高密度電法勘探中負(fù)電位差的產(chǎn)生原因及其可利用性分析

葛紅旗

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局物化探總隊(duì)，貴州 都勻 558000）

高密度電法勘探技術(shù)成熟，在工程地質(zhì)勘探中應(yīng)用較為廣泛，一般情況下，相關(guān)工作人員是通過利用電阻率參數(shù)來對電法勘探資料進(jìn)行解釋，但是在南方等巖溶較為發(fā)育的地區(qū)，電阻率會出現(xiàn)負(fù)值情況，關(guān)于這方面的研究還待深入[1-3]。因此，文中對負(fù)電位差產(chǎn)生的原因以及具體利用進(jìn)行研究，以期能更好促進(jìn)電法勘探運(yùn)用。

1 地電場理論概述

根據(jù)有關(guān)研究資料，在大陸地區(qū)，大地磁場的平均梯度在20mV/km，且大地磁場會隨著時間以及方向的變化而改變；局部較小范圍內(nèi)形成的自然電磁場較為穩(wěn)定，異常地帶的電磁場與其他區(qū)域內(nèi)的電磁場強(qiáng)度變化幅度一般在幾十或者幾百mV，特別是當(dāng)受到某些礦產(chǎn)影響時，電磁場的負(fù)自電異常值可以達(dá)到-800mV甚至更高，同時由于高密度電法勘探技術(shù)建立的電磁場電位值在幾十mV，因此，對在對負(fù)電位差產(chǎn)生原因分析時只考慮自然電磁場的影響。

根據(jù)有關(guān)研究成果，過濾電磁場的大小跟所處環(huán)境中的巖體滲透率、孔隙水的導(dǎo)電率以及環(huán)境中巖體性質(zhì)有密切關(guān)聯(lián)，具體可以采用下述公式進(jìn)行表達(dá)。

其中：ρ水表示巖體中裂隙水的電阻率值（π·m）；ΔP 表示為環(huán)境中的水頭壓力（pa）

2 自然電磁場分布特征

2.1 傾斜巖土交接面自然電磁場分布特征

巖層與土的交接面形式很多，同時土以及巖層的種類也多種多樣，當(dāng)土中含有的粘性土比例較大、含水率較高時，其與巖層的交接面往往接觸較為緊密，交接面的電性差變化不明顯，因而，此情況下的過濾電磁場值一般較為弱小；當(dāng)土層中含有的碎石同時巖基面較為傾斜時，巖層與土層的交接面處就可能形成局部的空腔，地下水沿著土層與巖層的交界面運(yùn)移，形成較大的過濾電場。具體如圖1所示。

圖1 傾斜層面自然電磁場分布

2.2 溶洞情況下自然電磁場分布特征

在大氣降水或者地下水作用下，可溶性巖層在水流作用下出現(xiàn)空洞，形成溶洞，根據(jù)溶洞內(nèi)是否含水分為全充水溶洞、部分充水溶洞以及不含水溶洞，由于全充水溶洞類似于一電阻率較低的球體，因此，在對自然電磁場影響不大，文中僅對半充水以及不含水溶洞進(jìn)行分析。

當(dāng)溶洞內(nèi)部不含水時，帶點(diǎn)的正電離子主要分布在溶洞下部的裂隙附近，當(dāng)溶洞底部含水是，帶正電的離子主要在溶洞底部，這兩種情況下，自然電磁場的分布狀態(tài)較為接近，具體如圖2所示。當(dāng)?shù)叵滤?jīng)過溶洞附近區(qū)域時，由于水的作用使得溶洞內(nèi)固液界面形成離層雙電層的穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞，從而沿著水流方向形成電磁場。

3 負(fù)電位差產(chǎn)生原因分析

為了便于對電位差進(jìn)行區(qū)分，將自然形成的過濾電磁場電位差采用表示，人工搭建的電磁場電位差采用表示，自然狀態(tài)下電磁場分布如圖1所示。當(dāng)在地面位置搭建人工點(diǎn)磁場之后的電磁場分布如圖2所示。

自然狀態(tài)下的電磁場與人工搭建的電磁場相互作用，會導(dǎo)致自然電磁場出現(xiàn)壓縮或者偏差的情況，人工及自然電磁場疊加作用下產(chǎn)生的電位差可以采用下述公式進(jìn)行計(jì)算：

在傾斜界面情況下，由于電磁場供電方向的差異，人工搭建的電磁場對自然電磁場的影響不盡相同，當(dāng)坡腳處于正供電狀態(tài)時，人工電磁場與自然電磁場的方向趨于一致，這時取值為正；當(dāng)坡腳對應(yīng)的坡頂處于正供電狀態(tài)時，人工電磁場與自然電磁場的方向相反，這時取值為負(fù)。從公式2中可以看出啊，當(dāng)自然電磁場方向與人工電磁場方向相反時，且值大于會造成儀器測定的電位差值為負(fù)值。這種情況通常發(fā)生在供電電壓值不高，且探測區(qū)域內(nèi)的水頭壓力較大的區(qū)域出現(xiàn)。

4 工程實(shí)例分析

在西南地區(qū)某高速工程滑坡體探測過程中，前期地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)得出的滑坡體厚度在45m左右，施工單位準(zhǔn)備55m的套管進(jìn)行滑坡治理，但是具體鉆孔施工到53m位置時，仍未見到巖層基巖，該滑坡探測現(xiàn)場地質(zhì)為單一的向斜構(gòu)造，角度在40°左右，坡頂位置堆積有碎石塊并加雜有黏土，黏土以及小碎石占比為60%左右，坡底位置為一河流，從傾斜巖面巷可以明顯看出水流從傾斜的坡體流出，在采用高密度電磁法勘探時，隔離系數(shù)取值在16時，在鉆孔附近的探測區(qū)域內(nèi)反復(fù)的出現(xiàn)負(fù)電位差情況，從電磁勘探圖中以及負(fù)電位差的出現(xiàn)綜合判斷可以得出，基巖面的深度應(yīng)該82m左右，而非此前地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的45m，鉆孔的鉆探結(jié)果也表明，基巖面深度在80.3m。若僅僅的從電磁勘探結(jié)果中進(jìn)行解讀，不考慮負(fù)電位差，判斷的結(jié)果應(yīng)該63m左右，與現(xiàn)實(shí)情況存在明顯的差異。

圖2 邊坡電磁勘探成果圖

5 總結(jié)

文中對地電場理論進(jìn)行了概述，分析了傾斜巖土交接面自然電磁場以及溶洞情況下自然電磁場分布特征，并對負(fù)電位差產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，最后采用西南某隧道的地質(zhì)勘探為例，對負(fù)電位差的運(yùn)用進(jìn)行分析，以期能更好的促進(jìn)高密度電法勘探的應(yīng)用。