楊樹華，楊樹偉，王洪波

(1.山東省濰坊市水利局，山東 濰坊 261041；2.山東省濰坊市星河地下水研究所，山東 濰坊 261041；3.山東省濰坊市自來水公司，山東 濰坊 261041)

天然電場法找水效果的再認(rèn)識(shí)

楊樹華1，楊樹偉2，王洪波3

(1.山東省濰坊市水利局，山東 濰坊 261041；2.山東省濰坊市星河地下水研究所，山東 濰坊 261041；3.山東省濰坊市自來水公司，山東 濰坊 261041)

[摘要]當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)天然電場選頻儀的廠家在宣傳天然電場法找水時(shí)有夸大效果和缺乏實(shí)事求是的傾向，作者在進(jìn)行大量地野外應(yīng)用試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)。

首先簡要介紹天然電磁場的場源及特征，指出天然電場法的利弊。對選頻法中的多頻測深進(jìn)行了分析，指出它在理論上存在的諸多問題?？隙ㄈl剖面法的應(yīng)用效果，也指出單純應(yīng)用該法找水存在的不確定性。首次提出三頻測深的曲線繪制和分析方法，進(jìn)一步提高天然電場法找水的成井率。

[關(guān)鍵詞]天然電場；找水；效果

山東省在連續(xù)兩年大旱的基礎(chǔ)上，2015年又遇到了百年不遇的大旱，大量的機(jī)井無水可抽，出現(xiàn)了前所未有的打井高潮。在基巖地區(qū)盲目打井的成井率極低，浪費(fèi)很大。傳統(tǒng)的聯(lián)合剖面、電測深等方法由于橫向地質(zhì)條件的變化造成的 “旁側(cè)影響”十分嚴(yán)重，找水效果聲望不高。于是涌現(xiàn)出了不少新的找水儀器(也包括用兩條銅條測水)，其中使用最多的是天然電場找水儀，“既使沒有勘探經(jīng)驗(yàn)的人也能在10 min學(xué)會(huì)操作，半小時(shí)之內(nèi)掌握測量方法”，“精度高達(dá)99%”。效果真的如此嗎？筆者在使用國家發(fā)明專利直流雙聯(lián)電測法為群眾找水的同時(shí)，結(jié)合使用天然電場法，做了大量試驗(yàn)，現(xiàn)加以整理，以與同行們探討。

1天然電場法的利與弊

天然電場法是利用大地天然存在的電磁場作為工作場源，它不需要人工向地下供電，用儀器直接測量天然電磁場的電分量(Δ∪)，大地電磁場頻率的頻帶很寬而且是連續(xù)的，大致可從10-4～104赫茲，可以穿過巨厚的巖石圈，直至上地幔。天然電場選頻法只是選用了一部分可以穿透幾十至幾百米的固定頻率用于找水找礦，應(yīng)歸屬于大地電磁測深的范疇。

該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備簡單，不需人工供電，工作效率高；不受地下高阻屏蔽層的影響；電磁波向地下以垂直入射為主，受旁側(cè)影響極小；儀器的自動(dòng)化程度高，可以自動(dòng)記錄，自動(dòng)儲(chǔ)存，還可以借助電腦自動(dòng)生成等值線，自動(dòng)著色，對地下水的多少可以“一目了然”。也就是說可以將非常復(fù)雜的水文地質(zhì)問題如同傻瓜相機(jī)一樣進(jìn)行簡單化處理。

我們認(rèn)為，天然電場法找水最大的弊端就是影響因素太多，不確定性(或稱多解性)太多，用簡單化的方法是解決不好的。

(1)各地的水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，影響地下水富水性的因素很多。在基巖地區(qū)影響地下水貧富的主要因素有地形地貌、地下水的補(bǔ)排條件、地質(zhì)構(gòu)造、巖石的成因、礦物成分、力學(xué)性質(zhì)、導(dǎo)電性能、風(fēng)化程度等。巖石的導(dǎo)電性能只是巖性條件之一。巖石的裂隙率可以影響其導(dǎo)電性能(ρ或Δ∪)，但巖石的礦物成份對其導(dǎo)電性能影響更大，例如含粘土礦物多的泥巖和頁巖、含長石石英類礦物少的片頁和角閃巖，它們的電阻率都不大，但含水都不好。如果把電阻率大小(ρ或Δ∪)作為影響水量的單一因素進(jìn)行簡單化處理，只能把人引入歧途。

