山區電測找水關鍵技術問題處理

付用坤,劉福臣

(1.山東臨沂水利工程總公司,山東 臨沂 276000;2.山東水利職業學院,山東 日照 276826)

0 前言

電測找水在不同地層中取得了成功。劉福臣,林世樂,程興奇[1]采用聯合剖面法,對泰山群變質巖地下水的富水性進行研究;劉春華,王慎乾[2]利用綜合物探技術探測基巖地下水,取得了成功;劉福臣,王啟田,程興奇[3]采用激發極化法探測泰山群變質巖地下水,效果明顯。野外找水工作中,經常會遇到各種干擾,影響到觀測精度。劉福臣,徐光瑜[4]詳細探討了地形、低阻巖層、高阻巖脈、覆蓋層、故河道等特殊地質條件對電測找水產生的影響,并提出了應對措施。另外在電測找水實踐中,也會遇到儀器指針飄忽不定、測量電位電流過小、視電阻率曲線出現異常突變等技術問題,正確處理和解決這些問題,排除這些因素的干擾,提高成井率,尤為重要。

1 儀器指針飄忽不定

電阻率法是觀測供電時在 MN間產生的穩定的電位差,這種正常信號傳到儀器后,指針應該是穩定的。穩定的地電場(如金屬硫化礦、石墨以及炭化巖層所形成的自然電場等),可以在測量前補償掉,不構成干擾;而變化的地電場如大地電流、工業游散電流、隨時間變化滲濾電場等,在測量 過程中造成指針擺動,嚴重時無法讀數,影響觀測質量。

1.1 大地電流場

這種電場強度一般較小,有一定方向性,夏季強冬季弱。在一天中,中午強夜間弱,但周期性較復雜,是一種隨機干擾。可采取以下措施避免或減少：①在大地電流較弱時間觀測(如避開中午);②加大供電電流,以增大信噪比;③進行多次觀測,合理地讀數。

1.2 游散電流

在城市、礦山、電氣化鐵路等用點量很大的地區,由于接地線的存在,大地有強大的游散電流。另外在變壓器、有線廣播線的附近,接地線也能產生游散電流。由于用電量大小、時間和地點變化,使游散電流的分布、強度和方向變化多端,因此游散電流場的存在會引起指針無規律的擺動。

1.3 感應電動勢

當測量導線懸空隨風搖動切割地磁場或其周圍存在變化的磁場時,都會在測量線路內產生感應電動勢,形成干擾。在測量過程中應注意以下問題：

(1)測量導線切割地磁場磁力線,引起指針左右擺動。使測量導線盡量不要懸空,在無法實現時也要將導線拉緊,使之不能隨風擺動。

(2)供電回路接通或斷開的瞬間,由于電流突然變化,在周圍產生變化的磁場,因而在測量回路產生瞬間感應電流。供電瞬間感應電動勢加入儀器后與 Δu方向相同,因此使讀數增大,但只能維持很短時間,因此在觀測讀數時,應讀其穩定讀數。

(3)當測量導線鄰近并平行于高壓、低壓輸電線或通訊電纜時,都會產生感應電動勢,前者使指針抖動,后者使指針產生脈沖性偏轉。消除方法主要應使測量線垂直于輸電線,遠離后再平行鋪放。

1.4 變化的電極電位

土壤中的溶液性質或濃度改變,都會引起電極電位的變化,從而導致極化電位差的變化。如電極打在流水中,則指針表現為隨水流擺動;有時由于測量導線漏電,導線裸露部分在風的吹動下,使指針產生脈動式擺動。

1.5 隨時間變化的滲濾電場

由于降雨或因地面干燥而澆水,在短時間內會引起隨時間變化的滲濾電場。這種電場會引起指針緩慢漂移,為避免這種干擾,一是雨后不要立即進行觀測;二是澆水后,應間隔半小時以后再進行觀測。

