劉 葉，歐東新

（桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541000）

1 電法勘探方法在水文和工程地質(zhì)中的應(yīng)用概況

新時(shí)代形勢(shì)下，我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)生活需求使國(guó)家在能源消耗上日益吃緊，特別是在全球經(jīng)濟(jì)一體化和大數(shù)據(jù)信息化智能化的快速發(fā)展背景下，各種創(chuàng)新科學(xué)技術(shù)層出不窮，在促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和資源需求的日益擴(kuò)大化使國(guó)家在礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)、工程項(xiàng)目建設(shè)上投入力度加大，水文、工程地質(zhì)勘探工作的效率和質(zhì)量要求也越來(lái)越高，因此新型先進(jìn)的勘探技術(shù)被開(kāi)發(fā)、創(chuàng)新，被應(yīng)用在不同的領(lǐng)域當(dāng)中。電法勘探方法是當(dāng)前地球物理學(xué)當(dāng)中方法種類(lèi)最多且應(yīng)用性最強(qiáng)的一門(mén)分支學(xué)科[1]。它是一種通過(guò)利用介質(zhì)存在的電性差異如巖石在導(dǎo)電、導(dǎo)磁和極化特性等方面的電學(xué)性質(zhì)，通過(guò)觀測(cè)和分析電磁場(chǎng)、天然和人工電場(chǎng)空間和時(shí)間分布規(guī)律來(lái)對(duì)研究對(duì)象性質(zhì)和形態(tài)進(jìn)行研究的一種地球物理方法。它除了在水文、工程地質(zhì)勘探被廣泛應(yīng)用外，在考古、地質(zhì)災(zāi)害控制、環(huán)境保護(hù)、礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)等方面都發(fā)揮著重要作用。我國(guó)使用、普及電法勘探方法已有相當(dāng)長(zhǎng)一段發(fā)展歷史，在理論基礎(chǔ)、方法技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用上都取得較好的發(fā)展成績(jī)，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比其水平還存在一定差距。特別是圍繞我國(guó)社會(huì)實(shí)情，作為能源消耗大國(guó)，目前還處于社會(huì)主義初級(jí)階段，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展很大程度上還是依賴(lài)于初級(jí)加工制造業(yè)，對(duì)資源消耗依賴(lài)巨大。而當(dāng)前國(guó)際的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)質(zhì)上很大程度就是能源、資源競(jìng)爭(zhēng)，因此我國(guó)也從十八大開(kāi)始提出建設(shè)生態(tài)文明的基本國(guó)策，在加強(qiáng)國(guó)際合作、提高能源利用率、資源重復(fù)可循環(huán)利用等方式方法上不斷探索，在加強(qiáng)對(duì)國(guó)家資源綠色勘探、開(kāi)發(fā)上也積極創(chuàng)新發(fā)展。隨著互聯(lián)網(wǎng)信息智能技術(shù)的發(fā)展，勘探技術(shù)也不斷得到創(chuàng)新改進(jìn)，電法勘探方法中的多種方法如瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、可控源音頻大地電磁法、激發(fā)極化法等有了不同的創(chuàng)新突破，在不同領(lǐng)域應(yīng)用中發(fā)揮著積極作用。如瞬變電磁法在煤礦開(kāi)采中的四采區(qū)合理布置、采取防水治水方案編制、煤炭資源安全回采處理等工作上提供有效精準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)和地質(zhì)資料，使煤炭開(kāi)采的精準(zhǔn)度和安全度得到有效提高[2]。因此，積極探索電法勘探方法的科學(xué)合理應(yīng)用，提高水文、工程地質(zhì)勘探工作質(zhì)量是十分必要的。

2 電法勘探技術(shù)應(yīng)用分析

在水文和工程地質(zhì)實(shí)際應(yīng)用中的電法勘探技術(shù)主要包含地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法、高密度電法、激發(fā)極化法等常用方法。

