天然电场选频法的浅层地下水勘探效果与异常分析

doi:10.11720/wtyht.2018.1383

天然电场选频法的浅层地下水勘探效果与异常分析

杨天春¹, 梁竞², 程辉³, 曹书锦¹, 董绍宇¹, 宫玉菲¹

1. 湖南科技大学资源环境与安全工程学院, 湖南湘潭 411201

2. 广西贵港工程地质勘察院广西二七三地质队,广西贵港 537101

3. 湖南科技大学先进矿山装备教育部工程研究中心,湖南湘潭 411201

The effect and the anomaly analysis of shallow groundwater exploration based on the frequency selection method of natural electric field

YANG Tian-Chun¹, LIANG Jing², CHENG Hui³, CAO Shu-Jin¹, DONG Shao-Yu¹, GONG Yu-Fei¹

1. School of Resource, Environment and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China

2. No. 273 Geological Party, Guangxi Guigang Engineering Geological Investigation Institute, Guigang 537101, China

3. Engineering Research Center for Advanced Mining Equipment, Ministry of Education, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China

收稿日期: 2017-09-1 修回日期: 2018-03-1 网络出版日期: 2018-12-05

基金资助:

湖南省教育厅资助科研项目. 16K031
湖南省自然科学省市联合基金资助项目. 2016JJ5023

Received: 2017-09-1 Revised: 2018-03-1 Online: 2018-12-05

作者简介 About authors

杨天春(1968-),男,湖南津市人,教授,博士,主要从事地球物理方面的教学和研究工作。Email:ytc6803@163.com 。

摘要

通过实践应用、理论推导和模拟计算,说明天然电场选频法在浅层地下水勘探中的有效性,并分析其异常形成过程中起主要作用的天然一次场场源分量。将选频法应用于广西农村找水打井项目中,依据其勘探成果共钻井131口,出水量大于1 m ³/h的井共114口,约占钻井总量的87%。实践表明选频法在浅层地下水勘探中是实用可行的。在实践应用和以往研究成果的基础上,设计均匀半空间内球形充水岩溶的简单模型,以便解析求解并计算分析地表主剖面上二次电场的大小;计算结果表明,水平交变磁场产生的二次电场是一个相对高电位异常,而水平交变电场才产生相对低电位异常,由此推断天然电场选频法在地下水勘探中异常的形成主要是由于地下天然交变电场分量作用的结果。

关键词： 天然电场选频法 ; 地电场 ; 地下水 ; 电磁场 ; 游散电流

Abstract

Through practical application, theoretical deduction and simulation calculation, the validity of the frequency selection method of natural electric field in shallow groundwater exploration was illustrated, and the natural field source component which plays a major role in the formation of anomaly was analyzed. The method had been applied to 12th Five-Year Plan of the rural drinking water safety project by No. 273 Geological Party of Guangxi in 2013~2015. According to its exploration results, a total of 131 wells were drilled. 114 wells' water output was more than 1m ³/h, accounting for about 87.0% of the total amount of drill holes. The practical application shows that the frequency selection method is practical and feasible in shallow groundwater exploration. On the basis of practical application and previous research results, a spherical water filled karst model in uniform half space was designed, and the magnitude of the secondary electric field on the main section of the surface was calculated by using analytic method. The calculated results show that the horizontal alternating magnetic field produces a relatively high potential anomaly, whereas the horizontal alternating electric field produces a relatively low potential anomaly. It can be concluded that the formation of anomaly of frequency selection method in groundwater exploration is mainly due to the effect of alternating electric field components.

Keywords： frequency selection method of natural electric field ; geoelectric field ; groundwater ; electromagnetic field ; stray current

PDF (629KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

杨天春, 梁竞, 程辉, 曹书锦, 董绍宇, 宫玉菲. 天然电场选频法的浅层地下水勘探效果与异常分析. 物探与化探[J], 2018, 42(6): 1194-1200 doi:10.11720/wtyht.2018.1383

YANG Tian-Chun, LIANG Jing, CHENG Hui, CAO Shu-Jin, DONG Shao-Yu, GONG Yu-Fei. The effect and the anomaly analysis of shallow groundwater exploration based on the frequency selection method of natural electric field. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2018, 42(6): 1194-1200 doi:10.11720/wtyht.2018.1383

0 引言

天然电场选频法简称选频法,一般认为它与大地电磁测深法相同,是以大地电磁场作为工作场源,以地下岩(矿)石之间导电性差异为基础,通过在地面上测量天然交变电磁场产生的几个不同频率的电场水平分量的变化规律,来研究地下地电断面的电性变化。该方法的实践应用是由音频大地电磁法(AMT)演化而来,所采用的工作频率大多为15 Hz~1.5 kHz,它是由我国学者提出来的,到目前为止未见到国外相关研究文献。国外曾采用的大地电流-大地电流剖面法(telluric-telluric profiling)与选频法有些相似之处^[1,2],它是从磁大地电流法中派生出来,且在应用中一般还选择一个固定的参考点,工作的频率也不一样,如TELMAG的工作频率为3、5、8、13、21、34、80、170、380、680、1 300、2 500 Hz。此外,大地电流-大地电流剖面法常与磁大地电流法结合起来使用,计算出磁大地电流的假视电阻率,由此可以得到更好的地质效果^[3]。20世纪40年代国外曾有人提出过利用工业游散电流找矿的设想,但未实现^[4]。

