浅议直流电阻率法仪找水原理、特点及不足郑州地象科技有限公司寇伟我国的物探找水方法主要经历了几个发展阶段:上世纪50年代主要引进使
用的方法有电阻率法、渗透电场法；60年代初引进使用了激发极化找水方法；80年代之后陆续引进使用了地震折射法、甚低频法、频率域激发极
化法、核物探方法、高密度电阻率法、音频大地电场法、核磁共振法等物探找水方法。其中应用时间最长、普及最广、积累经验最多的当属直流电法
。直流电法包括：普通电阻率法、高密度电阻率法、激发极化法、自然电场法、充电法。目前在找水定井中用的最多的是普通电阻率法和激发极化法
，由于高密度电阻率法仪的价格较高导致普及程度有限。直流电阻率法勘探是测定岩石电阻率的传统方法。它通过一对接地电极把电流供入大地中，
而通过另一对接地电极观测用于计算岩石电阻率所必需的电位或电位差信息（见下图）。激发极化法是根据岩石、矿石的激发极化效应来寻找金属和
解决水文地质、工程地质等问题的一组电法勘探方法。直流激发极化法（时间域法）是在直流电阻率法的基础上，通过记录切断直流电源后测得电场
信号的衰减情况，来观察地下岩石的激发极化效应的，我国一些单位对该法做了一些应用研究，将激电场的衰减速度具体化为半衰时、衰减度、激化
比等特征参数，通过寻求激电参数与地层的含水性联系，来找到各种类型的地下水资源、预测涌水量大小。高密度电阻率法的基本理论与传统的电阻
率法完全相同，所不同的是高密度电法在观测中设置了较高密度的测点，现场测量时，只需将全部电极布置在一定间隔的测点上，由主机自动控制供
电电极和接收电极的变化来完成测量，探测深度明显高于单点测深的传统电阻率法仪。直流电阻率法找水定井已有60多年的历史，国内专业物探技
术人员在实践中研究出很多应用方法和技巧、总结出许多成功的经验，是一种普及率很高的物探方法。但在实际应用中，很多人对直流电阻率法找水
定井的原理、特点认识不深，大多都限于书本上所讲内容，更多的拘泥于操作方法、数值大小、反演公式之中。本人对于直流电阻率法仪并没有多少
使用经验，只是根据自己对电阻率法的理解和认识对其进行浅显的探讨分析，供有关人士参考。1、测深点所测信号值就是二分之一供电极间距深度
层的电阻率值？很多使用者认为：供电电极在探测点向两边的拉线长度所测得的信号值就是探测深度层的电阻率值，若两边电极各拉线100米测得
的就是地下100米深度层的电阻率值。从电学理论来认识：由电池通过正负两极向大地馈电，电荷不可能就像有些人理解的那样沿着所画的半圆流
动。电荷由正极流向负极要遵从两个原则：一是会走最近的路，肯定是直线距离最近，通过的电荷最多；随着两极间弧度的加大，所通过的电荷依次
减少，至半圆处减至最小。这就是说探测信号包含了二分之一极距自上到下所有地层的信号值，而且是自上而下越来越弱。二是会走最容易走的路，
电阻率越小的路径通过的电荷就越多，电阻率大的路径通过的电荷就越少；结果就产生了遇水路则通、遇硬岩层则阻的低阻层和高阻层问题。结论：
对大地馈电后所测得直流信号值是由地表到二分之一电极间距深度地层综合电位信号值，其中所包含的信号值原则上是上层的信号值强于下层，逐层
递减，最深至二分之一电极间距深度层且信号值最小，再往下就不包含了。建言：鉴于所测信号值是两极拉线长度二分之一深度的综合电位值，应采
用两深度层综合信号计算后的电阻率差值来真实反映地下某一深度层介质的电阻率。即每加深10米测得一个综合值，用第i层综合值减去第i-1
层的综合值，就是第i-1到第i层这10米层深介质的电阻率值。2、所测得信号值是地下介质真实的电阻率值？电压V=电流I×电阻R，仪器
通过接地电极在地面上所测得的信号值只能是两极放电后产生电位值，虽然可以同时测得放电电流值以计算求得综合电阻率，但是它确实可以表征测
点地层介质实际的综合电阻率吗？细数起来影响测取信号值的因素还真不少，主要影响因素包括：不同厂家仪器的放大电路、信号滤波电路等硬件
设计不同，拾取信号能力和抗干扰能力则会有所差异，同样环境条件下测取的信号值就会不同；使用对大地馈电电极、拾取信号电极的材料材质不
同、粗细不同，也会直接影响到馈电能力和信号拾取能力；电极插入地层的深度不同、地层介质不同、地层湿度不同，以及不同的季节、时间、气
温等，都会造成测取信号值的不同。结论：在这么多影响因素的作用下，所测得的信号值还能真实表征地层介质的电阻率吗？即使是把这些干扰因素
都排除掉所测得的就是测深点下地层介质的电阻率吗？我认为是不可能的。其实任何事情都是相对的，对于地层介质的对比分析也是相对的，无论是
采用测得的综合电位值、还是同时测量电流把它再换算成综合电阻率值，都不是地层介质实际的绝对值。建言：按照相对论去考虑问题，无论是什么
厂家仪器、什么环境条件，使用者对应于一个项目探测条件是相对不变的，在根据经验排除外在干扰的基础上，不要管它是什么指标、是不是与书上
