基于自然电场与电阻率法的尾矿库渗漏探测数值模拟研究

尾矿库堆存是处置矿山尾矿的常规方案,但尾矿库渗漏严重威胁生态环境。及时查明地下渗漏情况,有助于采取有效的补救方案。笔者基于有限元—无限元耦合法开展数值模拟研究,探究基于直流电阻率法及自然电场法的综合物探技术在尾矿库渗漏探测中的应用效果。研究结果表明,直流电阻率法和自然电场法能相互结合、验证、补充,能够揭露地下电阻率结构异常,同时能提供渗漏点的位置及深度信息。这些研究可为尾矿库及其它渗漏问题提供数值参考和技术方案指导。

自然电场法在冀北围场县浅覆盖区某萤石矿勘查中的应用

围场北部地区萤石矿床发育,多为热液充填型萤石矿床,萤石矿的产出与断层密切相关。研究区被黄土和冲洪积砂砾层覆盖,通过常规地质手段很难到达寻找矿体的目的。而自然电场法相对其他地球物理方法具有施工便捷、成本低、速度快的特征,对于寻找浅覆盖区的含水断层具有良好的效果。本次工作经过综合研究研究区的地质和矿体特征,首次通过自然电场圈出了含水构造的范围。在重点剖面布设钻孔进行验证,见到了厚度较大的萤石矿体,通过寻找含水断层间接达到了寻找萤石矿的目的。这为冀北其他此类型矿山找矿提供启示和借鉴经验。

滑坡自然电场物理模拟研究

为了厘清自然电位法监测中岩土种类、含水率、坡度角在滑坡产生前的响应规律,研究了各因素作用下模拟滑坡时自然电位曲线的变化特征,通过厘清单因素、多因素综合影响的前提下滑坡产生前后自然电位如何变化,总结出实验条件下滑坡的自然电位响应规律。结果表明,采用自然电位法预测滑坡时与其自然电位数值无关,只与自然电位变化率有关;不同岩土类型和坡度角在发生滑坡之前自然电位信号值会升高,升高速率越大发生滑坡的严重程度越高;不同含水率实验在滑坡产生之前自然电位信号值会降低,且滑动前自然电位信号降低速率越快发生滑坡的严重程度越高。

应用自然电场法寻找地下富钾卤水的探讨

本文探讨自然电场法在盐湖区寻找和评价富钾卤水的应用及效果。根据罗布泊地质、水文地质和卤水化学特征研究,鉴于富钾卤水具有低电阻率的特点,论证了自然电场法在监测区找富钾卤水的地球物理机理和可行性。在罗北凹地已查明的富钾卤水区开展自然电场法测量方法试验,负异常对应干盐湖的卤水分布区,正异常主要分布于山前地区;应用于铁南凹地,自电负异常带南北长约24km,东西宽约3km,面积约100km2,解译该带为高盐度卤水的富集地。结果表明,自然电场法可为盐湖区寻找和评价卤水钾矿提供一种新的、快速的技术手段。

土石坝自然电场的三维数值模拟分析

土石坝作为重要的水利工程结构,其安全性与稳定性至关重要。得益于自然电场法对低阻体灵敏的特性,该方法在土石坝、水库渗漏检测中应用广泛。为了研究土石坝自然电场响应特征,首先推导了自然电场的基本方程,构建了有防渗墙无渗漏、无防渗墙无渗漏、有防渗墙有渗漏、无防渗墙有渗漏等4种土石坝模型,并给出对应的模型参数;随后详细分析了土石坝在不同情况下的达西速度、压力水头、含水饱和度、电阻率、自然电位等物性参数分布特征。通过对比有无防渗墙时以及有无渗漏时土石坝自然电场响应特征的差异,揭示了存在防渗墙时和存在渗漏时对自然电场的影响机制,并得出防渗墙可有效降低自然电位的幅值,而存在渗漏通道能够提高自然电位幅值的结论。本研究不仅深化了对土石坝自然电场特性响应特征的理解,也为自然电场法在土石坝渗漏检测中的应用提供了理论支撑。

自然电场的区域性变化特征

以场源为分类原则,地电场E由自然电场ESP和大地电场ET构成.ESP起源于地下介质物理、化学作用,通常其变化及稳定性具有明显的局部场地特征;ET起源于空间电流系和潮汐力,在日变波形、频谱特征上表现出广域性.在形成微观机理方面,ESP和ET能够具有部分相同的机理过程.2008—2013年,在南北地震带附近13个代表性场地,多数ESP不具有清晰的年变波形,其稳定性也受区域、场地、方位、构造活动等因素影响.在这些地区,ESP较平稳的持续升降、快速跃变、突跳等现象常见,同一主断裂带附近或局部区域内,这些大幅变化的趋势转折点多具有时间同步或准同步性,同一时段数据稳定性可能类似,但形态变化存在场地因素而不具相关性.ESP较平稳期间,应用潮汐地电场频谱特征计算的裂隙水主体渗流方位α易处于相对稳定状态,而在其剧烈变化期间的α常会明显变化.以潮汐地电场频谱特征逐日计算α值,可能揭示场地裂隙、裂隙水渗流、主压应力的逐日变化信息,进而可解析ESP、ET宏观变化的微观机理过程.

