摘要：天然電場(chǎng)選頻物探法是利用大地電磁場(chǎng)為工作場(chǎng)源，以地下巖礦石電阻率差異為基礎(chǔ)，在地面上測(cè)量大地電磁場(chǎng)產(chǎn)生的幾個(gè)（或幾十個(gè)）不同頻率的電場(chǎng)分量的變化規(guī)律來研究地下地電斷面的電性變化，達(dá)到解決地質(zhì)問題的一種交流電勘探方法。能適應(yīng)較復(fù)雜的場(chǎng)地，與常規(guī)物探方法相比，具有快速、省力、獨(dú)特的地質(zhì)效果，在工程物探中有著較廣泛的應(yīng)用。本文作者將此法應(yīng)用于煤礦水文地質(zhì)工作中，借用該法所得結(jié)果分析研究區(qū)水文地質(zhì)特征，為礦區(qū)開采提供依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞：天然電場(chǎng)選頻物探法；水文地質(zhì)；煤礦
　　
　　天然電場(chǎng)選頻物探法是以大地電磁場(chǎng)為工作場(chǎng)源，利用巖（礦）石電學(xué)性質(zhì)的差異，測(cè)量地下巖性分界面對(duì)天然地磁場(chǎng)的反射信息來探查不同深度的地質(zhì)構(gòu)造，達(dá)到解決地質(zhì)問題的一種交變電流勘探方法[1]。常規(guī)電法勘探由于需要長(zhǎng)距離拉線，設(shè)備笨重等，工作效率低，不能滿足現(xiàn)代快速普查的需求。并且，在山區(qū)等地形復(fù)雜地區(qū)，由于地形地質(zhì)變化大，或是在城市，由于鋼筋混凝土高樓林立，空中、地面及地下的工業(yè)電流和地下管道網(wǎng)干擾，使得常規(guī)電法勘探受到嚴(yán)重影響，資料不可靠，老方法也無用武之地。而天然電場(chǎng)選頻物探法能夠克服地形、工業(yè)電流的干擾進(jìn)行物探找水工作，方便水文地質(zhì)工作者在地形復(fù)雜的山區(qū)和建筑群密布的城鎮(zhèn)開展水文地質(zhì)工作[2][3]。
　　1天然電場(chǎng)選頻物探法原理
　　天然電場(chǎng)選頻物探法利用大地電磁場(chǎng)作為工作場(chǎng)源，測(cè)量大地?cái)嗝娴碾姺至康淖兓�，是一種交變電流勘探方法[4][5]。由于大地電磁場(chǎng)的場(chǎng)源頻率范圍較寬，可通過選擇頻率提高抗干擾能力；探測(cè)不同的深度，增加解釋的可靠性。
　　這種電磁場(chǎng)在距場(chǎng)源較遠(yuǎn)的地方可視為平面電磁波場(chǎng)，它垂直于地面，變化規(guī)律服從麥克斯韋方程組，儀器探測(cè)深度的理論公式為：
　　
　　式中ρ——巖層視電阻率(歐姆•米)，f——頻率（赫茲），h——探測(cè)深度（米)
　　天然電場(chǎng)選頻儀工作頻率選擇旋鈕共分為6檔（0～5檔），相應(yīng)的頻率分別為f0=14Hz，f1=75.5Hz，f2=155Hz，f3=220Hz，f4=326Hz，f5=700Hz，根據(jù)公式可知，高頻反映淺部物性，低頻率反映深部的物性，這樣通過選頻，每個(gè)測(cè)點(diǎn)可得六種不同深度的電性參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，若選用0檔觀測(cè)，在第四系松散層最大探測(cè)深度可達(dá)300余米，在石灰?guī)r分布區(qū)可達(dá)600m左右。水文地質(zhì)工作者可以根據(jù)實(shí)際需要靈活選用。一般工作過程中，通常在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上分別讀取所有6檔的值，對(duì)比一條剖面上不同深度的曲線變化，從而更準(zhǔn)確地判斷地質(zhì)構(gòu)造異常點(diǎn)，以及粗略推斷該異常區(qū)域范圍。用電分量中電位差與電阻的關(guān)系可以定性說明測(cè)得的異常是高阻還是低阻異常，這就是本方法異常曲線定性解釋的基本原理。