20世纪80年代,国内学者先后提出了游散电流法(或称为音频大地电位法)、声频大地电场法(简称声电法)、天然低频电场法(简称天电场法)、天然电场选频法;90年代,又有少数学者在文献中提到地电选频法、音频大地电场法、天然交变电场法等。1990年左右,鲍光淑等提出了干扰电场法,成功研制了16个测量通道的干扰电场仪,并与地矿部湘南地质队合作开展了利用干扰电场找矿的可行性和有效性研究,干扰电场仪先后在13个干扰场区、5个矿区21条试验剖面上,系统扫描观测33 000条曲线^[4]。近年来,又有学者提出地下磁流体探测法。根据上述学者所研制或使用仪器的原理、方法特点来看,这些方法本质上都是相同的,故在此统称为天然电场选频法。与其他物探方法相比,选频法在实践应用中具有快速简便、易于操作、成果直观等优点,因此,自20世纪80年代以来,选频法主要在地下水资源勘探、水灾害勘查方面取得了显著效果,并逐渐得到了广泛应用和发展^[5,6,7,8,9]。

天然电场选频法属天然被动源的方法,其场源很复杂。有人认为其一次场场源与大地电磁法完全相同,来源于地球外部;有人则认为来源于地球内部地幔软流层及之下地磁场向上辐射的电磁波;还有人认为是游散的工业电流所致。因此,也就形成了对该方法的多种称呼。对于选频法的实测资料反演,一般认为U形、V形、阶梯形电位剖面曲线分别对应宽破碎带、窄破碎带和岩层界限;对异常体深度反演都是根据经验定性推断,或者是选用其他物探方法辅助确定;近年来,逐渐开始在实践中应用选频测深法确定含水层的埋深^[9]。2013年,杨天春等曾从正演理论和试验入手,对选频法剖面异常的成因开展过初步研究,依据大地电磁理论,推导并计算了二维情况下,垂直断层、良导球体、水平圆柱体等简单地质地球物理模型的选频法异常,说明天然电场选频法异常的成因是由天然感应二次电场所致;2016年又对三维电磁场共同作用下,地下导电导磁球体的地表电场分量进行过正演探讨,说明了天然电场选频法所测得的地表水平电场分量主要是由天然的水平交变电场、水平交变磁场共同作用的结果^[5,7,10]。选频法的场源是比较复杂的,但不管它来自地球外部、地球内部,还是游散的电流场,在直角坐标系中,若认为场源距离研究区域非常远,则可将一次场场源分解为简单的水平电场、水平磁场的共同作用。该方法在地下水勘探中剖面异常的形成,水平电场分量、磁场分量各自的作用效果如何呢?这是本文探讨的主要内容。

1 实践应用

在广西“十二五”农村饮水安全工程找水打井项目中,广西贵港二七三地质队2013~2015年承担了武宣县、平乐县、恭城县、藤县、容县、覃塘区、港北区等地的地下水勘探及钻井工作,采用天然电场选频法开展前期地球物理勘探工作,根据选频法成果共钻井131口,钻井的最大深度为142.8 m。其中,无水孔(即出水量≤1 m³/h)17个、有水但水量小的孔(即1 m³/h<出水量<5 m³/h)29个、成井孔(即出水量≥5 m³/h)85个;若按成井孔计算则成井命中率约为64.9%;若将小水量的孔计算在内,则成井命中率约为87%。由此可见,天然电场选频法在浅层地下水勘探中是一种行之有效的方法。

图1、图2分别为广西平乐县沙子镇格水塘村、武宣县武宣镇清水村的天然电场选频法剖面探测成果及其这两地剖面异常点处的选频测深曲线,图中各曲线旁边的数据代表不同的探测频率。实际工作中,剖面工作的电极距MN为10 m,点距也为10 m;选频法测深工作时,电极M、N对称于测深点,极距逐渐增大,步长为10 m。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 格水塘村天然电场选频法剖面探测成果(a)及测深成果(b)

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 清水村天然电场选频法剖面探测成果(a)及测深成果(b)

格水塘村位于恭城河岩溶平原地的西侧一带,基岩的主要岩性为灰岩。测区上部(Qh)土层一般为亚砂土、亚黏土,下部为砂砾石层,含孔隙水,层厚一般在3.5~7 m之间;第四系(Q)土层主要为坡残积层黏土、亚黏土亚黏土夹砾石不含水,层厚一般在5~13 m之间。泥盆系上统(D₃)主要分布于该村北西侧和北东侧一带,主要为厚层灰岩、灰黑色薄层状硅质岩,地层厚度一般为119~410 m。

由图1a可知,格水塘村测线上明显的相对低电位异常位于11、20号点附近,由于相邻的平行测线上的11号点附近没有异常,最终确定该测线20号点为成井位置。图1b为20号点处的选频法测深成果曲线,图中25 Hz、67 Hz两个频率档在MN=50 m、60 m附近同时出现较明显的V形低谷,由此预测地下水的埋深约为50 m。钻探揭露:钻井深102.2 m,0~10 m为残积黏土,黄褐色,夹少量细砂、卵石,钻进返水为黄色;10~102.2 m为灰岩,灰色,细晶结构,中—厚层状,节理裂隙、溶蚀发育,岩心多呈短柱状、长柱状;钻进返水较黄;15.2~16.4 m段为充填溶洞;54~62 m段很破碎,裂隙发育,钻进时孔内有明显漏水现象,含水性好,为本孔的主要含水段;该井出水量>5 m³/h,采用5 t泵抽水时,井内水位最大降幅只有5 cm。可见,钻孔实测的含水层埋深的中间值约为58 m,MN异常极距(50 m)与钻井出水埋深(58 m)之比约为0.86。

清水村位于黔江东岸岩溶准平原中南部一带,下伏基岩主要为灰岩,工作区未见基岩出露地表,测区一带下伏基岩岩溶较发育。该区第四系(Q)上部为褐黄色黏土层,下部为含碎石亚黏土,整个覆盖层厚度为10~30 m。石炭系中统大埔组(C₂d)主要分布于第四系覆盖层下部,岩性主要为中—厚层状白云岩夹灰岩、白云质灰岩, 地层厚度为345~660 m。

