（地质工程专业论文）地下径流通道的形成、特征及其探测技术研究.pdf

摘要 地下径流是岩石介质中由水头高处向水头低处流动的地下水流， 它主要通过断裂带等连通的空隙流动。流动带走空隙中的物质，淘空 断裂带，影响断裂带上建筑物的稳定、矿山的安全。掌握地下径流通 道的类型、特征和快速、有效探测其位置是矿山防治水和地下水勘探 过程中的关键问题之一。本文通过理论分析、野外试验、现场检验等 对这一关键技术问题进行了详细研究，主要研究内容如下： 1 地下径流通道的类型、特征、形成机理和影响因素。介绍了 地下径流通道的主要类型、特征，分析了每种类型的形成机理、影响 因素及其与地下水运移的关系，提出了与矿山防治水、地下水开发等 关系密切的地下径流通道的类型( 亚类) 及其作用方式。 2 天然电场选频法的信息特征及其形成机理。提出对天然电场 选频法接收到的信息进行分类，分析了每种信息的特征、形成机理和 影响因素，介绍了每种信息在地下径流通道探测中的工作方式和资料 解释，特别是对天然电场选法动态信息的发现、形成机理研究和在工 程中成功应用，解决了以往勘探中主要依据静态信息探测断裂带等地 质问题精度较低的不足，为探测地下径流通道中流动水等流体找到了 一种准确、经济、快速的方法。 3 地下径流通道中流动水及其地表电磁响应特征。介绍了地下 径流通道中流动的地下水的运动和特征，分别就地下径流通道中孔隙 水、裂隙水、岩溶水的分布、动力性质、径流方向以及在流动过程中 与周围环境发生的化学、物理和动力的相互作用，导致地下水的流速、 流量、温度、矿化度、化学类型等变化进行了阐述。并与常见的导电 性良好的固态导体比较，认为它具有地下动态导体特征，分析了地下 径流通道中流动水在地表形成动态电磁响应的机理，提出通过天然电 场选频法动态信息直接反映地下流动水，进而确定地下径流通道位置 的勘探新思路。 4 在矿山注浆堵水工程中，以石下江煤矿注浆堵水为例，介绍了 石下江矿区的地质和水文地质特征，分析了石下江煤矿区采矿前后水 文地质条件变化、上覆土层的物理力学性质变化、矿井水的来源、矿 井涌水通道的类型、矿山注浆堵水的特点和技术关键，首次提出利用 天然电场选频法动态信息确定注浆堵水孔位置、了解地下浆液的流向 和检查注浆效果。 5 在城区断裂的勘探中，以湘潭城区杨梅洲一木湖断裂的勘探为 例，分析了城区断裂探测的特殊性，首次提出利用天然电场选频法确 定断裂带的范围、断裂带中流动水的位置和断层的大致倾向。 6 在地下水开发中，以湖南科技大学2 号水源井的勘探和成井 为例，分析了地下水开发的特点及其技术关键，首次提出根据天然电 场选频法动态信息找到流动水，进而确定径流通道，再在径流通道上 布孔成井的工作思路，解决了地下水开采中成井率低、成本高的难题。 关键词：地下径流通道，形成机理，探测，天然电场选频法，动态 信息 i i a b s t r a c t g r o u n d w a t e r 砌o f fi sm es u b s u r f a c ef l o ww t l i c hn o w sf b ml l i g h h y d f a u l i ch e a dt ol o wh y d r a u n ch e a di i lr o c kn l e d i u m ns t r e a m s l m u g l l c o m m u i l i c a t i l 培i l l t e r s t i c e so f 丘a c t i l r e dz o n e sm o s t l y t h eg m m l d w a t e r n l n o f fc a nc a n yo f fs u b s t a n c ei i li i l t e f s p a c e s ，s c o u i i n gf r a c t i l r e dz o n e ， i n f l u e n c en l es 协b m z a t i o no fc o n s t m c t i o n sa i l ds e c u r i 哆o f 面n e so n l o f r a c t i l r e dz o n e s t bf _ m d0 u tm et y p e ，c h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n d w a t e r m n o f f 柚dd e t e c ti t sp o s i t i o ne x p e d i t i o u sa i l da v a i l a b i l i 哆i sap i v o t a l q u e s n o ni n 吐l ep r o c e s so fp r o s p e c tf o rg f o u n dw 砷e r p r e v e n d o na n dc m e w a t e ri nl l l i n e s 。