡及地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害;高建東(1999)、 曾校豐(2000)、王百榮(2001)、張志清(2000)使用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)水庫(kù)地下防滲墻、探測(cè)水庫(kù)壩體結(jié)構(gòu)層及結(jié)構(gòu)層材料老化變質(zhì)、檢測(cè)灌漿質(zhì)量及混凝土厚度、調(diào)查覆蓋層厚度及襯砌混凝土質(zhì)量;楊向東(2001)使用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)地下管道;李張明(2000)使用地質(zhì)雷達(dá)在三峽工程施工中探明花崗巖不均勻風(fēng)化分布范圍、圈定較大斷層及風(fēng)化夾層的延伸范圍和產(chǎn)狀、檢測(cè)高速公路質(zhì)量;王孝起(2001)使用地質(zhì)雷達(dá)調(diào)查南水北調(diào)中線天津干渠基巖巖性及基巖面高程;張興磊(2001)使用地質(zhì)雷達(dá)查明了煤柱破壞情況和采空區(qū)分布范 圍,指導(dǎo)注漿施工;張欣海(1999)使用地質(zhì)雷達(dá)查明了海上圍堤的斷面特征以及著底情況;陳愛云(2003)使用地質(zhì)雷達(dá)在石質(zhì)文物保護(hù)工程中查明巖體中含水裂隙和溶洞的分布規(guī)律及對(duì)文物的影響。
七、結(jié)論
通過(guò)對(duì)幾種主要電法勘探方法的發(fā)展、原理及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行綜述,可以看出,電法勘探方法在水文和工程地質(zhì)勘探領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,歸結(jié)起來(lái)有以下幾方面:
1.高密度電法由于其高效率、 深探測(cè)和精確的地電剖面成像,成為水文和工程地質(zhì)勘察中最有效的方法??紤]到該方法的分辨率不高,在具體的應(yīng)用中可以結(jié)合其他電法勘探、電測(cè)井等方法,達(dá)到精細(xì)地質(zhì)解釋的目的。
2.地質(zhì)雷達(dá)主要用于各類工程地質(zhì)勘探,是工程地質(zhì)勘探 首選的電法勘探方法。同時(shí),該方法可以借用地震勘探中已有的資料處理和解釋技術(shù),使其迅速發(fā)展,可以在更多的領(lǐng)域發(fā)揮作用。
3.在水文地質(zhì)勘探中,激發(fā)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(fā)極化法和高密度電法結(jié)合起來(lái)尋找地下水資源,效果將會(huì)更好。