地表電性不均勻體對天電法測量的影響及對策

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，研究證明利用錯位復(fù)測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；錯位復(fù)測法；效果。

天然電場選頻法（以下簡稱天電法）屬于大地電磁測深的范疇，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進(jìn)行測量，裝備簡單，測速快，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米不同的測量深度，測量精度可達(dá)0.001毫伏，測完一個測點只需要2~3分鐘，可以將多個測點多個頻率測出的數(shù)據(jù)繪成一個剖面圖。測完一條測線，不用借助電腦，只要點一下“繪制剖面圖”就可自動繪制出原始剖面圖、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，天電法的信號源在不利的電磁環(huán)境下不夠穩(wěn)定，必須對同一條測線連測兩遍，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持復(fù)測，這個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，絕對值雖然相差不大，但相對值卻差了若干倍。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。

五是堅硬巖石局部裸露，裸巖時隱時現(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?！?，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的強弱。

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，向下傳播的信號就越弱，就會形成從淺到深數(shù)值都變小的低值點，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，向下傳播的信號就更強，就會形成從淺到深數(shù)值都變大的高值點，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，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，信號變?nèi)趿耍┩干疃刃×?，低值f下傳現(xiàn)象就出現(xiàn)了。高值下傳也是這個道理。只有不存在地表電性不均勻體時，測出的數(shù)值大小才會真正反映出地下深部各層介質(zhì)的電性特征。

3. 從一個失敗的案例得到的啟示。

萊州南相村一帶有十幾個村地處丘陵區(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。我們選了一個地勢較低的已知井做了天電法測量，同時也做了同一條測線的重復(fù)測量（見圖一）。

《圖一、萊州、在不均勻體存在條件下原測圖與原位復(fù)測圖之比較》

測量用的電極距10m，測點距5m，1~13點為原測圖，15~27點為原位復(fù)測圖，把兩個圖繪制到了一張圖上，用空測點14加以分開。

從該圖可以看出，原測圖的3、4、10號點為相對低值點，1、2、7、8、11、12、13號點為相對高值點，在復(fù)測圖上低值點和高值點與原測圖完全一致，說明儀器測量精度很高，抗干擾能力很強。實打井位在2和3號點之間，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，該井實打150m，只在十幾米出水1方/時，再向下基本無水，與圖的表現(xiàn)完全不符。

為探求剖面圖與實打出水量不符合的原因，我們又平移4m測了一條與上面的測線平行的測線，各測點完全對應(yīng)（見圖二）。

《圖二、萊州、在不均勻體存在條件下原測圖與錯位復(fù)測圖之比較》

為與原位復(fù)測線加以區(qū)別，我們把這個復(fù)測圖叫做錯位復(fù)測圖。這個錯位復(fù)測圖我們也測了兩遍，放到了一張圖上。

從上述錯位復(fù)測圖可以看出，在原測圖和原位復(fù)測圖中出現(xiàn)的3、4、10號的低值點都不見了，因而高低值的結(jié)合部也就不存在了，說明這些低值點是不真實的，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)常也會遇到原位復(fù)測一致性很好，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?？赡芏际堑乇黼娦圆痪鶆蝮w造成的，只靠原位復(fù)測難以辨別出來。

4.錯位復(fù)測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存在的地質(zhì)體，如果只對原測點做原位復(fù)測，測出來的數(shù)據(jù)還是同樣受那些不均勻體的影響，原測圖和原位復(fù)測圖仍然是一致的，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)為這也就是用錯位復(fù)測法能把他們區(qū)別開來的主要理論根據(jù)。前者的原測圖和錯位復(fù)測圖一致性好，后者的原測圖和錯位復(fù)測圖一致性不好。所謂錯位復(fù)測就是離開原測線若干米再測一條平行線，將二者進(jìn)行對比分析。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。

圖三是我們在蓬萊市曲家村測出的天電剖面圖，1~15點是原測圖，17~31點是原位復(fù)測圖，二者一致性好，7和21是同一個測點。

《圖三、蓬萊、在無不均勻體條件下原測圖與原位復(fù)測圖之比較》

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

《圖四、蓬萊、在無不均勻體條件下原測圖與錯位復(fù)測圖之比較》

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，我們用錯位復(fù)測法測定了井位，只打了2個井就超額完成了任務(wù)。錯位復(fù)測法現(xiàn)在已成了由我們指導(dǎo)的測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)備研究院高級顧問。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱仁學(xué)大地電磁測深講義.2002.6

[2] 韓榮波.天然電場選頻法

[3] 楊佃俊.電測找水.山東人民出版社.1974

[4] 濰坊市星河地下水研究所.雙向聯(lián)合電測深法找水.專利號

ZL200810139004.2

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

[6]［天電物探］.湖南普奇地勘設(shè)備研究院內(nèi)部刊物