　　因地下水與介質(zhì)接觸，溶解了其中的Ca2+、Mg2+、K+、HCO3-、SO42-及Cl-等離子，使地下水成為導(dǎo)體，電阻率大幅降低。相反，干燥地層導(dǎo)電性差，電阻大。出于電阻與電位呈正相關(guān)，所以只要測(cè)得地下電位異常也就可推知電阻的異常情況。通過天然電場(chǎng)選頻儀對(duì)電場(chǎng)中各種不同頻率的電位差進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)比一條剖面上電場(chǎng)大小的關(guān)系便可以發(fā)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造異常，如斷層破碎帶水、裂隙水、巖溶水、第四系水源等。
　　本方法是通過儀器測(cè)得電阻值作為數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)某一區(qū)域作電剖圖（如圖1），進(jìn)而了解該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造（如斷層、破碎帶、巖溶，厚沙層等）。分析這些構(gòu)造的曲線特征，從而確定斷層、破碎帶、采空區(qū)等具體位置。
　　但應(yīng)當(dāng)指出，物探方法往往具有多解性，低阻并不一定都是由含水層或含水構(gòu)造所引起，如人防工作、古墓、土洞、干溶洞以及水泥排水管道都會(huì)顯示高阻異常特征，究竟是什么引起的，必須加以分辯，排除其干擾和影響。因此,在進(jìn)行成果資料解釋時(shí)，必須結(jié)合地質(zhì)和其它物性條件作出合理或較為合理的解釋。
　　
　　圖1某區(qū)域電剖圖
　　利用本法解譯電剖圖曲線的原理及方法有如下幾點(diǎn)，本文就是依據(jù)這些方法來判斷地質(zhì)構(gòu)造異常點(diǎn)等，并提出相應(yīng)的分析。
　　①對(duì)某一頻率而言如測(cè)得的數(shù)據(jù)很大或很小，做出的△U圖為一平直線，說明剖面經(jīng)過處無構(gòu)造；只有測(cè)量的數(shù)值有大有小形成幾倍到幾十倍的差值而且有一定規(guī)律（即不是一個(gè)點(diǎn)而是幾個(gè)點(diǎn)為最小值）此曲線才有意義。其高低值的交匯處即為構(gòu)造帶的邊緣。
　　②為了確定構(gòu)造帶在地面的走向。可以平行原剖面一定距離在作剖面(二條到三條)每條剖面上電位最低點(diǎn)的連線，即為構(gòu)造走向。
　　③對(duì)某一構(gòu)造的產(chǎn)狀。可以通過各頻率曲線的異常位(即構(gòu)造帶位)來確定。但產(chǎn)狀的角度不可知。
　　④各頻率所反映的深度不一樣。它是從某一深度到地面的綜合反應(yīng)。頻率越低．反映深度越大。頻率越高，反映深度越淺。例如：假設(shè)0檔反映300米到地面的情況而一檔反映200米到地面的情況。在200米到300米之間的情況0檔可以反映，而一檔就反映不了。其他情況也是如此。根據(jù)不同頻率的曲線特征來推斷地質(zhì)構(gòu)造的深度。
　　2天然選頻法應(yīng)用實(shí)例
　　河南永安煤礦位于河南省鞏義市。其區(qū)位優(yōu)越，交通便利。煤礦面積1.1803km2，本次勘查的主要目的是進(jìn)行永安煤礦11010工作面超前地球物理勘查，探明其前方主要水文地質(zhì)特征。
　　該勘探區(qū)村莊密集地形復(fù)雜，高壓電線多。采用MN測(cè)量電極沿測(cè)線移動(dòng)法（如圖2）進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)。野外工作時(shí)測(cè)量電極距采用10米，在某些可能異常點(diǎn)可采用回測(cè)或者增大測(cè)點(diǎn)密度的方法，以此來提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。該測(cè)量方法的操作要點(diǎn)是：操作員將儀器穩(wěn)掛胸前，手拿測(cè)量電極M，另一跑極員拿N極在前，再一人記錄作曲線或由跑極員兼任。測(cè)得MN之間各頻率對(duì)應(yīng)的△U值，然后蛙跳式移動(dòng)MN極再測(cè)△U值。按極距作圖，以△U為縱坐標(biāo)，以測(cè)線為橫坐標(biāo)，依據(jù)探測(cè)目的層深度，作出六條電位差曲線。這也是目前應(yīng)用最為廣泛的一種測(cè)量方法。
