張 啟，楊天春，2，王齊仁，2，許德根

(1.湖南科技大學土木工程學院，湖南湘潭411201;2.湖南科技大學 頁巖氣資源利用湖南省重點實驗室，湖南湘潭411201)

地下水資源是干旱缺水地區(qū)人們賴以生存的自然資源之一。盡管我國幅員遼闊，水資源總量居世界第六位，但人均擁有量很低，只占世界人均占有量的25%。近年來，隨著我國經濟的飛速發(fā)展，對水資源的需求也明顯增加;同時，隨著人們生活水平的提高，圍繞地熱資源的旅游開發(fā)項目也有顯著增多，合理有效地開發(fā)和利用地下水資源是十分重要的[2]。

社會的發(fā)展和人們生活的需求為地下水的勘探提出了更高的要求，同時也為物探方法的應用提供了更廣闊的舞臺。物探方法具有簡便、高效、成本低等特點[2，3]，它能為地下水的勘探工作提供鉆探井位，避免鉆探工作的盲目性，減少鉆探方法的成本。本文中，作者根據自己多年來的實踐[4，5]，利用工作實例介紹天然電場選頻法在湖南瀏陽某地溫泉勘探中的應用效果，并對一個簡單的地質地球物理模型進行理論推導和模擬計算，從理論上說明天然電場選頻法的異常形成原因。

1 天然電場選頻法原理與技術

天然電場選頻物探法簡稱天然電場選頻法或選頻法。天然電磁場的頻帶較寬，但從目前國內現有的儀器來看，天然電場選頻儀所利用的工作頻率一般為14～1 500 Hz，實踐中一般只選擇幾個固定的頻率為工作頻率。選頻法利用大地電磁場作為工作場源，測量天然交變電磁場在地面產生的電場分量異常，以此來研究地下地電斷面的電性變化狀況，從而來解決地質問題。由于頻率不同，電磁波的衰減程度不同，各種頻率電磁波的穿透深度和勘探深度也就不同，因此，在同一測點上利于各種頻率的測量結果，可達到頻率測深的效果。

天然交變電場選頻法的場源一方面來源于閃電、雷雨而產生的電場，其方向垂直于地球表面;另一方面來源于工業(yè)游散電流。在場源較遠的地方，這種電磁場可看作平面電磁波，場的變化規(guī)律服從麥克斯韋方程組。如果不考慮磁場強度與電場強度之間的相位差，那么電磁波的穿透深度(δ)和交流視電阻率()可表達為[6]:

式中:ρ為介質的電阻率(Wm);f為工作頻率(Hz);Ex為x方向的電場強度(mv/km);Hy為方向的磁場強度(γ)。

電磁法的勘探深度與電磁波的穿透深度(即趨膚深度)密切相關，就天然電場選頻法而言，一般用來估計其勘探深度，由此來反演異常體的埋深。在現場實際勘探中，點距一般為1～10 m不等;實測方法有平行移動法、垂直觀測法和正交觀測法[7]，一般采用平行移動法，即電極M、N保持固定的間距(通常取10 m或20 m)沿測線移動，測量兩電極之間的電位差，并以MN的中點O作為記錄點。區(qū)域地質構造延伸展布特征，進而確立地質構造骨架及其與深部巖漿巖體的相互關系;(3)配合物探成果，確定下一步鉆探井位。本次使用的物探儀器為DX-1型天然電場選頻儀和WDJF-1數字幅頻激電儀，共敷設物探剖面6條。

2 應用實例與效果

目前，天然電場選頻法在水文地質和工程地質中都有所應用，如災害勘查、注漿堵水中都有很成功的實例[8]。下面以實地勘探工作為例，說明天然電場選頻法在湖南某地地下熱水勘探中的應用效果。