图2a中确定的清水村相对低电位异常点定为测线20号点,因为该处的相对异常幅度大一些,同时也是结合了现场地形地质情况来确定的。图2b为该点处的选频法测深成果曲线,图中3个频率测深曲线在MN=40 m~50 m段近似水平,MN=50 m时的探测结果未遵循递增的规律,出现拐折的相对低异常,为相对的V形低谷,推测地下水的埋藏深度约为45 m。该异常点位的钻探情况:钻井深度84.4 m,0~13.5 m为残积黏土,黄色,钻进返水为黄色;13.5~84.4 m为灰岩,深灰色,岩芯较完整—较破碎,局部节理裂隙发育。其中,54.5~55 m为充水溶洞;55~64.7 m段岩芯破碎,节理裂隙发育,多见溶蚀孔,钻进时有漏水现象;这两段透水性和富水性好,为本孔主要含水层,该井出水量>5 m³/h。所以,钻探揭露的浅部充水溶洞的埋深约为55 m,MN异常极距(45 m)与钻井揭露的埋深(55 m)之比约为0.82。

由以上的实践应用效果来看,天然电场选频法的剖面异常一般具有低电位的对称曲线特征,一般呈现“V”或“U”形,异常具有对称性,这一点从以往的应用实例中也可看到;就浅层地下水的勘探而言,根据实践总结,测深曲线异常处极距的大小MN与含水层实际埋深存在1:1的大致关系^[9];就图1、图2选定的工作频率来说,67 Hz的信号总是强一些,这可能与工业游散电流的存在有关。由此还可知,选频法的测深效果似乎与AMT法的理论不一致,频率测深法中勘探深度与频率是直接相关的,而此处的应用效果是与极距相关;因此,分析其场源问题是有必要的。

2 场源分析及均匀半空间交变电磁场中的球体

天然电场选频法是一种被动源的电法勘探方法,其异常电场产生的原因很复杂,场源问题一直还有争论。笔者认为该方法的场源包括两部分:一是地球外部因素引起的交变电磁场,它与常用的大地电磁场测深法的场源是相同的;二是地表人文因素引起的交变电磁场,包括工业用电等引起的游散电流场和人文电磁干扰信号等^[11,12]。从前面实测的成果曲线图1、图2中也可看到,67 Hz的信号在这三个频率中总是最强的,这可能是由于67 Hz的信号最接近我国的工业用电频率50 Hz,地下游散电流的频率就是50 Hz所致。从以往大多成功的实例来看,选频法在地下水勘探中的深度一般较小,一般<150 m;就可控源音频大地电磁法而言,发收距大于3倍趋肤深度时可近似认为进入远区^[13];可见,天然电场选频法在常见的勘探深度范围内一般都避开了人文干扰,即地表人文干扰引起的交变电磁场一般可认为是远场源。所以,天然电场选频法中的场源并非完全天然的,“天然场”在此是一个广义的概念,就像甚低频法一样,只是有些电磁场信号并非为了勘探的目的而人为供入地下的。

尽管地下大地电磁场信号的成份是非常复杂的,但综合上述分析,并根据CSAMT远场区的特点,在图3所示的直角坐标系中,一定深度处的“天然”交流一次场场源信号有:水平方向的交变电场分量,游散电流场等的合矢量E_x、E_y,水平的交变磁场H_x、H_y和(游散电流场中的)垂直的交变电场E_z。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 地下天然交变电磁场分量示意图

在远离人文干扰场的地方可认为没有H_z分量的存在,这一点杨天春等也从理论上给予了论证^[7]。对于一个如图4所示良导的低阻球体而言,若存在垂直交变一次磁场H_z的作用,在考虑三维交变磁场作用时,对地下导电导磁球体正演计算得到的地表水平方向异常电场分量|E_x|曲线存在不对称现象,这与野外实测结果发生矛盾;另外,由于天然电场选频法只观测地表电场的水平分量,因此E_z即使存在,它对选频法异常的形成也没有作用,可不考虑该分量的作用。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4 半空间天然交变电磁场中的球体

由上分析可知,对如图4所示的均匀半空间介质中的导电导磁球体而言,选用天然电场选频法进行勘探时,在认为远场区作用于该球体的“天然”一次电磁场分量只有E_x、E_y、H_x和H_y。杨天春等曾用自制磁探头连接自制的MFE-1天然电场选频仪对天然磁场的地表水平分量进行过测试,结果表明天然磁场水平分量的相对大小差别不大^[12]。为使问题简化,假设图4中的一次场E_x与E_y、H_x与H_y分别相等,且E_x=E_y=E₀·eⁱ^ω^·^t、H_x=H_y=H_p₀·eⁱ^ω^·^t,球体半径为a,其介电常数、电导率和磁导率分别为ε₁、σ₁、μ₁,围岩相应的参数分别为ε₂、σ₂、μ₂。如图4所示的球坐标系中,观测点的坐标为P(r,θ,φ)。

在电导率σ≠0的介质中,自由体电荷密度q不能堆积在某一处,则大地电磁场的传播服从麦克斯韦方程组。采用分离变量法,可得一次磁场分量H_x作用下产生的球外二次电场^[7,14-15]:

(1)

E_{2 y} = - [C_{1} J_{3 / 2} (k_{2} r) + D_{1} J_{- 3 / 2} (k_{2} r)] \cdot \frac{1}{\sqrt[]{k_{2} r}} \frac{z}{\sqrt[]{x^{2} + y^{2} + z^{2}}},

(2)

E_{2 z} = [C_{1} J_{3 / 2} (k_{2} r) + D_{1} J_{- 3 / 2} (k_{2} r)] \cdot \frac{1}{\sqrt[]{k_{2} r}} \frac{y}{\sqrt[]{x^{2} + y^{2} + z^{2}}},

