一、引言

 

  電法勘探方法可以追溯到１９世紀(jì)初Ｐ．Ｆｏｘ在硫化金屬礦上發(fā)現(xiàn)自然電場(chǎng)現(xiàn)象，至今已有１００多年的歷史。我國(guó)電法勘探始于２０世紀(jì)３０年代，由當(dāng)時(shí)北平研究院物理研究所的顧功敘先生所開創(chuàng)。經(jīng)過７０余年的發(fā)展，我國(guó)的電法勘探無論在基礎(chǔ)理論、方法技術(shù)和應(yīng)用效果等方面都取得了巨大的進(jìn)展，使電法成為應(yīng)用地球物理學(xué)中方法種類最多、應(yīng)用面最廣、適應(yīng)性最強(qiáng)的一門分支學(xué)科。同時(shí)，經(jīng)過廣大地球物理工作者不懈努力，在深部構(gòu)造、礦產(chǎn)資源、水文及工程地質(zhì)、考古、環(huán)保、地質(zhì)災(zāi)害、反恐等領(lǐng)域，電法已經(jīng)和正在發(fā)揮著重要作用。限于篇幅，本文僅對(duì)其中幾種主要方法，如高密度電法、激發(fā)極化法、ＣＳＡＭＴ、瞬變電磁法和地質(zhì)雷達(dá)等作簡(jiǎn)要介紹，并就這些方法在水文和工程地質(zhì)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，供廣大水文和工程地質(zhì)、工程物探人員參考。

 

  二、高密度電法

 

  高密度電法實(shí)際上是集中了電剖面法和電測(cè)深法，其原理與普通電阻率法相同，所不同的是在觀測(cè)中設(shè)置了高密度的觀測(cè)點(diǎn)，是一種陣列勘探方法。關(guān)于陣列電法勘探的思想源于２０世紀(jì)７０年代末期，英國(guó)人設(shè)計(jì)的電測(cè)深偏置系統(tǒng)就是高密度電法的最初模式，２０世紀(jì)８０年代中期日本借助電極轉(zhuǎn)換板實(shí)現(xiàn)了野外高密度電法的數(shù)據(jù)采集。我國(guó)是從２０世紀(jì)末期開始研究高密度電法及其應(yīng)用技術(shù)，從理論方法和實(shí)際應(yīng)用的角度進(jìn)行了探討并完善，現(xiàn)有中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、原長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院、重慶的有關(guān)儀器廠家研制成了幾種類型的儀器。

 

  高密度電法野外測(cè)量時(shí)將全部電極（幾十至上百根）置于剖面上，利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀便可實(shí)現(xiàn)剖面中不同電極距、不同電極排列方式的數(shù)據(jù)快速自動(dòng)采集。與常規(guī)電阻率法相比，高密度電法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

 

  １．電極布置一次性完成，不僅減少了因電極設(shè)置引起的故障和干擾，并且提高了效率；

 

  ２．能夠選用多種電極排列方式進(jìn)行測(cè)量，可以獲得豐富的有關(guān)地電斷面的信息；

 

