瞬变电磁法在地下水勘查中的应用研究综述

瞬变电磁法在地下水勘查中的应用研究综述

张保祥1,2,刘春华1

(11山东省水利科学研究院,山东济南250013;21中国地质大学水环学院北京100083)

[摘　要]　水是地球上最重要的天然资源,供人类需要的淡水有95%以上取自地下水,地下水在人类经济活动中发挥着重要

的作用。传统的地球物理方法在地下水勘查工作中得到应用的同时,新的更先进的物探方法不断涌现。近年来,瞬变电磁法在国内外的应用得到迅速发展,在地下水勘查领域的应用也得到拓展。与其它电探方法相比,利用瞬变电磁法进行地下水勘查具有明显优势。

[关键词]　地球物理勘探;瞬变电磁法;地下水勘查;应用综述

[中图分类号]　P 63113+25 [文献标识码]　B [文章编号]　1004-1184(2004)02-0129-05

[收稿日期]　2003-11-15

[作者简介]　张保祥(1966—)男,山东寿光人,高级工程师,主要从事水资源开发与水工环物探的研究。

水是地球上最重要的天然资源,它是地球上一切

生物生存和人类生活及生产活动中不可缺少和不可替代的自然资源,是地球上最重要和最宝贵的自然资源之一。世界上水的分布是不均匀的,其中海水占地球水总量的97.3%,淡水中约77.1%以不能被利用的冰雪形式存在,地下水约占全部剩余水量的71.8%,而供人类需要的淡水有95%以上来自地下水,地下水在人类经济活动中发挥了重要作用。我国300个城市日缺水量1600万吨,许多地区和城市靠长期过量抽取地下水维持,而西北地区及许多山区则因缺水而制约了经济发展,甚至成为贫困的根源。随着人类社会的不断发展和人口的不断增长,对水资源的需求也在不断地增加,水资源短缺已成为国民经济和社会发展的重要瓶颈制约因素。因此,水资源问题已成为当代世界重大问题之一。

随着科学技术的不断发展和工农业生产水平的不断提高,人类对地下水资源的需求亦与日俱增。目前,对一些缺水地区及贫困山区,查找地下水仍是今后地下水勘查工作的重点。水文物探工作的目的就是要开发和管理好地下水,其在地下水勘查工作中面临的任务主要是:圈定地下水富水带的位置、判定含水层的可能含水量及现场测定地下水的水质。1　传统物探找水方法概述

我国的水文物探工作从上世纪50年代初开始,至今已有50年,在此期间,物探找水有了很大的发展,取得了一定成就。我国的水文物探主要经历了4个发展阶段[1]:①上世纪50年代和60年代,是我国水文物探成长阶段。主要使用的方法有电阻率法、渗透电场法、井中充电法、井中扩散法等。②上世纪70

年代,水文物探大规模实施阶段,出现了一些新方法,

如激发极化找水方法及音频大地电场法等,物探技术上了一个新台阶。③上世纪80年代,水文物探技术大发展阶段,从平原找水发展到山区基岩裂隙、岩溶找水,地震折射法、甚低频法、二次时差法、频率域激发极化法、核物探方法、井中的流速测定仪等许多方法进入水文物探领域。特别是计算技术进入直流电法之后,使老方法以新的面貌继续发挥作用。④上世纪90年代,水文物探稳定发展和相对成熟阶段,在物探寻找地下水方面,我国的技术水平在世界上是先进的[2]。在利用物探探测和监测海(咸)淡水界面及进退方面,我国从上世纪70年代开始利用电测深法在这方面做了不少工作,到目前,山东、河北等地都取得了成功的经验[3]。物探在监测地下水中其它有害物质的污染状况方面也得到了应用。

传统的地球物理方法在水文地质工作中一直得到应用,但在地下水勘查工作中采用最多的是直流电阻率法和激发极化法,它比单纯的水文地质分析法前进了一大步,但由于受地形影响及体积勘探效应的限制,成井率很难再有提高。

电阻率法是电法之中找水应用历史较长,理论研究较为完善,应用最为广泛的一种方法。野外观测时一般是由正、负两个电极向地下送入电流,地下的电流场受不同电阻率岩层的影响而有不同分布规律,因此,在地表观测电位,就能推知地下电阻率的分布情况,进而推断分析地质情况,达到找水的目的。我国在上世纪60年代初期开始运用此方法在山丘和平原地区进行电测找水工作,取得了许多成功的找水经验与实例[4]。但因地形影响、矿体干扰等,成井率较低。