同理,一次磁场分量H_y作用产生的球外二次电场为

(3)

E_{2 z} = - [C_{1} J_{3 / 2} (k_{2} r) + D_{1} J_{- 3 / 2} (k_{2} r)] \cdot \frac{1}{\sqrt[]{k_{2} r}} \frac{x}{\sqrt[]{x^{2} + y^{2} + z^{2}}},

(4)

E_{2 x} = [C_{1} J_{3 / 2} (k_{2} r) + D_{1} J_{- 3 / 2} (k_{2} r)] \cdot \frac{1}{\sqrt[]{k_{2} r}} \frac{z}{\sqrt[]{x^{2} + y^{2} + z^{2}}} 。

式(1)~(4)中,J₃_/₂(kr)及J_-3_/₂(kr)为复宗量贝塞尔函数,k₂为围岩的波数, $k_{2}^{2}$ =ω²ε₂μ₂-iωμ₂σ₂。系数C₁、D₁分别为

$\begin{array}{l} C_{1} = - \frac{i ω 3 \sqrt[]{π} μ_{1} μ_{2} H_{p} k_{1}^{2} a^{3}}{2 \sqrt[]{2} {(μ_{2} - μ_{1}) p_{1} \cos p_{1} - [μ_{2} (1 - p_{1}^{2}) - μ_{1}] \sin p_{1}}}, \\ D_{1} = - \frac{a^{3}}{2 \sqrt[]{2}} \frac{(2 μ_{1} + μ_{2}) p_{1} \cos p_{1} - [μ_{2} (1 - p_{1}^{2}) + 2 μ_{1}] \sin p_{1}}{(μ_{2} - μ_{1}) p_{1} \cos p_{1} - [μ_{2} (1 - p_{1}^{2}) - μ_{1}] \sin p_{1}} i ω \sqrt[]{π} μ_{2} k_{2}^{2} H_{p} 。 \end{array}$

上两式中:p₁=k₁a,k₁为球体介质的波数,当忽略位移电流时, $k_{1}^{2}$ =-iωμ₁σ₁。

对于图4中水平方向两个交流电场E₀·eⁱ^ωt的作用,可参考均匀静电场中的导电球的解近似获得^[14,16]。若只考虑异常场,则球外地表异常场的电位分布为

(5)

U_{p} = 2 \frac{σ_{1} - σ_{2}}{σ_{1} + 2 σ_{2}} {(\frac{a}{r})}^{3} \frac{j_{0}}{σ_{2}} r \sin θ e^{i ωt} 。

电法勘探一般测量的是电位的梯度,即异常场的电场强度。则由式(5)可得直角坐标系中,沿y轴方向(x=0)地表主剖面上的感应二次电场E₂_y、E₂_x分别为

(6)

E_{2 y} = 2 \frac{σ_{1} - σ_{2}}{σ_{1} + 2 σ_{2}} a^{3} \frac{j_{0}}{σ_{2}} \frac{2 y^{2} - h_{0}^{2}}{(y^{2} + h_{0}^{2})^{5 / 2}} e^{i ωt},

(7)

E_{2 x} = 2 \frac{σ_{1} - σ_{2}}{σ_{1} + 2 σ_{2}} a^{3} \frac{j_{0}}{σ_{2}} \frac{1}{(y^{2} + h_{0}^{2})^{3 / 2}} e^{i ωt},

式中:h₀为球体球心的埋深,j₀=E₀/ρ₂。

3 模拟计算分析

假定图4模型中的球体为充水溶洞,电阻率ρ₁=60 Ω·m,球心的埋深h₀=30 m,其半径a=1.5 m;围岩为ρ₂=3 000 Ω·m的灰岩,围岩及充水岩溶均无磁性;同时,假定x、y两个方向均存在B₀=1×eⁱ^ωt T的交变磁场,假定地下半空间中沿x方向、y方向还存在大小相等的交变电场,令E₀=50×10^-3×eⁱ^ωt V/m。当交变磁场的频率f为67 Hz时,利用式(1)、式(6)可计算出地表主剖面沿y方向的二次异常电场|E₂_y|,图5a即为计算结果;同理,地表主剖面沿y方向的二次异常电场|E₂_x|的变化也可由式(4)、式(7)获得。由于电法勘探中,主要对异常场感兴趣,下面的计算中仅关心二次异常电场的大小。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5 地表主剖面沿y轴方向异常电场强度E_y曲线

图5a中的计算结果相当于采用平行移动法获得,即测量电极M、N沿测线以固定的间距移动,MN的中点为记录点;前面图1中的实测结果就是采用平行移动法获得,这是野外最常用的观测方法。图5a中的3条曲线都关于球体的中心投影位置对称,交变磁场产生的二次电场在球体上方为一较明显的高电位异常,而交变电场产生的二次异常电场为十分明显的相对低电位异常;由此形成的合矢量为非常明显的相对低电位异常。该异常曲线的形态与前面图1中的实测曲线以及以往已知充水岩溶体上的探测结果相似^[6],由此也推断天然电场选频在浅层地下水勘探中的异常形成原因是“天然的”水平交变电场和交变磁场共同作用的结果。

假设前面模型中的参数E₀=1×10^-3×eⁱ^ωt V/m,其余参数均不变,同理可计算出交变磁场、交变电场以及它们共同作用产生的二次感应电场或二次相对异常电场的大小(图5b)。由计算结果可知,交变磁场、交变电场产生的感应二次电场和二次异常电场曲线的特征与图5a相似,但它们叠加矢量的曲线特征则表现为相对高电位异常,并不能反映地下相对低阻异常体的特征。究其原因,主要是由于此时交变磁场产生的相对高电位感应二次电场的大小明显大于交变电场产生的相对低电位异常绝对值的大小,由此矢量叠加形成了相对高电位异常。

