天然电场选频法在工程物探中的应用效果.docx

天然电场选频法在工程物探中的应用效果蔡力挺 ,韩玉庆(山东省地矿局第三地质大队 ,山东 烟台 264000)摘要 :天然电场选频法是一种以大地电磁场为工作场源的简便、快捷有效的寻找地下水、基岩破碎带 、地下空洞等的一种物探方法 ,能适应较复杂的场地 ,与常规物探方法相比 ,具有快速、省力、独特的 地质效果 ,在工程物探中有着较广泛的应用。着重简述了其工作原理 、应用实例及应用中注意的问题 。关键词 :天然电场选频法 ;原理 ;应用实例 ;注意问题中图分类号 : P59文献标识码 :B文章编号 :1004 5716 (2009) 04 0151 03天然电场选频法是以大地电磁场为工作场源 ,利用岩 (矿) 石点学性质的差异 ,测量地下岩性分界面对天然 电磁场的反射信息来探查不同深度的地质构造 ,达到解 决地质问题的一种交流电勘探方法 。它也可视为被动 源大地电磁测量的一种新方法。电法勘探中的电阻率法和激发极化法在寻找地下水、找矿、找暗洞及解决其它工程地质同题中可获得较满意的地质效果 。但是 ,这 些方法较繁杂 :如需长距离拉线 ,大功率供电 ,人员多 , 设备笨重 ,工作效率低 ,不能满足现代快速普查的需求 。 若在地形起伏较大山区、城市建筑密集区用这些方法开 展工作 ,会遇到许多问题 ,甚至无法工作。而天然电场 选频法可弥补直流电法工作中的这些不足 , 它没有人 工场源 ,接收机轻便 ,快速有效 , 受场地条件限制小 、 勘探深度大 。尤其是采用选频装置 , 抗干扰能力强 , 能够在较小范围内开展工作 ; 根据不同勘探目标的 埋深 ,选择不同频率可达到压抑浅部和深部干扰 , 使 异常曲线更能清楚地反映勘探目标的空间位置 。相 应的仪器 天然电场选频仪便是利用岩石和矿石 电学性质的差异 , 通过测量大地电磁场不同频率的 电分量 ,以探查不同深度的地质异常体的一种便携 式仪器 。1 天然电场选频原理天然电场选频法所利用的场源为被动源 ,其激发场 能源为太阳和远处雷电 ,太阳内部不稳定的核反应 ,在周围空间产生带电离子 ,从而使地球磁场受到畸变 ,激 发电离层产生脉冲电磁场 ,当激发场到达地表面时 ,电 场被反射 , 磁场 一部分 被反 射 , 一 部分透 射 入 大 地 ( Hp ) 。透射入大地的磁场产生一种沿地表分布的表面电场 Ew ,同时还产生一种垂直于地表面向下传播的电场 Ep , Ep 和 Hp 一起组成以平面波形式向下传播的电磁脉冲场 ,便是实际探测中的激发场。向下传播的 Ep和 Hp 遇到地层界面时将产生向上的反射脉冲电磁场Ev 和 H v (即异常电场和磁场) ,当 Ev 以平面波形式到 达地表时 ,将和 Ew 一起形成迭加电场 Ef , Ef = Ew +Ev ,在地表测量和分析迭加电场信号特征 ,可区分出异常电场 ,从而达到探测异常地质体的目的 。 地下某一深处的电磁场振幅衰减到其地面值的 1/e 时电磁波所传播的距离 , 可称为电磁波的穿透深度( h) ,经过公式推导可得出 :17h = 2 10 / f 503 . 3(1)f由此公式可求出目标体的埋深 ,但由此公式计算出的理论深度要比实际深度大 ,根据经验在基岩地区往往 要乘以改正系数 1/ 2 。2 天然电场选频应用实例2 . 1 在找水中的应用烟台福山乐泉水厂位于烟台市福山区古现镇西马 山山麓 ,水厂选址时 ,仅考虑到当地的天然无污染环境 ,对水源问题考虑不足 ,生产不到一年 ,水源的水量的不 足便成了制约企业发展的关键因素 。应甲方的要求 ,我 院用物探手段在其场区范围内进行找水工作 ,由于山高路险、沟深坡陡 、丛木乱生 , 应用常规电法根本无法工 作 ,于是 ,我院采用了轻便的天然电场选频仪对其进行 井位确定。