天然电场法找水效果的再认识

杨树华，杨树伟，王洪波

(1.山东省潍坊市水利局，山东 潍坊 261041；2.山东省潍坊市星河地下水研究所，山东 潍坊 261041；3.山东省潍坊市自来水公司，山东 潍坊 261041)

天然电场法找水效果的再认识

杨树华1，杨树伟2，王洪波3

(1.山东省潍坊市水利局，山东 潍坊 261041；2.山东省潍坊市星河地下水研究所，山东 潍坊 261041；3.山东省潍坊市自来水公司，山东 潍坊 261041)

[摘要]当前国内生产天然电场选频仪的厂家在宣传天然电场法找水时有夸大效果和缺乏实事求是的倾向，作者在进行大量地野外应用试验的基础上进行总结。

首先简要介绍天然电磁场的场源及特征，指出天然电场法的利弊。对选频法中的多频测深进行了分析，指出它在理论上存在的诸多问题。肯定三频剖面法的应用效果，也指出单纯应用该法找水存在的不确定性。首次提出三频测深的曲线绘制和分析方法，进一步提高天然电场法找水的成井率。

[关键词]天然电场；找水；效果

山东省在连续两年大旱的基础上，2015年又遇到了百年不遇的大旱，大量的机井无水可抽，出现了前所未有的打井高潮。在基岩地区盲目打井的成井率极低，浪费很大。传统的联合剖面、电测深等方法由于横向地质条件的变化造成的 “旁侧影响”十分严重，找水效果声望不高。于是涌现出了不少新的找水仪器(也包括用两条铜条测水)，其中使用最多的是天然电场找水仪，“既使没有勘探经验的人也能在10 min学会操作，半小时之内掌握测量方法”，“精度高达99%”。效果真的如此吗？笔者在使用国家发明专利直流双联电测法为群众找水的同时，结合使用天然电场法，做了大量试验，现加以整理，以与同行们探讨。

1天然电场法的利与弊

天然电场法是利用大地天然存在的电磁场作为工作场源，它不需要人工向地下供电，用仪器直接测量天然电磁场的电分量(Δ∪)，大地电磁场频率的频带很宽而且是连续的，大致可从10-4～104赫兹，可以穿过巨厚的岩石圈，直至上地幔。天然电场选频法只是选用了一部分可以穿透几十至几百米的固定频率用于找水找矿，应归属于大地电磁测深的范畴。

该方法最大的优点是：设备简单，不需人工供电，工作效率高；不受地下高阻屏蔽层的影响；电磁波向地下以垂直入射为主，受旁侧影响极小；仪器的自动化程度高，可以自动记录，自动储存，还可以借助电脑自动生成等值线，自动着色，对地下水的多少可以“一目了然”。也就是说可以将非常复杂的水文地质问题如同傻瓜相机一样进行简单化处理。

我们认为，天然电场法找水最大的弊端就是影响因素太多，不确定性(或称多解性)太多，用简单化的方法是解决不好的。

(1)各地的水文地质条件十分复杂，影响地下水富水性的因素很多。在基岩地区影响地下水贫富的主要因素有地形地貌、地下水的补排条件、地质构造、岩石的成因、矿物成分、力学性质、导电性能、风化程度等。岩石的导电性能只是岩性条件之一。岩石的裂隙率可以影响其导电性能(ρ或Δ∪)，但岩石的矿物成份对其导电性能影响更大，例如含粘土矿物多的泥岩和页岩、含长石石英类矿物少的片页和角闪岩，它们的电阻率都不大，但含水都不好。如果把电阻率大小(ρ或Δ∪)作为影响水量的单一因素进行简单化处理，只能把人引入歧途。

(2)天然电磁波的信号源十分复杂，各种来源的不同频率的电磁波迭加在一起，形成一个非常复杂的电磁振动。电磁振动的激发机制较公认的有四类：一是雷电。世界上的三大雷雨活动中心每年的雷雨日在100 d以上，其峰值多出现在当地的下午。在高纬度区离场源较远，这种场源可以看做是均匀的；二是与太阳黑子活动有关的磁暴。其特征是磁场强度发生剧烈变化，使磁场扰动呈极不规则形状；三是地磁脉动，振动周期约为0.5～1 000 s，大致呈正弦型，能延续较长时间。地磁脉动是大地电磁测深最重要的场源；四是环境噪音，如输电线、无线电台、工业游散电流等。当今，无论是城市还是农村，各种高低压输电线路密如蛛网，对天然电场法形成了严重程度不一的无法躲避的干扰。

(3)各种成因的电磁场场源都不是恒定和均匀的，都各有自己的频谱，有的在某些频率上加强，有的在某些频率上减弱，以雷电频谱为例，在8、14、20、26 HZ会出现峰值，在2 000 HZ以上会出现低谷。不同频率的电磁场迭加在一起，使总的天然电磁频谱更为复杂。如果把不同频率测出的Δ∪值的变化非要当成地下水量的变化不可，无疑如掩耳盗铃。