劝e 卸1 0 r h a df i l l i s h e dp a r t i c u l a rr e s e 戤ho nt h i sp i v o t a l q u e s n o nb a s e d 衄l em e o r e t i c a la i l a l y s i s ，f i e l dt c s t sa i l ds p o ti n s p e c t i o n i nm ea m c l e 1 1 l es u mt o t a lo fs t i l d yo nm es u b j e c ti sc o n t a i n e di nn l i s p a p e ra s f o n o w s ： 1 t i l e 咖p e ，c h a r a c t e r i s t i c s ，f o 皿i r 唱m e c h a i l i s m ，f a c t o r s 吐l a ta 伍e c t o f n o w i n gp a l o fu n d e r g r o u n dw 锄e r i i l 吣c i i l g l e 呻e ， c h a r a c t e r i s 吐c so ff l o w i n gp a m0 fu n d e rg r o u n dw a t e r 锄a l y s i sf o n l l i n g m e c h a i l i s ma n df a c t o r s l a ta 伍e c to fe a c ht y p eu n d e rg r o u n dw a t e ra n d m er e l a t i o n so f t l l e m i i l t l l i sp a p e r ，l ea u l o r p r o p o u n d a w e uc o 仰e c t e d t y p e ( s u b g r o u p ) 孤dt h em e a n so fn o w i i l gp a t t lo fu n d e rg r o u r i dw a t e r a c 蛀o n 砌n gt 1 1 ep r o c e s so fp r e v e n d n ga i l dc u r i n gw a t e ri i ln l i n e s 柚d g f o u n dw a t e rd e v e l o p i n g 2 c h a r a l c t e r i s t i c so fi n f ( i 姗a t i 伽a n df b 肌a d o nm e c h a l l i s mo n 付l e n a t i l r a le l e c t r i c a lf i e l d f b e q u 朗c y s e l e c t i o n m e m o d b 硒e do nm e c a t e g o r i z i i l go fi l l f o m l a t i o nw l l i c hs i g n a li sr e c e i v e dw h e nu s i n gn a t i l r a l e l e c t r i cf i e l df k q u e n c 弘s e l e c t i o nm e m o da i l da i l a l y z i n ge a c hi 1 1 f o m 撕o n c h a r a c t e r i s t i c s ， f 0 脚1 a t i o nm e c h a i l i s m ， m o d i f 舛n gf a c t o r m ea u m o r i n t 删u c e dt l l ed e t e c tw o d d n g s 柚di i l f 0 姗a t i o ni 1 1 t e i p r e 枷o no nt l l e n o w i n gp a mo fu n d e rg r o l m dw a t e r - 1 如d i s c o v e da i l dm es t u d yo n i i i f o 锄a t i o nm e c h a i l i s mo ft 1 1 en a t u r a le l e c t r i c a lf i e l df t e q u e n c y - s e l e c t i o n m e m o d d y n a i l l i c i n 鼬t i o n e s p e c i a l l y a n di t s a p p c a t i o n s i i l e n g i n e e r i i l gs u c c e s s f u u yh a ds o l v e dm em el o w e ra c c u r a c yg e 0 1 0 9 i c a l p r o b l e mm a tf o l l o w e dm es t a t i ci n f o m m t i o nt od e t e c tf t i l r e a n a c c u r a t e d 柚de c o n 诚c a la n ds p e e d ym e t h o dt od e 妣tm