摘要：天然電場選頻物探法是利用大地電磁場為工作場源，以地下巖礦石電阻率差異為基礎(chǔ)，在地面上測量大地電磁場產(chǎn)生的幾個（或幾十個）不同頻率的電場分量的變化規(guī)律來研究地下地電的電性變化，達到解決地質(zhì)問題的一種交流電勘探方法。能適應(yīng)較復(fù)雜的場地，與常規(guī)物探方法相比，具有快速、省力、獨特的地質(zhì)效果，在工程物探中有著較廣泛的應(yīng)用。本文作者將此法應(yīng)用于煤礦水文地質(zhì)工作中，借用該法所得結(jié)果分析研究區(qū)水文地質(zhì)特征，為礦區(qū)開采提供依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞：天然電場選頻物探法；水文地質(zhì)；煤礦
　　
　　天然電場選頻物探法是以大地電磁場為工作場源，利用巖（礦）石電學(xué)性質(zhì)的差異，測量地下巖性分界面對天然地磁場的反射信息來探查不同深度的地質(zhì)構(gòu)造，達到解決地質(zhì)問題的一種交變電流勘探方法[1]。常規(guī)電法勘探由于需要長距離拉線，設(shè)備笨重等，工作效率低，不能滿足現(xiàn)代快速普查的需求。并且，在山區(qū)等地形復(fù)雜地區(qū)，由于地形地質(zhì)變化大，或是在城市，由于鋼筋混凝土高樓林立，空中、地面及地下的工業(yè)電流和地下管道網(wǎng)干擾，使得常規(guī)電法勘探受到嚴(yán)重影響，資料不可靠，老方法也無用武之地。而天然電場選頻物探法能夠克服地形、工業(yè)電流的干擾進行物探找水工作，方便水文地質(zhì)工作者在地形復(fù)雜的山區(qū)和建筑群密布的城鎮(zhèn)開展水文地質(zhì)工作[2][3]。
　　1天然電場選頻物探法原理
　　天然電場選頻物探法利用大地電磁場作為工作場源，測量大地斷面的電分量的變化，是一種交變電流勘探方法[4][5]。由于大地電磁場的場源頻率范圍較寬，可通過選擇頻率提高抗干擾能力；探測不同的深度，增加解釋的可靠性。
　　這種電磁場在距場源較遠的地方可視為平面電磁波場，它垂直于地面，變化規(guī)律服從麥克斯韋方程組，儀器探測深度的理論公式為：
　　
　　式中ρ——巖層視電阻率(歐姆•米)，f——頻率（赫茲），h——探測深度（米)
　　天然電場選頻儀工作頻率選擇旋鈕共分為6檔（0～5檔），相應(yīng)的頻率分別為f0=14Hz，f1=75.5Hz，f2=155Hz，f3=220Hz，f4=326Hz，f5=700Hz，根據(jù)公式可知，高頻反映淺部物性，低頻率反映深部的物性，這樣通過選頻，每個測點可得六種不同深度的電性參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗，若選用0檔觀測，在第四系松散層最大探測深度可達300余米，在石灰?guī)r分布區(qū)可達600m左右。水文地質(zhì)工作者可以根據(jù)實際需要靈活選用。一般工作過程中，通常在每個觀測點上分別讀取所有6檔的值，對比一條剖面上不同深度的曲線變化，從而更準(zhǔn)確地判斷地質(zhì)構(gòu)造異常點，以及粗略推斷該異常區(qū)域范圍。用電分量中電位差與電阻的關(guān)系可以定性說明測得的異常是高阻還是低阻異常，這就是本方法異常曲線定性解釋的基本原理。
　　因地下水與介質(zhì)接觸，溶解了其中的Ca2+、Mg2+、K+、HCO3-、SO42-及Cl-等離子，使地下水成為導(dǎo)體，電阻率大幅降低。相反，干燥地層導(dǎo)電性差，電阻大。出于電阻與電位呈正相關(guān)，所以只要測得地下電位異常也就可推知電阻的異常情況。通過天然電場選頻儀對電場中各種不同頻率的電位差進行準(zhǔn)確測量，對比一條剖面上電場大小的關(guān)系便可以發(fā)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造異常，如斷層破碎帶水、裂隙水、巖溶水、第四系水源等。
　　本方法是通過儀器測得電阻值作為數(shù)據(jù)點，對某一區(qū)域作電剖圖（如圖1），進而了解該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造（如斷層、破碎帶、巖溶，厚沙層等）。分析這些構(gòu)造的曲線特征，從而確定斷層、破碎帶、采空區(qū)等具體位置。
　　但應(yīng)當(dāng)指出，物探方法往往具有多解性，低阻并不一定都是由含水層或含水構(gòu)造所引起，如人防工作、古墓、土洞、干溶洞以及水泥排水管道都會顯示高阻異常特征，究竟是什么引起的，必須加以分辯，排除其干擾和影響。因此,在進行成果資料解釋時，必須結(jié)合地質(zhì)和其它物性條件作出合理或較為合理的解釋。
　　
　　圖1某區(qū)域電剖圖
　　利用本法解譯電剖圖曲線的原理及方法有如下幾點，本文就是依據(jù)這些方法來判斷地質(zhì)構(gòu)造異常點等，并提出相應(yīng)的分析。
　�、賹δ骋活l率而言如測得的數(shù)據(jù)很大或很小，做出的△U圖為一平直線，說明剖面經(jīng)過處無構(gòu)造；只有測量的數(shù)值有大有小形成幾倍到幾十倍的差值而且有一定規(guī)律（即不是一個點而是幾個點為最小值）此曲線才有意義。其高低值的交匯處即為構(gòu)造帶的邊緣。
　�、跒榱舜_定構(gòu)造帶在地面的走向。可以平行原剖面一定距離在作剖面(二條到三條)每條剖面上電位最低點的連線，即為構(gòu)造走向。
