地表電性不均勻體對天電法測量的影響及對策

楊佃俊，楊樹華，楊樹偉

（濰坊市星河地下水研究所，山東濰坊，261031）

［摘要］天電法是近幾年發展起來的頗受歡迎的主要用于基巖裂隙水的找水方法，但在山丘地區由于受地表電性不均勻體的影響，容易出現假異常，研究證明利用錯位復測法分辨這種假異常是一種效果很好的方法。

［關鍵詞］天電法；找水儀；地表電性不均勻體；錯位復測法；效果。

天然電場選頻法（以下簡稱天電法）屬于大地電磁測深的范疇，是近幾年發展很快的物探找水方法。它利用天然電磁波向地下傳播再反射到地面的信號進行測量，裝備簡單，測速快，易操作，效果好，很受找水工作者歡迎。以湖南普奇地質勘探設備研究院生產的S系列測水儀為例，可以根據打井深度任意變換500、300、150、100米不同的測量深度，測量精度可達0.001毫伏，測完一個測點只需要2~3分鐘，可以將多個測點多個頻率測出的數據繪成一個剖面圖。測完一條測線，不用借助電腦，只要點一下“繪制剖面圖”就可自動繪制出原始剖面圖、處理剖面圖，數字曲線圖等三種彩圖，可以分析出地下的含水層結構。

任何物探方法都是有長有短一分為二的。與人工電場法相比，天電法的信號源在不利的電磁環境下不夠穩定，必須對同一條測線連測兩遍，才能更好地辨別其電磁環境是否穩定，反映出的異常是否可靠。在地表電性較均勻的情況下只要堅持復測，這個問題大多都能得到較好的解決，但在地表電性不均勻體存在的情況下，天電法受其影響的程度要比電阻率法大得多，會造成很多的假異常，必須引起重視，加以解決。

1. 電性不均勻體在山丘地區無處不在。

地質條件在垂向上是復雜多變的，在水平方向上沿地表同樣也是復雜多變的。所謂地表電性不均勻體就是指在地表無序分布的，導電性能各異，電阻率差異較大的地質體。這些不均勻體類型多樣，在山丘地區廣泛存在，用肉眼大多不易察覺，歸納起來主要有以下幾種。

一是土層厚薄不均勻。土層的電阻率比其下伏的大多數基巖小得多。當土層變厚時可以形成地表低值不均勻體。在山區，有的土層厚度只有幾十公分，有的有幾米，絕對值雖然相差不大，但相對值卻差了若干倍。如果是石灰巖，在充填了粘土的溶溝溶槽處相差的倍數更大。測線與溝谷或山腳垂直土層厚度變化也很大。

二是土層的巖性不均勻。在包氣帶中有時有一些干砂層或干碎石層，這在沖溝中或是坡麓堆積中能經常見到，可以形成地表高值不均勻體。

三是基巖巖性不均勻。在軟硬巖石相間的地層中，如果巖石傾角較大，且基本沒有土層覆蓋的地方，會形成地表高低值頻繁交替出現的現象，成為多發的地表電性不均勻體。

四是巖石淺表層的風化裂隙發育不均勻。在花崗巖、變粒巖等結晶巖石地區淺表層風化裂隙發育很不均勻，容易形成深淺不一的嚢狀風化帶，成為地表低值不均勻體。尤其是在雨季，風化裂隙帶的濕度比較大，電阻率變小，裂隙帶以外電阻率仍然較大，高低值相差更大。

五是堅硬巖石局部裸露，裸巖時隱時現。巖石裸露的地方就是地表高值體，隠伏的地方就是地表低值體。這樣形成的地表電性不均勻體對天電法影響更大。

2. 地表電性不均勻體造成假異常的形成機理。

天電法找水主要是分析水平方向或垂直方向數值的變化，這種變化可以用剖面圖的等值線或顏色變化反映出來，數值突變的地方一般被稱作“異常”，這些異常往往是斷層、裂隙帶、風化帶、巖脈、巖性突變等原因造成的，成為找水的主要.目標。讀圖的主要任務就是要通過去偽存真分辨出異常的真假，找出含水構造。

電磁波在地下的傳播始終遵循趨膚效應，同樣也會遵循電磁波的反射折射等規律。電磁波向地下傳播首先要透過地表的第一層介質，介質的導電性能（或稱為“屏蔽效能”）的大小在很大程度上決定了電磁波向下傳播信號的強弱。

介質的電阻率越小，“屛蔽效能”就越大，更容易吸收電磁波。

如果表層是低值層，它吸收的電磁波就越多，向下傳播的信號就越弱，就會形成從淺到深數值都變小的低值點，在圖中的表現就是“低值下傳”。

如果表層是高值層，它吸收的電磁波較少，向下傳播的信號就更強，就會形成從淺到深數值都變大的高值點，在圖中的表現就是“高值下傳”。

電磁波在地下的傳播可用麥克斯韋方程來表達：

δ=503.5√（ρ/f）

式中：

δ━電磁波的趨膚深度（即穿透深度）米；

ρ━介質電阻率（歐姆·米）；

f ━電磁波頻率（赫茲）。

從上式可以看出，找水儀電磁波的頻率越大，穿透深度越小。當頻率一定時，介質的電阻率越小穿透深度也越小。如果第一層（即表層）是低值不均勻體，電磁波被吸收了很多，信號變弱了，穿透深度小了，低值f下傳現象就出現了。高值下傳也是這個道理。只有不存在地表電性不均勻體時，測出的數值大小才會真正反映出地下深部各層介質的電性特征。

