一、引言

 

  電法勘探方法可以追溯到１９世紀(jì)初Ｐ．Ｆｏｘ在硫化金屬礦上發(fā)現(xiàn)自然電場現(xiàn)象，至今已有１００多年的歷史。我國電法勘探始于２０世紀(jì)３０年代，由當(dāng)時北平研究院物理研究所的顧功敘先生所開創(chuàng)。經(jīng)過７０余年的發(fā)展，我國的電法勘探無論在基礎(chǔ)理論、方法技術(shù)和應(yīng)用效果等方面都取得了巨大的進(jìn)展，使電法成為應(yīng)用地球物理學(xué)中方法種類最多、應(yīng)用面最廣、適應(yīng)性最強(qiáng)的一門分支學(xué)科。同時，經(jīng)過廣大地球物理工作者不懈努力，在深部構(gòu)造、礦產(chǎn)資源、水文及工程地質(zhì)、考古、環(huán)保、地質(zhì)災(zāi)害、反恐等領(lǐng)域，電法已經(jīng)和正在發(fā)揮著重要作用。限于篇幅，本文僅對其中幾種主要方法，如高密度電法、激發(fā)極化法、ＣＳＡＭＴ、瞬變電磁法和地質(zhì)雷達(dá)等作簡要介紹，并就這些方法在水文和工程地質(zhì)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，供廣大水文和工程地質(zhì)、工程物探人員參考。

 

  二、高密度電法

 

  高密度電法實(shí)際上是集中了電剖面法和電測深法，其原理與普通電阻率法相同，所不同的是在觀測中設(shè)置了高密度的觀測點(diǎn)，是一種陣列勘探方法。關(guān)于陣列電法勘探的思想源于２０世紀(jì)７０年代末期，英國人設(shè)計(jì)的電測深偏置系統(tǒng)就是高密度電法的最初模式，２０世紀(jì)８０年代中期日本借助電極轉(zhuǎn)換板實(shí)現(xiàn)了野外高密度電法的數(shù)據(jù)采集。我國是從２０世紀(jì)末期開始研究高密度電法及其應(yīng)用技術(shù)，從理論方法和實(shí)際應(yīng)用的角度進(jìn)行了探討并完善，現(xiàn)有中國地質(zhì)大學(xué)、原長春地質(zhì)學(xué)院、重慶的有關(guān)儀器廠家研制成了幾種類型的儀器。

 

  高密度電法野外測量時將全部電極（幾十至上百根）置于剖面上，利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測儀便可實(shí)現(xiàn)剖面中不同電極距、不同電極排列方式的數(shù)據(jù)快速自動采集。與常規(guī)電阻率法相比，高密度電法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

 

  １．電極布置一次性完成，不僅減少了因電極設(shè)置引起的故障和干擾，并且提高了效率；

 

  ２．能夠選用多種電極排列方式進(jìn)行測量，可以獲得豐富的有關(guān)地電斷面的信息；

 

  ３．野外數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了自動化或半自動化，提高了數(shù)據(jù)采集速度，避免了手工誤操作。此外，隨著地球物理反演方法的發(fā)展，高密度電法資料的電阻率成像技術(shù)也從一維和二維發(fā)展到三維，極大地提高了地電資料的解釋精度。 高密度電法應(yīng)用領(lǐng)域比較廣，尤其在水文和工程地質(zhì)勘查方面，主要有：底青云（２００２）、吳長盛（２００１）、郭鐵柱（２００１）、 董浩斌（２００１）等使用高密度電法在水庫大壩的壩體穩(wěn)定性評價、壩基滲漏勘查、堤壩裂縫檢測上見到了好的應(yīng)用效果；嚴(yán)文根（２００２）將高密度電法用在電廠大壩的基巖面起伏及其強(qiáng)度特性評價上；王文州（２００１）、王玉清（２００１）、侯烈忠（１９９７）等將高密度電法用在高速公路高架橋、高層建筑選址、機(jī)場跑道的地基勘探中；郭秀軍（２００１）采用高密度電法探測防空洞、涵洞、溶洞、地下局部不明障礙物等物理性質(zhì)有別于周圍介質(zhì)的地下有形體；楊湘生（２００１）在湘西北巖溶石山區(qū)找水中應(yīng)用高密度電法確定最佳井位方面取得了好的效果；解愛華（２００３）采用高密度電法與瞬態(tài)瑞雷面波法完成了國際機(jī)場擴(kuò)建工程中的巖土工程勘察問題，查明古河道、墓穴和洞穴的分布及埋深，利用土層的剪切波速劃分場地類別。此外，何門貴（２００２）、劉曉東（２００１）、王士鵬（２０００）在尋找地下水、管線探測、查明采空區(qū)、調(diào)查巖溶及地質(zhì)災(zāi)害等工程物探中使用了高密度電法。