(2)天然電磁波的信號(hào)源十分復(fù)雜，各種來源的不同頻率的電磁波迭加在一起，形成一個(gè)非常復(fù)雜的電磁振動(dòng)。電磁振動(dòng)的激發(fā)機(jī)制較公認(rèn)的有四類：一是雷電。世界上的三大雷雨活動(dòng)中心每年的雷雨日在100 d以上，其峰值多出現(xiàn)在當(dāng)?shù)氐南挛?。在高緯度區(qū)離場源較遠(yuǎn)，這種場源可以看做是均勻的；二是與太陽黑子活動(dòng)有關(guān)的磁暴。其特征是磁場強(qiáng)度發(fā)生劇烈變化，使磁場擾動(dòng)呈極不規(guī)則形狀；三是地磁脈動(dòng)，振動(dòng)周期約為0.5～1 000 s，大致呈正弦型，能延續(xù)較長時(shí)間。地磁脈動(dòng)是大地電磁測深最重要的場源；四是環(huán)境噪音，如輸電線、無線電臺(tái)、工業(yè)游散電流等。當(dāng)今，無論是城市還是農(nóng)村，各種高低壓輸電線路密如蛛網(wǎng)，對天然電場法形成了嚴(yán)重程度不一的無法躲避的干擾。

(3)各種成因的電磁場場源都不是恒定和均勻的，都各有自己的頻譜，有的在某些頻率上加強(qiáng)，有的在某些頻率上減弱，以雷電頻譜為例，在8、14、20、26 HZ會(huì)出現(xiàn)峰值，在2 000 HZ以上會(huì)出現(xiàn)低谷。不同頻率的電磁場迭加在一起，使總的天然電磁頻譜更為復(fù)雜。如果把不同頻率測出的Δ∪值的變化非要當(dāng)成地下水量的變化不可，無疑如掩耳盜鈴。

圖1　穿透深度與頻率和電阻率之間的關(guān)系

(4)天然電場法的探測深度難以確定。電磁波的穿透深度δ根據(jù)麥克斯韋方程的推導(dǎo)為：

式中：ρ為均勻介質(zhì)的電阻率(Ω·m)；f為儀器使用的頻率(Hz)

穿透深度與頻率和電阻率關(guān)系列線圖見圖1。

從式中可以看出，穿透深度與介質(zhì)電阻率的平方根成正比，二者關(guān)系十分密切，而不同地點(diǎn)的電阻率又變化很大，實(shí)際上是個(gè)未知數(shù)。尤其是，既使在同一個(gè)地點(diǎn)，不同深度的電阻率是不同的，在基巖地區(qū)大多是越深風(fēng)化越差，電阻率越大，淺層與深層的穿透深度也是不一樣的。如果測出的某個(gè)頻率是低值，而且的確是含水層所致，其深度也是確定不了的。

2對多頻測深曲線特性的認(rèn)識(shí)

天電選頻儀都設(shè)置了多個(gè)頻率、可以進(jìn)行多頻率測量。對這些頻率由小到大依次測量，便可測出從深層到淺層電位差的變化，因而可以叫做多頻測深。我們把各頻率的頻號(hào)為橫坐標(biāo)，電位差為縱坐標(biāo)，點(diǎn)繪到單對數(shù)紙上，就成了多頻測深曲線，見圖2。

圖2　昌樂縣畢家官莊村多頻測深曲線

我們使用的儀器是北京杰科公司生產(chǎn)的JK型天然電場選頻儀，測量誤差小，抗干擾能力強(qiáng)，復(fù)測一致性好，多頻測量的30個(gè)頻率見表1。

表1　多頻測量頻率表

經(jīng)過在不同地層不同地質(zhì)條件的多次測量，發(fā)現(xiàn)多頻測深曲線有以下特征，嚴(yán)重地形象了其使用效果。

(1)峰與谷交替出現(xiàn)帶有普遍性。所有曲線都是峰與谷交替出現(xiàn)，一段曲線上升后必然會(huì)出現(xiàn)下降，然后再上升。峰與谷的變化與巖石的軟硬、含水層的分布沒有規(guī)律可循，有水的井與無水的井區(qū)別不大。既使巖性毫無變化，測出的曲線仍是峰谷交替，而不是直線。

(2)在一個(gè)測區(qū)內(nèi)各測點(diǎn)峰值所對應(yīng)的頻率大多是相同的，因而各條曲線具有雷同性。圖2為在昌樂畢家官莊實(shí)測的三條多頻曲線。這三個(gè)測點(diǎn)相距50～80 m，皆為寒武系灰?guī)r，巖石傾角很大，巖溶裂隙發(fā)育各異,但3條線的形狀幾乎相同，均在4、14、19、23四個(gè)頻號(hào)出現(xiàn)峰值，其中間為低谷，這些低谷不可能都是含水層的反映。這個(gè)現(xiàn)象在其他測區(qū)也普遍存在。

(3)曲線上出現(xiàn)的峰或谷與已知井的含水層沒有對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)我們實(shí)測的十幾條有打井資料的已知井多頻曲線，二者找不出任何對應(yīng)關(guān)系。