　　③對某一構(gòu)造的產(chǎn)狀�？梢酝ㄟ^各頻率曲線的異常位(即構(gòu)造帶位)來確定。但產(chǎn)狀的角度不可知。
　�、芨黝l率所反映的深度不一樣。它是從某一深度到地面的綜合反應(yīng)。頻率越低．反映深度越大。頻率越高，反映深度越淺。例如：假設(shè)0檔反映300米到地面的情況而一檔反映200米到地面的情況。在200米到300米之間的情況0檔可以反映，而一檔就反映不了。其他情況也是如此。根據(jù)不同頻率的曲線特征來推斷地質(zhì)構(gòu)造的深度。
　　2天然選頻法應(yīng)用實例
　　河南永安煤礦位于河南省鞏義市。其區(qū)位優(yōu)越，交通便利。煤礦面積1.1803km2，本次勘查的主要目的是進行永安煤礦11010工作面超前地球物理勘查，探明其前方主要水文地質(zhì)特征。
　　該勘探區(qū)村莊密集地形復(fù)雜，高壓電線多。采用MN測量電極沿測線移動法（如圖2）進行數(shù)據(jù)觀測。野外工作時測量電極距采用10米，在某些可能異常點可采用回測或者增大測點密度的方法，以此來提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。該測量方法的操作要點是：操作員將儀器穩(wěn)掛胸前，手拿測量電極M，另一跑極員拿N極在前，再一人記錄作曲線或由跑極員兼任。測得MN之間各頻率對應(yīng)的△U值，然后蛙跳式移動MN極再測△U值。按極距作圖，以△U為縱坐標(biāo)，以測線為橫坐標(biāo)，依據(jù)探測目的層深度，作出六條電位差曲線。這也是目前應(yīng)用最為廣泛的一種測量方法。
　　
　　圖2MN測量電極沿測線移動法原理圖
　　筆者在該區(qū)進行了為期一周的水文地質(zhì)勘探工作，在11010工作面順槽、皮帶上山、軌道上山及切眼四個巷道掘進方向各布設(shè)測線，累計372個測點（包含異常加密點），通過測量、記錄并繪制出相應(yīng)的△U成果圖。鑒于篇幅有限，現(xiàn)選取以下兩個具有代表意義剖面的實測△U曲線圖進行分析，曲線圖見圖3、圖4。
　　
　　圖3順槽剖面部分點曲線圖圖4皮帶上山巷剖面部分點曲線圖
　　3資料解釋
　　順槽方向分別在32-36m，152-163m，190-210m附近出現(xiàn)低阻異常，圖3即為異常點32-36m處附近的曲線圖，其中用黑色垂線標(biāo)明的即為其異常點（點號為43）。從圖中可以看出，△U曲線總體大致呈上升趨勢，但中部巖層（圖中表現(xiàn)為f2、f3、f4三條曲線）在該點處發(fā)現(xiàn)異常，在與該測線相距10m的兩側(cè)各布設(shè)一條測線，結(jié)果在17-26m處、52-62m處也發(fā)現(xiàn)了低阻異常，初步認(rèn)定其為一個倒“S”形的富水帶，該區(qū)域內(nèi)的中部巖層含水量增加。結(jié)合其他幾種物探手段綜合分析，認(rèn)為應(yīng)該是視密度變小含水量增加的反映。
　　皮帶上山巷道掘進方向即在S14點向前15米處是掘進頭，S14向前500米范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)四段低阻異常，分別在25-35m，202-213m，293-313m，418-435m附近圖4即為異常點25-35m處附近的曲線圖，從右到左點號依次為1-10，其△U值整體呈下降趨勢。其中在2-4號點三點處，6條△U均出現(xiàn)顯著的低阻異常，用黑色垂線標(biāo)明的即為4號點。在與該測線相距10m的兩側(cè)各布設(shè)一條測線，均在該點附近發(fā)現(xiàn)了低阻異常。結(jié)合其他幾種物探手段綜合分析，認(rèn)為其為相對含水區(qū)域。
　　4結(jié)論
　　天然電場選頻物探法是地球物理勘探的一個分支。由于它不需要人工場源、成本低廉，具有較大的勘探深度；儀器輕便、操作簡單、高效快速、工作強度小，可快速確定目標(biāo)物的位置、估算其埋深；不受高阻層的屏蔽影響，對低阻層有較高的分辨能力；不受測量范圍的限制，可快速確定井位、估算目的層的埋深及尋找構(gòu)造破碎帶、城市防空洞、地下礦洞等優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用工程物探、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等方面。該法是一種較為實用的好方法，其特點也決定了其必將受到廣大生產(chǎn)單位和工程技術(shù)人員的喜愛。
　　但是，雖然選頻法分辨能力較高，并且不受地形、地物影響，但在無已知資料情況下，本法的測量有些不力，而且不具有認(rèn)識物質(zhì)屬性的地質(zhì)效能。因此，在應(yīng)用本法的過程中應(yīng)盡量利用各種已知資料和鉆探結(jié)果，進行校準(zhǔn)，在實踐工作中，應(yīng)通過仔細對比，以獲更佳效果與更準(zhǔn)確的結(jié)論。
　　參考文獻
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　　[3]楊昌武．天然電場選頻法在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)中的應(yīng)用[J]．西部探礦工程，2004，No.5：86-88．
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