工区出现岩性大部分为结晶灰岩、偶见硅化灰岩 ,局 部夹云母片岩 ,从地表看 ,岩石均较完整 ,无构造破碎现象。我们根据该区水文特征和估算覆盖层厚度来选择测量频率为 f1 = 15. 7 Hz 、f2 = 23. 6 Hz 、f3 = 71. 8 Hz 、f4 =129 Hz 、f5 = 213 Hz 共 5 种 ,MN = 20m 、点距 = 10m 天然电 场选频法来寻找隐伏构造。剖面在一有利位置垂直一条152西部探矿工程2009 年第 4 期北东向的深沟布设 ,通过剖面测量 ,在该深沟南侧发现一条亦北东向低值异常带(见图 1) ,由图可看出 5 种测量频 率均在 6769 点有异常显示。取上覆粘土的视电阻率 a = 20m 、修正系数为 0. 5 ,则用公式 fc = 6. 35 104m /的接触破碎带 ,该深沟应为构造露头在地表遭受流水冲蚀的结果。考虑到该构造倾向南东及该区水文地质条 件 ,建议在 69 点施钻 ,钻探深度 290m ,结果在 100m 遇破碎带 ,直到 285m ,未见完整岩芯 ,2007 年 12 月 18 日峻 工 ,井深 290m ,出水量 50t/ h (降深 20m) ,稳定水位 50m 。 完全满足了水厂生产用水的需求。同时也说明在缺水严重的胶东地区若灰岩地层中隐伏着大的断裂或构造 ,则 意味地下赋存着较丰富的地下水 ,为胶东开发和利用地 下水资源指明了方向。h2 计算出 异常带 的埋深 约 77m 。f1 = 15. 7 Hz 与 f2=23. 6 Hz相比异常最小值向数值增大方向(即南东) 偏移了20m ,说明异常带倾向南东 ,用 f1 = 15. 7 Hz计算该异常带 趋肤深度为 283m 。结合沟南沿出现的云母片岩 ,推测该北东向低值异常带应为倾向南东的结晶灰岩与云母片岩图 1 烟台福山乐泉水厂天然电场选频测量剖面图2 . 2在地质灾害治理中的应用蓬莱市大柳行镇曲家唵口村附近含金矿化脉较多 ,曾经采金兴盛 ,民采点星罗棋布 ,矿硐更是纵横交错 ,且 多数为乱挖滥采 ,对大部分采空区不能及时采取措施进行处理 ,造成当地地面沉陷 、民房开裂倒蹋 、水位下降污 染等地质灾害 ,使当地百姓深受其害 ,治理地质灾害 ,已成为当地政府部门的一件亲民大事 。受蓬莱市国土资 源局的委托 ,我单位承担了治理该项地质灾害的任务。 考虑到当地的地质条件和实际情况 ,为快速查明地 下矿硐的分布位置 、顶部埋深、规模大小等 。我单位决 定采用简便的天然电场选频仪在村中进行测量 ,测线尽 量沿交通便利的地方布设。采用极距为 5 m 、点距为 2 m的高频档 ( 320 Hz 、640 Hz 、980 Hz 、1450 Hz 、2520 Hz , 相应曲线为 1 、2 、3 、4 、5) 进行快速面积测量 ,当有异常反 映后 ,再垂直原测线方向再测量 ,确定异常 ( 空洞) 的准确位置、埋深。由图 2 、图 3 可看出 5 剖面、6 剖面在测量频率为 1450 、2520 时分别在 11 点、7 点出现了明显 的高值异常且后者异常大于前者 ,说明该异常为埋深较浅的高阻体 ,结合附近的地质情况 ,排除了高阻岩脉的可能 ,推断该高阻体为北西的一条矿硐所致 。取异常半 极值点解释矿硐宽约 2 m ,取上覆粘土的视电阻率a =15m ,修正系数为 0 . 5 ,按公式 ( 1) 计算得出矿硐的埋深约 19 . 4 m 。后经钻探验证 ,19 m 见洞 ,深约 3 m ,呈北 西走向 ,与探测结果较吻合 。后来又做了大量的工作 , 基本查明了全村的地下空洞在平面上的分布位置 、埋深及相互间的联系 ,实施了有力的处理措施 ,消除了危害 ,使当地百姓过上了安心的日子。 