自然电场法在水文地质调查中的应用
摘要：自然电场法是地球物理方法中最古老的方法之一，由于其操作简便、工作效益高等特点，近年来被广泛应用于水文地质调查。本文通过对自然电场法的方法原理介绍，结合工程实例，说明了该方法的应用效果，值得在水文地质调查中大力推广。
关键词：地球物理 自然电场 渗漏 水文地质调查
1、概述
我国现有大量的水利工程由于经过了多年的运营，出现了不同程度的渗漏问题，不仅造成了水库库容损失等直接经济损失，还对工程的安全构成了极大的威胁。因此，有必要通过进行必要的水文地质调查，来准确具体确定的渗漏部位，查找地下水渗漏通道，以便对存在渗漏隐患的水利工程进行除险加固提供资料和依据。
很多地球物理方法被应用于水文地质调查，如水利部建设了水利工程隐患的试验场，开展了高密度电法、地质雷达、瞬变电磁法等多种地球物理方法，所用这些工作为地球物理方法进行水利工程的水文地质调查提供了指导，但同时我们也一直在寻求一种准确、快速、简便的方法来广泛进行水文地质调查。自然电场法是地球物理方法中最古老的方法之一，由于其不需要向地下供电，只需直接测量地表两点间的自然电位，易于开展工作，效率也高，所以近年来自然电场法被广泛应用于水文地质调查。
2、方法原理
在自然界中，当地下水在裂隙或裂缝中渗流时，固体颗粒表面对水溶液中的负离子具有选择性的吸附作用，因此流动的水中正离子的浓度相对增大，这样固体颗粒表面或带有相反电荷的水溶液在流动过程中要维持动态平衡，从而形成了一定的电位差。这种由水的渗透过滤作用而产生的电场，称为过滤电场(或渗透电场)。结合地层情况分析可知，副坝坝址区地下存在渗透电场，在地面两点间存在着天然电流场，可通过观测地面两点的自然电位差来测定。一般来说，渗漏通道形成后产生过滤电场，在其上方呈现出低电位异常(相对于正常场)。
自然电场法包括电位观测法及梯度观测法两种，电位观测法是通过仪器及不极化电极测出某一条剖面或某几条剖面上的电位曲线图，测量时将n极置于无穷远处某一自然电场稳定的区域内，将m极在剖面上按照一定的距离依次移动，测出该剖面上的自然电位变化情况，通过分析电位曲线图，可以推测地下水渗流情况。一般来说，在渗漏通道上方的自然电位曲线呈现出低电位异常。梯度观测法是将不极化电极m极和n极保持一定的间隔距离，沿着剖面线向一个方向依次移动，同时测出其电位差，通过分析实测的点位数据来确定地下水的渗透流向。由于梯度观测法容易受到外界的干扰，实测误差较大，野外一般采用电位观测法进行。
第２６卷第２期 物探与化探 （ ＨＷ ＹＳ［ＣＡ】 ＆（ 卜（Ｘ’ＨＥＭＩ（ ｌ ＥＸＰ［ 【）ｎ ¨（）
应用自然电场法研究地下水流场
王俊业 （ 百省 又 资挥动测局．山西 原０３０００１） ．１ １６． ¨
摘要：讨论ｒ不 水文地质条件Ｉ４自然电场 宁ｌ哥特征，时评价输水管线等渗漏引起的环境Ｉｌｕ 题具有指导意义 关键词：地下水流场； 然电场法：渗漏 中图分类号：［￣６３１ ３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００ ８９１８ｆ２００２）（１２ １ｌＩ４０—０３ 通常，研究地下水流场首先要绘制地下水等水 位线图，等水位线图的绘制要以已知井孔的地下水 位为基础资料 事实上，一个区域的井 孔分布往往 小叮能是均匀的，冈此，在几水位资料的情况下，常 采用内插法绘制等水位线 这样做，尽管会带来一 人为冈素，但廿Ｊ从宏观上了解地下水流场的分布．． 在地 水位埋深较浅的平原区，应用自然电似 法测定地Ｆ水流向， 仪可弥补井孔资料缺乏给研 究流场带来的困难，还可以避免内插法造成的人为 误差。 近年来，与地下水有关的环境 题时有发生．解 决这些问题时． 仪需掌握区域地下水流场，还需要 ｒ解局部地段的地下水流向．．因此，通过等水位线 研究地下水流场，其精度显然难以满足需求，应用自 然电场法测定地下水流向，简便、快速，在条件有利 的地段．能鞍准确地反映流场．． 在调查地Ｆ水流场时，工作人员采用自然电场 “８”宁型观测法，通过不同形态特征的“８ 字图研究， 找到了水管、水池渗水的排泄部位，作者以此项目 成果为基础，讨论地ｒ水流场中的白电 件特征及 应用实例
