激发极化法探测地下水若干问题的探讨

文章编号:1004 5716(2004)02 0075 04中图分类号:P631 324 文献标识码:B

激发极化法探测地下水若干问题的探讨

马延君,王俊君,卢玉环

(内蒙古煤田地质局104队,内蒙古赤峰024076)

摘 要:从激发极化找水的基本原理入手,探讨了用激发极化法探测地下水应注意的几个问题。关键词:激发极化法;原理;探测水

从20世纪50年代起,美国、前苏联和其它一些国家的学者,对含水岩石的激发极化效应与温度、溶液浓度、深度、岩石的颗粒度、粘土含量等的关系以及用来勘查地下水的可能性进行了理论、实验和试验研究,取得了一些有意义的成果。在美国、前苏联、加拿大等国家的一些地区,利用激发极化法勘查出了有意义的地下水源,使用的激电参数主要是极化率。在我国激发极化法寻找地下水源也得到了广泛的应用,我们单位使用的是山西平遥水利电探仪器厂研制生产的JJ 3A 型积分式激电仪,可以观测电阻率、极化率、激发比和衰减度等参数。现在这种仪器已逐渐转向微机化。在使用中发现,尽管时域激电法使用视极化率、视衰减度和视激发比等参数在不同的水文地质环境中能够反映出地下含水层或含水体的存在,但对时域激电这些视参数实测资料的解释没有严格的理论依据,限制了激电法探测地下水的有效性和准确性。其原因是在于对时域激电的极化率、衰减度和极化比测深曲线的变化特征与目标层的对应关系,时域极化场的时间特性,测深资料的解释方法理论没有做深入的研究。1 激发极化找水的基本原理1 1

激发极化现象

图1 激发极化装置示意图

在水槽放上小焦炭块和小石块的混合物,用水淹没,如图1所示,设置两个供电电极A 、B 和两个测量电极M 、N ,当接通供电电极A 、B 向水槽内供电,水槽内形成电流场,在测量电极M 、N 间形成电压降,这就是在测量电阻率法时测量到的电位差,不切断电源保持供电电流时间的延长而逐渐增加,开始时增加得快些,后来逐渐减慢,几分钟后达到饱和,断开供电开关,供电电

流被切断,由它产生的电压降也随之消失,M 、N 间的电位差迅

图2 供电前后电位差变化示意图

即减小。但是在供电期间随着供电时间的延长而逐渐增加的电位差仍然存在,它是逐渐衰减的,数分钟后逐渐衰减完毕。在供电期间和断电以后M 、N 间电位差的变化情况如图2所示。供电后由于供电电流在M 、N 间产生的电位差称为一次场电位差,以 V 1表示,随着供电时间的延长增加的电位差是由于介质的极化而产生的,称为二次场电位差,它是时间的函数,以 V 2(T )表示,在M 、N 间观察到的电位差是两者的和,称为极化场电位,用 V (T )表示, V (T )= V 1+ V 2(T )。断电以后,一次场电位差 V 1消失了,二次场电位差 V 2(t )并不立即消失,而是逐渐衰减的,数分钟后衰减完毕。这种在外电流场的激发下,地质体被极化而产生的持续几秒钟、几分钟的瞬变现象叫做激发极化效应。我们所测量的各种参数之间的关系如:极化率 = V 2/ V 1 100%;衰减度D= V 2/ V 2 100%,式中的 V 2为供电30s,断电0.25s~ 5.25s 内二次场电位差的平均值,即

V 2=( 5

.250.25 V (t )/dt )/5,激发比J = D = V 2/ V 1 100%。1 2 激发极化现象的成因

产生激发极化现象的机制是复杂的,它不是由单一的某种原因产生的,而是多种不同的机制综合的结果。最早提出的是 电容假说 ,两个导体中间用绝缘介质隔开就构成一个电容,许多颗粒两边的离子溶液就相当于电控器的两个极板,地下存在着许多这样的小电容,供电时它们被充电,断电后它们放电。这种电容的充放电现象是激发极化现象的原因之一,但不会是主要的,薄膜假说