3. 從一個失敗的案例得到的啟示。

萊州南相村一帶有十幾個村地處丘陵區，巖性為二長花崗巖，罕見有斷層和巖脈，該村為建豬場打了二十多眼井，有三分之二基本無水，其他水量也不大。我們選了一個地勢較低的已知井做了天電法測量，同時也做了同一條測線的重復測量（見圖一）。

《圖一、萊州、在不均勻體存在條件下原測圖與原位復測圖之比較》

測量用的電極距10m，測點距5m，1~13點為原測圖，15~27點為原位復測圖，把兩個圖繪制到了一張圖上，用空測點14加以分開。

從該圖可以看出，原測圖的3、4、10號點為相對低值點，1、2、7、8、11、12、13號點為相對高值點，在復測圖上低值點和高值點與原測圖完全一致，說明儀器測量精度很高，抗干擾能力很強。實打井位在2和3號點之間，這里數值反差明顯，是高低值的結合部，僅從該圖看井位是合理的，應該水量很好。經了解，該井實打150m，只在十幾米出水1方/時，再向下基本無水，與圖的表現完全不符。

為探求剖面圖與實打出水量不符合的原因，我們又平移4m測了一條與上面的測線平行的測線，各測點完全對應（見圖二）。

《圖二、萊州、在不均勻體存在條件下原測圖與錯位復測圖之比較》

為與原位復測線加以區別，我們把這個復測圖叫做錯位復測圖。這個錯位復測圖我們也測了兩遍，放到了一張圖上。

從上述錯位復測圖可以看出，在原測圖和原位復測圖中出現的3、4、10號的低值點都不見了，因而高低值的結合部也就不存在了，說明這些低值點是不真實的，都是假異常，打井無水也就不奇怪了。聯系到其他地方經常也會遇到原位復測一致性很好，異常表現很明顯，但打井無水的案例，我們認為這些假異常可能都是地表電性不均勻體造成的，只靠原位復測難以辨別出來。

4.錯位復測法是排除地表電性不均勻體造成的假異常的最好方法。

地表電性不均勻體是客觀真實存在的地質體，如果只對原測點做原位復測，測出來的數據還是同樣受那些不均勻體的影響，原測圖和原位復測圖仍然是一致的，出現 的異常是否是不均勻體造成的辨別不出來。

找水的目的主要是找斷層、裂隙帶、巖脈、巖層突變等構造原因造成的地質異常，這些異常往往有一定的方向性和延伸性，而地表電性不均勻體絕大多數是不規律的，沒有一定的方向性和延伸性，是這兩種地質體的最大區別，我們認為這也就是用錯位復測法能把他們區別開來的主要理論根據。前者的原測圖和錯位復測圖一致性好，后者的原測圖和錯位復測圖一致性不好。所謂錯位復測就是離開原測線若干米再測一條平行線，將二者進行對比分析。平行線的距離以不小于3~5米為宜，若場地允許，平移的距離還可再大些。

圖三是我們在蓬萊市曲家村測出的天電剖面圖，1~15點是原測圖，17~31點是原位復測圖，二者一致性好，7和21是同一個測點。

《圖三、蓬萊、在無不均勻體條件下原測圖與原位復測圖之比較》

為了分析7點的低值異常是不是地表不均勻體造成的，我們又平移10米做了錯位復測（圖四），圖中7號點仍然是低值異常，低值層深度都在150~200米，深度也一致，于是我們在7點確定了井位。經實打，90米見水，185米達5方/時，230米達15方/時以上，成為全村最好的井。

《圖四、蓬萊、在無不均勻體條件下原測圖與錯位復測圖之比較》

保定市某養豬場地處花崗巖貧水地區，業主出16萬元要求每天能出水1000噸，招標保水打井，我們用錯位復測法測定了井位，只打了2個井就超額完成了任務。錯位復測法現在已成了由我們指導的測水人員必須使用的方法，大大提高了成井率。

第一作者簡介：

楊佃俊，男，山東濰坊，教授級高工，1963年畢業于北京地質學院水工地質系，退休前任濰坊市水利局總工兼正處級主任、山東省水利專家顧問團專家，現任湖南普奇地勘設備研究院高級顧問。

參考文獻：

[1] 朱仁學大地電磁測深講義.2002.6

[2] 韓榮波.天然電場選頻法

[3] 楊佃俊.電測找水.山東人民出版社.1974

[4] 濰坊市星河地下水研究所.雙向聯合電測深法找水.專利號

ZL200810139004.2

[5]楊樹華等.天然電場法找水效果的再認識.［地下水］期刊2016.3

[6]［天電物探］.湖南普奇地勘設備研究院內部刊物