此外天然电场选频还可在工程地质勘察 (寻找影响建筑基础稳定的构造带 、城市防空洞) 、查找地下金属管 道 、深部地热资源 、对地震活动断层的研究等方面的广 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1532009 年第 4 期西部探矿工程泛应用 , 它具有其它常规直流电法勘探无法比拟的 优势和效果。量垂直高压线通过。当测量用的传输线摆动时 ,传输线中会产生感应电流 ,干扰仪器读数的稳定性 ,所以应避 免传输线在空中摆动。(5) 在坚硬可溶的高阻岩性地区 ,表土覆盖层厚度h 10 m 时 ,富水带上测线异常幅值可 80 % ; 当 10 m h 50 % ; 当 h 30 m 时 ,异常 幅值可 30 % 。(6) 当所测曲线形态呈“U ”型 ,低值部分宽且缓时 ,多为低阻地层或规模较大的挤压破碎带的反映 ,而非良 好富水体的体现。(7) 由于所接收信号是不稳定的 ,判别曲线是否真实要看曲线形态而非具体数值。(8) 低阻地区 (如页岩 、泥岩 、泥灰岩、玄武岩) ,所测 富水带异常幅值往往较小 。若第四系覆盖层很厚 、或表 层较湿、或表层电阻率值较低 ,亦会使富水体上的异常 幅值减小。(9) 当所测曲线形态有陡降段 ( 即一边呈平缓高值 区 、一边呈平缓低值区) ,陡降处往往是两种岩性接触界 面的反映。定井时 ,应尽可能定在岩石相对较破碎的接 触界面处 ,而不能一味追求低值定在平缓的低值区。(10) 对于寻找地下空洞的高阻异常 ,可利用半极值 点法求出异常体的宽度 。(11) 在应用过程中应尽可能结合其它物探方法和地质手段 ,这样 ,可定性定量解释目的层的性质和赋存 特征 ,提高成果推断的成功率 。4 结论天然电场选频法是地球物理勘探的一个分支。由 于它不需要人工场源、成本低廉 ,具有较大的勘探深度 ; 仪器轻便、操作简单 、高效快速 、工作强度小 ,可快速确定目标物的位置、估算其埋深 ;不受高阻层的屏蔽影响 , 对低阻层有较高的分辨能力 ; 不受测量范围的限制 ,可 快速确定井位 、估算目的层的埋深及寻找构造破碎带、城市防空洞 、地下矿洞等。可广泛应用工程物探 、水文 地质、工程地质等等方面。总之 ,天然电场选频法可以 弥补直流电法勘探的不足 ,是一种较为实用的好方法 ,其特点也决定了其必将受到广大生产单位和工程技术 人员的喜爱 。天 然 电 场 选 频 法 应 用3中应注意的问题( 1 ) 天然电场选频法 主要为相对测量 , 它视地磁场在一定测量范围内为常数 , 这样当测量频率一 定时 , 视电阻率与所测的 电场强度分量的平方成正 比 ,并以此来区分岩 ( 矿) 的导电性 , 寻找地质异常 体。( 2 ) 不同的测量频率 则反映不同的深度。频率 赿低 ,反映深度赿大 ,反之 赿浅。野外测量中应根据 不同的勘探目标 , 估计地 质体埋深 , 由下式计算出 所需最大频率 :f c = 6 . 35 104m / h2式中 : h 勘探深度 ;m 工作区地下介 质的等效电阻率 , 它一般取测量深度内电性层最小电阻率值 。计算 深度时 , 取没 有 异常的最低频率和出现异 常的最高频率分别计算 , 求出异常体顶部界面埋深 的深度范围。( 3 ) 野外工作常用多 频率观测 ,利于对比分析 , 并可判别地质体的倾向 。 当快速普查时 , 可使用较 大的 MN 距 , 发现异常或 初步确定异常地段时 , 可 缩小 MN 距和点距进行测 量或进行正交测量 , 以利图 2 5 剖面天然电场选频测量剖面图图 3 6 剖面天然电场选频测量剖面图参考文献 : 1 董松贵. 天然交变电场选频法及在找水中的初步应用 J .工程物探 ,1991 .王济仁. 天然交变电场动态特征的研究 J . 煤田地质与勘 探