高密度电法勘探中负电位差的产生原因及其可利用性分析

葛红旗

（贵州省有色金属和核工业地质勘查局物化探总队，贵州 都匀 558000）

高密度电法勘探技术成熟，在工程地质勘探中应用较为广泛，一般情况下，相关工作人员是通过利用电阻率参数来对电法勘探资料进行解释，但是在南方等岩溶较为发育的地区，电阻率会出现负值情况，关于这方面的研究还待深入[1-3]。因此，文中对负电位差产生的原因以及具体利用进行研究，以期能更好促进电法勘探运用。

1 地电场理论概述

根据有关研究资料，在大陆地区，大地磁场的平均梯度在20mV/km，且大地磁场会随着时间以及方向的变化而改变；局部较小范围内形成的自然电磁场较为稳定，异常地带的电磁场与其他区域内的电磁场强度变化幅度一般在几十或者几百mV，特别是当受到某些矿产影响时，电磁场的负自电异常值可以达到-800mV甚至更高，同时由于高密度电法勘探技术建立的电磁场电位值在几十mV，因此，对在对负电位差产生原因分析时只考虑自然电磁场的影响。

根据有关研究成果，过滤电磁场的大小跟所处环境中的岩体渗透率、孔隙水的导电率以及环境中岩体性质有密切关联，具体可以采用下述公式进行表达。

其中：ρ水表示岩体中裂隙水的电阻率值（π·m）；ΔP 表示为环境中的水头压力（pa）

2 自然电磁场分布特征

2.1 倾斜岩土交接面自然电磁场分布特征

岩层与土的交接面形式很多，同时土以及岩层的种类也多种多样，当土中含有的粘性土比例较大、含水率较高时，其与岩层的交接面往往接触较为紧密，交接面的电性差变化不明显，因而，此情况下的过滤电磁场值一般较为弱小；当土层中含有的碎石同时岩基面较为倾斜时，岩层与土层的交接面处就可能形成局部的空腔，地下水沿着土层与岩层的交界面运移，形成较大的过滤电场。具体如图1所示。

图1 倾斜层面自然电磁场分布

2.2 溶洞情况下自然电磁场分布特征

在大气降水或者地下水作用下，可溶性岩层在水流作用下出现空洞，形成溶洞，根据溶洞内是否含水分为全充水溶洞、部分充水溶洞以及不含水溶洞，由于全充水溶洞类似于一电阻率较低的球体，因此，在对自然电磁场影响不大，文中仅对半充水以及不含水溶洞进行分析。

当溶洞内部不含水时，带点的正电离子主要分布在溶洞下部的裂隙附近，当溶洞底部含水是，带正电的离子主要在溶洞底部，这两种情况下，自然电磁场的分布状态较为接近，具体如图2所示。当地下水经过溶洞附近区域时，由于水的作用使得溶洞内固液界面形成离层双电层的稳定状态遭到破坏，从而沿着水流方向形成电磁场。

3 负电位差产生原因分析

为了便于对电位差进行区分，将自然形成的过滤电磁场电位差采用表示，人工搭建的电磁场电位差采用表示，自然状态下电磁场分布如图1所示。当在地面位置搭建人工点磁场之后的电磁场分布如图2所示。

自然状态下的电磁场与人工搭建的电磁场相互作用，会导致自然电磁场出现压缩或者偏差的情况，人工及自然电磁场叠加作用下产生的电位差可以采用下述公式进行计算：

在倾斜界面情况下，由于电磁场供电方向的差异，人工搭建的电磁场对自然电磁场的影响不尽相同，当坡脚处于正供电状态时，人工电磁场与自然电磁场的方向趋于一致，这时取值为正；当坡脚对应的坡顶处于正供电状态时，人工电磁场与自然电磁场的方向相反，这时取值为负。从公式2中可以看出啊，当自然电磁场方向与人工电磁场方向相反时，且值大于会造成仪器测定的电位差值为负值。这种情况通常发生在供电电压值不高，且探测区域内的水头压力较大的区域出现。

4 工程实例分析

在西南地区某高速工程滑坡体探测过程中，前期地质预测预报得出的滑坡体厚度在45m左右，施工单位准备55m的套管进行滑坡治理，但是具体钻孔施工到53m位置时，仍未见到岩层基岩，该滑坡探测现场地质为单一的向斜构造，角度在40°左右，坡顶位置堆积有碎石块并加杂有黏土，黏土以及小碎石占比为60%左右，坡底位置为一河流，从倾斜岩面巷可以明显看出水流从倾斜的坡体流出，在采用高密度电磁法勘探时，隔离系数取值在16时，在钻孔附近的探测区域内反复的出现负电位差情况，从电磁勘探图中以及负电位差的出现综合判断可以得出，基岩面的深度应该82m左右，而非此前地质超前预报的45m，钻孔的钻探结果也表明，基岩面深度在80.3m。若仅仅的从电磁勘探结果中进行解读，不考虑负电位差，判断的结果应该63m左右，与现实情况存在明显的差异。

图2 边坡电磁勘探成果图

5 总结

文中对地电场理论进行了概述，分析了倾斜岩土交接面自然电磁场以及溶洞情况下自然电磁场分布特征，并对负电位差产生原因进行分析，最后采用西南某隧道的地质勘探为例，对负电位差的运用进行分析，以期能更好的促进高密度电法勘探的应用。