图1　穿透深度与频率和电阻率之间的关系

(4)天然电场法的探测深度难以确定。电磁波的穿透深度δ根据麦克斯韦方程的推导为：

式中：ρ为均匀介质的电阻率(Ω·m)；f为仪器使用的频率(Hz)

穿透深度与频率和电阻率关系列线图见图1。

从式中可以看出，穿透深度与介质电阻率的平方根成正比，二者关系十分密切，而不同地点的电阻率又变化很大，实际上是个未知数。尤其是，既使在同一个地点，不同深度的电阻率是不同的，在基岩地区大多是越深风化越差，电阻率越大，浅层与深层的穿透深度也是不一样的。如果测出的某个频率是低值，而且的确是含水层所致，其深度也是确定不了的。

2对多频测深曲线特性的认识

天电选频仪都设置了多个频率、可以进行多频率测量。对这些频率由小到大依次测量，便可测出从深层到浅层电位差的变化，因而可以叫做多频测深。我们把各频率的频号为横坐标，电位差为纵坐标，点绘到单对数纸上，就成了多频测深曲线，见图2。

图2　昌乐县毕家官庄村多频测深曲线

我们使用的仪器是北京杰科公司生产的JK型天然电场选频仪，测量误差小，抗干扰能力强，复测一致性好，多频测量的30个频率见表1。

表1　多频测量频率表

经过在不同地层不同地质条件的多次测量，发现多频测深曲线有以下特征，严重地形象了其使用效果。

(1)峰与谷交替出现带有普遍性。所有曲线都是峰与谷交替出现，一段曲线上升后必然会出现下降，然后再上升。峰与谷的变化与岩石的软硬、含水层的分布没有规律可循，有水的井与无水的井区别不大。既使岩性毫无变化，测出的曲线仍是峰谷交替，而不是直线。

(2)在一个测区内各测点峰值所对应的频率大多是相同的，因而各条曲线具有雷同性。图2为在昌乐毕家官庄实测的三条多频曲线。这三个测点相距50～80 m，皆为寒武系灰岩，岩石倾角很大，岩溶裂隙发育各异,但3条线的形状几乎相同，均在4、14、19、23四个频号出现峰值，其中间为低谷，这些低谷不可能都是含水层的反映。这个现象在其他测区也普遍存在。

(3)曲线上出现的峰或谷与已知井的含水层没有对应关系。根据我们实测的十几条有打井资料的已知井多频曲线，二者找不出任何对应关系。

由于天然电磁场场源的多样性，而且各种场源都有自己固有的规律，迭加之后信号强的就是峰，信号弱的就是谷，而岩性和含水层的变化对曲线的影响往往会被掩盖而反映不出来。有人把出现几个低谷就说成是几层水，数值越小地下水越多，这种解释是不正确的。

总之，我们认为多频测深曲线出现的峰谷变化是同一个测点不同频率之间比对的结果，影响因素十分复杂，含水层对它的影响不是主要的，因而不可作为找水的主要依据。在某些情况下，当其他方法都不适宜而必须使用多频测深时，要有已知井测量资料，依葫芦画瓢加以比对。

3三频剖面法的应用效果及存在问题

我们使用的选频仪三个固定频率是定制的，分别为67(p1)170(p2)350(p3)赫兹。根据理论公式计算，p3主要反映100 m以内的电阻率，p2主要反映200 m以内的电阻率，p1主要反映300 m以内的电阻率(实际深度还要小).MN极距选用20 m，测点距一般选用10 m。以测点顺序号为横坐标，以仪器读数为纵坐标，将三个频率的读数分别点绘到单对数纸上，各自相连，就得到了3条三频剖面曲线。见图3。

图3　天电三频剖面曲线

三频剖面每条曲线的变化都是不同测点用同一个频率比对的结果，如果某一频率因种种原因信号较强，则各测点都强，不会影响曲线的形状。在同一个较小的测区内岩性差异较小，同一个频率所代表的深度相同，所以曲线的变化也不会受穿透深度不同的影响，因而三频剖面更能真实地反映各测点岩性和含水率的变化。

根据我们在片麻岩地区长期使用三频剖面法找水的资料统计，其效果可概括如下：

(1)断层破碎带往往会表现为低谷形线段，利用曲线中的谷底点打井，在我们已掌握资料的38个井中，好井有15个，占39%。

(2)片麻岩中的片岩属较软岩，电阻率偏低，含水不好，利用曲线中谷形段在谷底点打井，在38个井中水量不好的有14个，占37%。

(3)利用岩脉打井容易有水。岩脉在风化层中往往呈高阻反映，利用曲线中的高峰段在峰顶点打井，水量好的有5个，占13%。

(4)在曲线中的平直段打井，既不是峰点也不是谷点，水量好的有4个，占11%。

从以上统计中可以看出，用三频剖面找低谷段所反映出的断层破碎带打井效果良好。但由于物探工作中普遍存在的多解性问题，在软岩较多的地层中，低谷段是软岩而不是断层的风险很大。利用高峰段找岩脉打井也是一种好条件，同样应引起重视。