　　
　　圖2MN測(cè)量電極沿測(cè)線移動(dòng)法原理圖
　　筆者在該區(qū)進(jìn)行了為期一周的水文地質(zhì)勘探工作，在11010工作面順槽、皮帶上山、軌道上山及切眼四個(gè)巷道掘進(jìn)方向各布設(shè)測(cè)線，累計(jì)372個(gè)測(cè)點(diǎn)（包含異常加密點(diǎn)），通過測(cè)量、記錄并繪制出相應(yīng)的△U成果圖。鑒于篇幅有限，現(xiàn)選取以下兩個(gè)具有代表意義剖面的實(shí)測(cè)△U曲線圖進(jìn)行分析，曲線圖見圖3、圖4。
　　
　　圖3順槽剖面部分點(diǎn)曲線圖圖4皮帶上山巷剖面部分點(diǎn)曲線圖
　　3資料解釋
　　順槽方向分別在32-36m，152-163m，190-210m附近出現(xiàn)低阻異常，圖3即為異常點(diǎn)32-36m處附近的曲線圖，其中用黑色垂線標(biāo)明的即為其異常點(diǎn)（點(diǎn)號(hào)為43）。從圖中可以看出，△U曲線總體大致呈上升趨勢(shì)，但中部巖層（圖中表現(xiàn)為f2、f3、f4三條曲線）在該點(diǎn)處發(fā)現(xiàn)異常，在與該測(cè)線相距10m的兩側(cè)各布設(shè)一條測(cè)線，結(jié)果在17-26m處、52-62m處也發(fā)現(xiàn)了低阻異常，初步認(rèn)定其為一個(gè)倒“S”形的富水帶，該區(qū)域內(nèi)的中部巖層含水量增加。結(jié)合其他幾種物探手段綜合分析，認(rèn)為應(yīng)該是視密度變小含水量增加的反映。
　　皮帶上山巷道掘進(jìn)方向即在S14點(diǎn)向前15米處是掘進(jìn)頭，S14向前500米范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)四段低阻異常，分別在25-35m，202-213m，293-313m，418-435m附近圖4即為異常點(diǎn)25-35m處附近的曲線圖，從右到左點(diǎn)號(hào)依次為1-10，其△U值整體呈下降趨勢(shì)。其中在2-4號(hào)點(diǎn)三點(diǎn)處，6條△U均出現(xiàn)顯著的低阻異常，用黑色垂線標(biāo)明的即為4號(hào)點(diǎn)。在與該測(cè)線相距10m的兩側(cè)各布設(shè)一條測(cè)線，均在該點(diǎn)附近發(fā)現(xiàn)了低阻異常。結(jié)合其他幾種物探手段綜合分析，認(rèn)為其為相對(duì)含水區(qū)域。
　　4結(jié)論
　　天然電場(chǎng)選頻物探法是地球物理勘探的一個(gè)分支。由于它不需要人工場(chǎng)源、成本低廉，具有較大的勘探深度；儀器輕便、操作簡(jiǎn)單、高效快速、工作強(qiáng)度小，可快速確定目標(biāo)物的位置、估算其埋深；不受高阻層的屏蔽影響，對(duì)低阻層有較高的分辨能力；不受測(cè)量范圍的限制，可快速確定井位、估算目的層的埋深及尋找構(gòu)造破碎帶、城市防空洞、地下礦洞等優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用工程物探、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等方面。該法是一種較為實(shí)用的好方法，其特點(diǎn)也決定了其必將受到廣大生產(chǎn)單位和工程技術(shù)人員的喜愛。
　　但是，雖然選頻法分辨能力較高，并且不受地形、地物影響，但在無已知資料情況下，本法的測(cè)量有些不力，而且不具有認(rèn)識(shí)物質(zhì)屬性的地質(zhì)效能。因此，在應(yīng)用本法的過程中應(yīng)盡量利用各種已知資料和鉆探結(jié)果，進(jìn)行校準(zhǔn)，在實(shí)踐工作中，應(yīng)通過仔細(xì)對(duì)比，以獲更佳效果與更準(zhǔn)確的結(jié)論。
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