【摘 要】文章簡要敘述了我國目前發(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)自然電場現(xiàn)象，至今已有100多年的歷史。我國電法勘探始于20世紀(jì)30年代，由當(dāng)時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，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深法，其原理與普通電阻率法相同，所不同的是在觀測中設(shè)置了高密度的觀測點(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，英國人設(shè)計的電測深偏置系統(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)有中國地質(zhì)大學(xué)、原長春地質(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。

高密度電法野外測量時將全部電極(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)了自動化或半自動化，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)、吳長盛(2001)、郭鐵柱(2001)、董浩斌(2001)等使用高密度電法在水庫大壩的壩體穩(wěn)定性評價、壩基滲漏勘查、堤壩裂縫檢測上見到了好的應(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)度特性評價上;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)場跑道的地基勘探中;郭秀軍(2001)采用高密度電法探測防空洞、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際機(jī)場擴(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、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，在測量電極之間總能觀測到隨時間緩慢變化的附加電場，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年代末在我國開始研究和推廣的，早期是以直流(時間域)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。由于該方法測量的是二次場，具有不受地形起伏和圍巖電性不均勻的影響、可測量的參數(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，國外學(xué)者Victor Vacquier(1957)等提出了用激電二次場衰減速度找水的思想。在該思想的啟迪下，我國也開展了有關(guān)研究，并將激電場的衰減速度具體化為半衰時、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)測方法預(yù)報了地下涌水量;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)對地層的富水性進(jìn)行評價，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，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螆雠c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與磁場比值之間的關(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)射頻率來改變探測深度，達(dá)到頻率測深的目的。目前，已商業(yè)化的CSAMT儀器是由加拿大鳳凰公司與美國宗基公司研制的。

CSAMT采用可控制人工場源，測量由電偶極源傳送到地下的電磁場分量，兩個電極電源的距離為1～2km，測量是在距離場源5～10km以外的范圍進(jìn)行，此時場源可以近似為一個平面波。由于該方法的探測深度較大(通?？蛇_(dá)2km)，并且兼有剖面和測深雙重性質(zhì)，因此具有諸多優(yōu)點(diǎn)：

第一，使用可控制的人工場源，測量參數(shù)為電場與磁場之比——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)行不同深度的電測深，提高了工作效率，一次發(fā)射可同時完成7個點(diǎn)的電磁測深。

第三，探測深度范圍大，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?！SAMT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。