en o w i n gw a t e r i nm e p a m o fu n d e rg r o 咖dw a t e rh a db e e np r o p o u n d e d 3 t h ec h 锄c t e r i s t i c so fm o v i n gw a t e ri nn o w i n gp a mo f 吼d e r g r d u n dw a t e r 蠲di t se a 曲s u d a c em a g n e tr e s p o n s e i ka u t h o r 细仃o d u c e dm em o v i n gp r o c e s s 弛dc h a r a c t e r i s t i c so fm o v i n gw a t e ra l l d e x p a n d e dl l i sv i e w sa b o u tm ed i s t r i b u t i o na i l dd y n a n 血p m p e r t i e sa i l d m n o 西d i r e c t i o no np o r ew a t e r ，f i s s u r cw a t c ra 1 1 dk a r s tw 咖ri i lf l o w i n g p a mo fu n d e rg r o u n dw a t e r t oe x p l o r em ep o s s i b i l i t i e sc h e i i l i s y p h y s i c s 锄dn l ep o w e ro c c u r so fm o v i l l g 矾r a t e rt ot 1 1 e 锄v i r o n m e n t m u t u a l l yd o ，c a u s e sc h a l l g ea r i ds oo ng r o u n dw a 屯e rs p e e do fn o w ，c u r r e n t c 印a c i t y ，t e m p e 胁r e ，h 棚n e 8 si n d e x ，c h e n l i s t r yt y p e 7 n l e nm e 锄m o r c o m p a r e dw i mu s u a lf i n es o l i ds 仞此c o n d u c t o r s ，r e g a r d e dm a tm em o v i i l g w a t e ri i l n o w i i l gp a mo fu n d e rg f o u n dw a t e rb e a r st h ei m p 血l to f u n d e 曙r o u n dd y n a i i l i cc o n d u c t o f a n a l y s i st h ef b n n a t i o nm e c h a i l i s mo n t h ee a m ls l l r f a c em a g n e tr e s p o n s eo fm e m o v i n gw a t e ri i lf l o w i n gp a t 量lo f u n d e rg r o u n dw r a t i p r o p o u n dan e wi d e a sm a tw ec 锄u s et h ed y n a i l l i c i n f b m l a t i o no fn a t i l r a le l e c t r i cf i e l df k q u e n c y - s e l e c t i o nm e t l l o dt or e n e c t m em o v i n g 咖d e r g r o u n dw a t e rm e np i nd o w nm ep a mo fu n d e rg r o u n d w a t e r 4 d u r i n gm en l i n ei n j e c t h l gn m da n dp l u g g i n gw a t e re n g i n e e 血g ， t h ea u m o r 锄d u c e d t 1 1 ec h 撒c t e r i s 血so f g e o l o g i c a la n d h y d r 0 一g e 0 1 0 9 i c a l i n s h i x i a j i 锄g m i n e a r e a ，觚a l y s i s ：屺s l l i f to f h y d m - g e o l o 百c a lc o n d i t i o na f 研l i l i n i n g 觚db e f o r e l i i l i n g ，m es t l i 缸o f p h y s i e a la n dm e c h a l l i c a lp r o p e r t i e so fc o v e rs o i l ，s o u r c eo fl l l