基于粒子群优化的自然电场数据反演

在分析测试粒子数、速度因子、目标函数等算法参数对粒子群优化算法效果的影响规律的基础上,设计自然电场粒子群优化反演算法,并对加入不同程度白噪声模拟数据进行反演试算。研究结果表明:设计的粒子群优化算法能有效实现对自然电场数据的反演,算法具有收敛速度快、稳定、反演精度较高和抗噪音能力强等优点,可以较为准确地得到异常体的位置、形态、极化角等参数,能较好地满足生成实际要求。

全方位自然电场观测方法和观测技术研究

自然电场是一种物理意义比较明确,变化(孕震)机理相对明晰的地球物理场,在矿产资源勘探、水文地质勘测等领域有着比较广泛的应用,在地震监测领域也有了多年的探索和实践.本文在初步研究全方位自然电场观测方法的基础上,重点分析和讨论了基于全方位自然电场观测技术,包括一种Pb-PbCl2不极化电极、多测道高精度数据测量、网络控制与数据通信等组件和模块的基本原理和技术实现方法,便携式设计和环境温度适应能力的技术实现途径等,并对天津市静海地震台的自然电场试验观测系统及观测数据进行了简要介绍和分析讨论.结果表明:①全方位自然电场观测方法能够捕捉到各个方向自然电场及其随时间的变化;②自然电场观测技术系统能够配合全方位自然电场观测方法,在360°范围内开展自然电场及其随时间变化的动态变化测量,具有较高的观测精度、较强的抗干扰能力和观测环境适应能力;③天津市静海地震台的试验观测系统记录到了可能与周边水系的季节性变化有关的自然电场全方位变化.

岩溶塌陷自然电场及其应用

流经土洞或岩溶塌陷坑中的地下水破坏了土层的固-液界面离子双电层扩散区中正、负电荷的平衡,引起地下介质(土层)自然极化,形成自上而下的自然电场。土洞或岩溶塌陷在平面上产生自然电位似同心圆负心异常、在剖面上引起极小值异常;自然电位梯度在剖面上出现过零点异常,在平面上呈以零值线为对称轴的正负对称的似"蝴蝶状"异常。岩溶区自然电场法干扰因素主要有工业游散电流等人文干扰电磁场、地下金属管道(线)自然极化电场、上升或下降泉自然电场、山地电场、炭质灰岩自然电场等。针对岩溶区自然电场法干扰因素特点,本文提出采用避让法、排除法、在线监测法进行消除,并将之应用于广西来宾市吉利村岩溶塌陷探测中。结果表明,自然电位剖面曲线在地面沉陷区中心附近出现极小值异常,自然电位梯度剖面曲线也在相同部位显示过零点异常。水文地质监测钻孔在相应的位置上分别揭露了塌陷堆积物、溶洞和断层破碎带,从而验证了上述自然电场法异常的属性。

自然电场法在工程勘查中的应用

本文结合两个工程实例 ,论述了自然电场法在水利工程中蓄水池和堤坝渗水等灾害问题研究上的重要作用。介绍了该方法在寻找游泳池和水坝渗漏点位置时的应用效果和经验。实践证明 ,在工作中合理选用方法技术是成功的关键。

自然电场全方位观测试验与地表影响因素分析研究

自然电场是由地球介质物理、化学作用产生的天然电场,是地电场的重要组成部分。2016年至2017年期间,在四川省成都市地震局所属崇州地震台,开展了自然电场全方位观测试验。试验结果显示:(1)零输入电压同步观测结果满足最大允许误差的指标要求,同点位电极极化电位差观测结果基本满足长期稳定性指标要求,观测系统总体工作可靠;(2)同测向多个测道对比观测结果具有比较好的一致性和相关性,能够基本反映该试验测区自然电场的变化特性;(3)自然电场全方位观测结果在各个测向具有比较大的差异性,受地表复杂因素影响可能为主要原因。进一步研究显示,当存在地表水的水平或横向渗流时,由此形成的过滤电场作用对自然电场观测产生的附加影响比较大,特别是当地形地貌比较复杂时,其影响更为明显。