2.1 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)是運(yùn)用比探空雷達(dá)探測(cè)頻率更低的發(fā)射寬帶高頻時(shí)域電磁脈沖波反射作用原理對(duì)目標(biāo)進(jìn)行勘測(cè)，其勘探原理主要是：發(fā)射機(jī)將超高頻電磁波脈沖電磁波訊號(hào)通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)或發(fā)射寬帶傳送到地下，訊號(hào)在遇到探測(cè)目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生反射訊號(hào)，接收天線(xiàn)將直達(dá)訊號(hào)和反射訊號(hào)輸入到接收機(jī)經(jīng)放大后由示波顯示器顯示出來(lái)。其中：訊號(hào)的有無(wú)可以通過(guò)示波器進(jìn)行顯示，由此來(lái)判斷被測(cè)目標(biāo)是否存在；探測(cè)目標(biāo)的距離則由反射訊號(hào)到達(dá)滯后時(shí)間和目標(biāo)物體平均反射波速的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算得出[3]。通過(guò)分析電磁脈沖波的頻率、振幅等有關(guān)參數(shù)可以確定地質(zhì)的分布情況和地質(zhì)性質(zhì)。由于其工作原理和地震反射原理大致相同，因此地質(zhì)雷達(dá)也被稱(chēng)為探地雷達(dá)，在探地工程中運(yùn)用更為廣泛。發(fā)射電磁脈沖波的頻率和地質(zhì)雷達(dá)穿透效果成正比例關(guān)系，即電磁脈沖波頻率越高，地質(zhì)雷達(dá)的穿透程度也就越大，因此地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)能力比使用普通電磁波的探測(cè)類(lèi)儀器如管線(xiàn)探測(cè)儀更具優(yōu)勢(shì)。

地質(zhì)雷達(dá)最早運(yùn)用于波吸收率相對(duì)較低的冰層和鹽介質(zhì)層的地質(zhì)探測(cè)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期的實(shí)踐發(fā)展后才得以快速推廣運(yùn)用。目前我國(guó)在研制地質(zhì)雷達(dá)勘探儀器上主要依賴(lài)相關(guān)機(jī)構(gòu)和高校共同完成，但由于受到諸多因素的影響，想要在實(shí)際地質(zhì)勘探中獲得更精確有效數(shù)據(jù)，大多數(shù)情況下還是得依靠從國(guó)外引進(jìn)的先進(jìn)設(shè)備。地質(zhì)雷達(dá)的分辨率高是一顯著優(yōu)勢(shì)，這就意味著經(jīng)它探測(cè)的結(jié)果數(shù)據(jù)會(huì)更加精準(zhǔn)，因此它的應(yīng)用領(lǐng)域非常的廣泛。它不僅在考古、地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境污染（冰川、地下水污染）、溶洞、潛水面等水文勘探被廣泛應(yīng)用，在工程地質(zhì)如大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城市建設(shè)中的公路地基和鋪層、城市供給排水系統(tǒng)鋪設(shè)、建筑的鋼筋水泥結(jié)構(gòu)和無(wú)損傷等檢測(cè)等也廣泛應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)[4]。以某城市大型工程建設(shè)項(xiàng)目的供水地層地質(zhì)勘探工作為例，根據(jù)探測(cè)儀器對(duì)被探測(cè)區(qū)域不同深度土層所顯示的不同電阻率，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)儀器繪制的縱向分布圖以此來(lái)來(lái)判斷土層地質(zhì)性質(zhì)。如表層電阻率為200Ω.m～400Ω.m且呈半閉合狀態(tài)，則該表層土質(zhì)為回填砂土。當(dāng)電阻率為40Ω.m～70Ω.m，則土層為淤泥質(zhì)土，處于表層回填砂土的下層，再往下就多為粉質(zhì)粘土。以上的推斷為工程的順利建設(shè)提供科學(xué)精準(zhǔn)的地質(zhì)勘探參考數(shù)據(jù)。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法最早在20世紀(jì)30年代由蘇聯(lián)學(xué)者提出，其主要工作原理是在空中或是地面設(shè)置發(fā)射點(diǎn)線(xiàn)圈，以不接地回線(xiàn)或者是接地線(xiàn)源朝地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，形成磁場(chǎng)感應(yīng)。在這一次場(chǎng)的間歇期間，通過(guò)對(duì)與地下土質(zhì)層產(chǎn)生感應(yīng)電流和時(shí)間變化而形成的電磁場(chǎng)變化，形成二次場(chǎng)衰減曲線(xiàn)圖，從而得出不同地質(zhì)體產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)的差異，以此來(lái)推斷地下不同地質(zhì)體的特性和規(guī)模大小。由于瞬變電磁法對(duì)一次場(chǎng)所產(chǎn)生的裝置耦合噪音進(jìn)行了消除，因此得出的分辨率更為精確。此外，它還具有以下優(yōu)勢(shì)：一是設(shè)備裝置體積較小，攜帶和操作更為靈活方便；二是系統(tǒng)反應(yīng)更加靈敏，分辨率更加準(zhǔn)確，能夠及時(shí)敏銳的獲取更詳細(xì)的地質(zhì)動(dòng)態(tài)信息，因此勘探工作效率更高。有賴(lài)于不同地質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同磁場(chǎng)這一基本科學(xué)理論，瞬變電磁法可以勘探更具深度的地質(zhì)，且不容易受到地形地勢(shì)等地質(zhì)狀況的影響。通過(guò)更加強(qiáng)的靈活敏銳性，它能對(duì)不同地質(zhì)的分辨率等勘測(cè)數(shù)據(jù)不僅能在更短的時(shí)間內(nèi)作出記錄和傳送，而且在分辨率分析上更為準(zhǔn)確和科學(xué)。

