土木工程地质：电法和地震勘探方法的应用

物探的全称叫地球物理勘探，它是利用专门仪器探测地壳表层及地壳不同深度各种地质体物理现象的一种勘探方法，包括电法勘探、磁法勘探、重力勘探、放射性勘探、电视勘探、红外探测、电磁勘探、核磁共振法勘探，通过测得的物理场特性和差异来判明地下各种地质现象，获得某些物理性质参数的一种勘探方法。这些物理场特性和差异分别由于各地质体间导电性、磁性、弹性、密度、放射性、波动性等物理性质及岩土体的含水性、空隙性、物质成分、胶结程度等物理状态的差异表现出来。采用不同探测方法可以测定不同的物理场，因而便有电法勘探、地震勘探、磁法勘探等物探方法。工程地质常用的物探方法是电法勘探和地震勘探。

（一）电法勘探在工程地质勘察中的应用

电法勘探是利用天然或人工电场（直流或交流电）来勘察地下地质现象的物探方法之一。在工程地质勘探中，常用的直流电探测方法为电阻率法。

直流电阻率法是电法勘探中最基本而常用的方法，是以地下地质体的电阻率差异为基础，通过观测与研究人工建立的地中直流电场分布规律，从而达到解决地质问题的目的。该方法包括电阻率剖面法和电阻率测深法两类。

由于地质体往往是不均质体，所测电阻率是不均质体的综合反映，是地质体电阻率的平均值，所以称其为视电阻率。其测量装置及工作原理如图9-1（a）所示，通过A、B两供电电极向地下供入强度为I的电流，同时在M、N两测量电极量出该两点间的电位差（ΔUMN），则所测的视电阻率ρs为

式中　K——装置系数，与A、B、M、N四个电极装置距离有关。

如图9-1（b）所示，ρs值一般介于ρ1与ρ2之间，它是反映两层电阻率变化的综合值。当AB间距一定时，大部分电流从上部介质中流过，所测视电阻率主要反映上部介质的电性；加大AB间距至某一值，大部分电流会从深部某层位流过，所测视电阻率主要反映深部某层介质的电性特征。当A、B、M、N四极间距固定不变，沿某一方向平行移动，可测得某一层位在剖面方向上电阻率变化，这种测量方法称为电测剖面法。测量点固定不变，按一定方式增大A、B、M、N之间距离，便可测得该点介质随深度的电阻率变化，称此测量方法为电测深法。采用其他装置形式，则可构成其他测量方法，工程地质工作中常用电测剖面法与电测深法。

图9-1　视电阻率法的人工电场示意图

（a）电流线分布（均质岩层）；（b）电极距加大测深加大A、B—供电电极；M、N—测量电极；O—测点

1.电阻率剖面法

电阻率剖面法是用供电电极（A、B）向地下供电，同时在测量电极（M、N）间观测电位差（ΔUMN），并算出视电阻率（ρs），各电极可沿选定的测线同时（或仅测量电极）逐点向前移动和观测。这样便可观测到一定深度范围内视电阻率沿剖面的变化情况，从而研究供电断面电性的横向变化特征。剖面法装置排列种类较多，包括二极装置、三极装置、联合剖面装置、对称四极装置、偶极装置和中间梯度装置。

通过沿剖面方向的逐点测量，可以得到沿剖面水平方向视电阻率变化曲线，据此曲线特征便可推断覆盖层以下基岩面形状、古河道、溶洞、地质结构等地质现象。采用四极对称装置了解基岩起伏情况[图9-2（a）]。利用复合四极对称装置探测溶洞发育情况[图9-2（b）]，都取得了令人满意的结果。该测量方法适用于地形坡度小于15°，地质体倾角较大，覆盖层厚度较小的条件。测量时应沿地质条件变化最大的方向布置测量剖面线。

图9-2　利用对称电测剖面法探测基岩面和溶洞

（a）基岩面；（b）溶洞

2.电阻率测深法(www.xing528.com)

电阻率测深法（简称电测深法）是在同一点上逐次增大电极距，使探测深度逐渐加大，这样便可得到观测点处沿垂直方向由浅到深的视电阻率变化情况，进而了解测点下部地质情况的垂向变化。电测深法的装置种类包括三极电测深、对称四极电测深和偶极电测深等，但对称四极电测深较为常用，当受地形条件限制时可采用三极电测深装置。如图9-3所示，采用对称四极装置围绕某测点进行各个方向测量的环形电测深方法，用以确定地质体的各向异性。

图9-3　根据电测深曲线判定地下水位

（a）均质砂砾石地下水位；（b）基岩风化壳中地下水位；（c）电测深曲线

电测深法要求地形平坦（坡度＜30°），各被测层倾角较小（＜20°）；各层分布稳定，且电性差异较大。

（二）地震勘探方法简介

地震勘探也是广泛用于工程地质勘探的方法之一。它是利用地震波的传播性质来探测地质现象的一种物探方法。基本原理是利用爆炸或敲击方法向岩体内激发地震波，地震波以弹性波方式在岩体内传播，岩体密度不同对地震波的传播速度不同，因此，根据不同介质弹性波传播速度的差异来判断地质现象。地震勘探可用于了解地下地质结构，如基岩面、覆盖层厚度、风化壳、断层带等。根据所要了解的地质现象的深度和范围不同，可以采用不同频率的地震勘探方法。

（三）新方法介绍

1.频率域电磁法（EH-4电导率成像系统）

频率域电磁法是以地壳中岩石和矿石的导电性与导磁性差异为主要物质基础，研究电磁波在地下不同介质传播过程中在地面表现的不同特征，从而达到了解地下介质的电性变化情况的目的。在地下水勘查中，EH-4电导率成像系统的应用具有典型性，图9-4是新疆民丰县安迪尔牧场地下水EH-4勘察Ⅲ剖面。

2.瞬变电磁法

瞬变电磁法是以地壳中岩石和矿石的导电性差异为主要物质基础。通过给接地导线或不接地回线通以脉冲电流做为场源，以激励探测目的物感生二次电流，在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应，从而达到了解地下介质的电性变化情况的目的。

3.放射性法（α杯法）

图9-4　新疆民丰县安迪尔牧场地下水EH-4勘察Ⅲ剖面

在自然界中一些元素的原子核，能自发地变成另一种原子核，并放出α、β、γ射线，这种现象叫放射性衰变。地下各种岩（矿）石中的放射性元素含量是不同的，因而放出的各种能量的α、β、γ射线也是不相同的，通过测量这些射线强度来确定放射性物质在其中的含量，进而达到了解地质情况的目的。自发产生核衰变的天然放射性元素有：铀系、钍系和锕铀系三个系列，三个天然放射性系列的共同特点是都有一个放射性气体氡的同位素。氡（n）是α衰变的辐射体，经过α衰变后转变为o，再衰变后连续生成几个短寿命的放射性子体核素，包括氡在内都是系列中较强的α辐射体，通过测量这些核素的α射线（粒子）强度，可以确定岩石或土壤中氡气浓度分布。目前我们较常用的是α杯测量法。

4.激发极化法

激发极化法（简称激电法）是以不同岩矿石电效应差异为物质基础，通过研究大地激电效应，以探测地下地质情况的一种电法，包括直流激电法和交流激电法两种，采用的测量装置及野外工作方法技术，基本上与电阻率法相同，因此，也可进行激电剖面法和激电测深法两种工作方式。