 

  三、激發(fā)極化法

 

  在電法勘探中，當(dāng)電極排列向大地供入或切斷電流的瞬間，在測量電極之間總能觀測到隨時間緩慢變化的附加電場，稱為激發(fā)極化效應(yīng)。激發(fā)極化法（或激電法）就是以巖、礦石激發(fā)極化效應(yīng)的差異為基礎(chǔ)來解決地質(zhì)問題的一類勘探方法。激電法是２０世紀(jì)５０年代末在我國開始研究和推廣的，早期是以直流（時間域）激電法為主，２０世紀(jì)７０年代初開始研究交流（頻率域）激電法———主要是變頻法，２０世紀(jì)８０年代初又開始對頻譜激電法進(jìn)行研究，也就是研究復(fù)視電阻率隨頻率的變化———即復(fù)視電阻率的頻譜。由于該方法測量的是二次場，具有不受地形起伏和圍巖電性不均勻的影響、可測量的參數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)。 在實(shí)際地質(zhì)應(yīng)用方面，初期的激電法主要用于勘查硫化金屬礦床，后來發(fā)展到諸多領(lǐng)域，如氧化礦床、 非金屬礦床、工程地質(zhì)問題等。近年來，激電法找水效果十分顯著，被譽(yù)為“找水新法”。早在上世紀(jì)６０年代，國外學(xué)者ＶｉｃｔｏｒＶａｃｑｕｉｅｒ（１９５７）等提出了用激電二次場衰減速度找水的思想。在該思想的啟迪下，我國也開展了有關(guān)研究，并將激電場的衰減速度具體化為半衰時、衰減度、激化比等特征參數(shù)，這些參數(shù)不僅能較準(zhǔn)確地找到各種類型的地下水資源，而且可以在同一水文地質(zhì)單元內(nèi)預(yù)測涌水量大小，把激電參數(shù)與地層的含水性聯(lián)系起來。目前，我國已有北京地質(zhì)儀器廠、重慶地質(zhì)儀器廠和山西平堯地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)出適合尋找地下水的儀器。

 

  在找水方面的具體應(yīng)用有：楊進(jìn)（１９９７）用回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)及回歸預(yù)測方法預(yù)報(bào)了地下涌水量；姜義生（２０００）使用雙頻激電法不僅解決了居民飲用的地下水源，而且解決了干擾地下施工的漏水帶；龍凡（２００２）使用激電法中視激化率和半衰時參數(shù)在砂頁巖地區(qū)、灰?guī)r地區(qū)、花崗巖地區(qū)和玄武巖地區(qū)找到了地下水資源，并且用回歸直線法預(yù)測了單井涌水量；王聿軍（２００１）使用激電法在貧水山區(qū)進(jìn)行找水；王俊業(yè)（２０００）用激電參數(shù)和電阻率參數(shù)對地層的富水性進(jìn)行評價，取得了好的結(jié)果；李金銘（１９９３）、 金學(xué)名（１９９３）使用激電法的偏離度參數(shù)尋找地下水資源；李茂塔（２００１）、 李金銘（１９９０、１９９４）對激電法找水的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了研究；周立功（２００１）使用激電法在重力土壩穩(wěn)定性檢測中查明最大下沉段堤下介質(zhì)賦水情況。

 

  值得一提的是，利用激電法找水或確定地層的含水性，最好與高密度電阻率法相結(jié)合，這樣可以降低地球物理解釋的多解性，提高找水的成功率。高密度電阻率法在確定高阻或低阻地質(zhì)體具有優(yōu)越性，但低阻地質(zhì)體并不代表富含地下水，可能是由于泥巖引起地層的電阻率下降。這時，可以通過使用激電法來區(qū)分含水地層和泥巖，因?yàn)榧る姸螆雠c巖石的孔隙有關(guān)，在純粹泥巖中極化率比較小，在含水砂礫巖中極化率比較大，此外二次場的衰減速度也與孔隙的大小、形狀和寬窄有關(guān)，這就是激電法找水的機(jī)理所在。

 

  四、可控源音頻大地電磁法（ＣＳＡＭＴ）

 