i n ew a t e l 啪eo fi i l i n eg r o l j n d w a 缸n o w t h ec h a m c 矧s t i c sa n dk e yt e c h n i q u e t v d u 血g m ep r o c e s so fi i l i n e 蜘e c t i n gm u da i l dp l u g g i i l gw a t e re n g i n e e r i n g i ns h i x i 旬i 锄gm i n ea r e a p 姊o s e daw a yo fu s i n gt l l e 印p u c a t i o no f n a t u r a le l e c t r i c 舭l df r e q u e n c y s e k t i o nm e m o dt od e f i i l i t es h u t o f fh o l e s i t e 锄dd e t e c tm en o w i n g 卸di n s p e c te 觚t i o nf b rt i l ef i r s tt i i n e 5d u r i n gt i l ep m c e s so fi 蚰e ff a u l t e x p l o r a t i o n ，1 ey - 锄g i n e i c o 蚯n e n 卜m u ) r i ll a k ef k t u r ei n ) 【i a i l g t 柚c i t ya sae x 锄p l e b a s e do n m ea n a l y s i st ot 1 1 ep a m c u l a l i 哆o fi n n e rf a u l te x p l o 础o n ，t l l ea u t l l o r p r o i o s e d aw a yo fu s i n gm e 印p l i c a t i o no fn 咖r a le l e c t r i cf i e l d f r e q u e n c y s e l e c 矗o nm e m o d t od e t e m l i i l et l l e 胁玎e dz o n e s 啪g e ，t 1 1 e p o s i d o no fm o v i l 培w a t m er o u g l l l y 仃e n do ff 抽1 ti nm ep 印e ff o r l e f i r s tt i m e 6 h 吐l eg r o u n dw a t e rd e v e l o p m e n t m e 矿w a t e rs o u r c ew e ui n h u n 锄u i l i v e r s 姆o fs c i e n c ea n d ，i 幻h n 0 1 0 9 ya sae x a i n p l e b a s e do nm e a i l a l y s i st 0m ec h a r a c t e r i s t i c s 卸dk e yt e c t l i l o l o g yo fd e v e l o p i n gg r o u n d w a t e r t l l e 锄t i l o rp m p o u i l daw o r k i i l gm o u g h t so fu s i n gd y n 甜i l i c i n f b 锄撕伽o fn a t u r a le l e c t r i cf i e l df r e q u e n c y - s e l e c t i o nm e t i l o dt 0f i n d 也em o v i n gw a t e r d e t e n i l i i l et l l en o w i n gp a m 孤dh o wt os e tc h i uh o l e s f o rm ef i r s t 吐m e a uo f 山e s er e 锄l t sl l a v es o l v e d 付l es t a _ g g e r i n gp f o b l c m o f t o oi l i 曲c o s t ，l o wp e r c e n t a g eo f d r i u i n g k e yw o i m s ： n o w i n gp a mo fu n d e rg r o u n dw a t e r ，f o 咖撕o n m e c h a i l i s m ，e x p l o r a t i o n ，n a _ t i l 】me l e c 仃i c 丘e l df r e q u 即c y - s e l e c t i o nm e t l l o d ， d y n a i i l i ci i l i o r m a t i o n v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同事对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 坛蕴目 川vq 日期：0 鲤z 年- 盘月区垡日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 名：柳一承峄日期础丛脚 博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景、目的和研究意义 径流是指降水形成的水流汇集于流域出口断面的的整个物理过程，按水流形 成的水流路径分为地面径流、表层流和地下径流。