在选频法的实际应用中,都是根据相对的低电位异常判断地下水的水平投影位置,并且根据前面的应用实例可知,成功率还非常的高;由此可以断定,由于“天然的”水平交变磁场在地表主剖面上始终是形成高电位的相对异常,天然电场选频法在地下水勘探中的相对低电位异常主要是由“天然的”水平交变电场引起的。所以,有人将天然电场选频法称为游散电流法或干扰电场法也是有一定道理的^[4,16]。

4 结语

本文首先通过分析天然电场选频法在广西“十二五”农村饮水安全工程找水打井项目中的应用情况,对比131口钻井与选频法探测成果,说明该方法在浅层(约150 m之内)地下水勘探中的有效性,其成井命中率在该项目应用中达到了64.9%以上。并且该方法仪器设备轻便、工作效率高、异常直观,对山区、建筑设施较密集的城镇适应性较其他物探方法强,是一种值得进一步推广的浅层地下水地球物理勘探方法。

作者利用均匀半空间中低阻导电球体的简化地质地球物理模型,在水平交变电磁场的共同作用下,根据经典的电磁理论推导出了地表主剖面上感应二次电场和二次异常电场的计算式,并根据模拟计算可知:交变磁场在地表主剖面上产生的感应电场是一个相对高电位异常,而交变电场形成的异常电场始终是相对低电位异常;由此可以判断,天然电场选频法在地下水勘探中的低电位异常主要是由“天然的”水平交变电场分量所致。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

Pham V

, Boyer

, Xue C

, et al.

Application of telluric-telluric profiling combined with magnetotelluric and self-potential methods to geothermal exploration in the Fujian Province, China

[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 1995,65(3-4):227-236.

DOI:10.1016/0377-0273(94)00114-V URL [本文引用: 1]

In the Fujian Province, southeastern China, most of the hot springs emerge in fluviatile valleys and the geothermal resources are mainly medium and low temperature ones by mixing of hot water with cold superficial groundwater. The occurrence of the thermal waters is controlled by deep tectonic fractures in the bedrock where higher-temperature geothermal reservoirs of economic interest are present. The objective of this study is to detect the deeper active hydrothermal zone under a thick sedimentary cover by geoelectrical methods. In the Gui-An site, the combination of telluric-telluric profiling and magnetotelluric methods turns out very efficient to delineate more accurately the width of the deep conductive fracture zone. Moreover, the self-potential method allows us to localize the most active geothermal zone by electrofiltration processes above a convective cell of hot water which flows up from a deep source. The combined results constitute a possible guide for deep geothermal exploration currently encountered in several geothermal regions over the world

[2]

Mlynarski

, Zlotnicki

Fluid circulation in the active emerged Asal rift (east Africa, Djibouti) inferred from self-potential and Telluric-Telluric Prospecting

[J]. Tectonophysics, 2001,339(3):455-472.

DOI:10.1016/S0040-1951(01)00127-5 URL [本文引用: 1]

In 1996 Self-Potential (SP) and Telluric–Telluric (TT) surveys were performed in the Asal rift, in the Republic of Djibouti, in order to study water circulation through the rift, from Ghoubbet Strait to Asal lake located 11 km Northwest, and at the altitude of 155 m below sea level. SP surveys reveal two main positive anomalies, several kilometres wide, up to 150 mV in amplitude, parallel to the rift and separated by a relatively large (1 km) negative anomaly. The northern anomaly is well centred above the active rift. The central part of the anomaly is cut by a sharp and narrow negative anomaly (200 mV in amplitude, 150 m width) due to a major fault running from Ghoubbet Strait to Asal lake. The two positive anomalies are interpreted by ground seawater flowing toward Asal lake and warmed up during their advance by the strong geothermal flux existing beneath the rift. The negative anomalies are most probably due to large and rapid fluid transfer along faults and high permeable geologic beds bending toward Asal lake. The rapid flow would prevent any large heating of the ground water. The largest negative anomaly, which isolates the two positive ones, gives new valuable information on the tectonics. The extension of the northern positive anomaly to the Southwest is stopped by a fault located about 1 km to the North of a normal fault considered until now, as a major rift structure. The 16 Telluric–Telluric (TT) surveys point out three behaviours of the telluric field. Near Ghoubbet Strait and inland the telluric field is well polarised in a N90–100°E direction and the amplitude expresses a medium to a low resistivity beneath the recording sites. This pattern is the signature of the coast effect and the regional polarisation of the field. Along normal faults bordering the rift the SE–NW polarisation seems to be controlled by the rift tectonics. Inside the rift the telluric field becomes weaker, indicating a decay of the resistivity. In the central part of the rift the telluric field amplitude becomes 1/3 of the generally recorded amplitude and the polarisation cannot be estimated. It is corresponding to very low resistive areas in agreement with high positive SP values.

[3]

李立

磁大地电流法和大地电流—大地电流剖面法

[J]. 物探与化探, 1983,7(4):194-198.

URL Magsci [本文引用: 1]

磁大地电流法是电磁法中的一种,它以频谱极宽的天然电磁场为信号源,频率范围可从10-4赫兹直到104赫兹。这表明该方法的应用范围是很广的,自地壳的深部探测直到地表勘探以及石油、矿产的勘探。

[4]

鲍光淑, 李大庆, 张友山 , 等.

干扰电场仪的研究

[J]. 中国有色金属学报, 1994,4(4):9-13.

URL [本文引用: 3]

论述了干扰电场测量对仪器的要求、干扰电场仪的设计思想、主要技术指标、仪器的硬件、软件设计以及模拟通道中分布电容对观测值影响等问题，并介绍了仪器的应用情况。

[5]

杨天春, 张辉 .

利用天然电场选频法研究断层接触带

[J]. 湖南科技大学学报:自然科学版, 2013,28(4):32-37.

