電法勘探在水文地質勘察中的應用

吳廣宇

摘 要：電法勘探是一種利用地下水文、巖石和礦體的電化學或電磁學的差異性進行地質勘察的方法。經過幾十年的發展，電法勘探發展為高密度電法、可控源音頻大地電磁法（CSAMT）、瞬變電磁法（TEM）和地質雷達法（GPR）等多種電法勘探技術。電法勘探以其適應性強、種類多和勘察效果好的特點被廣泛的應用在水文地質勘察行業，并得到業內的廣泛認可。本文對電法勘探的幾種常見方法及其優點進行了分析和討論。

關鍵詞：電法勘探；技術；地質勘察

電法勘探的原理是利用自然電場或者人工電場、磁場或電化學場進行測量，通過分析被測對象的磁性、電性、介電性和電化學分布規律進行地質勘察的。在1835年，英國科學家福克斯（P.Fox）首次在硫化銅礦床發現了自然電場，人們初次利用自然電場法進行地質勘察。在19世紀末科學家提出采用電阻率人工場源法進行地質勘察的方法，后來發展為聯合剖面法、四極法、電測深法和偶極剖面法等多個分支方法。電磁感應法于1917年被科學家提出，并在1925年成功應用在地質勘察中。在1920年，科研工作者經過深入研究提出采用激發極化效應進行地質勘察的電化學方法。

到20世紀30年代電法勘探技術引入我國，我國的電法勘探技術、基礎理論和應用效果經過幾十年的發展取得巨大的進步，我國目前常用的電法勘探技術有：充電法、電阻率法、大地電磁測深罰、激發極化法、電磁感應法和自然電場法等。

限于篇幅，本文僅對高密度電法、可控源音頻大地電磁法（CSAMT）、瞬變電磁法（TEM）和地質雷達法（GPR）這四種主要的電法勘探技術進行分析與闡述。

1 電法勘探技術及其優點

1.1 高密度電法

高密度電法實際就是高密度電阻率法，與電阻率法的不同點是在勘探中的觀測點布設密度較高，屬于陣列勘探法的一種。英國科學家于20世紀70年代末首次利用陣列電法勘探思想設計出電測深偏置系統，電測深偏置系統為最初的高密度電法模型。

高密度電法集成了電測深法和電剖面法兩種方法，進行測量時需將數十根和上百根的測量電極布設在測量剖面上，然后利用電極轉換板和微機電測儀進行數據的采集。高密度電法成像圖主要為二維的地電斷面圖，隨著技術的發展高密度電法也可以進行三維成像，大大的提高了地電斷面測量的精度。

高密度電法具有如下優點：

1）高密度電法的電極為一次性布設完成，減少了電極布設引起的測量誤差和干擾，便于野外數據的自動和快速的采集。

2）可以對電極的排列方式進行組合，可以得到不同的地電斷面掃描圖，能夠較完整的反映出地電斷面的結構特征。

3）實現了野外數據的半自動和全自動化的采集，并且測量的速度很快，極大的提高了工作效率。

4）可以對測量對象進行二維的或三維的成像和自動繪圖，大大的提高了地電斷面測量的精度。

5）相比電阻率法具有成像精度高、成本低、測量速度快和勘探能力強的特點。

因此，在含水破碎帶、采空區、溶洞和金屬礦藏等電差異性較大的區域均可以采用高密度電法進行勘察。

1.2 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是一種可控源頻率探測技術，是在音頻大地電磁法（AMT）和大地電磁法（MT）的基礎上發展起來的。可控源音頻大地電磁法的測量原理是通過麥克斯韋方程和電磁波傳播方程建立電場、磁場和電磁波之間關系的方程組，計算探測深度和頻率之間的比例關系。通過調整可控源的頻率可以改變電磁波的探深，從而達到頻率探測的目的。

可控源音頻大地電磁法的測量方法為：在相隔約2km的測量地點布設兩個電偶極源，這樣場源將近似成為一個平面波，然后可對電偶極源傳播到地下的電磁分量進行測量。可控源音頻大地電磁法的探測深度可達2km，同時還可以對被測對象的剖面進行探測。

可控源音頻大地電磁法的優點為：

1）使用人工場源，不但可以控制場源頻率還可以減少外界的干擾。

2）可以控制探測的頻率和深度，可同時進行多點的電磁探測，大大的提高了工作效率。

3）探測深度大，一般可以進行2km深度的探測。

4）分辨率高，可以有效的對斷層進行掃描。

5）屏蔽效應低，電磁波可以有效穿透高阻屏蔽層，不影響測量。

可控源音頻大地電磁法可以應用于深層的地質勘察，如：油氣構造、地下煤、地下金屬礦、地下水和地熱等方面的勘察。

1.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法的測量原理為電磁感應定律。測量方法為：不接地在空中布設可以發射一定波形電磁場的發射線圈，通過發射線圈向地下發射一次電磁場，地下導電礦體產生感應電流，斷電后測量感應電磁場隨時間的衰減變化。瞬變電磁法屬于二次場檢測，避免了一次場偶合噪聲的影響，具有分辨率高、體積效應小、受旁測地質影響小、低阻反映靈敏和探測深度深的優點。

1.4 地質雷達

地質雷達（Ground Penetrating Radar）的測量原理是：利用發射器發射寬帶高頻時域電磁脈沖，當脈沖遇到探測目標后會反射回地面，然后被接收天線接收。通過對反射電磁波的振幅、頻率等特征進行分析可以得到被測目標的性質和形態。地質雷達的分辨率可達0.05米以下，但是探測深度最多可達100米，主要應用于淺層地質勘察。

2 結語

除了本文介紹的電法勘探技術還有激發極化法、自然電場法、充電法和大地電磁場法等多種電法勘探技術。電法勘探技術是地球物理學中適應性最強、種類最大和應用最廣的方法，逐漸滲透到多種領域的檢測勘察當中。勘察工作者應對每種電法勘探技術的特點進行深入的學習和了解，根據當地環境恰當的選擇勘探方法，以取得可靠、準確和詳細的水文地質資料。

參考文獻：

[1] 劉樹才，劉志新，姜志海.瞬變電磁法在煤礦采區水文勘探中的應用[J].中國礦業大學學報，2005，4（34）：414-417.

[2] 王志磊，劉彥濤，許曉陽等.電法勘探在礦山水文勘探中的應用王[J].中州煤炭，2011（8）：66-68.