  可控源音頻大地電磁法是在大地電磁法（ＭＴ）和音頻大地電磁法（ＡＭＴ）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種可控源頻率測深方法。ＣＳＡＭＴ是１９７５年由ＭｙｒｏｎＧｏｌｄｓｔｅｉｎ提出，它基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組建立了視電阻率和電場與磁場比值之間的關(guān)系，并且根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論得出電磁波的傳播深度（或探測深度）與頻率之間的關(guān)系，這樣可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測深度，達(dá)到頻率測深的目的。目前，已商業(yè)化的ＣＳＡＭＴ儀器是由加拿大鳳凰公司與美國宗基公司研制的。 ＣＳＡＭＴ采用可控制人工場源，測量由電偶極源傳送到地 下的電磁場分量，兩個電極電源的距離為１～２ｋｍ，測量是在距離場源５～１０ｋｍ以外的范圍進(jìn)行，此時場源可以近似為一個平面波。由于該方法的探測深度較大（通?？蛇_(dá)２ｋｍ），并且兼有剖面和測深雙重性質(zhì)，因此具有諸多優(yōu)點(diǎn)：第一，使用可控制的人工場源，測量參數(shù)為電場與磁場之比———卡尼亞電阻率，增強(qiáng)了抗干擾能力，并減少地形的影響。第二，利用改變頻率而非改變幾何尺寸進(jìn)行不同深度的電測深，提高了工作效率，一次發(fā)射可同時完成７個點(diǎn)的電磁測深。第三，探測深度范圍大，一般可達(dá)１～２ｋｍ。第四，橫向分辨率高，可以靈敏地發(fā)現(xiàn)斷層。第五，高阻屏蔽作用小，可以穿透高阻層。與ＭＴ和ＡＭＴ法相同，ＣＳＡＭＴ法也受靜態(tài)效應(yīng)和近場效應(yīng)的影響，可以通過多種靜態(tài)校正方法來消除“靜態(tài)效應(yīng)” 的影響。ＣＳＡＭＴ法一出現(xiàn)就展示了比較好的應(yīng)用前景，尤其是作 為普通電阻率法和激發(fā)極化法的補(bǔ)充，可以解決深層的地質(zhì)問題，如在尋找隱伏金屬礦、油氣構(gòu)造勘查、推覆體或火山巖 下找煤、地?zé)峥辈?/a>和水文工程地質(zhì)勘查等方面，均取得了良好的地質(zhì)效果。在地下水資源方面，ＣＳＡＭＴ法適合尋找深部的基巖裂隙水：石昆法（１９９９）使用ＣＳＡＭＴ法在灰?guī)r中尋找斷層，并打出了地下水；郭建華（１９９５）用ＣＳＡＭＴ法在干旱地區(qū)尋找地下水資源及探測隱伏構(gòu)造；蔣達(dá)龍（１９９４）用ＣＳＡＭＴ法發(fā)現(xiàn)地下熱水資源；底青云（２００１）結(jié)合ＣＳＡＭＴ法和高密度電法探測深層和淺層的地下水資源；底青云（２００２）使用ＣＳＡＭＴ法查找礦山頂板涌水隱患；嚴(yán)盛新（２００３）用ＣＳＡＭＴ法在沙漠腹地尋找地下水資源；吳璐蘋（１９９６）用ＣＳＡＭＴ法在山區(qū)、半山區(qū)等地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行找水。此外，ＣＳＡＭＴ法在工程勘探中的壩體滲漏調(diào)查、國家南水北調(diào)工程西線的地質(zhì)勘查、小浪底水利工程等項(xiàng)目，都可以發(fā)揮良好的作用，如劉錄剛（２００４）用ＣＳＡＭＴ法在雁門關(guān)隧道中進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

 

  五、瞬變電磁法（ＴＥＭ）

 