由于天然電磁場場源的多樣性，而且各種場源都有自己固有的規(guī)律，迭加之后信號(hào)強(qiáng)的就是峰，信號(hào)弱的就是谷，而巖性和含水層的變化對曲線的影響往往會(huì)被掩蓋而反映不出來。有人把出現(xiàn)幾個(gè)低谷就說成是幾層水，數(shù)值越小地下水越多，這種解釋是不正確的。

總之，我們認(rèn)為多頻測深曲線出現(xiàn)的峰谷變化是同一個(gè)測點(diǎn)不同頻率之間比對的結(jié)果，影響因素十分復(fù)雜，含水層對它的影響不是主要的，因而不可作為找水的主要依據(jù)。在某些情況下，當(dāng)其他方法都不適宜而必須使用多頻測深時(shí)，要有已知井測量資料，依葫蘆畫瓢加以比對。

3三頻剖面法的應(yīng)用效果及存在問題

我們使用的選頻儀三個(gè)固定頻率是定制的，分別為67(p1)170(p2)350(p3)赫茲。根據(jù)理論公式計(jì)算，p3主要反映100 m以內(nèi)的電阻率，p2主要反映200 m以內(nèi)的電阻率，p1主要反映300 m以內(nèi)的電阻率(實(shí)際深度還要小).MN極距選用20 m，測點(diǎn)距一般選用10 m。以測點(diǎn)順序號(hào)為橫坐標(biāo)，以儀器讀數(shù)為縱坐標(biāo)，將三個(gè)頻率的讀數(shù)分別點(diǎn)繪到單對數(shù)紙上，各自相連，就得到了3條三頻剖面曲線。見圖3。

圖3　天電三頻剖面曲線

三頻剖面每條曲線的變化都是不同測點(diǎn)用同一個(gè)頻率比對的結(jié)果，如果某一頻率因種種原因信號(hào)較強(qiáng)，則各測點(diǎn)都強(qiáng)，不會(huì)影響曲線的形狀。在同一個(gè)較小的測區(qū)內(nèi)巖性差異較小，同一個(gè)頻率所代表的深度相同，所以曲線的變化也不會(huì)受穿透深度不同的影響，因而三頻剖面更能真實(shí)地反映各測點(diǎn)巖性和含水率的變化。

根據(jù)我們在片麻巖地區(qū)長期使用三頻剖面法找水的資料統(tǒng)計(jì)，其效果可概括如下：

(1)斷層破碎帶往往會(huì)表現(xiàn)為低谷形線段，利用曲線中的谷底點(diǎn)打井，在我們已掌握資料的38個(gè)井中，好井有15個(gè)，占39%。

(2)片麻巖中的片巖屬較軟巖，電阻率偏低，含水不好，利用曲線中谷形段在谷底點(diǎn)打井，在38個(gè)井中水量不好的有14個(gè)，占37%。

(3)利用巖脈打井容易有水。巖脈在風(fēng)化層中往往呈高阻反映，利用曲線中的高峰段在峰頂點(diǎn)打井，水量好的有5個(gè)，占13%。

(4)在曲線中的平直段打井，既不是峰點(diǎn)也不是谷點(diǎn)，水量好的有4個(gè)，占11%。

從以上統(tǒng)計(jì)中可以看出，用三頻剖面找低谷段所反映出的斷層破碎帶打井效果良好。但由于物探工作中普遍存在的多解性問題，在軟巖較多的地層中，低谷段是軟巖而不是斷層的風(fēng)險(xiǎn)很大。利用高峰段找?guī)r脈打井也是一種好條件，同樣應(yīng)引起重視。

在一個(gè)長幾百米的剖面中，往往既有高值點(diǎn)也有低值點(diǎn)，既有峰也有谷，而且還不止一個(gè)，究竟選峰還是選谷？幾個(gè)谷點(diǎn)選哪一個(gè)更好？這些問題都是三頻剖面中經(jīng)常遇到的問題，頗費(fèi)思索，難免誤判，需要進(jìn)一步解決。

4三頻測深曲線圖的制作及利用

為解決上述問題，我們利用帶有多頻測深頻率號(hào)的單對數(shù)坐標(biāo)紙，將P1、P2、P3按頻率大小標(biāo)在橫坐標(biāo)上，把三頻剖面中出現(xiàn)的幾個(gè)特異點(diǎn)(如高點(diǎn)、低點(diǎn)、峰點(diǎn)、谷點(diǎn)、高值段變低值段的拐點(diǎn))的3個(gè)頻率讀數(shù)分別點(diǎn)在圖中，各測點(diǎn)的讀數(shù)各自相連，就成了一個(gè)只由兩段線組成的三頻測深曲線圖。