2.1 測區(qū)地質概況

湖南省瀏陽市某地有熱水出露，該地屬亞熱帶溫濕氣候區(qū)，春夏溫暖多雨，秋冬寒冷干燥。降雨多集中在3～7月，多年平均降雨量為1 600 mm左右，水利資源相對充足，地表山泉常年不斷，且流量大小隨季節(jié)而變化，并順山勢直流而下匯于沖溝溪谷，排泄于瀏陽河中。

該測區(qū)位于北東向的長(沙)平(江)斷裂帶的中段南側，受區(qū)域大斷裂影響，附近次一級斷層及隱伏含水構造裂隙發(fā)育，且關系復雜，變化相對較大，大多為冷水斷裂，只有個別發(fā)育深度相對較大的深部斷裂為熱水導水斷裂。

區(qū)內出露地層主要為冷家溪群(Ptln2)土黃色千枚狀板巖，煙灰色弱硅化絹云母粉砂質板巖和青灰色強硅化板巖，板狀構造，板理清晰，局部裂隙節(jié)理發(fā)育，并見有石英呈脈狀充填。溫泉探查區(qū)外圍西北約3 km及東側約十公里左右地段，分別見有燕山早期黑云母花崗巖體和加里東期黑云母花崗巖體侵入;探測區(qū)西南側約1 km有閃長斑巖和花崗斑巖露頭分布。預測探測區(qū)及其附近有花崗巖體，推測深度在n×100～1 000 m之間有花崗巖基存在，為地下深部熱水溫泉的形成，提供了主要熱源條件。

湖南省地礦局402隊曾于2007年在該地區(qū)開展過初步地質勘察工作，并布設物探直流電法聯合剖面5條，測量點距為20 m，同時在小范圍內開展地質調查工作，最后完成2個鉆孔的水文地質鉆探勘察工作，最大孔深91.5 m，但未鉆到好的熱水構造帶。

2.2 物探成果與分析

針對該測區(qū)的實際地形地貌和周圍村民住房分別情況，本次物探工作主要采用三極激電測深法和天然電場選頻法，旨在查明深部含水層位置。同時，對溫泉周邊區(qū)域約20 km2做較為詳細地質調研工作，其目的在于:(1)確立花崗巖體在空間上的分布規(guī)律與侵入接觸變化帶特征;(2)進一步查明

圖1 測線2的(a)視電阻率和(b)視極化率擬斷面圖

圖1為測線2上三極電測深擬斷面圖，其中圖1(a)和圖1(b)分別為視電阻率 ρs(Wm)和視極化率 ηs(%)擬斷面圖。由于現場工作區(qū)位于狹長的山溝中，兩側樹木茂密，且周圍分布很多民房，做三極激電測深時，電纜線的敷設受到一定的限制，因而探測深度有限。另外，由于地下地質體的體積效應和電法探測深度的有限性(探測目標體的最大垂向分辨能力，即對二度體而言深徑比不超過7:1)，所以，三極激電測深難以達到預期的效果。擬斷面圖中，除了在該剖面43 m的下部存在相對高阻區(qū)、剖面55m下部存在低相對低極化現象外，在剖面中未發(fā)現很明顯的低阻高極化異常體。因此，單從激電測深的結果很難布置鉆探孔位。

在已知水井旁布置了1條勘探線，得出相對應熱水異常曲線樣板圖，見圖2，這樣可以提高此次物探工作的可靠性。由圖可知在38 m位置處存在低電位異常，由于含水引起低電位，這樣為后續(xù)物探工作提供了參考。

