山区电测找水关键技术问题处理

付用坤,刘福臣

(1.山东临沂水利工程总公司,山东 临沂 276000;2.山东水利职业学院,山东 日照 276826)

0 前言

电测找水在不同地层中取得了成功。刘福臣,林世乐,程兴奇[1]采用联合剖面法,对泰山群变质岩地下水的富水性进行研究;刘春华,王慎乾[2]利用综合物探技术探测基岩地下水,取得了成功;刘福臣,王启田,程兴奇[3]采用激发极化法探测泰山群变质岩地下水,效果明显。野外找水工作中,经常会遇到各种干扰,影响到观测精度。刘福臣,徐光瑜[4]详细探讨了地形、低阻岩层、高阻岩脉、覆盖层、故河道等特殊地质条件对电测找水产生的影响,并提出了应对措施。另外在电测找水实践中,也会遇到仪器指针飘忽不定、测量电位电流过小、视电阻率曲线出现异常突变等技术问题,正确处理和解决这些问题,排除这些因素的干扰,提高成井率,尤为重要。

1 仪器指针飘忽不定

电阻率法是观测供电时在 MN间产生的稳定的电位差,这种正常信号传到仪器后,指针应该是稳定的。稳定的地电场(如金属硫化矿、石墨以及炭化岩层所形成的自然电场等),可以在测量前补偿掉,不构成干扰;而变化的地电场如大地电流、工业游散电流、随时间变化渗滤电场等,在测量 过程中造成指针摆动,严重时无法读数,影响观测质量。

1.1 大地电流场

这种电场强度一般较小,有一定方向性,夏季强冬季弱。在一天中,中午强夜间弱,但周期性较复杂,是一种随机干扰。可采取以下措施避免或减少：①在大地电流较弱时间观测(如避开中午);②加大供电电流,以增大信噪比;③进行多次观测,合理地读数。

1.2 游散电流

在城市、矿山、电气化铁路等用点量很大的地区,由于接地线的存在,大地有强大的游散电流。另外在变压器、有线广播线的附近,接地线也能产生游散电流。由于用电量大小、时间和地点变化,使游散电流的分布、强度和方向变化多端,因此游散电流场的存在会引起指针无规律的摆动。

1.3 感应电动势

当测量导线悬空随风摇动切割地磁场或其周围存在变化的磁场时,都会在测量线路内产生感应电动势,形成干扰。在测量过程中应注意以下问题：

(1)测量导线切割地磁场磁力线,引起指针左右摆动。使测量导线尽量不要悬空,在无法实现时也要将导线拉紧,使之不能随风摆动。

(2)供电回路接通或断开的瞬间,由于电流突然变化,在周围产生变化的磁场,因而在测量回路产生瞬间感应电流。供电瞬间感应电动势加入仪器后与 Δu方向相同,因此使读数增大,但只能维持很短时间,因此在观测读数时,应读其稳定读数。

(3)当测量导线邻近并平行于高压、低压输电线或通讯电缆时,都会产生感应电动势,前者使指针抖动,后者使指针产生脉冲性偏转。消除方法主要应使测量线垂直于输电线,远离后再平行铺放。

1.4 变化的电极电位

土壤中的溶液性质或浓度改变,都会引起电极电位的变化,从而导致极化电位差的变化。如电极打在流水中,则指针表现为随水流摆动;有时由于测量导线漏电,导线裸露部分在风的吹动下,使指针产生脉动式摆动。

1.5 随时间变化的渗滤电场

由于降雨或因地面干燥而浇水,在短时间内会引起随时间变化的渗滤电场。这种电场会引起指针缓慢漂移,为避免这种干扰,一是雨后不要立即进行观测;二是浇水后,应间隔半小时以后再进行观测。

2 测量电位、电流过小

当人工供电后,在大地产生了电场,测量电极 M、N产生的电位与电流,然后计算视电阻率。所测到的电位和电流越越大,越能真实反映地下岩层的电阻率。然而在野外工作中,在山区接地条件差或大极距供电情况下,有时测量到的电位、电流很小,造成测量误差。

在电测找水过程中,存在两个完整回路,一个是供电回路,即由电池、供电导线、供电电极、大地组成的回路;一个是测量回路,即由仪器、测量线路、测量电极、大地组成的回路。

2.1 供电回路

在供电回路中,根据欧姆定律：

式中：I为供电回路电流;R为供电回路电压;V为供电回路电阻。

供电回路上的总电阻主要由电池内阻、供电导线内阻和接地电阻组成,即：

要想得到较大的供电电流,一是要增加供电电压;二是要减少回路总电阻。

2.1.1 增大供电电压

电测找水一般采用 45V乙电组成的电池组,即由 30节 1号电池串联组成,每块乙电池的电压为 45V,新电池的内阻约 15Ω。在测量过程中,如遇到大极距供电或山区接地条件差情况,可以增加电池,以加大供电电压。

2.1.2 调整电源工作方式

野外测量中,可以根据具体情况,通过调整电池的工作方式,增大供电电流。在平原地区或山区接地条件较好时,当电池用旧后,电池内阻相应增大,此时使用并联电池,可增大供电电流;在接地条件较差的山区,电极的接地电阻很大时,而所使用的是新电池,此时电池内阻相对较小,使用串联电池,可以增大供电电流。

2.1.3 减少接地电阻

一般情况下,供电导线的内阻是不变的,接地电阻是可以改变的。野外测量中,尽量减少接地电阻,以加大供电电流。

(1)加大电极与土壤接触面积

如果电极处土处于松动状态,接地电阻会增大,为减少接地电阻的影响,应使电极与周围的土紧密接触,使用表面积较大的电极,加大电极入土深度,除去电极表面的铁锈。不要将电电极打在电阻率较大的碎石、砂子附近。