瞬變電磁法的諸多優(yōu)勢(shì)使其一開(kāi)始就用于地質(zhì)構(gòu)造問(wèn)題的解決，到了20世紀(jì)50年代就主要用于找礦，而在我國(guó)被逐步廣泛應(yīng)用于環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害、工程檢測(cè)等領(lǐng)域則始于20世紀(jì)90年代。目前我國(guó)已自主研制了幾款探測(cè)深度淺、功率小、實(shí)際操作應(yīng)用效果好的瞬變電磁法儀器，但在大功率、探測(cè)深的瞬變電磁法儀器自主開(kāi)發(fā)上還與發(fā)達(dá)國(guó)家存在差距，主要還得依賴(lài)進(jìn)口。瞬變電磁法在水文和工程地質(zhì)勘探中的應(yīng)用主要有：如礦產(chǎn)開(kāi)采水文和地質(zhì)勘測(cè)中的地下水資源及地下水位的界定、礦區(qū)頂板和斷層砂巖的導(dǎo)水性、富水性的查明、地下含水結(jié)構(gòu)尋找、斷層空間位置及含水性的評(píng)價(jià)等。在礦區(qū)安全生產(chǎn)中，對(duì)于煤柱及老窯采空區(qū)、煤田礦井用水通道的探測(cè)等瞬變電磁法也發(fā)揮著重要作用。在工程建設(shè)地質(zhì)勘探中，瞬變電磁法在公路隧道工程不良地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)、防洪堤和水庫(kù)壩址隱患探測(cè)、大橋或高層建筑地基、防滲帷幕等穩(wěn)定性探測(cè)和評(píng)價(jià)、市政地下管網(wǎng)分布探測(cè)等方面也充分發(fā)揮著技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.3 高密度電法