其中地下径流是岩石介质中由 水头高处向水头低处流动的地下水流，它主要通过断裂带、溶隙等连通的空隙流 动。其流动带走空隙中的物质，淘空断裂带，影响断裂带上建筑物的稳定、矿山 的安全。矿山的防治水和地下水勘探过程中最关键的技术工作之一就是快速、有 效探测地下径流通道位置和确定其类型、特征。 1 2 研究现状 1 2 1 地下径流通道的形成、特征 地下径流通道主要有孔隙、裂隙、溶隙及人工通道等。孔隙主要存在于尚未 固结成岩的沉积物中，岩石中的孔隙由于填隙物充填，其大小和连通性都受影响； 裂隙主要有风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙，对矿井涌水具有重要影响的是构造 裂隙，它包括节理、断层和断裂破碎带；人工通道主要是没有封闭好的钻孔、采 矿活动产生的一些通道等；溶隙主要由碳酸盐类岩石溶蚀而成，大小变化大。从 细小的溶孔到巨大的溶洞，一般沿断裂带、节理裂隙和层面发育，其中可赋存大 量的水或连通其它水源。 煤炭、油气、有色金属和水资源等大多赋存于岩溶地区，它们以地表、地下 岩溶形态为其贮集、运动场所，或者其围岩、顶底板为可溶性岩石，岩溶对矿山 的经济、安全和地下水的开采有重大影响。 岩溶的发育受岩性、构造、气候和水文等因素控制，国内外学者对其进行了 大量研究，研究主要集中在岩溶含水介质、岩溶塌陷的形成机理等方面“ 3 “ 一、岩溶含水介质研究 1 9 8 1 年陈文俊啪1 等人将碳酸盐岩含水介质空间归纳为溶隙系、溶管、溶管系 及溶管网，从而将喀斯特水类型划分为隙流、管流、脉流和网流，由此，我国矿 山部门将矿床水类型划分为溶隙充水、溶洞充水和溶道充水。 1 9 8 8 年陈雨孙嘲等提出喀斯特水三重介质的观点，认为喀斯特空隙分为储 水介质( 由基质空隙构成，起储水作用) 、输水介质( 由溶隙和裂隙构成起过水 通道作用) 和控水介质( 部分或全部贯穿喀斯特岩体中的水平溶洞，它控制喀斯 特水的运动) 。 博士学位论文 第一章绪论 1 9 9 4 年邹成杰泓1 等人依据喀斯特水贮存的形式和运动特征，将其分为溶隙 型( 各种构造裂隙溶蚀后形成溶隙，宽度小于5 c m ，平面延续性好，为线性层流 流态) 、脉管型( 溶隙经溶蚀扩大，宽度5 2 0 c m ，平面连续好，地下水运动为 非线性层流) 和管道型( 脉管经溶蚀进一步扩大，溶道宽度大于2 0 c m ，连续性 好，地下水运动属紊流) 。 1 9 9 7 年何字彬、韩宝平等人“蚓对中国喀斯特水进行了系统研究，主要研 究其微观溶蚀机理、碳酸盐岩多重空隙介质、含水介质类型( 小双重含水介质和 大双重含水介质) 、喀斯特发育的时空演化、喀斯特水文地质结构与水动力剖面、 喀斯特管流水特征和喀斯特的应用等。特别是通过溶蚀机理研究，针对“多重空 隙介质”提出“大双重介质”( 管流水) 与“小双重介质”( 隙流水) 的概念，给 喀斯特的深入研究归纳出两个重要方面；基于中国的典型资料，提出“中国喀斯 特水文地质结构类型”及“喀斯特水动力剖面模式”，它是喀斯特水系统研究的 基础。 2 0 0 5 年梁永平、韩行瑞对鄂尔多斯盆地周边岩溶含水介质结构类型分析 研究后提出岩溶含水介质结构类型在一定程度上决定了岩溶地下水的富集、运移 规律，根据鄂尔多斯盆地周边岩溶含水层的岩性，层组结构类型划分出四种各具 特色的岩溶含水介质结构类型：厚层“似层状”裂隙岩溶结构类型、厚层“脉状” 岩溶裂隙结构类型、“夹层式”层间岩溶裂隙结构类型和孔隙、裂隙岩溶结构类 型，各种类型的特征、含水量不同，其钻孔平均单位涌水量数值的大小反映含水 层岩溶发育的强弱和连通性。 国外，美国人s h u s t e r 和w h i t e 渊1 9 6 9 年和1 9 7 1 年提出双重介质模型，认 为喀斯特管流水与散流水共存，前者主要起排泄作用，后者起贮水功能，由于喀 斯特化程度不同，各地两者的匹配比例各异：q u i n l a n 和e 霄e r s l 9 8 5 年建立两端 元含水介质及流体运动的特征谱：1 9 8 5 年t c 阿特鑫森( 英国) 提出三重介质 模型，认为溶隙宽度在l o c m 以上时，水流运动为非达西流，喀斯特化含水岩体 内存在由孔隙、裂隙和溶道介质组成，它们从流态上可分为达西流、混合流和紊 流三类。1 9 9 0 年，q u i n l a n ( 美国) 在犸猛洞区示踪研究和长期自动监测资 料的分析基础上，提出四重介质( 粒间孔隙、裂隙、管道和扩散) 模型。 