2 測量電位、電流過小

當人工供電后,在大地產生了電場,測量電極 M、N產生的電位與電流,然后計算視電阻率。所測到的電位和電流越越大,越能真實反映地下巖層的電阻率。然而在野外工作中,在山區接地條件差或大極距供電情況下,有時測量到的電位、電流很小,造成測量誤差。

在電測找水過程中,存在兩個完整回路,一個是供電回路,即由電池、供電導線、供電電極、大地組成的回路;一個是測量回路,即由儀器、測量線路、測量電極、大地組成的回路。

2.1 供電回路

在供電回路中,根據歐姆定律：

式中：I為供電回路電流;R為供電回路電壓;V為供電回路電阻。

供電回路上的總電阻主要由電池內阻、供電導線內阻和接地電阻組成,即：

要想得到較大的供電電流,一是要增加供電電壓;二是要減少回路總電阻。

2.1.1 增大供電電壓

電測找水一般采用 45V乙電組成的電池組,即由 30節 1號電池串聯組成,每塊乙電池的電壓為 45V,新電池的內阻約 15Ω。在測量過程中,如遇到大極距供電或山區接地條件差情況,可以增加電池,以加大供電電壓。

2.1.2 調整電源工作方式

野外測量中,可以根據具體情況,通過調整電池的工作方式,增大供電電流。在平原地區或山區接地條件較好時,當電池用舊后,電池內阻相應增大,此時使用并聯電池,可增大供電電流;在接地條件較差的山區,電極的接地電阻很大時,而所使用的是新電池,此時電池內阻相對較小,使用串聯電池,可以增大供電電流。

2.1.3 減少接地電阻

一般情況下,供電導線的內阻是不變的,接地電阻是可以改變的。野外測量中,盡量減少接地電阻,以加大供電電流。

(1)加大電極與土壤接觸面積

如果電極處土處于松動狀態,接地電阻會增大,為減少接地電阻的影響,應使電極與周圍的土緊密接觸,使用表面積較大的電極,加大電極入土深度,除去電極表面的鐵銹。不要將電電極打在電阻率較大的碎石、砂子附近。

(2)減少電極附近介質的電阻率

在測量精度允許情況下,盡量將電極打在潮濕的地方;在電極附近澆水,減少接地電阻。由于在電極附近的電位降減弱較快,接地電阻主要表現在靠近電極附近的電極中,故只在電極附近澆水即能達到減少接地電阻的目的。

(3)電極穿透凍土層

電阻率的大小與溫度有關,溫度上升,水的溶解度增加,使水中的離子含量增加,致使水的導電性增強,巖石電阻率下降;溫度下降,巖石電阻率升高,尤其在零度以下,水將結冰,會使巖石電阻率急劇增高。在寒冷地區或冰凍季節進行電法勘探找水時,由于溫度降低,造成近地表的土或巖石電阻率增高,因此電極一定要打穿凍土層,以減少接地電阻。

2.2 測量回路

對于四極對稱電測深,測量回路測量的視電阻率為：

當供電、測量極距一定時,裝置系數是固定的,視電阻率主要與測量回路的電位差和電流有關。要想得到較大的電位差和電流,可以采取以下措施：

(1)減少測量電極的接地電阻

采用紫銅極材料,可減少接地電阻。采用固定裝置時,測量電極一般固定不動,一般將測量電極做成直徑較大尺寸,并加大測量電極入土深度,可以有效減少接地電阻。

(2)加大測量極距

加大測量極距,可以有效地增加電位差和電流,但此時勘探體積相應地增加,測量的視電阻率為大范圍內的綜合反映,有可能遺漏有用的低阻異常。

3 視電阻率曲線出現異常突變

在某一個供電極距測量時,電阻率很大或者很低,電測深曲線出現明顯的拐點,給曲線解釋帶來困難。造成視電阻率曲線出現異常突變的原因主要有：

3.1 供電極距有誤

實際供電時的極距產生誤差,導致視電阻率曲線產生突變。產生極距錯誤的原因主要有：

3.1.1 漏掉某個極距

在小極距情況下,相鄰兩個極距的距離較短,很容易漏掉某個極距;或者 A、B兩個供電極距大小不一致,供電裝置不是四極對稱裝置,而計算視電阻率是按四極對稱的裝置系數,必然會造成電阻率曲線產生畸變。

