地表電性不均勻體對(duì)天電法測(cè)量的影響及對(duì)策

楊佃俊，楊樹華，楊樹偉

（濰坊市星河地下水研究所，山東濰坊，261031）

［摘要］天電法是近幾年發(fā)展起來的頗受歡迎的主要用于基巖裂隙水的找水方法，但在山丘地區(qū)由于受地表電性不均勻體的影響，容易出現(xiàn)假異常，研究證明利用錯(cuò)位復(fù)測(cè)法分辨這種假異常是一種效果很好的方法。

［關(guān)鍵詞］天電法；找水儀；地表電性不均勻體；錯(cuò)位復(fù)測(cè)法；效果。

天然電場選頻法（以下簡稱天電法）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。它利用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、300、150、100米不同的測(cè)量深度，測(cè)量精度可達(dá)0.001毫伏，測(cè)完一個(gè)測(cè)點(diǎn)只需要2~3分鐘，可以將多個(gè)測(cè)點(diǎn)多個(gè)頻率測(cè)出的數(shù)據(jù)繪成一個(gè)剖面圖。測(cè)完一條測(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、處理剖面圖，數(shù)字曲線圖等三種彩圖，可以分析出地下的含水層結(jié)構(gòu)。

任何物探方法都是有長有短一分為二的。與人工電場法相比，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。

1. 電性不均勻體在山丘地區(qū)無處不在。

地質(zhì)條件在垂向上是復(fù)雜多變的，在水平方向上沿地表同樣也是復(fù)雜多變的。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伏的大多數(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。在山區(qū)，有的土層厚度只有幾十公分，有的有幾米，絕對(duì)值雖然相差不大，但相對(duì)值卻差了若干倍。如果是石灰?guī)r，在充填了粘土的溶溝溶槽處相差的倍數(shù)更大。測(cè)線與溝谷或山腳垂直土層厚度變化也很大。

二是土層的巖性不均勻。在包氣帶中有時(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，如果巖石傾角較大，且基本沒有土層覆蓋的地方，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嚢狀風(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，隠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。

2. 地表電性不均勻體造成假異常的形成機(jī)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“異常”，這些異常往往是斷層、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)就是要通過去偽存真分辨出異常的真假，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)，同樣也會(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，“屛蔽效能”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)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)，就會(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)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)：

δ=503.5√（ρ/f）

式中：

δ━電磁波的趨膚深度（即穿透深度）米；

ρ━介質(zhì)電阻率（歐姆·米）；

f ━電磁波頻率（赫茲）。

從上式可以看出，找水儀電磁波的頻率越大，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，電磁波被吸收了很多，信號(hào)變?nèi)趿?，穿透深度小了，低值f下傳現(xiàn)象就出現(xiàn)了。高值下傳也是這個(gè)道理。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。

3. 從一個(gè)失敗的案例得到的啟示。

萊州南相村一帶有十幾個(gè)村地處丘陵區(qū)，巖性為二長花崗巖，罕見有斷層和巖脈，該村為建豬場打了二十多眼井，有三分之二基本無水，其他水量也不大。我們選了一個(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（見圖一）。

《圖一、萊州、在不均勻體存在條件下原測(cè)圖與原位復(fù)測(cè)圖之比較》

測(cè)量用的電極距10m，測(cè)點(diǎn)距5m，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。

從該圖可以看出，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150m，只在十幾米出水1方/時(shí)，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，我們又平移4m測(cè)了一條與上面的測(cè)線平行的測(cè)線，各測(cè)點(diǎn)完全對(duì)應(yīng)（見圖二）。

《圖二、萊州、在不均勻體存在條件下原測(cè)圖與錯(cuò)位復(fù)測(cè)圖之比較》

為與原位復(fù)測(cè)線加以區(qū)別，我們把這個(gè)復(fù)測(cè)圖叫做錯(cuò)位復(fù)測(cè)圖。這個(gè)錯(cuò)位復(fù)測(cè)圖我們也測(cè)了兩遍，放到了一張圖上。

從上述錯(cuò)位復(fù)測(cè)圖可以看出，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，都是假異常，打井無水也就不奇怪了。聯(lián)系到其他地方經(jīng)常也會(huì)遇到原位復(fù)測(cè)一致性很好，異常表現(xiàn)很明顯，但打井無水的案例，我們認(rèn)為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。

4.錯(cuò)位復(fù)測(cè)法是排除地表電性不均勻體造成的假異常的最好方法。

地表電性不均勻體是客觀真實(shí)存在的地質(zhì)體，如果只對(duì)原測(cè)點(diǎn)做原位復(fù)測(cè)，測(cè)出來的數(shù)據(jù)還是同樣受那些不均勻體的影響，原測(cè)圖和原位復(fù)測(cè)圖仍然是一致的，出現(xiàn) 的異常是否是不均勻體造成的辨別不出來。

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，我們認(rèn)為這也就是用錯(cuò)位復(fù)測(cè)法能把他們區(qū)別開來的主要理論根據(jù)。前者的原測(cè)圖和錯(cuò)位復(fù)測(cè)圖一致性好，后者的原測(cè)圖和錯(cuò)位復(fù)測(cè)圖一致性不好。所謂錯(cuò)位復(fù)測(cè)就是離開原測(cè)線若干米再測(cè)一條平行線，將二者進(jìn)行對(duì)比分析。平行線的距離以不小于3~5米為宜，若場地允許，平移的距離還可再大些。

圖三是我們?cè)谂钊R市曲家村測(cè)出的天電剖面圖，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，7和21是同一個(gè)測(cè)點(diǎn)。

《圖三、蓬萊、在無不均勻體條件下原測(cè)圖與原位復(fù)測(cè)圖之比較》

為了分析7點(diǎn)的低值異常是不是地表不均勻體造成的，我們又平移10米做了錯(cuò)位復(fù)測(cè)（圖四），圖中7號(hào)點(diǎn)仍然是低值異常，低值層深度都在150~200米，深度也一致，于是我們?cè)?點(diǎn)確定了井位。經(jīng)實(shí)打，90米見水，185米達(dá)5方/時(shí)，230米達(dá)15方/時(shí)以上，成為全村最好的井。

《圖四、蓬萊、在無不均勻體條件下原測(cè)圖與錯(cuò)位復(fù)測(cè)圖之比較》

保定市某養(yǎng)豬場地處花崗巖貧水地區(qū)，業(yè)主出16萬元要求每天能出水1000噸，招標(biāo)保水打井，我們用錯(cuò)位復(fù)測(cè)法測(cè)定了井位，只打了2個(gè)井就超額完成了任務(wù)。錯(cuò)位復(fù)測(cè)法現(xiàn)在已成了由我們指導(dǎo)的測(cè)水人員必須使用的方法，大大提高了成井率。

第一作者簡介：

楊佃俊，男，山東濰坊，教授級(jí)高工，1963年畢業(yè)于北京地質(zhì)學(xué)院水工地質(zhì)系，退休前任濰坊市水利局總工兼正處級(jí)主任、山東省水利專家顧問團(tuán)專家，現(xiàn)任湖南普奇地勘設(shè)備研究院高級(jí)顧問。

參考文獻(xiàn)：

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[5]楊樹華等.天然電場法找水效果的再認(rèn)識(shí).［地下水］期刊2016.3

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