與普通電阻率法相比，高密度電法屬于列陣勘探方法，是采用高密度布點(diǎn)將電剖面和電測(cè)探法結(jié)合對(duì)二維地電斷面進(jìn)行測(cè)量的一種電阻率法勘查技術(shù)。與傳統(tǒng)的電阻率法勘探模式相比，高密度電法顯得更智能化。它通過(guò)微機(jī)工程電測(cè)儀器和程控電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)對(duì)放置于剖面上所有電極排列方式、電極距離進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)收集完全是自動(dòng)化。高密度電法在經(jīng)歷長(zhǎng)期的研究探索和實(shí)踐后，我國(guó)在其應(yīng)用實(shí)踐上取得較大的進(jìn)步和完善。高密度電法的優(yōu)勢(shì)主要集中在其數(shù)據(jù)采集的高度自動(dòng)化，它可以不停頓、一次性完成任務(wù)，從而可以杜絕因人為因素所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失不良現(xiàn)象，并極大的降低電極設(shè)置引起的干擾和故障出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)在野外數(shù)據(jù)采集工作中通過(guò)半自動(dòng)化或全自動(dòng)化，使手工數(shù)據(jù)采集方式得以摒棄，提高了工作效率。高密度電法智能化獲取的信息數(shù)據(jù)量大、更完整齊全，觀測(cè)精確度、探測(cè)深度、探測(cè)速度等都更具優(yōu)勢(shì)，因此在水文和工程地質(zhì)勘查應(yīng)用中具有廣大的前景。目前高密度電法與其他電法勘探方法科學(xué)結(jié)合，有效避開(kāi)其分辨效率不是很高的弊端，主要用于地下水源的尋找、地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查、煤礦踩空區(qū)域的管線(xiàn)勘探、大型工程建設(shè)中如橋梁、高層建筑、大型基礎(chǔ)設(shè)施的地基勘探、水庫(kù)堤壩穩(wěn)定性和壩基滲漏勘查、隧道工程建設(shè)中防空洞、側(cè)溶洞和涵洞以及地下不明障礙物體物理性質(zhì)區(qū)和周邊介質(zhì)地下形體檢查、考古工作中隊(duì)墓穴、洞穴、古河道的場(chǎng)地類(lèi)別劃分等領(lǐng)域。如在市政污水管網(wǎng)工程地質(zhì)勘探中，需要利用高密度電法陣列勘探方法和連續(xù)滾動(dòng)式掃描測(cè)量的方法對(duì)地下管網(wǎng)地質(zhì)巖土層性質(zhì)進(jìn)行劃分[5]。通過(guò)高密度電法的分辨率，高密度電法在土層劃分時(shí)會(huì)形成高清晰影像效果，再通過(guò)電性結(jié)合地質(zhì)解釋?zhuān)梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：地層上部出現(xiàn)高電阻率，為雜填土層；表層為路基墊層電性反映，下層位粉質(zhì)粘土電性反映。通過(guò)巖土層土質(zhì)劃分，可以為工程建設(shè)的順利開(kāi)展提供科學(xué)真實(shí)的參考數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.4 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法主要是以音頻大地電測(cè)法（MT）和大地電測(cè)法（ATM）兩大電測(cè)法為基礎(chǔ)，其工作原理基礎(chǔ)是電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組，通過(guò)建立視電阻率的磁場(chǎng)與電場(chǎng)間的比例關(guān)系，進(jìn)一步依據(jù)電測(cè)波理論得出其探測(cè)深度和頻率的關(guān)系，從而達(dá)到相應(yīng)的頻率探測(cè)目的?？煽卦匆纛l大地電磁法使用需要采用可控制的人工場(chǎng)源，然后對(duì)兩個(gè)有電偶極源傳輸?shù)降孛嬉韵碌碾姶艌?chǎng)分量進(jìn)行主要測(cè)量，并對(duì)電源和具體測(cè)量位置的間距和電極電源的間距做好把控，從而才能使場(chǎng)源以平面波來(lái)勘測(cè)。可控源音頻大地電磁法將測(cè)深和剖面兩種特性很好的融合，在探測(cè)深度上較其他方法具有更明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：一是利用頻率的變化來(lái)對(duì)不同深度的地層進(jìn)行電測(cè)深度，避免了傳統(tǒng)方法中因幾何尺寸變化所帶來(lái)的數(shù)據(jù)偏差和工作效率降低的不良影響。深探數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度和工作效率上得到明顯提高。二是可控制的人工場(chǎng)源減少了干擾因素的影響，可控源音頻大地電磁法可以有效增強(qiáng)電阻抗干擾能力，可以有效減少如工程地形地勢(shì)等因素對(duì)電阻的影響。三是可控源音頻大地電磁法可以同時(shí)發(fā)射7個(gè)不同頻率的電測(cè)勘測(cè)脈沖波，這樣探測(cè)深度范圍得到進(jìn)一步擴(kuò)大，勘探工作時(shí)間得以有效縮短，勘探數(shù)據(jù)能更全面準(zhǔn)確，勘探效率得以更有效提高。四是橫向上的分辨率更高，從而更能靈敏的發(fā)現(xiàn)斷層。可控源音頻大地電磁法的這些優(yōu)勢(shì)使它在找礦、地下水源尋找、水庫(kù)壩體滲漏情況調(diào)查等水文和工程地質(zhì)工作中得以充分發(fā)揮。如在水庫(kù)壩體滲漏情況查找探測(cè)上，根據(jù)水庫(kù)大壩防滲漏墻不同高度中電阻率等值線(xiàn)的狀態(tài)和異常情況來(lái)判斷防滲漏墻是否存在滲漏的情形。此外，還可以根據(jù)水文地質(zhì)中電阻率的不同來(lái)判斷不同土層的地質(zhì)性質(zhì)。如水庫(kù)所在地中地下水受降雨補(bǔ)充，巖石具有很強(qiáng)透水性，巖溶就會(huì)比較濕潤(rùn)，所以電阻率會(huì)偏低，由此推斷該地段為灰?guī)r，且存在溶隙、裂縫等現(xiàn)象。而如果是較為緊密的紫紅色砂頁(yè)巖，由于巖溶沒(méi)了填充物較為干燥，則呈現(xiàn)高電阻率現(xiàn)象。