3.1.2 極距標志移位

供電極距供電極距的大小一般是用膠布標在供電導線上的,在長期使用過程中,膠布很容易移位,造成誤差。產生這種曲線畸變的原因,一般不容易發現。在正式測量前,一定要校核各極距位置,避免出現這類誤差。

3.2 低阻巖層干擾

在測量過程中,如遇到金屬礦體、石墨、硫化礦、泥灰巖、頁巖等低阻巖層的干擾,在某個極距上,測量出的視電阻率很低,出現曲線畸變。

3.2.1 變質巖地區

在泰山群、膠東群、膠南群變質巖地區,如遇到金屬礦體、石墨、硫化礦等低阻巖層的干擾,電測深曲線會出現突變。在相應的極距上,視電阻率曲線會出現水平變異或下降變異。由于變質巖地區地下水富水性較差,這種變異一般不是含水構造,應是低阻巖層的干擾;而激電電測深的充電率M曲線表現為過大現象,則可能是礦體的反映。

3.2.2 石灰巖地區

在石灰巖地區,如遇到充水溶洞、粘土充填溶洞、泥灰巖、頁巖等低阻巖層和構造,在某個極距上,視電阻率曲線會出現水平變異或下降變異,這種變異特征應仔細分析,判斷是否為含水構造或低阻巖層。

3.3 線路漏電

在野外觀測中,尤其是雨后潮濕的環境中觀測,或者電線長久老化,有可能產生漏電。漏電可能發生在供電線路、測量線路。當漏電部位位于供電線路和測量線路時,電測深曲線會出現嚴重畸變。

3.3.1 供電線路漏電[5]

漏電位置愈靠近測量電極,產生的影響也愈大,這是因為漏電位置靠近測量電極時,相當于在測量電極附近打了一個附加電極,此電極產生的電場強度,對 M、N極的電位影響較大。漏電位置越靠近供電電極,則影響較小。當漏電位置與位置一定時,漏電影響隨裝置系數 K的增大而增大,因此在大極距工作時,應特別注意供電線路漏電問題。

3.3.2 測量線路漏電

當測量導線漏電時,由于導線金屬接地產生新的極化電位加入儀器,使觀測電位差減少,計算的視電阻率偏少,造成低阻的假象,對電測深曲線的解釋影響很大,在野外電測過程中,必須高度重視。

4 結論

(1)儀器指針飄忽不定的原因主要有大地電流場、游散電流、感應電動勢、變化的電極電位、隨時間變化的滲濾電場。

(2)通過增大供電電壓、調整電源工作方式、減少供電電極接地電阻等方法增大供電電流。

(3)減少測量電極的接地電阻、加大測量極距可以增大測量電位差和電流,提高觀測精度。

(4)造成視電阻率曲線出現異常突變主要供電極距有誤、低阻巖層干擾、線路漏電等原因。

[1]劉福臣,林世樂,程興奇等.聯合剖面法探測泰山群變質巖地下水[J].灌溉與排水學報：2007(4)：188-189.

[2]劉春華,王慎乾.綜合物探基巖找水技術研究[J].山東水利,2003(5)：88-90.

[3]劉福臣,王啟田,程興奇.激發極化法探測泰山群變質巖地下水[J].水文地質工程地質,2008(5)：72-74.

[4]劉福臣,徐光瑜.地形及特殊地質條件對電法勘探找水的干擾及應對措施[J].中國農村水利水電,2009(9)：188-190.

[5]周天福.工程物探[M].北京：中國水利電力出版社,1997.