地表电性不均匀体对物探测水的影响及对策

杨佃俊，杨树华，杨树伟

（1.潍坊市水利局，山东 潍坊261031；2.潍坊市白浪河水库运营维护中心，山东 潍坊261052；3.潍坊市星河地下水研究所，山东 潍坊261031）

天然电场选频法（以下简称天电法）属于大地电磁测深的范畴，是近几年发展很快的物探找水方法。它对天然电磁波向地下传播再反射到地面的信号进行测量，装备简单，测速快，易操作，效果好，很受找水工作者欢迎。以湖南普奇地质勘探设备研究院生产的S系列测水仪为例，可以根据打井深度任意变换500 m、300 m、150 m、100 m不同的测量深度，测量精度可达0.001 mV。测完一个测点只需要2~3 min，可以将多个测点多个频率测出的数据绘成一张剖面图。测完1条测线，不用借助电脑，只要点一下“绘制剖面图”就可自动绘制出原始剖面图。还可以处理剖面图、数字曲线图等3种彩图，分析出地下的含水层结构。

1 地表电性不均匀体对天电法的影响

与人工电场法相比，天电法的信号源在不利的电磁环境下不够稳定，必须对同一条测线连测两遍，才能更好地辨别其电磁环境是否稳定，反映出的异常是否可靠。在地表电性较均匀的情况下只要坚持复测，这个问题大多都能得到较好的解决，但在地表电性不均匀体存在的情况下，天电法受其影响的程度要比电阻率法大得多，会造成很多的假异常，必须引起重视，加以解决。

2 电性不均匀体的特点

所谓地表电性不均匀体就是指在地表无序分布的、导电性能各异、电阻率差异较大的地质体。这些不均匀体类型多样，在山丘地区广泛存在，用肉眼大多不易察觉，归纳起来主要有以下几种：一是土层厚薄不均匀。土层的电阻率比其下覆的大多数基岩小得多，当土层变厚时可以形成地表低值不均匀体。二是土层的岩性不均匀。包气带中有时有一些干砂层或干碎石层，这在冲沟中或是坡麓堆积中能经常见到，可以形成地表高值不均匀体。三是基岩岩性不均匀。在软硬岩石相间的地层中，如果某处岩石倾角较大，且基本没有土层覆盖，会形成地表高低值频繁交替出现的现象，成为多发的地表电性不均匀体。四是岩石浅表层的风化裂隙发育不均匀。在花岗岩、变粒岩等结晶岩石地区浅表层风化裂隙发育很不均匀，容易形成深浅不一的囊状风化带，成为地表低值不均匀体。尤其是在雨季，风化裂隙带的湿度比较大，电阻率变小，裂隙带以外电阻率仍然较大，高低值相差更大。五是坚硬岩石局部裸露，裸岩时隐时现。岩石裸露的地方就是地表高值体，隐伏的地方就是地表低值体。这样形成的地表电性不均匀体对天电法影响更大。

3 影响原理

天电法找水主要是分析水平方向或垂直方向数值的变化，这种变化可以用剖面图的等值线或颜色变化反映出来，数值突变的地方一般被称作“异常”，这些异常往往是断层、裂隙带、风化带、岩脉、岩性突变等原因造成的，成为找水的主要目标。读图的主要任务就是要分辨出异常的真假，找出含水构造。

电磁波在地下的传播始终遵循趋肤效应，也会遵循电磁波的反射折射等规律。电磁波向地下传播首先要透过地表的第一层介质，介质的导电性能（或称为“屏蔽效能”）的大小在很大程度上决定了电磁波向下传播信号的强弱。介质的电阻率越小，“屏蔽效能”就越大，更容易吸收电磁波。

如果表层是低值层，它吸收的电磁波就越多，向下传播的信号就越弱，就会形成从浅到深数值都变小的低值点，在图中的表现形式就是“低值下传”。

如果表层是高值层，它吸收的电磁波较少，向下传播的信号就更强，则会形成从浅到深数值都变大的高值点，在图中的表现形式就是“高值下传”。

电磁波在地下的传播可用麦克斯韦方程来表达：

式中：δ为电磁波的趋肤深度，m；ρ为介质电阻率，Ω·m；f为电磁波频率，Hz。

从上式可以看出，电磁波的频率越大，穿透深度越小。当频率一定时，介质的电阻率越小穿透深度也越小。如果第一层（即表层）是低值不均匀体，由于电磁波被吸收了很多，信号变弱了，穿透深度小了，低值下传现象就出现了。高值下传同理。只有不存在地表电性不均匀体时，测出的数值大小才会真正反映出地下深部各层介质的电性特征。

4 案例及启示

莱州市南相村地处丘陵区，岩性为二长花岗岩，罕见有断层和岩脉。该村为建猪场打了20多眼井，有2/3基本无水，其余水量较小。选取1个地势较低的已知井做了天电法测量，同时也做了同一条测线的重复测量。

图1 在不均匀体存在条件下原测图与原位复测图的比较

测量用的电极距10 m，测点距5 m，1~13点为原测图，15~27点为原位复测图，把两个图绘制到了一张图上，用空测点14加以分开。从图中可以看出，原测图的3、4、10号点为相对低值点，1、2、7、8、11、12、13号点为相对高值点。在复测图上低值点和高值点与原测图完全一致，说明仪器测量精度很高，抗干扰能力很强。实打井位在2和3号点之间，这里数值反差明显，是高低值的结合部，仅从该图看井位是合理的，应该水量很好。经了解，该井实打150 m，只在十几米处出水，水量1 m3/h，再向下基本无水，与图的表现完全不符。

为探求剖面图与实打出水量不符合的原因，平移4 m后测了一条平行测线，错位复测图如图2。从图中可以看出，在原测图和原位复测图中出现的3、4、10号的低值点都不见了，因而高低值的结合部也就不存在了，说明这些低值点是不真实的，即假异常。由此可知，这些假异常可能都是地表电性不均匀体造成的，只靠原位复测难以辨别出来。

图2 在不均匀体存在条件下原测图与错位复测图的比较

5 错位复测应用

找水的目的主要是找断层、裂隙带、岩脉、岩层突变等构造原因造成的地质异常，这些异常往往有一定的方向性和延伸性，而地表电性不均匀体绝大多数是不规律的，没有一定的方向性和延伸性，是这两种地质体的最大区别。因此，可以利用错位复测法在离开原测线若干米处再测一条平行线，将二者的成图进行对比分析即可将两种地质体区别开来。

图3中，1~15点是原测图，17~31点是原位复测图，二者一致性好。为了分析7点的低值异常是不是地表不均匀体造成的，将测线平移10 m进行错位复测，7点和21点是同一个测点。在图4中可以看出，7点仍然是低值异常，且低值层深度都在150~200 m之间。因此，7点确定为井位。经实打，在深度90 m处见水，出水量在深185 m处达5 m3/h，深230 m处达15 m3/h，应用错位复测法大大提高了成井率。

图3 在无不均匀体条件下原测图与原位复测图的比较

图4 在无不均匀体条件下原测图与错位复测图的比较