天然电场选频法在勘察地下水中的应用

天然电场选频法在勘察地下水中的应用孙金龙（郑州工业贸易学校450007）摘要：天然电场选频法是勘察地下水赋存情况的一种物探方法，与常规物探方法相比，具有快速、信息丰富、独特的地质效果。关键词：天然电场选频法；地下水；快速。随着工农业生产的迅猛发展和城乡人口的增加，许多地方生产用水和人民群众生活用水十分困难。在这些地区，如何快速有效地寻找到丰富的地下水源，是解决缺水的重要环节。对发展农业、工业等都有着十分重要的意义。天然电场选频法，是利用大地电磁场及交变电磁场作为场源，通过测量电磁场在地面产生的电场变化特征，研究地下地电断面的电性差异，以达到探测地下水的一种新兴物探方法。该方法与常规物探方法相比，设备小巧轻便，工作方法简单，获取信息量大，资料直观易解释，在水文地质工程地质中取得了满意的地质效果。本文主要对天然电场选频法的基本原理及其在不同的地电模型中的应用效果进行阐述。1天然电场选频法的基本原理天然电场选频法场源为大地电磁场及交变电磁场,在距离场源很远的地面所分布的场,可视为一平面波，其分布方向近似垂直于地面，场的变化服从麦克斯韦方程组。通过对普通型波动方程求解，可以导出波阻抗与介质交流电阻率的关系：2)(51~yxsHEf（1）式中：s~表示交流电阻率（Ω·m）；f为工作频率（Hz）；Ex和Hy分别为电场分量和磁场分量；HyEx为波阻抗。这里不考虑Ex和Hy之间的相位差。根据平面电磁波在地层中传播时的衰减特征，电磁波在介质中穿透深度公式为f3.503（2）式中δ为穿透深度（m）。由（2）式可知，电磁波的穿透深度与频率、电阻率有关。当频率一定，电阻率越高穿透深度越大；当电阻率一定，频率越低穿透深度越大。因此，通过改变工作频率可达到改变探测深度的目的。由于在同一地区小范围内磁场分量基本稳定，可视为一常数，因而可以利用电场分量与电阻率的定性关系判断地质体的高、低阻特征。仪器测量工作频率选用的是具有大地电磁场特征的频率。我们知道，大地电磁场的频谱是相当宽的，从0.001Hz到106Hz之间。但根据实际的地质问题需要，选用15.7、23.6、71.8、129、213、320、640、980、1450（Hz）9个频点的工作频率和一个全频段混频测量，频率间隔在对数坐标纸上均匀分布，达到探测不同深度的目的。实践得知：由理论公式计算的深度比实际深度大，所以计算深度要乘以一个改正系数，一般取1/2~1/3为实际深度。2操作方法3应用实例及效果2-1古河道地下水济源市坡头镇坡头村位于黄河北岸，二级阶地上。据黄河滩边地层出露及已知井可知，自上而下岩性依次为：粘土、砂砾石、粘土及硬粘土等。由于区内主要含水砂砾石层处于区域水位之上，加之地表补给面积有限，造成该区为贫水区。有关施工单位先后在该区凿井7眼，都以无水而告终。我单位接受委托后，经详细地质调察，确定找水方向——黄河古河道孔隙水。根据区域水位和覆盖层厚度，选择天然电场选频法测量工作频率为320、640（Hz），点距20米，进行区域剖面测量，完成天然场剖面二条，剖面总长度400余米。图1是位于村东边近南北向沟内，天然电场选频法II剖面△V曲线，该剖面△V曲线在15~25号点间出现峰值异常段，幅值达到正常场1.5倍，认为该异常是地下古河道的反映。继而在该段24号点处又投入了温纳装置激电测深和五极纵轴视电阻率测深，确定大口井位一眼，口径2米，井深30米。施工成井后，降深2米，出水量240t/h。2-2松散沉积层地下水湾刘村位于郑州市西郊，工作区域为贾鲁河冲洪积区。因河流多次改道，致使地下松散沉积层中含水砂砾石分布不均匀，各处富水性差异较大。