URL [本文引用: 2]

天然电场选频法在地下水勘探中应用效果较好，但目前对该方法理论研究甚少．主要从理论与实践两方面研究垂直断层上天然电场选频法的异常特征．根据经典的大地电磁测深法理论，从麦克斯韦方程组和边界条件出发，推导谐变大地电磁场中垂直断层上方，地面水平电场的解析计算式；然后对理论模型的各个参数进行假定，计算获得地表主剖面上水平电场强度分量曲线；最后将理论模型上的模拟计算结果与实测曲线进行对比分析．根据对比分析可知，二者曲线形态相似、特征相同，由此推断选频法的异常主要是由天然感应二次电场所致．

[6]

杨天春, 申建平, 黎光明 , 等.

天然电场选频法在充水岩溶勘查中的试验与分析

[J]. 煤田地质与勘探, 2014,42(2):71-75.

DOI:10.3969/j.issn.1001-1986.2014.02.015 URL [本文引用: 2]

探讨了天然电场选频法在岩溶水灾害勘查中的地质效果和异常成因。在四川古叙煤田观文煤矿选定4处试验点，共敷设选频法测线11条，通过对各测线上采集结果的处理和分析，结合现场地形地质条件，推测各点地下充水溶洞的分布情况。根据选频法的解释结果与矿山前期地勘成果及后期运输巷道实际开挖情况的对比来看，该方法的解释结果是准确的，可在今后进一步将该方法应用于地下水灾害勘查，以便为矿山排水巷道、排水措施设计和地下水的安全防治提供科学依据。在实践应用的基础上，进一步从麦克斯韦方程组出发，对均匀谐变电磁场中低阻水平圆柱体的感应场进行理论推导和模拟计算，通过感应二次电场水平分量的模拟计算结果与实测曲线的对比，说明天然电场选频法的异常成因主要是由二次感应电场所致。

[7]

杨天春, 张启, 王齐仁 , 等.

天然电磁场激励下球体的天然电场选频法异常成因分析

[J]. 湖南科技大学学报:自然科学版, 2016,31(2):58-65.

DOI:10.13582/j.cnki.1672-9102.2016.02.010 URL [本文引用: 4]

在以往实践应用的基础上,主要从均匀半空间内球体模型的角度研究天然电场选频法异常的成因.首先从自然因素和人文因素2方面分析天然电场选频法的场源问题;从麦克斯韦方程组出发,利用边界条件求取谐变磁场作用下,均匀半空内导电导磁球体在地表主剖面上感应二次电场的解析计算式;根据拉普拉斯方程和边界条件,获得谐变电场作用下,均匀半空间导电球体在地表主剖面上的异常电场水平分量计算式;对理论模型的各个参数进行假定,计算三维谐变磁场、谐变电场作用下,地表主剖面上良导球体的水平电场异常曲线.通过对模拟计算结果分析可知,在水平谐变磁场和谐变电场共同作用下,获得的地表电场异常曲线与野外实测结果形态相似、特征相同.

[8]

程辉, 白宜诚 .

天然音频电场选频仪设计与应用

[J]. 地球物理学进展, 2014,29(6):2874-2879.

DOI:10.6038/pg20140658 URL Magsci [本文引用: 1]

根据天然音频大地电磁场理论设计选频接收多个频点大地电场音频电场信号,用来定性了解地下地质体电性结构的观测方案.设计中采用微弱信号检测技术,对微弱的音频大地电场信号进行放大、滤波,选频检波、积分后读取音频大地电场信号.仪器可观测8 Hz,16 Hz,32 Hz,64 Hz,128 Hz,256 Hz,512 Hz,1024 Hz等8个频率的电场信号,在硬件设计与软件开发中利用多种可靠的技术,使设置抗干扰能力和系统的稳定性得到了加强.通过野外工作实例的对比分析,天然场选频仪能够反映地下一定深度范围内的地质信息,可用于地质矿产、工程物探及水资源的快速普查.

[9]

梁竞, 韦启锋, 洪卷 , 等.

自然电场法在岩溶地区找水打井中的应用

[J]. 工程勘察, 2016,44(2):68-78.

URL [本文引用: 3]

本文探讨了自然电场法在岩溶地区找水勘查中的剖面测量和测深方面的应用。2013～2015年在广西若干县区实施了85眼井的找水打井工作，通过对各工点采集数据的处理和分析，结合现场地质及微地貌条件，推测各工点地下水渗流的空间分布。根据大量水井的自然电场法实测数据统计分析，表明电剖面法可应用于岩溶地区潜水、承压水的勘查；电测深可应用在判别无水孔、有水孔、浑水孔等方面；150m深度范围内，自然电场法测深M—N极距与其探测深度日存在对应关系，肘Ⅳ／H≈1。根据物探解释结果与钻探成井的对比来看，该方法的解释结果是准确的，可在今后进一步将该方法应用于地下水勘查，以便为水井钻探设计、城市建设工程地下水控制等提供科学依据。

[10]

杨天春, 张辉 .

岩溶体的天然电场选频法异常成因研究

[J]. 水文地质工程地质, 2013,40(5):22-28.

URL [本文引用: 1]

在实地探测的基础上,主要是从理论模型的角度研究天然电场选频法异常的形成原因.首先在已知的充水岩溶上开展实地探测工作,获取实测异常曲线；从麦克斯韦方程组和边界条件出发,求取均匀垂直谐变一次磁场中良导球体和圆柱体内、外磁场矢量位,推导出球外和圆柱体外感应二次电场的解析计算式；对理论模型的各个参数进行假定,计算获得地表主剖面上良导球体和圆柱体的感应二次电场异常曲线.通过实测曲线与理论模型上的模拟计算结果对比分析可知,二者曲线形态相似、特征相同,由此推知天然电场选频法在含水低阻体上方测得异常的起因之一可能是由天然感应二次电场所致.