基于卡尔曼滤波的自然电场数据时序反演

自然电场法常用于环境与工程等领域的监测作业,但各时刻观测数据往往单独反演解释.为了充分利用时序数据间的关联信息,提高监测数据的反演解释可靠性,提出基于卡尔曼滤波的自然电场监测数据时序反演方法.根据达西定律和阿尔奇公式建立污染物在孔隙介质中的运动扩散的动态地电模型,作为用于构建卡尔曼滤波的状态模型.而卡尔曼滤波的观测模型则通过常规的自然电场法正演获得.在建立状态模型和观测模型的基础上,构建起卡尔曼滤波递归,将地电模型演化信息与自然电场观测数据进行信息融合,实现自然电场监测数据的时序反演.加入噪声的自然电场模拟数据测试表明时序反演算法具有较好的鲁棒性,对噪声不敏感.沙槽物理实验监测数据的计算测试也同样证明时序反演能有效处理监测数据,实现对动态模型的准确重构.

震前自然电场的前兆及其可能机理

研究了震前自然电场的前兆及其可能机理。主要结论：（１）５．４－６．２级地震在１５０－２００ｋｍ， ７． ０－ ７． ９级地震在 ２５０ ｋｍ范围内自然电场出现前兆；（２）过滤电场、电化学电场、土体受压变密和机电转换可能是自然电场的前兆机理。

自然电场法与高密度电法联作在西江中下游岩溶区找水中的应用

基于溶洼区浅层岩溶地下水的渗流特性,研究富水岩溶地质结构在地下水渗流作用下引起的自然极化及由此形成的自然电场的分布特征,通过自然电场法与高密度电法联作,利用科研和中国地质调查局地质调查项目中探采结合井位的综合物探结果,探讨以自然电场法为主导、辅以高密度电法等综合物探方法,在西江中下游岩溶石山地区不同水文地质环境中寻找岩溶地下水的成功应用效果与失败的经验教训。研究结果表明,感应类电法(如瞬变电磁法、音频大地电磁测深法、地面核磁共振法、激发极化法、声频大地电场法、甚低频电磁法等)受电网、通信网络等人为电磁场干扰较严重;高密度电法抗人为电磁场干扰的能力较强,信噪比较高,但勘探深度相对较浅,且易受炭泥质灰岩、岩溶矿产等良导电岩矿体的干扰。自然电场法利用岩溶地下水运移引起的富水岩溶地质结构自然极化特征,自然电场异常与动态地下水的补给与运移状态关系较密切,自然电场法与基于探测目的体导电特性的高密度电法联作寻找溶洼区浅层地下水可起到方法互补、相互印证、提高探测分辨率与精度的作用。

自然电场的概率成像方法评价

对概率成像方法的原理作了详细的阐述,并对一些简单的有规则的模型进行了成像模拟;分析了扫描函数的选取、分辨能力、局限等对概率成像法的分辨能力的影响。

采掘扰动岩体破坏自然电场近源效应

在地下全空间地电场探测工作中,将自然电场对具体岩体动力过程(岩体破坏、地下水渗流、流固耦合演变等)的时域超前感应能力与直流电阻率法、激电法对物性的空间表征能力相结合,有望获取多相耦合系统演化探测及灾变预警的新突破,但须厘清自然电场对不同岩体动力过程的响应机理及特征。为克服跨尺度研究的困难并突破自然电场多种参数(自电位、自然电位、表面电位、感应电荷等)耦合分析的瓶颈,引入了矿山岩体力学相似材料模拟手段;基于对岩体破坏自然电场异常成因的阐述和对岩样加载实验(厘米级)、物理模拟实验(米级)、矿山原位实验(亚千米级)3种尺度的实测成果的系统论述,提出并阐述了采掘扰动岩体破坏自然电场响应过程中的近源效应的内涵、科学意义,同时指出了面向岩体破坏探测的自然电场法研究尚面临的关键问题。3类实测成果共同表明:自然电位的波动幅度、频率、相位都可指示采掘扰动岩体破坏特征,且因自然电场受破裂成因主导,近破裂区(近源区)自然电位的波动与远破裂区(远源区)有所不同,相对表现为高幅、高频、异相,故将其定义为一种近源效应;该效应的物理内涵为:自然电位波动幅度越大(近源区会更大),岩体释放能量越多、岩体破坏程度越高;幅度相当时,频率越高(近源区会更高),破裂事件越频繁,破坏程度越高;相位相异点越多(近源区会相异,远源区多相同),破裂点越多,破坏程度越高。对工程岩体破坏自然电场响应机理的深层揭示须受特定工程场景约束且有赖于多学科交叉研究的深入、模拟水平与测试技术的提升、对非线性信号分析方法的引入等,基于此可推动自然电场法、直流电阻率法、激电法并行探测及多参数特征融合方法的构建,为灾害源智能、精准探测及临灾预警提供新的地电学理论支撑。