二、岩溶塌陷形成机理 近几十年来，国内对岩溶塌陷的形成机理研究比较成熟，先后提出了真空吸 蚀论( 徐卫国等，1 9 8 1 ) 、气水压力作用( 艾万钰等，1 9 8 2 1 ) 、潜蚀论( 左平 怡，1 9 8 7 “”) 和压强差效应( 陈国亮，1 9 9 4 m 1 ) 等，产生了真空吸蚀致塌模式、 冲爆致塌模式、潜蚀致塌模式、振动致塌模式、荷载致塌模式、溶蚀致塌模式、 根蚀致塌模式、重力致塌模式等。 2 博士学位论文 第一章绪论 从岩溶塌陷成因机制分析，其产生的根本原因是盖层的部分土体受力失稳破 坏，塌陷体受到的致塌力超过抗塌力。各种致塌力可以形成各种力学效应，构成 不同的塌陷模式，因此，岩溶塌陷的形成应该是多机制的。一般条件下，致塌力 包括盖层岩土体自重力、地下水的垂向渗透力、侧向渗透力、岩土体空隙中气体 的正压力或负压力、振动力、大气压力：抗塌力包括岩土体的内聚力、塌陷体周 边的摩阻力、地下水的浮托力等。由于所处的地质环境和引起塌陷的作用不同， 对一个岩溶塌陷来说，不可能同时受到上述所有力的作用，但因受力状态不同， 产生的力学效应不一样，却有不同的成因机制，形成不同的致塌模式，所以岩溶 塌陷的形成是多机制的，单一成因论只能解释某些特定条件下所形成的岩溶塌陷 【枯4 盯 o 1 2 2 地下径流通道的探测 目前，用于地下径流通道探测的主要方法有钻探和物探。其中钻探是最直观 的方法，但由于成本高，应用受到限制。物探的方法主要有地震勘探、电法勘探、 探地雷达、核磁共振、重力、磁法以及地球物理计算机层析成象( c t ) 、遥感技 术等咖蚓。其中电法中的天然电场选频法探测具有低成本、高精度的特点，撺 到 了广泛的应用。 天然电场选频法是利用大地电磁场作为工作场源，通过测量大地电磁场在地 面产生的电场变化特征来研究地下地电断面的电性差异，达到探测地质构造、找 矿、找水的目的。天然电场选频法属于音频大地电磁法( a 们) 的一种，而音频 大地电磁法又是大地电磁法( m t ) 的一个分支。音频大地电磁法是测量交变电磁 场所产生的磁分量和电分量，若只测量大地电磁场产生的电分量并进行选频，就 称为天然电场选频法。 1 9 5 0 1 9 6 9 年法国的l c a g n i a r d ( 1 9 5 3 ) 、前苏联的t i c h o n o v ( 1 9 5 0 ) ， 以及b e r d i c h e v s k i l 等( 1 9 6 9 ) 借助于在大地中传播的不同频率的电磁波趋肤效 应的差异，提出了大地电磁法( 以下简称w r ) 和音频大地电磁法( 以下简称a m t ) 。 这种方法的实质是测量由于太阳风或太阳黑子活动( 盯法) 及赤道区的闪电雷击 ( a m t 法) 在地球表面产生的各种频率的水平电场分量日，和与之正交的水平磁场 分量日之比i 从而达到了解地下电性结构的目的。从理论上讲，这种方法的探 测深度是无限的，就目前方法的应用，其探测深度已达几十公里，加之，这种方 法不受高阻层屏蔽、设备轻便，为地球物理界所重视。1 9 6 3 年k e n n t c o 进行了音 频大地电磁法( a m t ) 的研究工作，并应用于金属矿床普查。 1 9 7 1 年和1 9 7 8 年，g o l d s t e i n 和s t r a n g b e r g 提出了可控源音频大地电磁法 ( 以下简称c s a m t 法) 。该方法使用了人工发射的可控制的场源，达到电磁测深 的目的，解决了a h 盯和 f r 法场源微弱和多变性等问题。 3 博士学位论文 第一章绪论 1 9 8 4 1 9 8 5 年，加拿大凤凰公司在安大略省地质调查局勘探技术发展资 助项目的赞助下，研制了可控源音频大地电磁系统，并于1 9 8 6 年改进了硬件和 软件系统，推出了v _ 4 型微机控制的、八通道接收机和i p t l ，t 一3 0 型发射 机。目前凤凰公司已由v - 4 发展到v 一5 、v 5 2 0 0 0 、v - 6 等。 目前，国外用在石油、地热勘探的电磁方法主要用大地电磁( m t ) ，浅部瞬变 电磁( t e m ) 多用于婀的静位移校正；全球越来越有价值的地下水资源勘探，主要用 g e o m e t r i c ss t r a t a g e 矿系统( 具m t 原理的可控源系统) 、a t m 或f e m 、t e m 等浅 部勘探技术。m t 勘探已在石油公司寻找油气时得到普遍认可，尽管不大可能增加 投入，但在地震困难区( 如逆掩断层及火山、碳酸盐高速屏蔽层等) ，在昂贵的地 震勘探前进行普查，就必须用到它。目前在阿尔巴尼亚、希腊，意大利、伊朗、 日本、玻利维亚、荷兰、利比亚、罗马尼亚、波兰和德国，该方法被广泛应用于 石油勘探，在美国最近几年较少进行m t 勘探，但为石油勘探，已对1 9 8 0 年的1 0 0 0 多 个测点重新进行了解释，开发商已意识到m t 石油勘探的重要性并预计在美国西部 的油气勘探中m t 将扮演重要角色。未来的发展趋势是电磁勘探将继续担当重要的 角色，可能在地下水、碳水化合物及地热勘探中发挥更大的作用。上世纪9 0 年代 后期，尤其近几年，电磁解释方面取得的最大进展就是三维正反演技术，目前正进 入商业实用阶段。