  ３．野外數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化或半自動(dòng)化，提高了數(shù)據(jù)采集速度，避免了手工誤操作。此外，隨著地球物理反演方法的發(fā)展，高密度電法資料的電阻率成像技術(shù)也從一維和二維發(fā)展到三維，極大地提高了地電資料的解釋精度。 高密度電法應(yīng)用領(lǐng)域比較廣，尤其在水文和工程地質(zhì)勘查方面，主要有：底青云（２００２）、吳長(zhǎng)盛（２００１）、郭鐵柱（２００１）、 董浩斌（２００１）等使用高密度電法在水庫大壩的壩體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、壩基滲漏勘查、堤壩裂縫檢測(cè)上見到了好的應(yīng)用效果；嚴(yán)文根（２００２）將高密度電法用在電廠大壩的基巖面起伏及其強(qiáng)度特性評(píng)價(jià)上；王文州（２００１）、王玉清（２００１）、侯烈忠（１９９７）等將高密度電法用在高速公路高架橋、高層建筑選址、機(jī)場(chǎng)跑道的地基勘探中；郭秀軍（２００１）采用高密度電法探測(cè)防空洞、涵洞、溶洞、地下局部不明障礙物等物理性質(zhì)有別于周圍介質(zhì)的地下有形體；楊湘生（２００１）在湘西北巖溶石山區(qū)找水中應(yīng)用高密度電法確定最佳井位方面取得了好的效果；解愛華（２００３）采用高密度電法與瞬態(tài)瑞雷面波法完成了國(guó)際機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程中的巖土工程勘察問題，查明古河道、墓穴和洞穴的分布及埋深，利用土層的剪切波速劃分場(chǎng)地類別。此外，何門貴（２００２）、劉曉東（２００１）、王士鵬（２０００）在尋找地下水、管線探測(cè)、查明采空區(qū)、調(diào)查巖溶及地質(zhì)災(zāi)害等工程物探中使用了高密度電法。

 

  三、激發(fā)極化法

 

  在電法勘探中，當(dāng)電極排列向大地供入或切斷電流的瞬間，在測(cè)量電極之間總能觀測(cè)到隨時(shí)間緩慢變化的附加電場(chǎng)，稱為激發(fā)極化效應(yīng)。激發(fā)極化法（或激電法）就是以巖、礦石激發(fā)極化效應(yīng)的差異為基礎(chǔ)來解決地質(zhì)問題的一類勘探方法。激電法是２０世紀(jì)５０年代末在我國(guó)開始研究和推廣的，早期是以直流（時(shí)間域）激電法為主，２０世紀(jì)７０年代初開始研究交流（頻率域）激電法———主要是變頻法，２０世紀(jì)８０年代初又開始對(duì)頻譜激電法進(jìn)行研究，也就是研究復(fù)視電阻率隨頻率的變化———即復(fù)視電阻率的頻譜。由于該方法測(cè)量的是二次場(chǎng)，具有不受地形起伏和圍巖電性不均勻的影響、可測(cè)量的參數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)。 在實(shí)際地質(zhì)應(yīng)用方面，初期的激電法主要用于勘查硫化金屬礦床，后來發(fā)展到諸多領(lǐng)域，如氧化礦床、 非金屬礦床、工程地質(zhì)問題等。近年來，激電法找水效果十分顯著，被譽(yù)為“找水新法”。早在上世紀(jì)６０年代，國(guó)外學(xué)者ＶｉｃｔｏｒＶａｃｑｕｉｅｒ（１９５７）等提出了用激電二次場(chǎng)衰減速度找水的思想。在該思想的啟迪下，我國(guó)也開展了有關(guān)研究，并將激電場(chǎng)的衰減速度具體化為半衰時(shí)、衰減度、激化比等特征參數(shù)，這些參數(shù)不僅能較準(zhǔn)確地找到各種類型的地下水資源，而且可以在同一水文地質(zhì)單元內(nèi)預(yù)測(cè)涌水量大小，把激電參數(shù)與地層的含水性聯(lián)系起來。目前，我國(guó)已有北京地質(zhì)儀器廠、重慶地質(zhì)儀器廠和山西平堯地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)出適合尋找地下水的儀器。

 