图１标准型自然电位“８”字示意 收穑日期：２００ｔ一０５—０９ ｌ 地下水流向图的电性特征 由丁水力坡度 同，地下水流速不同，所测得的 地下水流向图也不同在申个形态上 般为标准 型、近似等轴型；在群体形态中，有『州向型、反向型 它们分别反映了不同条件下的地下水流 １ １标准型 标准型自然电位“８”字图，在一般水文地质条件 『、出现较多，其形态如图１所示 斧轴线上的电位 差值从流向到垂直流向有明届的变化过程，且流同 上的电位差远大于垂直流向上的电位差值 由于此 类 清晰地反映Ｊ，测量位置上地下水水力坡度＿Ｊ上流 速在不同方向Ｊ‘的差异，同此，可用它来确定地下水 流向。 １ ２近似等轴型 如图２所示的自然电位流向图．其形态近似等 轴型．无明显的“８”字形态．术类图形多 地形平缓 的低洼地带，地下水活动极其缓慢 由于无明显的 水 坡度，因此，各个方向上的电位差近似相等，尽 管可从微小的差异中找到长轴，从而确定地下水流
第6卷第5期2009年10月 CHINESEJOURNALOFENGINEERINGGEOPHYSICSVol16,No15Oct1,2009文章编号:1672)7940(2009)05)0612)04doi:10.3969/j.issn.1672-7940.2009.05.017自然电场法在场地地下水勘查中的应用刘加文,王治军,杜志伟(西安长庆科技工程有限责任公司,西安 710018)作者简介:刘加文(1981-),男,江苏沛县人,助理工程师,主要从事工程物探与岩土工程工作。E-mail:liujiawen0000@摘 要:场地地下水与工程建设关系甚密,查明是关键。由于自然电场法具有测点布置随机性高、测试方法简单、数据处理方便、能快速有效提取自然电位异常信息等特点,在工程勘察领域应用前景广阔。以长庆油田惠安堡原油商业储备库工程为实例,采用自然电场法,很好地查明了场地地下水分布、形成、径流以及汇聚渗漏等水文地质情况,为地下水治理提供准确的第一手资料,并对自然电场法的应用条件、参数选择、资料处理和解译、成果分析等方面进行深入分析和探讨,认为该方法经济可行,是快速有效的场地勘察辅助手段。关键词:自然电场;地下水;数据处理;水文地质中图分类号:P631文献标识码:A收稿日期:2009-01-04ApplicationofNaturalElectricFieldinSiteGroundwaterExplorationLiuJiawen,WangZhijun,DuZhiwei(XicanChangqingTechnologyEngineeringCo.,Ltd.,Xican710018,China)Abstract:Therelationshipofspacegroundwaterandengineeringconstructionisveryclose.Becausenaturalelectricfieldmethodhascharacteristicssuchasarrangingrandomnessheight,simplicityoftesting,convenientdata-processingandextractingabnormalnaturalelectricinformationquicklyandefficiently,itsapplicationisverybroadinthefieldofeng-ineeringinvestigations.ThispapertakesHuiancommercialcrudeoilreservebaseprojectinChangqingOilfieldFortasanexampletoindentifyhydrogeologicalsituationsuchasgroundwaterdistribution,formation,runoffandseepagethroughnaturalelectricfieldmethodandprovidesaccuratefirst-handinformationforgroundwatermanagement.Italsodiscussesandanalyzestheconditionsofelectricfield,parameterselection,dataprocessing,interpretation,andresultsanalysis.Itprovestobeaneconomicalandfeasible,efficientandeffectivesupportingmeansforthesitesurvey.Keywords:naturalelectricfield;groundwater;dataprocessing;hydrogeology1 引 言长庆油田原油商业储备油库总库容为180@104m3,油库分别位于陕西咸阳和宁夏惠安堡镇境内,其中陕西咸阳油库规模为60@104m3,宁夏惠安堡油库规模120@104m3,均属于一级油库。