总第93期2004年第2期

西部探矿工程

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series N o.93Feb.2004

可能是其激发极化效应的主要成因,在地下的砂砾石含水层中,砂料之间有的地方挨得很近,整个窄孔隙处于扩散区内,其中充满了正离子,负离子很少,在间隙较大的宽孔隙中则是正常溶液,在那里正负离子的电荷是平衡的,所谓的 薄膜 就是指的窄孔隙,薄膜极化现象的产生是:在外电场的作用下,在正常溶液中,正离子沿着电场方向移动,负离子逆着电场方向移动,形成电流。在窄孔中情况有些不同,由于在扩散区中负离子很少,所以在电流的流入端,由于流走的负离子得不到充分的补充,所以负离子的浓度变小;在电流的流出端,逆着电流方向而来的负离子由于受到带负电的粘土排斥,很难通过窄孔隙,所以在那里形成了负离子的堆积。至于正离子,它的情况则有些不同,在窄孔隙中的扩散区,正离子也能平行于界面移动,所以窄孔隙两端正离子浓度的变化须视具体情况而定。这样,总的说来,在电流流入端,由于负离子缺少,带正电;在电流流出端,由于负离子堆积,带负电;这就产生了激发极化。这种现象的发现,使人极易联想到是否可用于找水,所以我们在使用的激发极化法找水的仪器是在这种情况下而产生的,大量的实验和野外工作结果表明,含水岩石的激发极化效应受多种因素影响,有岩石本身的结构因素,如孔隙度或颗粒度、粘土含量等,环境因素如温度或含水量、孔隙液浓度或矿化,人为因素有极化电流密度、供电时间等。

2 求时域视参数的理论计算公式

由麦克斯韦方程组: H = J+ D/ t E =- B /t D = B =0电磁场各分量的关系方程: D = E B = H J= E 用褶积表示:

D (t)= t

- ( ) E(t- )d = (t) E (t)(1) B (t)= t - ( ) H(t- )d = (t) H (t)(2) J(t)= t - ( ) E(t- )d = (t) E(t)

(3)

上述三式是在电磁场各分量的关系方程中各分量存在非瞬时联系的情况下表示的,它实质在于,在t 时刻确定的方程左边的电磁分量取决于在t 时刻以前的整个时间间隔内方程右边相应分量的状态,对于极化介质,由于介质电阻率随时间而变,使得介质中电流密度与电场强度具有非瞬时关系,即:

J(t)= t 0 ( ) E(t- )d 在频率域内上式变为:

J( )= ( ) E ( ) E( )= ( ) J( )

由于极化效应的存在,使得介质电阻率的增大这一现象可用下式表示:

( )= + ( )

即极化介质的电阻率为两部分之和, 表示无极化时介质的电阻率, ( )为极化效应的存在导致电阻率发生变化的部分。又据皮尔顿等提出的复电阻率表达式:

( )= ( )+

(0)- ( )

1+(iw )c = + ( )

可知 ( )=

(0)- ( )

1+(iw )c

设G[ ( )]为表达电磁场某分量的函数,即在频率域内由于

极化效应的存在,G[ ( )]可表示为:

G [ ( )]=G [ + ( )]

(4)

假设在某域内有几种分布均匀,各向同性的极化介质,即: ( )=[ 1+ 1( ), 2+ 2( ), n + n ( )]

将G[ ( )]在 =[ 1, 2, n ]附近展开为台劳级数,则G [ ( )]=G ( )+

k=11

k!

([ ( ) ])k G( )在水文地质环境中,岩石的极化效应都很弱,即 ( )很小,因此取前两项即可。

G [ ( )]=G ( )+ n i=1

1( )

G( ) i 假设供电波形函数f(t)的付氏变换为F( ),则时域内场分量为

g (t)=F -1{G[ ( )] F ( )}=F -1[G( )F ( )]+ n

i=1F -1[ i ( )

G( )

i

F ( )]=g 0(t) f(t)+ n

i=1

g 0i (t) f(t)

式中:g 0(t) G ( )的反付氏变换;

g 0j (t) i ( )= G( )

i

的反付氏变换。

在时域电法中,由于仪器在激发电流关断的瞬间与观测衰减电压的时间之间提供了一个250ms 的时间延迟,避开了感应场或电磁耦合。因此上式可表示为

V (t)=V 0( )f(t)+ n i=1 V 0( )

i

(t) f(t)

(5)

式中:V 0( ) 不极化时的电位,即一次电位;

i (t) 第i 种极化介质的时域脉冲响应; i (t) f(t) 极化介质的f(t)时域响应。如果下半空间只有一种极化介质:V (t)=V 0( )f(t)+ V 0( )

(t) f(t)(6)

由柯尔 柯尔模型可知,在频率域中 ( )=

1+(iw )c

(7)

取c=1时,对(7)式进行付氏反变换,即求得 ( )的时域脉冲响应: (t)=( / )e -t/

设激发波形f(t)为一宽度为T 的方波,即输入大地的电流I (t)如图3(a)所示,用数学方式表示f(t)为:

图3 输入电流波形及地面电位图(a)输入大地电流的波形图;(b)地面电位图

f(t)=u(t-T )式中u(t)为单位跃阶函数。根据褶积运算:

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西 部 探 矿 工 程

Feb.2004N o.2

(t) f(t)=

(t- )d =

(1-e -t/T

) t T

(e t -1)e -t t >T 在一个电源供电的情况下V 0( )=ip 2 r , V 0( ) =

I

2 r

所以:

V(t)=

Ip 2 r +I 2 r

(1-e -t/T

) t T

I 2 r

(e T

-1)e -t t>T 图3(b)为地面电位图。从图中可以看出当t >T 时,V (t )=V 2(t)极化二次电位。因此对于有限宽供电脉冲极化二次电位的一般计算表示式为:

V 2(t)=

n

i=1

V 0( )

i i (t) f(t) t>T (9)或者V 2(t)= n i=1

V 0( )

i i (T +t) f(T +t) t>0(10)

当利用柯尔 柯尔模型表示介质的时域极化响应时,在有

限宽供电脉冲的激发下,时域极化二次电位为:

V 2(t)= n

i=1 V 0( ) i i

1-m i (0)

m i (t)-m i (T +t)

(11)或V 2(T ,t)=V 2( ,t)-V 2( ,T +t)

(12)

式中:m i (t)-m i (T +t) 第i 种极化介质在有限宽供电脉冲激发下的时域响应;

m i (t)、m i (T +t) 断电后t 和T +t 时刻在无限宽供电脉冲激发下的柯尔 柯尔模型时域响应;

V 2(T ,t)、V 2( ,t) 有限和无限宽脉冲供电时在断电后的极化二次电位。

时域激电视参数的计算:根据视电极化率的定义公式: s (T ,t)=

V s (t)

V (T )

将极化场二次电位表达式代入上式,得:

s (T ,t)=

1 V (T ) n i=1 V ( ) i i 1-m i (o)

m i (t)-m i (T +t)

= n i=1 i s (t)

s (o) i i 1-m i (o) m i (t)-m i (T +t) (13)

式中: s (o)、 s (T ) 供电过程中在O 和T 时刻的视电阻率。

对于初始极化率: o s (T ,t)=

1 V(T ) n

i=1 V(o) i

i m 0i (t)-m 0

i (T +t) = n i=1

B i m 0i (t)-m 0

i (T +t)

(14)

式中:B i =

i s s

i

稀释因子或加权系数;m 0i (t)

极化介质的初始充电率或初始极化率。

由(14)式可以得出有限宽脉冲供电时的初始极化率与无限宽脉冲供电时初始级化率间的关系:

o

s (T ,

t)=

o s (

,t)-

o s (

,T +t)

当介质的极化率比较小时,如果在水文地质环境中含水岩石的极化率m 5%,对于极限极化率亦存在近似关系:

s (T ,t) s ( ,t)- s ( ,T +t)

由图3(b)可以看出,随着t 的增大,V (t)逐渐趋近于0,这就

象一个放电特性曲线,我们测的极化率参数从理论上应该是V T /V 0的比值,但这样测量是很困难的,又V T 一般很小,这是指和V 0比较的,所以现在我们测的是V T /V 0的值,这是仪器出厂时就定下来的。

3 几点问题

(1)从公式(8)可以看出,当t 时,V (t) 0,因为T 0,所以e T 1,e (-t)>0,因为V (t)始终是一个正值逐渐趋近于零的,这和大多数的实际测量情况相同,因为每次测完所需参数后可观察到二次电位场的衰减情况。但也出现过几次令人不解的问题,即二次衰减电位不是逐渐衰减为零的,而是衰减到一个负值后,又逐渐上升,直至从一个负值逐渐趋于零的,如图4所示。这就与理论上出现了矛盾,即和(8)式出现了矛盾,这就影响了激发比和衰减度的真实性,虽然这只是很少出现的情况,但是在实际工作中确实遇到过。作者认为是地下有可能存在一个本身有极性的极化体,在向其供电时,因外电场强大,使其自身的电场发生了扭转,当供电停止后,一部分电位就象(8)式描述的那样逐渐衰减,而另一部分是其自身的电场要恢复到原状;这两者的和就是

我们所观察测量的衰减电位差,就象一个有电感线圈回路的电路一样,会产生振荡,这只象是一个过阻尼的振荡罢了。

图4 电位异常示意图

(2)实际工作中发现,大地的自然电场很难稳定下来,工作地区没有任何高压线或通信设备,即地面以上没有任何影响,大地自然电场的补偿工作很困难,有时也会出现一些周期性变化的自然电场,其中在新疆的南疆就遇到过两次,在作测量前的自然

电位的补偿时发现,开始从正值逐渐下降,但降到某一数值时,又开始回升,这种情况很少见到,还有待于继续工作,把这一现象解释出来。当出现某一些特定情况,即逐渐上升或下降时,这里的