  在找水方面的具體應(yīng)用有：楊進(jìn)（１９９７）用回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)及回歸預(yù)測(cè)方法預(yù)報(bào)了地下涌水量；姜義生（２０００）使用雙頻激電法不僅解決了居民飲用的地下水源，而且解決了干擾地下施工的漏水帶；龍凡（２００２）使用激電法中視激化率和半衰時(shí)參數(shù)在砂頁巖地區(qū)、灰?guī)r地區(qū)、花崗巖地區(qū)和玄武巖地區(qū)找到了地下水資源，并且用回歸直線法預(yù)測(cè)了單井涌水量；王聿軍（２００１）使用激電法在貧水山區(qū)進(jìn)行找水；王俊業(yè)（２０００）用激電參數(shù)和電阻率參數(shù)對(duì)地層的富水性進(jìn)行評(píng)價(jià)，取得了好的結(jié)果；李金銘（１９９３）、 金學(xué)名（１９９３）使用激電法的偏離度參數(shù)尋找地下水資源；李茂塔（２００１）、 李金銘（１９９０、１９９４）對(duì)激電法找水的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了研究；周立功（２００１）使用激電法在重力土壩穩(wěn)定性檢測(cè)中查明最大下沉段堤下介質(zhì)賦水情況。

 

  值得一提的是，利用激電法找水或確定地層的含水性，最好與高密度電阻率法相結(jié)合，這樣可以降低地球物理解釋的多解性，提高找水的成功率。高密度電阻率法在確定高阻或低阻地質(zhì)體具有優(yōu)越性，但低阻地質(zhì)體并不代表富含地下水，可能是由于泥巖引起地層的電阻率下降。這時(shí)，可以通過使用激電法來區(qū)分含水地層和泥巖，因?yàn)榧る姸螆?chǎng)與巖石的孔隙有關(guān)，在純粹泥巖中極化率比較小，在含水砂礫巖中極化率比較大，此外二次場(chǎng)的衰減速度也與孔隙的大小、形狀和寬窄有關(guān)，這就是激電法找水的機(jī)理所在。

 

  四、可控源音頻大地電磁法（ＣＳＡＭＴ）

 

  可控源音頻大地電磁法是在大地電磁法（ＭＴ）和音頻大地電磁法（ＡＭＴ）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種可控源頻率測(cè)深方法。ＣＳＡＭＴ是１９７５年由ＭｙｒｏｎＧｏｌｄｓｔｅｉｎ提出，它基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組建立了視電阻率和電場(chǎng)與磁場(chǎng)比值之間的關(guān)系，并且根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論得出電磁波的傳播深度（或探測(cè)深度）與頻率之間的關(guān)系，這樣可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測(cè)深度，達(dá)到頻率測(cè)深的目的。目前，已商業(yè)化的ＣＳＡＭＴ儀器是由加拿大鳳凰公司與美國(guó)宗基公司研制的。 ＣＳＡＭＴ采用可控制人工場(chǎng)源，測(cè)量由電偶極源傳送到地 下的電磁場(chǎng)分量，兩個(gè)電極電源的距離為１～２ｋｍ，測(cè)量是在距離場(chǎng)源５～１０ｋｍ以外的范圍進(jìn)行，此時(shí)場(chǎng)源可以近似為一個(gè)平面波。由于該方法的探測(cè)深度較大（通?？蛇_(dá)２ｋｍ），并且兼有剖面和測(cè)深雙重性質(zhì)，因此具有諸多優(yōu)點(diǎn)：第一，使用可控制的人工場(chǎng)源，測(cè)量參數(shù)為電場(chǎng)與磁場(chǎng)之比———卡尼亞電阻率，增強(qiáng)了抗干擾能力，并減少地形的影響。第二，利用改變頻率而非改變幾何尺寸進(jìn)行不同深度的電測(cè)深，提高了工作效率，一次發(fā)射可同時(shí)完成７個(gè)點(diǎn)的電磁測(cè)深。第三，探測(cè)深度范圍大，一般可達(dá)１～２ｋｍ。第四，橫向分辨率高，可以靈敏地發(fā)現(xiàn)斷層。第五，高阻屏蔽作用小，可以穿透高阻層。與ＭＴ和ＡＭＴ法相同，ＣＳＡＭＴ法也受靜態(tài)效應(yīng)和近場(chǎng)效應(yīng)的影響，可以通過多種靜態(tài)校正方法來消除“靜態(tài)效應(yīng)” 的影響。ＣＳＡＭＴ法一出現(xiàn)就展示了比較好的應(yīng)用前景，尤其是作 為普通電阻率法和激發(fā)極化法的補(bǔ)充，可以解決深層的地質(zhì)問題，如在尋找隱伏金屬礦、油氣構(gòu)造勘查、推覆體或火山巖 下找煤、地?zé)峥辈?/a>和水文工程地質(zhì)勘查等方面，均取得了良好的地質(zhì)效果。在地下水資源方面，ＣＳＡＭＴ法適合尋找深部的基巖裂隙水：石昆法（１９９９）使用ＣＳＡＭＴ法在灰?guī)r中尋找斷層，并打出了地下水；郭建華（１９９５）用ＣＳＡＭＴ法在干旱地區(qū)尋找地下水資源及探測(cè)隱伏構(gòu)造；蔣達(dá)龍（１９９４）用ＣＳＡＭＴ法發(fā)現(xiàn)地下熱水資源；底青云（２００１）結(jié)合ＣＳＡＭＴ法和高密度電法探測(cè)深層和淺層的地下水資源；底青云（２００２）使用ＣＳＡＭＴ法查找礦山頂板涌水隱患；嚴(yán)盛新（２００３）用ＣＳＡＭＴ法在沙漠腹地尋找地下水資源；吳璐蘋（１９９６）用ＣＳＡＭＴ法在山區(qū)、半山區(qū)等地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行找水。此外，ＣＳＡＭＴ法在工程勘探中的壩體滲漏調(diào)查、國(guó)家南水北調(diào)工程西線的地質(zhì)勘查、小浪底水利工程等項(xiàng)目，都可以發(fā)揮良好的作用，如劉錄剛（２００４）用ＣＳＡＭＴ法在雁門關(guān)隧道中進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

