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地表电性不均匀体对找水仪天电法测量的影响及对策

时间 : 2022-09-20 点击量 : 179

地表电性不均匀体对天电法测量的影响及对策

杨佃俊,杨树华,杨树伟

(潍坊市星河地下水研究所,山东潍坊,261031)

[摘要]天电法是近几年发展起来的颇受欢迎的主要用于基岩裂隙水的找水方法,但在山丘地区由于受地表电性不均匀体的影响,容易出现假异常,研究证明利用错位复测法分辨这种假异常是一种效果很好的方法。

[关键词]天电法;找水仪;地表电性不均匀体;错位复测法;效果。

天然电场选频法(以下简称天电法)属于大地电磁测深的范畴,是近几年发展很快的物探找水方法。它利用天然电磁波向地下传播再反射到地面的信号进行测量,装备简单,测速快,易操作,效果好,很受找水工作者欢迎。以湖南普奇地质勘探设备研究院生产的S系列测水仪为例,可以根据打井深度任意变换500、300、150、100米不同的测量深度,测量精度可达0.001毫伏,测完一个测点只需要2~3分钟,可以将多个测点多个频率测出的数据绘成一个剖面图。测完一条測线,不用借助电脑,只要点一下“绘制剖面图”就可自动绘制出原始剖面图、处理剖面图,数字曲线图等三种彩图,可以分析出地下的含水层结构。

任何物探方法都是有长有短一分为二的。与人工电场法相比,天电法的信号源在不利的电磁环境下不够稳定,必须对同一条測线连测两遍,才能更好地辨别其电磁环境是否稳定,反映出的异常是否可靠。在地表电性较均匀的情况下只要坚持复测,这个问题大多都能得到较好的解决,但在地表电性不均匀体存在的情况下,天电法受其影响的程度要比电阻率法大得多,会造成很多的假异常,必须引起重视,加以解决。

1. 电性不均匀体在山丘地区无处不在。

地质条件在垂向上是复杂多变的,在水平方向上沿地表同样也是复杂多变的。所谓地表电性不均匀体就是指在地表无序分布的,导电性能各异,电阻率差异较大的地质体。这些不均匀体类型多样,在山丘地区广泛存在,用肉眼大多不易察觉,归纳起来主要有以下几种。

一是土层厚薄不均匀。土层的电阻率比其下伏的大多数基岩小得多。当土层变厚时可以形成地表低值不均匀体。在山区,有的土层厚度只有几十公分,有的有几米,绝对值虽然相差不大,但相对值却差了若干倍。如果是石灰岩,在充填了粘土的溶沟溶槽处相差的倍数更大。測线与沟谷或山脚垂直土层厚度变化也很大。

二是土层的岩性不均匀。在包气带中有时有一些干砂层或干碎石层,这在冲沟中或是坡麓堆积中能经常见到,可以形成地表高值不均匀体。

三是基岩岩性不均匀。在软硬岩石相间的地层中,如果岩石倾角较大,且基本没有土层覆盖的地方,会形成地表高低值频繁交替出现的现象,成为多发的地表电性不均匀体。

四是岩石浅表层的风化裂隙发育不均匀。在花岗岩、变粒岩等结晶岩石地区浅表层风化裂隙发育很不均匀,容易形成深浅不一的嚢状风化带,成为地表低值不均匀体。尤其是在雨季,风化裂隙带的湿度比较大,电阻率变小,裂隙带以外电阻率仍然较大,高低值相差更大。

五是坚硬岩石局部裸露,裸岩时隐时现。岩石裸露的地方就是地表高值体,隠伏的地方就是地表低值体。这样形成的地表电性不均匀体对天电法影响更大。

2. 地表电性不均匀体造成假异常的形成机理。

天电法找水主要是分析水平方向或垂直方向数值的变化,这种变化可以用剖面图的等值线或颜色变化反映出来,数值突变的地方一般被称作“异常”,这些异常往往是断层、裂隙带、风化带、岩脉、岩性突变等原因造成的,成为找水的主要.目标。读图的主要任务就是要通过去伪存真分辨出异常的真假,找出含水构造。

电磁波在地下的传播始终遵循趋肤效应,同样也会遵循电磁波的反射折射等规律。电磁波向地下传播首先要透过地表的第一层介质,介质的导电性能(或称为“屏蔽效能”)的大小在很大程度上决定了电磁波向下传播信号的强弱。

介质的电阻率越小,“屛蔽效能”就越大,更容易吸收电磁波。

如果表层是低值层,它吸收的电磁波就越多,向下传播的信号就越弱,就会形成从浅到深数值都变小的低值点,在图中的表现就是“低值下传”。

如果表层是高值层,它吸收的电磁波较少,向下传播的信号就更强,就会形成从浅到深数值都变大的高值点,在图中的表现就是“高值下传”。

电磁波在地下的传播可用麦克斯韦方程来表达:

δ=503.5√(ρ/f)

式中:

δ━电磁波的趋肤深度(即穿透深度)米;