  瞬變電磁法是利用不接地或接地線源向地下發(fā)送一次場，在一次場的間歇期間，測量由地質(zhì)體產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場隨時間的變化。根據(jù)二次場的衰減曲線特征，就可以判斷地下不同深度地質(zhì)體的電性特征及規(guī)模大小等。由于該方法是觀測純二次場，消除了由一次場所產(chǎn)生的裝置偶合噪音，具有體積效應(yīng)小、橫向分辨率高、探測深度深、對低阻反映靈敏、與探測地質(zhì)體有最佳偶合、受旁側(cè)地質(zhì)體影響小等優(yōu)點(diǎn)。 瞬變電磁法最初是由前蘇聯(lián)學(xué)者在２０世紀(jì)３０年代提出用于解決地質(zhì)構(gòu)造問題，２０世紀(jì)５０年代用于找礦，２０世紀(jì)６０年代以后從方法原理到一、二維反演都得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。在我國，該方法研究始于２０世紀(jì)７０年代，２０世紀(jì)９０年代后逐步向工程檢測、環(huán)境、災(zāi)害等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。從２０世紀(jì)８０年代開始，原長春地質(zhì)學(xué)院、原地礦部物化探研究所、中南大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)分別在方法理論、儀器及野外試驗(yàn)、一維及二維正反演方法等方面做了大量工作，并且自行研制了幾種功率小、探測深度淺的瞬變電磁法儀器，在生產(chǎn)實(shí)際中見到了好的應(yīng)用效果。然而，大功率、探測深的瞬變電磁法儀器國內(nèi)尚在研制中，目前主要依賴進(jìn)口。 瞬變電磁法除了廣泛應(yīng)用于金屬礦產(chǎn)、石油、煤田、地?zé)?/a>以及凍土帶和海洋地質(zhì)等地質(zhì)勘查工作之外，在水文和工程地質(zhì)勘查中也取得了非常好的應(yīng)用效果，如楊文欽（２００２）、張保祥（２００２）、郁萬彩（２００１）、蔣文（２００４）等使用瞬變電磁法查明斷層及頂板砂巖的導(dǎo)水性及富水性、勘查地下水資源及界定地下水位、評價斷層空間位置及含水性和尋找地下含水構(gòu)造；劉繼東（１９９９）、 李貅（２０００）、袁江華（２００２）、閻述（１９９９）等使用瞬變電磁法探測煤柱及圈定老窯采空區(qū)、勘察煤田礦井涌水通道、探測小浪底水庫庫區(qū)煤礦采空區(qū)和探測地下洞體的存在；劉羽（１９９５）用瞬變電磁法評價塌陷成因及危害性、評價防滲帷幕穩(wěn)定性、探測高層建筑地基和評價大橋橋址穩(wěn)定性；郭玉松（１９９８）使用瞬變電磁法探測堤防工程隱患、勘查水庫壩址；薛國強(qiáng)（２００３）使用瞬變電磁法探測公路隧道工程中的不良地質(zhì)構(gòu)造；李文堯（２０００）用瞬變電磁法在抗洪搶險中尋找漏水?dāng)嗔鸦蛉芏矗痪礃s中（２００３）使用瞬變電磁法結(jié)合四極測深探測地下管網(wǎng)分布。

 

  六、地質(zhì)雷達(dá)（ＧＰＲ）

 

  地質(zhì)雷達(dá)與探空雷達(dá)技術(shù)相似，是利用寬帶高頻時域電磁脈沖波的反射探測目標(biāo)體，只是頻率相對較低，用于解決地質(zhì)問題，又稱“探地雷達(dá)”。將雷達(dá)技術(shù)用于探地，早在１９１０年就已經(jīng)提出，在隨后的６０年中該方法多限于對波吸收很弱的鹽、冰等介質(zhì)中。直到２０世紀(jì)７０年代以后，地質(zhì)雷達(dá)才得到迅速推廣應(yīng)用。我國地質(zhì)雷達(dá)儀器的研制始于２０世紀(jì)７０年代初期，由多家高校和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行儀器研制和野外試驗(yàn)工作。但是由于種種原因，研究成果至今未能用于實(shí)際。目前，國內(nèi)使用的地質(zhì)雷達(dá)儀器都是引進(jìn)的，能夠提供商用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的有美國、加拿大、瑞典、俄羅斯等國家。

 