惠安堡原油商业储备库场地面积为700.0m@400.0m。地貌单元属于白于山山前冲积平原,场地地形平坦,除场地外围局部地段标高最高可达1381.8m外,一般标高均在1369.1~1372.9m之间。场地较平缓,不存在对成果有影响的地形因素电位差。拟建场地地处鄂尔多斯台地西缘,北邻毛乌素沙漠,南接黄土高原。在祁(连山)-吕(梁山)-贺(兰山)山字形构造的脊柱部位,是天池-环县大向斜与贺兰山-青龙山的褶皱带的两个互带。天池-环县大向斜下有白垩系地层组成,由主轴向西出露,地层渐次变老。断层少,断距小,仅在灵应山一带有张性断裂。贺兰山-青龙山的褶皱带存在于县境西部,由中生界地层组成的轴向、近南北褶皱群组。褶皱带终端主体有马记滩-惠安堡褶皱群、石沟驿-隰宁堡向斜、萌城褶皱群等,构造排列紧密,多呈棱状长条分布[1]。2 地层岩性及地下水2.1 地层岩性场地内地层分布总体上看,上部为土层,下部为砂岩,基岩面稍有起伏,基岩分布和成分较单一,根据岩性变化自上而下可以划分为以下五层:1)粉土(Q4eol):褐黄色,稍密,稍湿,系风积形成,摇震反应迅速,无光泽反应,干强度低,韧性低,表层含较多植物根系,含少量砾石,局部地段为粉砂。该层厚度为0.50~3.50m。2)残积土(K1):黏土,棕红色或灰绿色,稍湿,可塑,为泥岩的风化产物,呈碎屑状,无摇震反应,有光泽反应,干强度中等,韧性高。层厚为0.20~2.30m。3)含砾砂岩(K1):杂色,泥质胶结,局部为硅质胶结或钙质胶结,胶结物为石灰岩、石英岩等,呈亚圆状,级配良好,一般粒径2.0~20.0mm,最大粒径可达50mm,全-强风化,钻探时岩芯不易成形,取芯率较低,现场测定RQD<25%,岩石质量指标极差,钻进较困难。层厚为0.20~2110m。4)砂岩(K1):极软岩,褐黄色-棕红色,内陆河湖相沉积形成,矿物成分以长石、石英为主,为全-强风化,泥质胶结,水平层理,该层局部地段含有少量卵砾石,钻探所取岩芯呈短柱状,钻进较容易,现场测定RQD<50%,岩石质量指标较差。层厚为6.30~9.60m.5)砂岩(K1):极软岩,棕红色,内陆河湖相沉积形成,矿物成分以长石、石英为主,属中等风化,泥质胶结,水平层理。钻探所取岩芯呈柱状,钻进较容易,在埋深12.0~15.0m处钻进更容易,岩芯较为破碎,现场测定75%
自然电场法
在自然条件下，无需向地下供电，地面两点间通常能观测到一定大小的电位差，这表明地下存在着天然电流场，简称自然电场。这种场主要由电子导电矿体的天然电化学作用和地下水中电离子的过滤或扩散作用以及大地电流和雷雨放电等因素所形成。
自然电场法是应用最早的一种电法勘探方法。在以下方面得到广泛应用：
（1）寻找电子导电型的金属与非金属矿床(如硫化矿床、石墨矿床、无烟煤等)；
（2）在水文地质调查中确定地下水流速、流向，补给关系等问题；
（3)水文试验中的确定抽水井影响半径；
（4）工程地质中寻找水库大坝的渗漏点、岩溶区的落水洞、构造破碎带、裂隙等位置。
一、自然电场的成因（岩石和矿石的自然极化）
1、电子导体产生的氧化还原电场
野外观测资科表明，与金属矿床有关的电化学电场通常在地面上能引起几十至几百毫伏的电位异常，其电场类似地下存在一个“原电池”的电场，且常在矿体顶部呈现电位负值。
矿体电化学电场的形成原因较复杂，它与矿体成分及围岩中溶液的性质有关。对于如何详细了解这一物理化学过程，迄今仍需进一步研究的问题。
较统一的看法为： 当电子导电矿体赋存于含孔隙水(离子导电)的围岩中，且矿体一部分处于地下水面之上的氧化环境里，另一部分处于地下水面之下还原环境中，这时含有大量氧气的地表水容易达到矿体的上部周围，溶液具有很强的氧化性质。
矿体上部：如图1所示，在这种环境中，溶液中的物质就是氧化剂，它将从矿体上夺取电子使自己的离子价数降低，它本身进行还原反应。溶液物质还原反应使围岩溶液中某些物质得到电子，使原呈中性的溶液带负电，出现过多的负离子，便在上部矿体与周围溶液间形成了一个“半电池”。
图1
下部矿体：如图2所示，处于地下水面以下的还原环境，由于离地表较远，矿体本身及围岩的风化程度低，质地较致密，地下水和氧气不易进入，溶液中某些离子将电子交给矿体即发生氧化反应以提高其自身的离子价数，其结果是溶液出现过多的正离于，于是在矿体——溶液间形成了一个与上部矿体极性相反的“半电池”。