所写的介质电阻率值一致，就你现有的仪器、你使用中积累的经验、就该项目自成体系的去对比分析就可以得到相对满意的结果。3、所测得信号值
仅仅是表征探测点下地层介质的电阻率？从上图可看出，馈电电极各拉开100米时，所测得的信号应该是包含了从地表到100米深度层各层信号
值的叠加值，而每一层信号分量值都是表征了从200米间距两电极画弧到该层点长度路径经过介质的综合电阻率值，只不过其中包含的拾取信号电
极间地段介质信息会多一些罢了。若是馈电电极各拉开200米，每一层信号分量所表征的综合电阻率值是400米极间距弧度路径所经过介质后的
反应结果。就馈电极距为400米与200米比较而言，两次所测信号值各层路径长度差了一倍；极距400米探测深度最大为200米，在深度1
00米之上每一层都比极距200米的同一深度层的极间路径长了一倍，同等功率和馈电量的条件下各层分量值都大不相同，所以两者的综合值不具
有可比性。结论：在测深点所测得信号值并不仅仅是表征探测点下地层介质的电阻率，而是包含了两馈电电极所画半圆范围内直流电所经过所有路径
介质的电阻率信息，只不过在测深点处拾取信号电极所拾取垂直方向信号强一些、所包含测深点下的信息多一些罢了。在馈电电极的极距相差不远的
条件下，两测深层之间信号值还有一定的可比性；而在电极极距相差较远的情况下，两深度层的信号值之间不具有可比性。建言：在一个测深点勘探
时，最好是等间距逐步加大极距测取信号值，最后统一逐层计算两两之间的差值，使它们之间具有相对可比性后，再在相对差值之间进行对比分析。
4、馈电功率、电极间距与探测深度成正比？使用直流馈电使两极间地下半圆范围内介质充分充电导通后，才能测得相对稳定的信号值。这样的话探
测深度越大，极间距就越长，馈电时间就要加长、馈电量要加大才能达到充分导电得到稳定信号值。（1）由于电池组蓄电容量有限，不可能无限加
大来延伸探测深度。（2）极间距延长的长度所对应的是增加半径相对应平方后的面积，与需要加大的蓄电池容量不是成正比关系。（3）对应于各
种复杂地层，对介质充满电荷需要的电量大不相同，电阻率法中常常提及的很难逾越的低阻层、高阻层，导致馈电功率大小与实际探测深度不成正比
。结论：探测深度有限本来就是人工场源的最大不足点，而直流电阻率法持续对大地馈电时间长、直流电压不可能很高的特点，实际探测深度有限、
电池使用寿命较短就成了不可逾越的屏障。由于地层介质导电性不同造成对于电能的损耗程度不同，直流电所能达到的实际深度与电极极距之比会逐
步减少，而且其比值还会随介质导电性不同而改变。建言：不要盲目的加大馈电功率来加深探测深度，既收效有限又得不偿失，尤其是用直流电阻率
法用于深部地热和矿藏勘探更是自欺欺人。在实践中总结不同探测深度与电极间距的关系时，要充分考虑到极距加长对应加大的是导电面积，探测深
度不可能与距等比例增加，同时还要考虑到地层不同介质对电能的损耗程度。5、通过激电法的衰减特征参数值可以预测涌水量大小？国内技术人员
在实践中将激电场的衰减速度具体化为半衰时、衰减度、激化比等特征参数，通过寻求激电参数与地层的含水性联系，来找到各种类型的地下水资源
、预测涌水量大小。这确实是对引进技术的一种发扬光大，比仅仅使用传统电阻率法找水定井进了一大步。目前物探工作者主要是利用“衰减时法”
来找水并估测出水量的，在富水地段激电二次场的“半衰时”会明显地增大。然而，由于极化体的二次场衰减速度与其物质成分、产状、大小、颗粒
形状、埋深等诸多因素有关，并不一定只有水地层的极化度高，所以半衰时参数指标大小只能作为参考。尤其是含水层埋深较深、电极间距较大时，
较深部激电场信号极其微弱，测取到的信号几乎都是浅中部信息，更难依靠半衰时参数来判定较深部是否含水及出水量大小了。结论：激电场的半衰
时参数对于富水层的反应明显，因半衰时的大小与诸多因素有关，所以不能把它作为是否有水、尤其是出水量多少的唯一判定指标，尤其是中深层找
水更是如此。建言：由于激电场的衰减速度与其所走路径的长度、介质的极化度有很大关系，如若判定某一电极间距层的含水性好，最好沿与原线路
垂直方向按照同一极间距再探测一次，比较分析之后再做出判断。总之，直流电阻率法仪作为一种已有60多年历史的传统物探方法，为我国物探
找矿找水事业做出了不可磨灭的贡献。然而，直流电阻率法仪探测结果的多解性和地形的局限性也一直影响着其应用效果，究其主要原因是拉线插电
极受地形限制、效率太低。每点测取一二十个深度层的数据时一天仅能做几个测深点，以少猜多、以点代线，仅靠少量的实测数据，即便是再高深莫测的反演公式也很难模拟出地下真实的地质构造。就像是最早时医生只能靠听诊器给人诊断，后来有了X光、B超、CT、核磁共振等医疗设备，医生就都改由看片子诊断了一样。随着物探领域新技术、新方法、新仪器的发明和应用，更快捷简便、大数据真实展现地质构造、准确有效的找水定井仪器终究要完全替代直流电阻率法仪用于找水定井。2016年6月9日 |
|
