【摘 要】文章簡(jiǎn)要敘述了我國(guó)目前發(fā)展較快的幾種主要電法勘探方法的發(fā)展概況及其在工程和水文地質(zhì)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】電法勘探 高密度電法 激發(fā)極化法 CSAMT 瞬變電磁法 地質(zhì)雷達(dá)

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70余年的發(fā)展，我國(guó)的電法勘探無論在基礎(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)來解決地質(zhì)問題的一類勘探方法。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)問題等。近年來，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Victor Vacquier(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。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)，可以通過使用激電法來區(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)展起來的一種可控源頻率測(cè)深方法。CSAMT是1975年由Myron Goldstein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，這樣可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測(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(通常可達(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，可以通過多種靜態(tài)校正方法來消除“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)峥辈楹退墓こ痰刭|(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)。