上升或下降的变化速度是很慢的,即在30s 内的变化一般<0.1mV,虽然只是0.1mV ,但它给测量结果所造成的误差是不小的,如果一次电场电位差为50mV ,那么就有0.2%的误差,解决的办法就是观察在30s 内看它的变化范围有多大,当 V MN 变化<0.1mV,或更小时再供电测量,在供电前把它的变化当做补偿加进去,即当30内上升 V 时,把- V 加到补偿里去,马上开始供电,当30s 一结束, V 正负抵消,提高了测量精度。

在新疆的戈壁滩上测量因供电极与周围介质接触不好而出现电极过热,从仪器观察一次场电位是迅速下降,我们解决的办法是把介质压实后一起多打入几个电极并联使用。

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2004年第2期

马延君,王俊君,卢玉环:激发极化法探测地下水若干问题的探讨

文章编号:1004 5716(2004)02 0078 02中图分类号:TD265.34 文献标识码:B 临涣矿主井治理工程中冻结施工探析

林稚华,陆卫国,赵怀固

(中煤特殊工程公司,安徽淮北235000)

摘 要:临涣矿主井治理改造施工中,采用冻结支护方案。工程量虽小,但施工工期很长。分析施工中存在的问题及采

取的措施,以提高认识。

关键词:主井;认识;探析

1 工程概述

临涣矿主井井塔基础,因地层条件等因素的影响,塔基混凝土结构出现破坏,井筒漏水严重,为了防止破坏的进一步加剧,必须采取积极有效的治理措施。此前已完成了该矿付井的治理改造工作,并取得了成功的经验。治理工程中采用冻结法支护,即在塔基周围箱体的下方及井壁外侧布置冻结孔,通过冻结施工形成冻结帷幕墙并与井壁密合,在该墙的保护下,进行塔基结构的治理改造。

2 方案及施工综述

2.1 方案设计

冻结深度设计以满足治理施工需要并以保证支护体系安全为原则。参数设计见表1、表2。

表1 参数设计表

钻孔深度钻孔斜度冻结管规格孔数孔间距孔位距井壁孔口深度

3.5m/

4.0m 向井心偏斜5 ,方形

箱体内为直孔

108 5mm低碳钢

无缝钢管

冻结孔52个测温孔2

个

1.2~1.3m

Lmax<1.5m

1.2m14m左右

表2 参数设计表

需冷量盐水温度工况制冷量冻结壁厚度1.52万大卡/h-20 ~-25 >4.1万大卡/h>2.4m 冻结施工效果:

(1)冻结孔间交圈并形成帷幕墙;

(2)钻孔向井心偏斜,保证帷幕墙与井壁密合;

(3)特别注意1/2AB和勘探深度的关系。因为我们工作的区域有的是寻找深层地下水,一般在200~400m之间,而且盐碱化比较严重,人在上面走就象在雪地里一样,电阻率极低,只有几个欧姆,象这种地区就不能按一般的解释方法,1/2AB乘以0.7~1.0的校正系数而得到含水层的深度。按正常的方法是1/2AB在100m 以内校正系数是1.0,随着AB的变大,校正系数变小,直至1/2AB 为500m时校正系数为0.7。如果按照老的解释方法,得出的含水层深度比实际含水层深度低,这是因为上部低电阻率地层的影响,其电流密度增大,随着1/2AB的加大,供电电流线的形状从半球形向椭圆形变化,而且比不是盐碱化地区变化的快。所以我们在刚到这一地区时,遵循从已知到未知的原则,在已知孔旁进行参数测量,将所测曲线与已知的曲线进行对比,寻找规律得出在1/2AB为430m时,校正系数就为0.7,根据这一规律又进行了多个井的定位测量,经过打井验正,测量的含水层深度、厚度和实际基本符合。这一地区的打井(一般在250m左右)过去是在村子里随便找个地方就算完事,不是无水,就是水质不符合饮用水的标准,一个井的费用在20万元左右,即浪费了人力,又浪费了财力。自从我们用地面特探法圈定井位后,这一现象得到了改变。同时修改了原县政府准备在下属几个乡的打井井位。

(4)煤矿区范围内不太适合电法找水,碳质页岩对曲线影响大。金属矿区曲线幅值反映太大,所以火成山区应注意,曲线不规律,跳动大。平原地区的盐碱化地区,电阻率低,激发极化值小,测量时应特别注意。平原找高阻,山区找低阻,这也是一般的规律。

4 结束语

通过十几年来的物探工作,对这一边缘学科的认识更深了,它在国民生产中的地位逐渐升高。物探工作一般是从理论上研究其方法,再运用到实际中去的,激发法找水仪器就是一例,本文就是试图从理论上给以解释,它虽然发展较早,但趋于成功还是近些年的事,这就需要我们从实践到理论,再从理论到实践做工作。以上的论点还请各位专家、学者、同事指导,有不同之处,请批评指正。

总第93期2004年第2期

西部探矿工程

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