 

  五、瞬變電磁法（ＴＥＭ）

 

  瞬變電磁法是利用不接地或接地線源向地下發(fā)送一次場(chǎng)，在一次場(chǎng)的間歇期間，測(cè)量由地質(zhì)體產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化。根據(jù)二次場(chǎng)的衰減曲線特征，就可以判斷地下不同深度地質(zhì)體的電性特征及規(guī)模大小等。由于該方法是觀測(cè)純二次場(chǎng)，消除了由一次場(chǎng)所產(chǎn)生的裝置偶合噪音，具有體積效應(yīng)小、橫向分辨率高、探測(cè)深度深、對(duì)低阻反映靈敏、與探測(cè)地質(zhì)體有最佳偶合、受旁側(cè)地質(zhì)體影響小等優(yōu)點(diǎn)。 瞬變電磁法最初是由前蘇聯(lián)學(xué)者在２０世紀(jì)３０年代提出用于解決地質(zhì)構(gòu)造問題，２０世紀(jì)５０年代用于找礦，２０世紀(jì)６０年代以后從方法原理到一、二維反演都得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。在我國(guó)，該方法研究始于２０世紀(jì)７０年代，２０世紀(jì)９０年代后逐步向工程檢測(cè)、環(huán)境、災(zāi)害等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。從２０世紀(jì)８０年代開始，原長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院、原地礦部物化探研究所、中南大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)分別在方法理論、儀器及野外試驗(yàn)、一維及二維正反演方法等方面做了大量工作，并且自行研制了幾種功率小、探測(cè)深度淺的瞬變電磁法儀器，在生產(chǎn)實(shí)際中見到了好的應(yīng)用效果。然而，大功率、探測(cè)深的瞬變電磁法儀器國(guó)內(nèi)尚在研制中，目前主要依賴進(jìn)口。 瞬變電磁法除了廣泛應(yīng)用于金屬礦產(chǎn)、石油、煤田、地?zé)?/a>以及凍土帶和海洋地質(zhì)等地質(zhì)勘查工作之外，在水文和工程地質(zhì)勘查中也取得了非常好的應(yīng)用效果，如楊文欽（２００２）、張保祥（２００２）、郁萬彩（２００１）、蔣文（２００４）等使用瞬變電磁法查明斷層及頂板砂巖的導(dǎo)水性及富水性、勘查地下水資源及界定地下水位、評(píng)價(jià)斷層空間位置及含水性和尋找地下含水構(gòu)造；劉繼東（１９９９）、 李貅（２０００）、袁江華（２００２）、閻述（１９９９）等使用瞬變電磁法探測(cè)煤柱及圈定老窯采空區(qū)、勘察煤田礦井涌水通道、探測(cè)小浪底水庫庫區(qū)煤礦采空區(qū)和探測(cè)地下洞體的存在；劉羽（１９９５）用瞬變電磁法評(píng)價(jià)塌陷成因及危害性、評(píng)價(jià)防滲帷幕穩(wěn)定性、探測(cè)高層建筑地基和評(píng)價(jià)大橋橋址穩(wěn)定性；郭玉松（１９９８）使用瞬變電磁法探測(cè)堤防工程隱患、勘查水庫壩址；薛國(guó)強(qiáng)（２００３）使用瞬變電磁法探測(cè)公路隧道工程中的不良地質(zhì)構(gòu)造；李文堯（２０００）用瞬變電磁法在抗洪搶險(xiǎn)中尋找漏水?dāng)嗔鸦蛉芏?；敬榮中（２００３）使用瞬變電磁法結(jié)合四極測(cè)深探測(cè)地下管網(wǎng)分布。