无疑3 d 正反演是当今电磁领域最热门的研究课题，取得进展的 课题组或个人有美国u t a h 大学的z h d a n o ve ta 1 嗍、m a c k i ee ta l 嗍、 w a n n 硼a k e r 【糟】，美国w i s c o n s i n - l j a d i s o n 大学的a l u m b a u g ha n dn e 帆a n 删，美 国e m o r yu n i v e r s i t y 的h a b e re ta l 肌1 ，加拿大b r i t i s hc 0 1 u m b i a 大学的 0 1 d e n b u r g 、a r u l i a he ta l 嘲，日本的s a s a k i 等”。 国内，1 9 6 8 年先后有中国科学院地球物理所以及几所地质院校对a m t 法进行 了研究试验工作，已用于石油勘探和金属矿床工普查作。 1 9 8 7 年，中国科学院地球物理研究所首次将凤凰公司的v 4 系统引进中国， 开展了大量的实验研究，在石油天然气勘探、金属矿勘探、地下水勘探、工程地 质勘探、煤田陷落柱勘探等领域均取得较好效果。在中国引进的这些仪器中，多 半用于石油天然气勘探，使用的方法多半是耵或a l t 法。中国科学院地球物 理研究所用v 4 系统进行浅层地球物理勘探，坚持开展了c s a m t 法的应用理论基 础研究和应用效果的研究，取得了重大进展。 目前，中国是将m t 用于石油勘探的最大用户，从加拿大p h o e n i x ( 凤凰) 公司 购买了2 0 0 多套m t 系统，从美国e m i 公司也进口了许多套m t 仪器。m t 和t e m ，c s a l 盯 等已成为我国现代石油电法勘探中的主角。世界著名的大地电磁专家v o z o f f 说：“现在大地电磁的首都在中国”【l 。 天然电场选频法是a 姗的一个分支，它利用大地电磁场作为工作场源，测 4 博士学位论文 第一章绪论 量大地电磁场在地面产生的电分量异常，研究地下地电断面的电性变化状况，来 解决地质问题。 上世纪8 0 年代以来，随着我国经济建设的高速发展和人们生活条件的改善， 生产、生活用水紧张，工程勘察任务增加，环境地质问题突出，在地下水开采、 城区断裂调查等工程中迫切需要一种操作简便、抗干扰能力强、精度高的仪器进 行地球物理勘探。就在此时，河南省郑州地校研制成功了d x 型天然电场选频仪 ( 1 9 8 3 年获河南省科技进步三等奖) ，用来测量大地电磁场选频后微弱交变电 场信号的一种便携式测量仪器。该仪器主要是针对山区和城市开展快速普查、寻 找地下水以及解决某些工程地质问题而设计研制的，随后在全国多个省、市进行 了试验和应用，均取得了较好的地质效果。 1 9 8 7 年，韩莱诚在“略论天然电场选频法在城市物探工作中的应用”论文 中，就天然电场选频法在城市物探中的应用进行介绍懈1 。 1 9 9 1 年，李明辉应用这一方法先后在长沙、株州郴州等地找水和工程地质勘 察。认为天然电场选频法是一种不需人工供电，抗干扰能力强，轻便快速发现异 常的物探方法，具设备轻，成本低等优点。可通过改变不同频率来达到加大不同 勘探深度的目的；该方法可在大面积第四系覆盖区，寻找隐伏断裂构造，并可在 场地狭窄，工业电流干扰及其它良导体干扰地区进行工作，从而弥补了直流电法 和其它物探方法的不足；在工程物探工作中，可用该方法宏观控制区内地质体的 变化规律及分布情况，大大加快了工程进展，节约了投资。可作定性及粗略的半 定量解释n “。 同年，董松贵结合鹤壁电厂水源地调查就天然电场选频法的原理、i 作方 法、地质效果进行研究，认为天然电场选频法的特性服从麦克斯韦方程组。报据 曲线特征上的低阻体来确定含水体，根据趋肤深度公式万= 1 西= 5 0 3 3 p ，估 算低阻体的埋深，并视探测区的地质情况进行修正( 乘以一个l 2 1 4 的经验 系数) 1 啊。 1 9 9 4 年，莫承彬等人“就天然电场剧变场的起因进行了初步探讨，认为含 水断裂破碎带上剧变场起因主要与电子导体的电化学作用一氧化还原反应、溶液 经过多孔岩石渗透时形成的过滤电场、两种浓度不同溶液接触时形成的扩散电 场、雷雨放电和地球自身运动等有关。其成因的共同特点就是以溶液的存在为前 提，水溶液是自然电场形成的充要条件，自电剧变场与地下水活动和运移有密切 关系，剧变场是示水性的新参数，故可根据剧变场来寻找断裂破碎带的储水构造。 随后，一些地质工作者分别在火山岩地区地下水研究、抽水与地面变形关 系的研究“删、溶洞探测n 1 ”、土坝渗漏检测n 1 “蚴等方面应用天然电场选频法。 综上所述，天然电场选频法在水文地质、工程地质应用方面，主要用来探测 5 博士学位论文 第一章绪论 断裂带、堤坝渗漏带、地下溶洞等，上述作者主要利用天然电场选频法检测到的 电位差来研究地质问题。 在用天然电场选频法进行地下水勘探和注浆堵水工程中，我们发现在天然交 变电磁场中运动的地下水体的地表电磁响应除有明显的静态信息外，还有显著的 动态信息特征，表现为天然电场选频法测量中电位差幅值的变化及变化的频率。 这种信息以往被忽略，甚至当作雷电引起的干扰。实际上，这种动态信息的形成 与地下水的运动和电磁场的性质密切相关。 