(2)减少电极附近介质的电阻率

在测量精度允许情况下,尽量将电极打在潮湿的地方;在电极附近浇水,减少接地电阻。由于在电极附近的电位降减弱较快,接地电阻主要表现在靠近电极附近的电极中,故只在电极附近浇水即能达到减少接地电阻的目的。

(3)电极穿透冻土层

电阻率的大小与温度有关,温度上升,水的溶解度增加,使水中的离子含量增加,致使水的导电性增强,岩石电阻率下降;温度下降,岩石电阻率升高,尤其在零度以下,水将结冰,会使岩石电阻率急剧增高。在寒冷地区或冰冻季节进行电法勘探找水时,由于温度降低,造成近地表的土或岩石电阻率增高,因此电极一定要打穿冻土层,以减少接地电阻。

2.2 测量回路

对于四极对称电测深,测量回路测量的视电阻率为：

当供电、测量极距一定时,装置系数是固定的,视电阻率主要与测量回路的电位差和电流有关。要想得到较大的电位差和电流,可以采取以下措施：

(1)减少测量电极的接地电阻

采用紫铜极材料,可减少接地电阻。采用固定装置时,测量电极一般固定不动,一般将测量电极做成直径较大尺寸,并加大测量电极入土深度,可以有效减少接地电阻。

(2)加大测量极距

加大测量极距,可以有效地增加电位差和电流,但此时勘探体积相应地增加,测量的视电阻率为大范围内的综合反映,有可能遗漏有用的低阻异常。

3 视电阻率曲线出现异常突变

在某一个供电极距测量时,电阻率很大或者很低,电测深曲线出现明显的拐点,给曲线解释带来困难。造成视电阻率曲线出现异常突变的原因主要有：

3.1 供电极距有误

实际供电时的极距产生误差,导致视电阻率曲线产生突变。产生极距错误的原因主要有：

3.1.1 漏掉某个极距

在小极距情况下,相邻两个极距的距离较短,很容易漏掉某个极距;或者 A、B两个供电极距大小不一致,供电装置不是四极对称装置,而计算视电阻率是按四极对称的装置系数,必然会造成电阻率曲线产生畸变。

3.1.2 极距标志移位

供电极距供电极距的大小一般是用胶布标在供电导线上的,在长期使用过程中,胶布很容易移位,造成误差。产生这种曲线畸变的原因,一般不容易发现。在正式测量前,一定要校核各极距位置,避免出现这类误差。

3.2 低阻岩层干扰

在测量过程中,如遇到金属矿体、石墨、硫化矿、泥灰岩、页岩等低阻岩层的干扰,在某个极距上,测量出的视电阻率很低,出现曲线畸变。

3.2.1 变质岩地区

在泰山群、胶东群、胶南群变质岩地区,如遇到金属矿体、石墨、硫化矿等低阻岩层的干扰,电测深曲线会出现突变。在相应的极距上,视电阻率曲线会出现水平变异或下降变异。由于变质岩地区地下水富水性较差,这种变异一般不是含水构造,应是低阻岩层的干扰;而激电电测深的充电率M曲线表现为过大现象,则可能是矿体的反映。

3.2.2 石灰岩地区

在石灰岩地区,如遇到充水溶洞、粘土充填溶洞、泥灰岩、页岩等低阻岩层和构造,在某个极距上,视电阻率曲线会出现水平变异或下降变异,这种变异特征应仔细分析,判断是否为含水构造或低阻岩层。

3.3 线路漏电

在野外观测中,尤其是雨后潮湿的环境中观测,或者电线长久老化,有可能产生漏电。漏电可能发生在供电线路、测量线路。当漏电部位位于供电线路和测量线路时,电测深曲线会出现严重畸变。

3.3.1 供电线路漏电[5]

漏电位置愈靠近测量电极,产生的影响也愈大,这是因为漏电位置靠近测量电极时,相当于在测量电极附近打了一个附加电极,此电极产生的电场强度,对 M、N极的电位影响较大。漏电位置越靠近供电电极,则影响较小。当漏电位置与位置一定时,漏电影响随装置系数 K的增大而增大,因此在大极距工作时,应特别注意供电线路漏电问题。

3.3.2 测量线路漏电

当测量导线漏电时,由于导线金属接地产生新的极化电位加入仪器,使观测电位差减少,计算的视电阻率偏少,造成低阻的假象,对电测深曲线的解释影响很大,在野外电测过程中,必须高度重视。

4 结论

(1)仪器指针飘忽不定的原因主要有大地电流场、游散电流、感应电动势、变化的电极电位、随时间变化的渗滤电场。

(2)通过增大供电电压、调整电源工作方式、减少供电电极接地电阻等方法增大供电电流。

(3)减少测量电极的接地电阻、加大测量极距可以增大测量电位差和电流,提高观测精度。

(4)造成视电阻率曲线出现异常突变主要供电极距有误、低阻岩层干扰、线路漏电等原因。

[1]刘福臣,林世乐,程兴奇等.联合剖面法探测泰山群变质岩地下水[J].灌溉与排水学报：2007(4)：188-189.

[2]刘春华,王慎乾.综合物探基岩找水技术研究[J].山东水利,2003(5)：88-90.

[3]刘福臣,王启田,程兴奇.激发极化法探测泰山群变质岩地下水[J].水文地质工程地质,2008(5)：72-74.

[4]刘福臣,徐光瑜.地形及特殊地质条件对电法勘探找水的干扰及应对措施[J].中国农村水利水电,2009(9)：188-190.

[5]周天福.工程物探[M].北京：中国水利电力出版社,1997.