可地浸层间氧化带砂岩型铀矿自然电场形成机理及自然电位异常模拟与应用

通过对可地浸砂岩型铀矿的地球化学特征及成矿物理化学条件分析,详细讨论了其自然电场的形成机理,建立了数学计算模型,并对常见形态矿体的自然电位异常进行了模拟计算,分析了曲线特征,讨论了自然电位异常地形校正方法,并给出了一种斜坡地形条件下的自然电位模拟曲线。最后,以一个实例说明该方法的有效性。

桂南陇瑞洼地浅层岩溶自然电场特征剖析

岩溶洼地地下水渗透流在一定的渗透压力作用下,通过洼地土层过滤后沿碳酸盐岩溶蚀裂隙网络或孔隙下渗补给岩溶管道或地下河等深层岩溶水,便会产生离子导电岩土层的自然极化现象和自然电场,这种自然电场的研究方法可用于洼地浅层岩溶水的探测。研究结果表明,陇瑞洼地浅层岩溶发育带产生的自然电场实测值的平面等值线在洼地中心部位上出现了场幅值-60^-80mV、带宽约40m的带状异常,异常带由北至南呈似"S"状分布;自然电位梯度实测值的平面等值线在岩溶发育带顶部在地面投影中心线附近出现由负值向正值过度的"零值"异常带,"零值"异常带平面分布位置的变化指示了洼地浅层岩溶发育的平面差异与变化。以第18测线为例,陇瑞洼地浅层岩溶自然电位在剖面上分布满足位函数分布特征,即自然电位在浅层岩溶带顶部(615/18测点附近)取得极小值,在极小值的两侧由于逐渐远离岩溶发育带自然电位幅值逐渐减弱,直至趋近于零;自然电场梯度在浅层岩溶带顶部(615/18测点)附近出现由负值向正值过度的"零点"异常,呈似中心对称曲线。水文地质监测钻孔在不同深度揭露了浅层溶洞、溶隙和断层破碎带,从而验证了自然电场法探测岩溶洼地浅层岩溶水资源的有效性。

裸眼井中自然电场分布研究

传统的界面电位模型认为裸眼井中自然电位分布在地层与泥浆的接触面上,这种模型不完善。根据现代电化学理论,提出了一种新的裸眼井中自然电场分布模型,该模型认为,地层的自然电场分布在整个泥浆侵入带中,沿泥浆侵入方向形成电位梯度,越接近井剖面电位越高,在侵入带末端电位消失。因此,可以得出自然电位测井的探测深度就是泥浆侵入深度,并可建立自然电位与泥浆侵入深度之间的关系。新模型是对传统模型的补充和拓展。

水岩耦合演化自然电场近源效应与临灾前兆

水岩耦合演化是重大水害防控面临的核心科学问题之一。在全空间地电场探测中,自然电场可指示水体流向且对渗流演化行为的时域响应更超前,将其与激励电场、感应电场对物性的空间表征能力相结合,可提升探测的时空精度、获取水岩耦合演化监测及临灾预警的新突破。在裂隙岩体渗流、破碎岩体渗流等非饱和渗流及突变过程中,鉴于自然电场受流动电位控制且与水岩耦合演化、尤其是过水区的演化密切相关,故把在自然电场全空间监测工作中出现的、水流充分接近测点(含覆盖)时诱发的自然电场异常响应定义为一种近源效应,其主要特征为:①不存在过水事件时,自然电位随水流向测点的靠近而攀升、随水流与测点的远离而下降;②存在过水事件时,自然电位随水流向测点的靠近而攀升、随水流覆盖测点而出现相位突变(相对其他测点而言)和负向跳变、而后恢复攀升趋势但最终随着水流与测点的远离而再次下降;③因裂隙发育的非均质性,同一条测线上往往只有部分测点发生过水事件,这可根据自然电位的相位突变、负向跳变及视电阻率(或电阻率)图中的低阻演化等综合响应特征予以识别。利用自然电场法与直流电阻率法的并行探测关键技术,可实现地下水渗流状态及观测系统过水事件的有效判识;由此再对自然电位与直流电阻率数据进行耦合分析,由此实现对导水通道及富水区演化特征的精细解释和对水岩耦合演化趋势的超前预测,为矿井、隧道、地铁及其他地下空间工程中的重大水害防控提供有效方法。