1 3 本文的主要研究内容、方法 1 3 1 主要研究内容 本文研究从地下径流通道的形成、特点入手，抓住地下径流通道中水的流动 特性及其在地表形成的动态电磁响应特征，研究天然电场选频法动态信息与地下 径流通道中流动水( 地下动态导体) 的关系，提出通过天然电场选频法动态信息 直接反映地下流动水，进而确定地下径流通道位置的勘探新思路，为矿山注浆堵 水、地下水开发等工程中钻孔位置的快速、准确确定提供新的有效方法。 本文的主要研究内容有： 1 地下径流通道的形成、特征和其中水的流动特性。 研究地下径流通道的形成、特征及其影响因素，为矿山注浆堵水、地下水开 发和地质灾害防治提供理论依据；研究地下径流通道中地下水径流类型、方向和 强度，掌握地下径流通道中地下水流速、流量和矿化度的变化特点和变化规律， 为了解地下径流通道中流动水等溶液( 地下动态导体) 在地表形成动态电磁响应 提供客观依据。 2 天然电场选频法信息特征及其形成机理。 将天然电场选频法接收到的信息进行分类，对每种信息类型的特征、形成机 理和影响因素进行研究，为天然电场选频法动态信息快速、准确探测地下径流通 道提供理论依据。 3 天然电场选频法动态信息在矿区注浆堵水、城区工程勘察和水源井的勘查成 井中的应用。 在矿山注浆堵水工程中，以石下江煤矿注浆堵水为例，研究矿区采矿前后水 文地质条件变化、上覆土层的物理力学性质变化、矿井水的来源、矿井涌水通道 的类型、矿山注浆堵水的特点和技术关键，研究利用天然电场选频法动态信息确 定注浆堵水孔位置、了解地下浆液的流向和检查注浆效果的工作步骤和资料解释 过程：在城区断裂的勘探中，以湘潭城区杨梅洲一木鱼潮断层勘探为例，分析城 6 博士学位论文 第一章绪论 区断裂探测的特殊性，研究利用天然电场选频法确定断裂带的范围、断裂带中流 动水的位置和断层倾向的工作过程和方法；在地下水开发中，以湖南科技大学2 # 水源井的勘探和成井为例，分析地下水开发的特点及其技术关键，提出根据天然 电场选频法动态信息直接找到流动水，进而确定径流通道，再在径流通道上布孔 成井的工作思路，为解决地下水开采中成井率低、成本高的难题找到一种准确、 快速、经济的方法。 1 3 2 主要研究方法 运用地质和水文地质学的最新理论，对地下径流通道的特征、形成机理、控 制因素和地下径流通道中水的运动方式进行研究，运用电磁波传播理论研究天然 交变电磁场动态信息特征及其形成机理，通过在矿区注浆堵水、城区工程勘察和 水源井勘查和成井等工程实例中，采用野外试验、与其它物探方法对比以及钻探 和开挖验证等说明利用天然电场选频法动态信息确定地下径流通道的工作方法 和效果。研究的技术路线如图卜l 。 博士学位论文 第一章绪论 图卜1 研究技术路线框架图 f i g 1 lf h 眦p i 咖o f 吐l e 眦h n 0 1 0 9 i c a l 刚t e 8 博士学位论文 第二章地下径流通道的形成、特征及其影响因素 第二章地下径流通道的形成、特征及其影响因素 地下径流通道主要有孔隙、裂隙、溶隙及人工通道。 2 1 孔隙的形成、特征及其影响因素 孔隙是矿物或碎屑颗粒堆积留下的空隙形成的，通常存在于岩石和未固结的 沉积物中，沉积物中的孔隙与沉积物的大小、磨圆、分选( 级配) 有密切关系( 图 2 1 ) 。其透水性能取决于孔隙的大小和连通情况( 与孔隙度无关) 。孔隙大、连 通好，透水性好，否则，透水性差。 圜闺圈 【8 )【b )( c ) 图2 1 沉积物中的孔隙 f i 瞄lp 呲o f 恤es e d i i i l e n t ( a ) 分选良好排列疏松的砂( b ) 分选良好捧列紧密的砂( c ) 分选不良含泥、砂的砾石 岩石中的孔隙与岩石类型、成分、胶结方式( 图2 2 ) 等相关。所有岩石， 都有孔隙，但不同岩石的孔隙在大小、形状和发育程度上都极不相同，砾岩、砂 岩和次生胶结作用微弱的鲕粒灰岩、生物碎屑灰岩、重结晶灰岩和白云岩等，其 孔隙主要是碎屑颗粒之间的粒间孔隙，规律性强，分布较均匀，孔隙之间基本上 是连通的。而大部分碳酸盐岩由于次生胶结作用的，一般粒间孔隙被大部分胶结 物所充填，孔隙不发育，但这类岩石由于成岩以后的外力作用或次生改造，往往 发育大大小小的裂隙和溶洞。 ( b )( c )( d ) 图2 2 岩石的肢结类型 ( a ) 基底胶结( b ) 孔隙胶结( c ) 接触胶结( d ) 镶嵌胶结 f i 鲒- 2 t h ec e m 朗切瞳i o i it y p e0 f r o c k ( a ) b 撇lc e r m n l ( b ) p o r o u s “砖n t ，( c ) c 加t a c tc e l m t ( d ) p o i l ( i u 雠c e i m n t 岩石样品中，孔隙体积之和( v n ) 与该岩样总体积( v ) 的比值，称为该岩样的 孔隙度( n ) 。 l ， 露= 罟 ( 2 1 ) 9 博士学位论文第二章地下径流通道的形成、特征及其影响因素 或库= 軎1 0 0 ( 2 _ 2 ) 孔隙度表示岩石中孔隙的发育程度。碎屑岩的原始孔隙几乎全是粒间孔隙， 最终孔隙度最高达1 5 3 0 9 6 ，碳酸盐岩的孔隙类型复杂，最终孔隙度较小，为5 1 5 ，在成岩，后生期或表生期经收缩、压固、溶解等，也可产生少数微裂缝或 改造原有的孔隙结构。 2 2 裂隙的形成、特征及其影响因素 2 2 1 裂隙的形成和特征 在构造作用或其