三頻測深曲線只是利用三頻剖面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變而成，不需要專門讀取。它的任意一條線，橫向比對是同一個(gè)測點(diǎn)不同頻率的比對，相當(dāng)于測深；各條線縱向比對是不同測點(diǎn)相同頻率的比對，相當(dāng)于剖面。它兼具測深與剖面二者的功能。各測點(diǎn)的MN方向應(yīng)該相同，以減小方向不同造成的影響。三頻測深曲線與三頻剖面曲線相結(jié)合，可以解讀出更多的問題。三頻測深曲線雖然也會(huì)像多頻測深曲線那樣，在小范圍內(nèi)有一定的雷同性，但將幾個(gè)測點(diǎn)一起進(jìn)行仔細(xì)比對還是有差異的，如果范圍更大一點(diǎn)的測點(diǎn)相互比對，差異會(huì)更直觀更明顯。

圖4　萊州后橋村三頻測深曲線

三頻測深曲線中P3-P2段我們叫前段，P2-P1段我們叫后段。分析曲線主要是比對P3讀數(shù)的大小及前段或后段的斜率兩個(gè)要素。P3越大巖石越硬，或是長石石英類礦物越多。在有些地方P1由于受50赫茲的工業(yè)交流頻率的影響而偏大，影響對曲線的解釋，需要進(jìn)行多頻測深， P1如果偏大，分析一下是否是4頻太大造成的。如果4頻不是太大可按以下規(guī)律進(jìn)行解釋。在土層不厚的片麻巖地區(qū)主要有以下三類地質(zhì)條件，它們在三頻測深曲線上各自的特征如下：

(1)含水層是以淺色礦物為主的風(fēng)化片麻巖(這種巖石在膠東群眾叫“硬黲糠”)。根據(jù)P3的大小可分為以下三種情況：

當(dāng)P3較大時(shí)(一般為0.3～3)，含水好者曲線前段微降，后段上升，兩段線的夾角越小越好，如圖4曲線①。當(dāng)巖石風(fēng)化不好時(shí)P3宜選小值，當(dāng)巖石風(fēng)化好時(shí)P3宜選大值。

當(dāng)P3為0.1左右時(shí)(一般為0.03～0.3)，含水好者曲線前段較平緩，后段升角變大。如果前段為陡升者不好。

當(dāng)P3較小時(shí)(一般為0.003～0.03)，含水好者前段升角較大，后段升角更大。

(2)巖石為以黑色礦物為主的角閃巖(群眾叫黑石頭)，含水普遍不好。其曲線特征：有的是前段陡升，后段升角變緩；有的是前段陡降，后段陡升，且各測點(diǎn)千篇一律無明顯差異。見圖5曲線①。

圖5　昌邑楊家莊、李家營三頻測深曲線

這種類型與前一種類型在三頻測深曲線上較難區(qū)分，有時(shí)需要借助于直流雙聯(lián)電測深加以區(qū)別，在雙聯(lián)電測深曲線上角閃巖往往表現(xiàn)為升角較大且無含水層反映。

(3)巖石為以片巖為主的較軟巖。顏色呈灰或黑色，風(fēng)化層顆粒細(xì)軟，淺色礦物極少(群眾叫軟黲糠)，含水不好，鉆井水量不大。曲線特征是3個(gè)頻率讀數(shù)都不大，曲線前后段皆較平緩，前后兩段夾角較大，接近于平角甚至為鈍角，見圖5曲線②。

不論何種地質(zhì)條件，如果P3和P2都不小，而只是P1變小，前段上升，后段下降，都不是含水好的條件。

5結(jié)語

天然電場與人工電場各有長短，哪一種方法也不是萬能的，都有不能解決的問題，把二者結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，揚(yáng)長避短，更能提高成井率。例如在花崗巖和石灰?guī)r山區(qū)，直流電測深測出的曲線上升角度很大，不易分析，就應(yīng)以天然電場法為主。當(dāng)天然電場受干擾太大或有些問題不能鑒別時(shí)就可以結(jié)合使用能排除旁側(cè)影響的國家發(fā)明專利技術(shù)——直流雙聯(lián)電測深法，效果更好。在山東省大量存在的下白堊系古火山巖和上白堊系陸相沉積巖，地下水奇缺，隨機(jī)打井的成井率總體上不超過十分之一，找水十分困難，更應(yīng)該走綜合物探之路，探索更多的找水方法。

參考文獻(xiàn)

[1]朱仁學(xué).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.1973.

[4]濰坊市星河地下水研究所.雙向聯(lián)合電測深法找水.專利號(hào)：ZL2008 1 0139004.2.

[收稿日期]2015-12-13

[作者簡介]楊樹華(1965-)，男，山東濰坊人，高級(jí)工程師，主要從事水文自動(dòng)測報(bào)及物探找水方面的研究工作。

[中圖分類號(hào)]P641

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)03-0119-03