在一个长几百米的剖面中，往往既有高值点也有低值点，既有峰也有谷，而且还不止一个，究竟选峰还是选谷？几个谷点选哪一个更好？这些问题都是三频剖面中经常遇到的问题，颇费思索，难免误判，需要进一步解决。

4三频测深曲线图的制作及利用

为解决上述问题，我们利用带有多频测深频率号的单对数坐标纸，将P1、P2、P3按频率大小标在横坐标上，把三频剖面中出现的几个特异点(如高点、低点、峰点、谷点、高值段变低值段的拐点)的3个频率读数分别点在图中，各测点的读数各自相连，就成了一个只由两段线组成的三频测深曲线图。

三频测深曲线只是利用三频剖面的数据转变而成，不需要专门读取。它的任意一条线，横向比对是同一个测点不同频率的比对，相当于测深；各条线纵向比对是不同测点相同频率的比对，相当于剖面。它兼具测深与剖面二者的功能。各测点的MN方向应该相同，以减小方向不同造成的影响。三频测深曲线与三频剖面曲线相结合，可以解读出更多的问题。三频测深曲线虽然也会像多频测深曲线那样，在小范围内有一定的雷同性，但将几个测点一起进行仔细比对还是有差异的，如果范围更大一点的测点相互比对，差异会更直观更明显。

图4　莱州后桥村三频测深曲线

三频测深曲线中P3-P2段我们叫前段，P2-P1段我们叫后段。分析曲线主要是比对P3读数的大小及前段或后段的斜率两个要素。P3越大岩石越硬，或是长石石英类矿物越多。在有些地方P1由于受50赫兹的工业交流频率的影响而偏大，影响对曲线的解释，需要进行多频测深， P1如果偏大，分析一下是否是4频太大造成的。如果4频不是太大可按以下规律进行解释。在土层不厚的片麻岩地区主要有以下三类地质条件，它们在三频测深曲线上各自的特征如下：

(1)含水层是以浅色矿物为主的风化片麻岩(这种岩石在胶东群众叫“硬黪糠”)。根据P3的大小可分为以下三种情况：

当P3较大时(一般为0.3～3)，含水好者曲线前段微降，后段上升，两段线的夹角越小越好，如图4曲线①。当岩石风化不好时P3宜选小值，当岩石风化好时P3宜选大值。

当P3为0.1左右时(一般为0.03～0.3)，含水好者曲线前段较平缓，后段升角变大。如果前段为陡升者不好。

当P3较小时(一般为0.003～0.03)，含水好者前段升角较大，后段升角更大。

(2)岩石为以黑色矿物为主的角闪岩(群众叫黑石头)，含水普遍不好。其曲线特征：有的是前段陡升，后段升角变缓；有的是前段陡降，后段陡升，且各测点千篇一律无明显差异。见图5曲线①。

图5　昌邑杨家庄、李家营三频测深曲线

这种类型与前一种类型在三频测深曲线上较难区分，有时需要借助于直流双联电测深加以区别，在双联电测深曲线上角闪岩往往表现为升角较大且无含水层反映。

(3)岩石为以片岩为主的较软岩。颜色呈灰或黑色，风化层颗粒细软，浅色矿物极少(群众叫软黪糠)，含水不好，钻井水量不大。曲线特征是3个频率读数都不大，曲线前后段皆较平缓，前后两段夹角较大，接近于平角甚至为钝角，见图5曲线②。

不论何种地质条件，如果P3和P2都不小，而只是P1变小，前段上升，后段下降，都不是含水好的条件。

5结语

天然电场与人工电场各有长短，哪一种方法也不是万能的，都有不能解决的问题，把二者结合起来，取长补短，扬长避短，更能提高成井率。例如在花岗岩和石灰岩山区，直流电测深测出的曲线上升角度很大，不易分析，就应以天然电场法为主。当天然电场受干扰太大或有些问题不能鉴别时就可以结合使用能排除旁侧影响的国家发明专利技术——直流双联电测深法，效果更好。在山东省大量存在的下白垩系古火山岩和上白垩系陆相沉积岩，地下水奇缺，随机打井的成井率总体上不超过十分之一，找水十分困难，更应该走综合物探之路，探索更多的找水方法。

参考文献

[1]朱仁学.大地电磁测深讲义.2002.6.

[2]韩荣波.天然电场选频法.

[3]杨佃俊.电测找水.山东人民出版社.1973.

[4]潍坊市星河地下水研究所.双向联合电测深法找水.专利号：ZL2008 1 0139004.2.

[收稿日期]2015-12-13

[作者简介]杨树华(1965-)，男，山东潍坊人，高级工程师，主要从事水文自动测报及物探找水方面的研究工作。

[中图分类号]P641

[文献标识码]B

[文章编号]1004-1184(2016)03-0119-03