地下沉积松散层以粘土、砂层和砂砾石层为主；下伏地层为二叠系砂岩与砂质页岩互层，厚度大于300米。本次工作任务是，查找松散沉积层中富水地段，确定最佳井位一眼。图2是该工区内两条近似垂直的天然场选频剖面，南北向剖面在6-10号点出现高值异常，宽度约40米；东西向异常变化不大。分析认为地下含水砂层呈东西向条带状分布，富水性相对较好。为了更好的了解地下电性层的垂直变化情况，又投入了三极视电阻率测深点3个，进行对比分析，与天然场异常分析结果吻合。在南北剖面8号点处确定井位，设计井深95米。99年5月成井后，降深5米，涌水量为44t/h。2-3断层破碎带裂隙水湖南某工程公司位于长沙县南托岭。工区地层为：第四系白沙井组，岩性为粘土、细砂及砂砾石层。下部为第三系渐新统霞流市组粉砂岩、钙泥质粉砂岩。区内断裂构造发育情况不明，地层倾角100~150。用天然场选频法进行扫面工作，在区内部置了3条近东西剖面。选用两个工作频率，MN和点距为20米，沿测线进行观测。3条剖面中的高电位在平面上呈北西向的条带状展布（图3），其幅值为1.2~2.4mv，宽度为120~160米。结合区内水文地质情况分析认为，△V曲线上高电位段和低电位段分别由地下粉砂岩和钙泥质粉砂岩所引起。即地下可能有一条隐伏断裂构造存在。根据上述分析，在11线异常段上布置了联合剖面工作，ρA与ρB两支曲线在490号00.5102468101214——南北向实测△V曲线------东西向实测△V曲线00.511.5430490550610670730点号mv点号图2012图3长沙县南托岭△V剖平面图00.020.040.060.080.105101520253035mv点图1天然电场选频法II剖面曲线##mvN#ＷＥ／11430/9430/7750/7点出现低阻反映，在510号点出现正交点；静电卡法α卡法曲线在510号点出现主峰异常。综合选频法、α卡法和联合剖面法异常点的对应关系，将井位布设在510/11号点。经钻探验证，该孔在86-94.9米之间，岩石破碎，裂隙较发育，102-158米容孔发育。经抽水实验水量为136t/d，满足了该公司的要求。2-4岩溶裂隙水巩义市上庄村位于嵩山之北五指岭西侧。据村内一煤田勘察孔揭露，第四系粘土夹碎石的厚度约20米，下伏石炭系灰岩、砂质页岩和砂岩互层，该层厚约60米；奥陶系和寒武系地层为一套厚层状灰岩、白云质灰岩等。图4a是天然电场选频法I剖面△V测量曲线，频率f=640Hz△V曲线在12~16号点之间为一低阻异常段，两侧近似对称。频率f=15.7、71.8Hz△V曲线不对称性较为明显，极大值呈西高东低，曲线梯度增大，极小值点向东位移。II剖面位于I剖面南侧，相距60米，II剖面△V测量曲线与I剖面△V曲线形特相似。说明在14号点处有一条近东西向的岩溶裂隙发育带存在。图4b为视电阻率联合剖面曲线，A0=200米，低阻“正交点”位于14.5号点，两侧歧离带明显。结合地质、水文地质资料，设计井深200米，成井后抽水试验，静水位42米，降深38米，出水量52t/h。3结论通过多年的研究与实践，笔者认为，在地下水探测中，天然电场选频法与常规物探相比具有轻便灵活、快速高效、信息丰富等特点。无论在探测松散沉积层孔隙水或基岩地下水，都有明显的分辨能力，具有很强的实用性和可靠性。特别是天然电场选频法受场地限制小，能够避开或削弱地形、金属管缆因素的干扰。因此，在城市或山区勘察地下水，天然电场选频法具有更强的生命力。13676927791#a0.00.40.81.21.62.0测点EΔV（mV）640Hz213Hz15.7Hz