 

  六、地質(zhì)雷達(dá)（ＧＰＲ）

 

  地質(zhì)雷達(dá)與探空雷達(dá)技術(shù)相似，是利用寬帶高頻時(shí)域電磁脈沖波的反射探測(cè)目標(biāo)體，只是頻率相對(duì)較低，用于解決地質(zhì)問題，又稱“探地雷達(dá)”。將雷達(dá)技術(shù)用于探地，早在１９１０年就已經(jīng)提出，在隨后的６０年中該方法多限于對(duì)波吸收很弱的鹽、冰等介質(zhì)中。直到２０世紀(jì)７０年代以后，地質(zhì)雷達(dá)才得到迅速推廣應(yīng)用。我國(guó)地質(zhì)雷達(dá)儀器的研制始于２０世紀(jì)７０年代初期，由多家高校和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行儀器研制和野外試驗(yàn)工作。但是由于種種原因，研究成果至今未能用于實(shí)際。目前，國(guó)內(nèi)使用的地質(zhì)雷達(dá)儀器都是引進(jìn)的，能夠提供商用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的有美國(guó)、加拿大、瑞典、俄羅斯等國(guó)家。

 

  地質(zhì)雷達(dá)是由地面的發(fā)射天線將電磁波送入地下，經(jīng)地下目標(biāo)體反射被地面接收天線所接收，通過分析接收到電磁波的時(shí)頻、振幅特性，可以評(píng)價(jià)地質(zhì)體的展布形態(tài)和性質(zhì)。由于雷達(dá)穿透深度與發(fā)射的電磁波頻率有關(guān)，使其穿透深度有限，但分辨率很高，可達(dá)０．０５米以下。早期，地質(zhì)雷達(dá)只能探測(cè)幾米內(nèi)的目標(biāo)體，應(yīng)用范圍比較狹窄。此外，地質(zhì)雷達(dá)與地震反射法原理相似，一些地震資料處理解釋方法可以借用。目前，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)深度最大可達(dá)１００米，使之成為水文和工程地質(zhì)勘察中最有效的地球物理方法。 地質(zhì)雷達(dá)因具有分辨率高，成果解釋可靠的特點(diǎn)，在淺層地質(zhì)勘探中，有著非常廣泛的應(yīng)用。如探測(cè)覆蓋層厚度、基巖面起伏，查找潛伏斷層、破碎帶、古溶洞、管道溝、涵洞以及地下掩埋體，進(jìn)行環(huán)境地質(zhì)、 考古調(diào)查等。在水文和工程地質(zhì)中，地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用也是非常廣泛，主要有：楊天春（２００１）、錢榮毅（２００３）、 鄧居智（１９９９）使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行公路、高速公路、機(jī)場(chǎng)道路等質(zhì)量的無損檢測(cè)；趙永貴（２００３）、 薛建（２０００）、史付生（２００３）使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、 檢測(cè)隧道襯砌質(zhì)量；王俊茹（２００３）、李永革（２００１）、姬繼法（２００２）使用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)建筑物地下邊坡孤石、機(jī)場(chǎng)地下古墓等不良地質(zhì)體分布，消除其對(duì)鄰近或上部構(gòu)筑物構(gòu)成的潛在威脅；姜衛(wèi)方（２０００）、 