[11]

林君琴, 雷长声, 董启山 .

天然低频电场法

[J]. 长春地质学院学报, 1983,13(2):114-126.

[本文引用: 1]

[12]

杨天春, 夏代林, 王齐仁 , 等. 天然电场选频法理论研究与应用[M]. 长沙: 中南大学出版社, 2017.

[本文引用: 2]

[13]

汤井田, 周聪, 肖晓 .

复杂介质条件下CSAMT最小发收距的选择

[J]. 中国有色金属学报, 2013,23(6):1681-1693.

URL [本文引用: 1]

提出利用CSAMT与MT的响应相对误差来区分CSAMT近区、过渡区与远区场数据的方法,考虑发收距r、测量角度φ、测深频率f、覆盖层厚度h1和各层电阻率等因素。通过3种数值模型,讨论复杂介质条件下最小发收距rmin的选择方案。结果表明：均匀半空间模型中,rmin的值可精确给定;两层介质时,rmin的选择需根据勘探深度分情况讨论;多层介质时,可等效成两层介质进行估计。

[14]

Ward S

. 地球物理用电磁理论[M]. 北京: 地质出版社, 1978.

[本文引用: 2]

[15]

何继善

. 海洋电磁法原理[M]. 北京: 高等教育出版社, 2012.

[本文引用: 1]

[16]

杨杰

游散电流法在岩溶地区的试验成果及理论研究

[J]. 物探与化探, 1982,6(1):41-54.

Magsci [本文引用: 2]

岩溶地下水的运移、储藏及排泄形式,与第四系砂砾石层及一般的基岩风化壳含水的特征完全不同,它的含水部位不是以似层状分布在较稳定的空间,而是被束缚在一定的管道内。找寻岩溶地下水,确定岩溶管道的具体位置是较为困难的。

Application of telluric-telluric profiling combined with magnetotelluric and self-potential methods to geothermal exploration in the Fujian Province, China

1995

... 天然电场选频法简称选频法,一般认为它与大地电磁测深法相同,是以大地电磁场作为工作场源,以地下岩(矿)石之间导电性差异为基础,通过在地面上测量天然交变电磁场产生的几个不同频率的电场水平分量的变化规律,来研究地下地电断面的电性变化.该方法的实践应用是由音频大地电磁法(AMT)演化而来,所采用的工作频率大多为15 Hz~1.5 kHz,它是由我国学者提出来的,到目前为止未见到国外相关研究文献.国外曾采用的大地电流-大地电流剖面法(telluric-telluric profiling)与选频法有些相似之处^[1,2],它是从磁大地电流法中派生出来,且在应用中一般还选择一个固定的参考点,工作的频率也不一样,如TELMAG的工作频率为3、5、8、13、21、34、80、170、380、680、1 300、2 500 Hz.此外,大地电流-大地电流剖面法常与磁大地电流法结合起来使用,计算出磁大地电流的假视电阻率,由此可以得到更好的地质效果^[3].20世纪40年代国外曾有人提出过利用工业游散电流找矿的设想,但未实现^[4]. ...

Fluid circulation in the active emerged Asal rift (east Africa, Djibouti) inferred from self-potential and Telluric-Telluric Prospecting

2001

磁大地电流法和大地电流—大地电流剖面法

1983

干扰电场仪的研究

1994

... 20世纪80年代,国内学者先后提出了游散电流法(或称为音频大地电位法)、声频大地电场法(简称声电法)、天然低频电场法(简称天电场法)、天然电场选频法;90年代,又有少数学者在文献中提到地电选频法、音频大地电场法、天然交变电场法等.1990年左右,鲍光淑等提出了干扰电场法,成功研制了16个测量通道的干扰电场仪,并与地矿部湘南地质队合作开展了利用干扰电场找矿的可行性和有效性研究,干扰电场仪先后在13个干扰场区、5个矿区21条试验剖面上,系统扫描观测33 000条曲线^[4].近年来,又有学者提出地下磁流体探测法.根据上述学者所研制或使用仪器的原理、方法特点来看,这些方法本质上都是相同的,故在此统称为天然电场选频法.与其他物探方法相比,选频法在实践应用中具有快速简便、易于操作、成果直观等优点,因此,自20世纪80年代以来,选频法主要在地下水资源勘探、水灾害勘查方面取得了显著效果,并逐渐得到了广泛应用和发展^[5,6,7,8,9]. ...

... 在选频法的实际应用中,都是根据相对的低电位异常判断地下水的水平投影位置,并且根据前面的应用实例可知,成功率还非常的高;由此可以断定,由于“天然的”水平交变磁场在地表主剖面上始终是形成高电位的相对异常,天然电场选频法在地下水勘探中的相对低电位异常主要是由“天然的”水平交变电场引起的.所以,有人将天然电场选频法称为游散电流法或干扰电场法也是有一定道理的^[4,16]. ...

利用天然电场选频法研究断层接触带

2013

... 天然电场选频法属天然被动源的方法,其场源很复杂.有人认为其一次场场源与大地电磁法完全相同,来源于地球外部;有人则认为来源于地球内部地幔软流层及之下地磁场向上辐射的电磁波;还有人认为是游散的工业电流所致.因此,也就形成了对该方法的多种称呼.对于选频法的实测资料反演,一般认为U形、V形、阶梯形电位剖面曲线分别对应宽破碎带、窄破碎带和岩层界限;对异常体深度反演都是根据经验定性推断,或者是选用其他物探方法辅助确定;近年来,逐渐开始在实践中应用选频测深法确定含水层的埋深^[9].2013年,杨天春等曾从正演理论和试验入手,对选频法剖面异常的成因开展过初步研究,依据大地电磁理论,推导并计算了二维情况下,垂直断层、良导球体、水平圆柱体等简单地质地球物理模型的选频法异常,说明天然电场选频法异常的成因是由天然感应二次电场所致;2016年又对三维电磁场共同作用下,地下导电导磁球体的地表电场分量进行过正演探讨,说明了天然电场选频法所测得的地表水平电场分量主要是由天然的水平交变电场、水平交变磁场共同作用的结果^[5,7,10].选频法的场源是比较复杂的,但不管它来自地球外部、地球内部,还是游散的电流场,在直角坐标系中,若认为场源距离研究区域非常远,则可将一次场场源分解为简单的水平电场、水平磁场的共同作用.该方法在地下水勘探中剖面异常的形成,水平电场分量、磁场分量各自的作用效果如何呢?这是本文探讨的主要内容. ...