  地質(zhì)雷達(dá)是由地面的發(fā)射天線將電磁波送入地下，經(jīng)地下目標(biāo)體反射被地面接收天線所接收，通過分析接收到電磁波的時頻、振幅特性，可以評價地質(zhì)體的展布形態(tài)和性質(zhì)。由于雷達(dá)穿透深度與發(fā)射的電磁波頻率有關(guān)，使其穿透深度有限，但分辨率很高，可達(dá)０．０５米以下。早期，地質(zhì)雷達(dá)只能探測幾米內(nèi)的目標(biāo)體，應(yīng)用范圍比較狹窄。此外，地質(zhì)雷達(dá)與地震反射法原理相似，一些地震資料處理解釋方法可以借用。目前，地質(zhì)雷達(dá)探測深度最大可達(dá)１００米，使之成為水文和工程地質(zhì)勘察中最有效的地球物理方法。 地質(zhì)雷達(dá)因具有分辨率高，成果解釋可靠的特點(diǎn)，在淺層地質(zhì)勘探中，有著非常廣泛的應(yīng)用。如探測覆蓋層厚度、基巖面起伏，查找潛伏斷層、破碎帶、古溶洞、管道溝、涵洞以及地下掩埋體，進(jìn)行環(huán)境地質(zhì)、 考古調(diào)查等。在水文和工程地質(zhì)中，地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用也是非常廣泛，主要有：楊天春（２００１）、錢榮毅（２００３）、 鄧居智（１９９９）使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行公路、高速公路、機(jī)場道路等質(zhì)量的無損檢測；趙永貴（２００３）、 薛建（２０００）、史付生（２００３）使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、 檢測隧道襯砌質(zhì)量；王俊茹（２００３）、李永革（２００１）、姬繼法（２００２）使用地質(zhì)雷達(dá)探測建筑物地下邊坡孤石、機(jī)場地下古墓等不良地質(zhì)體分布，消除其對鄰近或上部構(gòu)筑物構(gòu)成的潛在威脅；姜衛(wèi)方（２０００）、 李大心（２０００）、朱紅軍（２００２）使用地質(zhì)雷達(dá)調(diào)查滑坡體及滑坡面、評估崩塌、滑坡及地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害；高建東（１９９９）、 曾校豐（２０００）、王百榮（２００１）、張志清（２０００）使用地質(zhì)雷達(dá)探測水庫地下防滲墻、探測水庫壩體結(jié)構(gòu)層及結(jié)構(gòu)層材料老化變質(zhì)、檢測灌漿質(zhì)量及混凝土厚度、調(diào)查覆蓋層厚度及襯砌混凝土質(zhì)量；楊向東（２００１）使用地質(zhì)雷達(dá)探測地下管道；李張明（２０００）使用地質(zhì)雷達(dá)在三峽工程施工中探明花崗巖不均勻風(fēng)化分布范圍、圈定較大斷層及風(fēng)化夾層的延伸范圍和產(chǎn)狀、檢測高速公路質(zhì)量；王孝起（２００１）使用地質(zhì)雷達(dá)調(diào)查南水北調(diào)中線天津干渠基巖巖性及基巖面高程；張興磊（２００１）使用地質(zhì)雷達(dá)查明了煤柱破壞情況和采空區(qū)分布范 圍，指導(dǎo)注漿施工；張欣海（１９９９）使用地質(zhì)雷達(dá)查明了海上圍堤的斷面特征以及著底情況；陳愛云（２００３）使用地質(zhì)雷達(dá)在石質(zhì)文物保護(hù)工程中查明巖體中含水裂隙和溶洞的分布規(guī)律及對文物的影響。

 

  七、結(jié)論

 

  通過對幾種主要電法勘探方法的發(fā)展、原理及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行綜述，可以看出，電法勘探方法在水文和工程地質(zhì)勘探領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，歸結(jié)起來有以下幾方面：

 

  １．高密度電法由于其高效率、 深探測和精確的地電剖面成像，成為水文和工程地質(zhì)勘察中最有效的方法。考慮到該方法的分辨率不高，在具體的應(yīng)用中可以結(jié)合其他電法勘探、電測井等方法，達(dá)到精細(xì)地質(zhì)解釋的目的。

 

  ２．地質(zhì)雷達(dá)主要用于各類工程地質(zhì)勘探，是工程地質(zhì)勘探 首選的電法勘探方法。同時，該方法可以借用地震勘探中已有的資料處理和解釋技術(shù)，使其迅速發(fā)展，可以在更多的領(lǐng)域發(fā)揮作用。

 

  ３．在水文地質(zhì)勘探中，激發(fā)極化法和可控源音頻大地電磁 法是首選的電法勘探方法，如果將激發(fā)極化法和高密度電法結(jié)合起來尋找地下水資源，效果將會更好。

 

  ４．瞬變電磁法在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)勘探中都有著廣泛的 應(yīng)用，尤其是大功率瞬變電磁儀不僅可以在深部地質(zhì)勘探中發(fā)揮作用，還具有較高的分辨能力。如果將該方法與高密度電法結(jié)合使用，有望解決深部精細(xì)地質(zhì)勘察問題。