ρ━介质电阻率(欧姆·米);

f ━电磁波频率(赫兹)。

从上式可以看出,找水仪电磁波的频率越大,穿透深度越小。当频率一定时,介质的电阻率越小穿透深度也越小。如果第一层(即表层)是低值不均匀体,电磁波被吸收了很多,信号变弱了,穿透深度小了,低值f下传现象就出现了。高值下传也是这个道理。只有不存在地表电性不均匀体时,测出的数值大小才会真正反映出地下深部各层介质的电性特征。

3. 从一个失败的案例得到的启示。

莱州南相村一带有十几个村地处丘陵区,岩性为二长花岗岩,罕见有断层和岩脉,该村为建猪场打了二十多眼井,有三分之二基本无水,其他水量也不大。我们选了一个地势较低的已知井做了天电法测量,同时也做了同一条測线的重复测量(见图一)。

《图一、莱州、在不均匀体存在条件下原测图与原位复测图之比较》

图一

测量用的电极距10m,测点距5m,1~13点为原测图,15~27点为原位复测图,把两个图绘制到了一张图上,用空测点14加以分开。

从该图可以看出,原测图的3、4、10号点为相对低值点,1、2、7、8、11、12、13号点为相对高值点,在复测图上低值点和高值点与原测图完全一致,说明仪器测量精度很高,抗干扰能力很强。实打井位在2和3号点之间,这里数值反差明显,是高低值的结合部,仅从该图看井位是合理的,应该水量很好。经了解,该井实打150m,只在十几米出水1方/时,再向下基本无水,与图的表现完全不符。

为探求剖面图与实打出水量不符合的原因,我们又平移4m测了一条与上面的測线平行的測线,各测点完全对应(见图二)。

《图二、莱州、在不均匀体存在条件下原测图与错位复测图之比较》

图二

为与原位复测线加以区别,我们把这个复测图叫做错位复测图。这个错位复测图我们也测了两遍,放到了一张图上。

从上述错位复测图可以看出,在原测图和原位复测图中出现的3、4、10号的低值点都不见了,因而高低值的结合部也就不存在了,说明这些低值点是不真实的,都是假异常,打井无水也就不奇怪了。联系到其他地方经常也会遇到原位复测一致性很好,异常表现很明显,但打井无水的案例,我们认为这些假异常可能都是地表电性不均匀体造成的,只靠原位复测难以辨别出来。

4.错位复测法是排除地表电性不均匀体造成的假异常的最好方法。

地表电性不均匀体是客观真实存在的地质体,如果只对原测点做原位复测,测出来的数据还是同样受那些不均匀体的影响,原测图和原位复测图仍然是一致的,出现 的异常是否是不均匀体造成的辨别不出来。

找水的目的主要是找断层、裂隙带、岩脉、岩层突变等构造原因造成的地质异常,这些异常往往有一定的方向性和延伸性,而地表电性不均匀体绝大多数是不规律的,没有一定的方向性和延伸性,是这两种地质体的最大区别,我们认为这也就是用错位复测法能把他们区别开来的主要理论根据。前者的原测图和错位复测图一致性好,后者的原测图和错位复测图一致性不好。所谓错位复测就是离开原测线若干米再测一条平行线,将二者进行对比分析。平行线的距离以不小于3~5米为宜,若场地允许,平移的距离还可再大些。

图三是我们在蓬莱市曲家村测出的天电剖面图,1~15点是原测图,17~31点是原位复测图,二者一致性好,7和21是同一个测点。

《图三、蓬莱、在无不均匀体条件下原测图与原位复测图之比较》

图三

为了分析7点的低值异常是不是地表不均匀体造成的,我们又平移10米做了错位复测(图四),图中7号点仍然是低值异常,低值层深度都在150~200米,深度也一致,于是我们在7点确定了井位。经实打,90米见水,185米达5方/时,230米达15方/时以上,成为全村最好的井。

《图四、蓬莱、在无不均匀体条件下原测图与错位复测图之比较》

图四

保定市某养猪场地处花岗岩贫水地区,业主出16万元要求每天能出水1000吨,招标保水打井,我们用错位复测法测定了井位,只打了2个井就超额完成了任务。错位复测法现在已成了由我们指导的测水人员必须使用的方法,大大提高了成井率。

第一作者简介:

杨佃俊,男,山东潍坊,教授级高工,1963年毕业于北京地质学院水工地质系,退休前任潍坊市水利局总工兼正处级主任、山东省水利专家顾问团专家,现任湖南普奇地勘设备研究院高级顾问。

参考文献:

[1] 朱仁学大地电磁测深讲义.2002.6

[2] 韩荣波.天然电场选频法

[3] 杨佃俊.电测找水.山东人民出版社.1974

[4] 潍坊市星河地下水研究所.双向联合电测深法找水.专利号

ZL200810139004.2

[5]杨树华等.天然电场法找水效果的再认识.[地下水]期刊2016.3

[6][天电物探].湖南普奇地勘设备研究院内部刊物