天然电场选频法在充水岩溶勘查中的试验与分析

2014

... 图5a中的计算结果相当于采用平行移动法获得,即测量电极M、N沿测线以固定的间距移动,MN的中点为记录点;前面图1中的实测结果就是采用平行移动法获得,这是野外最常用的观测方法.图5a中的3条曲线都关于球体的中心投影位置对称,交变磁场产生的二次电场在球体上方为一较明显的高电位异常,而交变电场产生的二次异常电场为十分明显的相对低电位异常;由此形成的合矢量为非常明显的相对低电位异常.该异常曲线的形态与前面图1中的实测曲线以及以往已知充水岩溶体上的探测结果相似^[6],由此也推断天然电场选频在浅层地下水勘探中的异常形成原因是“天然的”水平交变电场和交变磁场共同作用的结果. ...

天然电磁场激励下球体的天然电场选频法异常成因分析

2016

... 在远离人文干扰场的地方可认为没有H_z分量的存在,这一点杨天春等也从理论上给予了论证^[7].对于一个如图4所示良导的低阻球体而言,若存在垂直交变一次磁场H_z的作用,在考虑三维交变磁场作用时,对地下导电导磁球体正演计算得到的地表水平方向异常电场分量|E_x|曲线存在不对称现象,这与野外实测结果发生矛盾;另外,由于天然电场选频法只观测地表电场的水平分量,因此E_z即使存在,它对选频法异常的形成也没有作用,可不考虑该分量的作用. ...

... 在电导率σ≠0的介质中,自由体电荷密度q不能堆积在某一处,则大地电磁场的传播服从麦克斯韦方程组.采用分离变量法,可得一次磁场分量H_x作用下产生的球外二次电场^[7,14-15]: ...

天然音频电场选频仪设计与应用

2014

自然电场法在岩溶地区找水打井中的应用

2016

... 由以上的实践应用效果来看,天然电场选频法的剖面异常一般具有低电位的对称曲线特征,一般呈现“V”或“U”形,异常具有对称性,这一点从以往的应用实例中也可看到;就浅层地下水的勘探而言,根据实践总结,测深曲线异常处极距的大小MN与含水层实际埋深存在1:1的大致关系^[9];就图1、图2选定的工作频率来说,67 Hz的信号总是强一些,这可能与工业游散电流的存在有关.由此还可知,选频法的测深效果似乎与AMT法的理论不一致,频率测深法中勘探深度与频率是直接相关的,而此处的应用效果是与极距相关;因此,分析其场源问题是有必要的. ...

岩溶体的天然电场选频法异常成因研究

2013

天然低频电场法

1983

... 天然电场选频法是一种被动源的电法勘探方法,其异常电场产生的原因很复杂,场源问题一直还有争论.笔者认为该方法的场源包括两部分:一是地球外部因素引起的交变电磁场,它与常用的大地电磁场测深法的场源是相同的;二是地表人文因素引起的交变电磁场,包括工业用电等引起的游散电流场和人文电磁干扰信号等^[11,12].从前面实测的成果曲线图1、图2中也可看到,67 Hz的信号在这三个频率中总是最强的,这可能是由于67 Hz的信号最接近我国的工业用电频率50 Hz,地下游散电流的频率就是50 Hz所致.从以往大多成功的实例来看,选频法在地下水勘探中的深度一般较小,一般<150 m;就可控源音频大地电磁法而言,发收距大于3倍趋肤深度时可近似认为进入远区^[13];可见,天然电场选频法在常见的勘探深度范围内一般都避开了人文干扰,即地表人文干扰引起的交变电磁场一般可认为是远场源.所以,天然电场选频法中的场源并非完全天然的,“天然场”在此是一个广义的概念,就像甚低频法一样,只是有些电磁场信号并非为了勘探的目的而人为供入地下的. ...

2017

... 由上分析可知,对如图4所示的均匀半空间介质中的导电导磁球体而言,选用天然电场选频法进行勘探时,在认为远场区作用于该球体的“天然”一次电磁场分量只有E_x、E_y、H_x和H_y.杨天春等曾用自制磁探头连接自制的MFE-1天然电场选频仪对天然磁场的地表水平分量进行过测试,结果表明天然磁场水平分量的相对大小差别不大^[12].为使问题简化,假设图4中的一次场E_x与E_y、H_x与H_y分别相等,且E_x=E_y=E₀·eⁱ^ω^·^t、H_x=H_y=H_p₀·eⁱ^ω^·^t,球体半径为a,其介电常数、电导率和磁导率分别为ε₁、σ₁、μ₁,围岩相应的参数分别为ε₂、σ₂、μ₂.如图4所示的球坐标系中,观测点的坐标为P(r,θ,φ). ...

复杂介质条件下CSAMT最小发收距的选择

2013

1978

... 对于图4中水平方向两个交流电场E₀·eⁱ^ωt的作用,可参考均匀静电场中的导电球的解近似获得^[14,16].若只考虑异常场,则球外地表异常场的电位分布为 ...

2012

游散电流法在岩溶地区的试验成果及理论研究

1982

〈

〉