　2004年6月第26卷　第2期 地下水Ground w ater June,2004V o l .26　NO.2

激发极化法简称激电法,作为电法勘探的重要分支,它是通过观测、研究地质体在人工电流场的激发作用下产生的极化场(二次场)的变化规律,达到找水和研究其它有关地质问题的物探方法。激电法最早是用于找矿,由于不受纯地形起伏及围岩电阻率不均匀性影响,且可充分利用其时间(或频率)特性,因此用激电法找水,特别是在山区找水受到了重视。在国外,三十年代一些研究者就认识了激发极化现象。到50年代中期,美国和前苏联一些学者开始对激发极化找水特性进行了理论和试验研究,但大都处于室内研究阶段,并未大量推广应用。我国从上世纪60年代末和70年代初开始,也进行了大量研究和试验[5]。陕西省地质局第一物探队在1969年开始利用二次场衰减时法找水,取得了较好的效果,他们是我国激发极化法找水的首创单位。随后,国内许多单位引进了这种方法,在各种地层中进行了找水实践和模拟试验,取得了新的进展。特别是激发极化法找水专用仪器的研制成功[6],为激发极化法找水的进一步开展提供了重要观测手段,使得该法在国内广泛得到应用并取得明显找水效果。近年来,激电法找水基础理论得到的进一步发展[7],为该法在找水领域的发展起到了积极推动作用。激发极化法找水补充了电阻率法的不足,取得了较好的效果,目前它已成为综合物探找水中不可缺少的重要手段。但是,激电法也是一种间接找水方法,其异常响应除与水有关外,还受多种因素的影响,解释并非单一。另外,激电法找水的机理还不够清楚,这在一定程度上影响了该方法的推广应用。

由于地质条件的复杂性和物探方法的局限性,用物探方法寻找地下水尚存在着许多需要解决的问题。近年来,随着地球物理勘探方法的不断发展,一些新的物探方法如遥感、航测、地质雷达、微重力法、高密度电阻率法、可控源音频大地电磁法、核磁共振法和同位素技术等在地下水勘查领域得到应用。但由于这些方法仪器昂贵、资料处理繁杂,因此这些方法不便普及使用,只能在大面积资源普查时使用。

2　瞬变电磁法国内外研究现状与进展

瞬变电磁法(T ran sien t E lectrom agnetic M eth2 ods),又叫时间域电磁法(T i m e-Dom ain E lectro2 m agnetic M ethods),简称T E M或TD E M。它是近年来国内外发展得较快、地质效果较好的一种电法勘探分支方法[8],在国际上被称作是电法的二次革命。它是利用一不接地回线发射一次磁场,在一次磁场的间歇期间利用不同回线接收二次感应磁场,该二次电磁场是由地下良导体受激励引起的涡流所产生的非稳磁场。与其它测深方法相比,它具有探测深度大、信息丰富、工作效率高等优点。近年来,该方法得到迅速发展,特别是对探测低阻覆盖层下的良导电地质体取得了显著的地质效果。它主要应用于金属矿勘查、构造填图、油气田、煤田、地下水、地热以及冻土带和海洋地质等方面的研究,在国内外己取得了令人瞩目的效果[9]。

在国外[10][11],美国、前苏联、澳大利亚以及加拿大等国家从上世纪60年代开始对水平层状介质时域响应分析与研究做了大量的工作,因而瞬变电磁测深方法在理论上得到了很大的发展。将瞬变电磁信号应用于地质构造探测,最早由前苏联专家在上世纪30年代末提出,上世纪50年代基本建立了瞬变电磁法解释理论和野外施工的方法技术,上世纪60年代以后得到广泛及成功的应用和发展。前苏联理论研究方面一直走在世界前列,上世纪50～60年代已成功地完成了瞬变电磁法的一维正、反演,上世纪70～80年代又在二、三维正演方面做了大量工作,上世纪80年代初在电磁法中确定了正则偏移和解析延拓偏移两种方法,上世纪80年代末研究了时间域瞬变电磁法的激电效应特征及影响,成功地解释了瞬变电磁法晚期段电磁响应的变号现象。目前,由俄罗斯生产的大功率瞬变电磁法仪器已进入我国市场。在西方,上世纪50年代初提出利用瞬变电磁场法寻找导电矿体的概念,并做了一定的试验工作。上世纪60年代初推导出了层状介质地电断面的瞬变电磁响应表达式,为电磁测深理论奠定了基础;后期又导出了位于层状介质上方的水平线圈所接收到的时域响应,为瞬变电磁法测深提供了重要的理论依据。该方法大规模发展始于上世纪70年代,此间对该方法的一维正、反演及方法技术进行了大量研究,同时开始出现单一方法用的瞬变电磁法商品仪器。上世纪80年代初,在计算机上成功编译的各种装置下瞬变电磁测深一维反演程序,这在该方法的定量解释研究方面是一个重大的突破;同时,随着计算机技术的发展,欧美各国在瞬变电磁法的二、三维正演模拟技术方面作了大量工作,随之利用有限差分法实现了电磁波场的二维偏移和电磁数据的成像。欧美学者对时间域瞬变电磁法的激电效应研究始于上世纪80年代初,并奠定了该领域的研究基础。近些年开始出现智能集成化的仪器,具有代表性的有:加拿大Geon ics公司生产的E M-37、47、57,澳大利亚Geo仪器公司生产的S I RO T E M- 、 以及美国Zonge公司生产的GD P-12、16、32和加拿大Phoen ix公司生产的V-5多功能电测站等。