2.5 激發(fā)極化法

激發(fā)極化法主要是利用了激發(fā)極化效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)激電效應(yīng)。在電法勘探中，在電極排列向大地提供電流或者切斷電流的一瞬間，在這種類(lèi)似充、放電的過(guò)程中測(cè)量電極之間就能觀察到隨著時(shí)間變化附加電場(chǎng)所出現(xiàn)的變化，這就是激電效應(yīng)。激發(fā)極化法通過(guò)用電流激發(fā)巖石、礦石，通過(guò)觀察它們所產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)所帶來(lái)的差異性從而達(dá)到水文和工程地質(zhì)勘探的目的。由于激發(fā)極化法主要用到電流，因此又分為直流激發(fā)極化法和交流激發(fā)極化法，直流是看時(shí)間域，交流是看頻率域，差異存在于方法技術(shù)上。激發(fā)極化法由于不受地形起伏和圍巖電性不均勻等因素的影響、可測(cè)量參數(shù)范圍廣，在查找各種類(lèi)型的地下水源上具有明顯優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)在礦石、巖石上所激發(fā)的極化效應(yīng)所存在的差異性，可以在尋找水源、分析解決地質(zhì)問(wèn)題上提供精準(zhǔn)的參照依據(jù)。在技術(shù)運(yùn)用上如果與高密度電阻率法進(jìn)行科學(xué)合理結(jié)合，可以有效提高水源尋找的成功率。目前激發(fā)極化法在尋水的具體應(yīng)用主要有：地下涌水量的預(yù)測(cè)，主要通過(guò)回歸系數(shù)預(yù)測(cè)和顯著性檢驗(yàn)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。城市市政工程地下施工漏水帶的排查，可使用雙頻激電法。在對(duì)貧水區(qū)進(jìn)行找水時(shí)可利用激電參數(shù)和電阻率參數(shù)來(lái)對(duì)地層的含水量進(jìn)行評(píng)估。在對(duì)工程建設(shè)中可以通過(guò)激電法來(lái)對(duì)最大下沉段堤的介質(zhì)富水情況對(duì)水庫(kù)重力土壩的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)。激發(fā)極化法近年來(lái)在找水工作中發(fā)揮了十分顯著的作用，提高了地層含水性確定率和找水成功率，被稱(chēng)為“找水新法”。

3 結(jié)論

綜上所述，電法勘探方法在水文和工程地質(zhì)中的應(yīng)用已經(jīng)得到更為廣泛的研究和創(chuàng)新，同時(shí)在其他領(lǐng)域如地質(zhì)災(zāi)害如滑坡、采空區(qū)等勘察、環(huán)境污染處理如水源和土壤有害物質(zhì)或污染源檢測(cè)、工程質(zhì)量缺陷檢測(cè)等方面也得到廣泛普及和應(yīng)用。我國(guó)在電法勘探方法研究和應(yīng)用上起步較發(fā)達(dá)國(guó)家較晚，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的不懈努力，目前我國(guó)在電法勘探技術(shù)研究和實(shí)踐應(yīng)用上已取得長(zhǎng)足發(fā)展和令人驕傲的進(jìn)步，在理論基礎(chǔ)完善和操作技術(shù)成熟創(chuàng)新等方面取得自主的創(chuàng)新成就。為了進(jìn)一步促進(jìn)電法勘探方法在有效推動(dòng)水文和工程地質(zhì)建設(shè)上的積極作用，相關(guān)部門(mén)應(yīng)加大對(duì)電法勘探方法的研究創(chuàng)新，使其得到更好的推廣和應(yīng)用，最終促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的有效發(fā)展。