地电场指大地中天然存在或由人工建立的电场及电磁场。在天然地电场中, 各种全球性或区域性变化的电场、电磁场称为大地电场或大地电磁场, 而局部性的稳定电场称为自然电场。在人工地电场中, 通过接地建立的稳定、不稳定电流场称为直流电场, 通过接地或不接地建立的变化电场、电磁场, 称为交流电场或交变电磁场^[2]。

据资料记载, 大陆大地电场的平均强度约为20 mV/km, 且随时间和方向发生变化; 自然电场较稳定, 异常幅度一般几十到几百毫伏, 某些矿种的自电负异常可达到-800~-900 mV甚至更高^[3]。鉴于高密度电法建立的地电场电位差至少达到几十毫伏每米, 因此笔者只探讨自然电场对其影响, 而忽略大地电场。

自然电场是由岩矿石的自然极化形成的, 常见的有扩散-吸附电场、电化学电场和过滤电场等。由于扩散-吸附电场通常较弱, 而电化学电场多与电子导电矿体的自然极化相关, 在岩土界面和溶洞附近几乎可以忽略, 因而过滤电场就成为影响的重点。

根据前人研究成果, 过滤电场电位差与渗透力大小、岩石孔隙水电阻率以及岩石性质有关, 其近似式为

ΔU}mv=0.77{ρ水}Ω·m·ΔP}101325Pa,(1)

式中:ρ _水为孔隙水电阻率, Δ P为水头压力差。

岩土界面的接触形式有很多种, 土及岩石的分类亦有多种。当土层中黏土比例较大、含水率较高时, 其与基岩界面紧密接触, 电性差异小, 因此其过滤电场微弱或根本没有。而当上覆土层为崩坡积块碎石土、基岩起伏面倾斜时, 在岩土界面上就可能存在局部的空腔, 且地下水流基本沿着基岩面流动, 此时就会产生较强的过滤电场。如图1所示。

图1

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	图1 倾斜岩土界面自然电场分布

溶洞^[4]是因雨水或地下水长期溶解侵蚀可溶岩层所形成的空洞, 常见的有三种状态, 分别为不充水、部分充水和全充水。考虑到全充水溶洞近似于低阻球体, 因此只针对前两种进行讨论。

不充水的情况下, 带正电离子聚集在溶洞以下的裂隙附近, 部分充水情况下, 带正电离子聚集在溶洞底部附近。这两种情况下自然电场电力线的分布实属大同小异(图2), 当渗透水流流经溶洞区域时, 破坏了固液界面处的离子双电层^[5]的稳定状态, 从而产生沿水流方向的自然电场, 其场强也符合式(1)。

图2

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	图2 溶洞自然电场分布

为便于区分, 把过滤电场产生的电位差用Δ U_自表示, 人工场产生的电位差用Δ U_人表示。无外加电场时的自电电场分布如图1、图2所示, 当在地面施加一个人工直流电场时, 由于人工场对自然场的吸引-排斥作用, 会造成自然场的偏转或压缩现象(图3)。其叠加电位差的计算公式为

ΔU=±ΔU自+ΔU人。(2)

图3

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	图3 自然场与人工场相互关系示意

在倾斜界面条件下, 由于供电方向不同, 自然电场的影响会产生不同的效果:当坡脚供正电时, 人工场与自然场方向一致, Δ U_自取正; 当坡顶供正电水平地面条件, 无论在哪个方向供正电, 自然电场均产生负异常, Δ U_自取负。

对于图3a中的情况, 自然电场方向与人工场方向一致, Δ U_自取正; 图3b、c中的情况是自然电场方向与人工场方向相反, Δ U_自均取负。根据式(2), 当|Δ U_自|> |Δ U_人|时, Δ U则会出现负值, 即仪器可测得负电位差。这通常在供电电压较低、水头压力差较大的工区容易实现。

在渝湘高速武隆至水江段A2合同段白马山隧道进口滑坡体探测的过程中, 由于地质预测崩坡积体厚度为40 m, 施工方只准备了 50 m 套管, 而开展物探工作时已钻至48 m多还未见基岩, 因此地质人员要求现场预估基岩界面深度。

该场地为一单向斜坡, 坡度38° ~40° , 坡体堆积物为崩坡积块碎石夹粉质黏土, 块、碎石含量大于60%。坡顶为高200 m的陡崖, 再往上为白马山(最高海拔1 600 m), 坡脚为河沟, 可见明显水流从坡体流出。实测电阻率见图4。

图4

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	图4 白马隧道实测电阻率剖面

由于仪器型号较老, 未能记录电位差数据, 因此只能描述一下判断经过。在测试过程中观察到, 当隔离系数n=16时, 在过孔位附近的测点反复出现负电位差现象, 据此判断基岩面应在80 m左右; 后经钻探证实, 基岩面深度为80.8 m。若单纯从图4判断, 基岩面深度应在62 m左右, 而非80 m。

重庆市酉阳县丁市镇岩溶地下水勘查示范项目是重庆市政府22件民生实事之一, 图5为通过ZK7的高密度电阻率法实测剖面。该剖面位于岩溶槽谷之中, 中间为农田, 两侧山体高差达400 m, 且多为基岩出露。图5a显示的低电阻率异常范围为:距起点295~376 m之间、高程487 m以下, 异常形态为” 低阻圈闭高阻“ ; 图5b的负电位差异常范围为:距起点315~375 m之间、高程475 m以下, 异常形态为“ 低阻圈闭高阻” ; 根据杨发杰先生的研究成果^[5], 该处应为一岩溶空洞。实际钻探结果证实, 高程453~430 m段均为溶洞, 无地下水, 初见溶洞深度与负电位差异常一致。

图5

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	图5 丁市镇过ZK7的实测电阻率(a)、电位差(b)剖面

据物探推测该孔深度为230 m, 实际钻探深度173.52 m, 未能钻穿负电位差异常带, 因此溶洞底部或底部以下是否含水尚不清楚。但ZK7与该项目中ZK4的电阻率和电位差剖面均十分相似, 而ZK4的钻探深度为131.07 m, 大于负电位差的深度 (126 m), 并获得了117 m³/d的稳定水量。

如果单纯从电阻率参数判断, 其溶洞的规模要比实际的大; 当将负电位差异常范围投影到电阻率剖面图上时发现, 其与最低电阻率圈闭的形态比较吻合。

图6为重庆市秀山县石堤龙池岩溶缺水区地下水供水示范项目中过ZK4的高密度电阻率法实测剖面。该剖面亦位于岩溶槽谷之中, 中间为农田, 两侧山体高差大于100 m, 且多为基岩出露。由图6可见, 电阻率与电位差的异常范围及形态基本重合, 但对比之下, 可看出两条剖面的异常特征还是存在较明显的差别: 图6a中的低阻异常并未完全封闭, 而图6b中的负电位差虽形成封闭, 但异常内部还存在正电位差分布。

图6

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	图6 龙池ZK4电阻率(a)、电位差(b)对比

钻探情况:ZK4在钻至116 m时, 岩体明显破碎且有水蚀痕迹, 终孔深度145.54 m。经分段抽水试验确定, 含水层深度为128~135 m段, 稳定水量70 m³/d, 基本达到技术要求。