圖3為測線2上天然電場選頻法探測結果，為了便于區(qū)分各頻率檔的異常，分別采用兩個坐標系進行繪制，即圖3(a)和圖3(b)。根據圖3中的探測結果可知，由于14.6 Hz檔的實測信號十分微弱，電位值在每一測點上都幾乎接近零，所以圖3中未繪制該檔的探測結果，該剖面上明顯的相對低電位異常主要出現在該測線43 m、70 m和86 m附近。由于該測區(qū)范圍內地表水十分豐富，而本次勘探的目的是尋找來源于深部的熱水，而測線43 m與70 m附近的異常主要出現在頻率相對偏高的高頻(即262 Hz和327 Hz)上，而86 m附近的異常主要出現在71.8 Hz頻率上，從而可以推斷43 m和70 m附近含水異常體的埋深比86 m附近的要小，且測線43 m處本身就位于地表的山溝位置，推測該兩處的異?？赡苤饕抢渌拢鶕涷灩?，推測43 m和70 m兩處的異常體埋深＜100 m。86 m附近的異常埋藏較深，推測異常體埋深在200 m左右，同時，根據262 Hz、327 Hz和783 Hz頻率檔在該測線84 m處出現明顯相對低電位異常的性質，推測86 m附近含水破碎帶的產狀是向剖面的大號方向傾斜，且產狀較陡，推測其傾角約為87°。結合地質調查情況(地質上推測的F1斷層構造可能經過的區(qū)域)和其它剖面上的物探探測成果，最終在86 m位置布設勘查孔ZK1。

圖2 已知鉆孔異常樣板曲線

圖3 測線2的選頻法探測結果

2.3 鉆探驗證情況

勘查孔ZK1目前終孔孔深為250.1 m，揭露的地層情況為:深度0～1.4 m為第四系全新統(tǒng)(Qh)粉質粘土(其中0～0.5 m為種植土，含植物根系);1.4～29.2 m為強風化砂質板巖;29.2～215.5 m為中 -微風化砂質板巖;215.5～250.1 m為中-微風化絹云母砂質板巖。同時，共揭露8處主要含水層。含水層Ⅰ:70.1～73.8 m;含水層Ⅱ:155.2～157.7 m;含水層Ⅲ:176.3～179.0 m;含水層Ⅳ:181.0～182.0 m;含水層Ⅴ:194.0～195.0 m;含水層Ⅵ:196.0～196.9 m;含水層Ⅶ:213.5～214.5 m;含水層Ⅷ:218.2～226.0 m。

經過抽水試驗可知:含水層Ⅰ的水溫為26.5℃，水量約為2 000 t/d;對含水層Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ和Ⅷ進行混合抽水，抽水穩(wěn)定后達到31℃，水中含H2S氣體;對含水層Ⅶ和Ⅷ進行單獨抽水試驗，水溫最終穩(wěn)定為45℃，水量約800 t/d。由于工程之外的一些原因，ZK1未繼續(xù)往下鉆進，預計在深部可能還存在含水裂隙，水溫肯定也會繼續(xù)升高。

從鉆孔驗證的情況來看，天然電場選頻法的探測成果和反演結果是可靠的，其中，頻率71.8 Hz在該處的異常可能是由Ⅶ、Ⅷ兩含水破碎帶所致。

3 結語

通過對上述事例分析和筆者多年的實踐可知，天然電場選頻法在地下水勘探中具有其自身優(yōu)勢，它輕便高效、信息直觀、地形影響小，并且適用于地形起伏較大、植被發(fā)育、場地狹小等復雜場地情況，實用性較強。在實踐應用中，在確定鉆孔位置時，除了利用上述電位曲線的特征外，同時還要利用天然場的動態(tài)特征。因為天然場是一個動態(tài)場，地下低阻異常體相應的感應電場在時間上也是一個非穩(wěn)定場，在地下含水構造的上方進行實測時，讀數指針會發(fā)生明顯的擺動。根據經驗可知，含水體埋藏越淺或者是異常體含水量越大，則儀器的指針擺動幅度越大、頻率也越高。

根據最近的理論研究可知[9]，平面電磁波場中的良導體(如良導球體、良導圓柱體)的感應二次場曲線與野外實測曲線具有相同的特征，說明天然電場選頻法的異常可能主要是由感應二次場所致，這從理論上說明了實測異常的成因機理。但在今后的工作中應進一步加強對該方法的正反演研究工作，以便今后能利用理論知識更好地指導實踐。

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[7]張瑜麟.天然電場選頻法在工程地質勘察快速評價中的應用.地質與勘探.2003，39(3):67-71.

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