李大心（２０００）、朱紅軍（２００２）使用地質(zhì)雷達(dá)調(diào)查滑坡體及滑坡面、評(píng)估崩塌、滑坡及地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害；高建東（１９９９）、 曾校豐（２０００）、王百榮（２００１）、張志清（２０００）使用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)水庫地下防滲墻、探測(cè)水庫壩體結(jié)構(gòu)層及結(jié)構(gòu)層材料老化變質(zhì)、檢測(cè)灌漿質(zhì)量及混凝土厚度、調(diào)查覆蓋層厚度及襯砌混凝土質(zhì)量；楊向東（２００１）使用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)地下管道；李張明（２０００）使用地質(zhì)雷達(dá)在三峽工程施工中探明花崗巖不均勻風(fēng)化分布范圍、圈定較大斷層及風(fēng)化夾層的延伸范圍和產(chǎn)狀、檢測(cè)高速公路質(zhì)量；王孝起（２００１）使用地質(zhì)雷達(dá)調(diào)查南水北調(diào)中線天津干渠基巖巖性及基巖面高程；張興磊（２００１）使用地質(zhì)雷達(dá)查明了煤柱破壞情況和采空區(qū)分布范 圍，指導(dǎo)注漿施工；張欣海（１９９９）使用地質(zhì)雷達(dá)查明了海上圍堤的斷面特征以及著底情況；陳愛云（２００３）使用地質(zhì)雷達(dá)在石質(zhì)文物保護(hù)工程中查明巖體中含水裂隙和溶洞的分布規(guī)律及對(duì)文物的影響。

 

  七、結(jié)論

 

  通過對(duì)幾種主要電法勘探方法的發(fā)展、原理及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行綜述，可以看出，電法勘探方法在水文和工程地質(zhì)勘探領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，歸結(jié)起來有以下幾方面：

 

  １．高密度電法由于其高效率、 深探測(cè)和精確的地電剖面成像，成為水文和工程地質(zhì)勘察中最有效的方法?？紤]到該方法的分辨率不高，在具體的應(yīng)用中可以結(jié)合其他電法勘探、電測(cè)井等方法，達(dá)到精細(xì)地質(zhì)解釋的目的。

 

  ２．地質(zhì)雷達(dá)主要用于各類工程地質(zhì)勘探，是工程地質(zhì)勘探 首選的電法勘探方法。同時(shí)，該方法可以借用地震勘探中已有的資料處理和解釋技術(shù)，使其迅速發(fā)展，可以在更多的領(lǐng)域發(fā)揮作用。

 

  ３．在水文地質(zhì)勘探中，激發(fā)極化法和可控源音頻大地電磁 法是首選的電法勘探方法，如果將激發(fā)極化法和高密度電法結(jié)合起來尋找地下水資源，效果將會(huì)更好。

 

  ４．瞬變電磁法在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)勘探中都有著廣泛的 應(yīng)用，尤其是大功率瞬變電磁儀不僅可以在深部地質(zhì)勘探中發(fā)揮作用，還具有較高的分辨能力。如果將該方法與高密度電法結(jié)合使用，有望解決深部精細(xì)地質(zhì)勘察問題。