内容简介

本书系统介绍了构建天然电场选频法的完整体系，内容包括天然电场选频法的方法原理、天然电场选频法的模型实验、天然电场选频法勘探技术模式、天然电场选频法的干扰因素分析以及天然电场选频法的野外工作实例等。本书可供地球物理勘探、水文地质和工程地质等领域的从业者以及相关专业院校和科研单位的研究者参考和应用。本书是构建天然电场选频法完整体系的一本专著。内容包括理论体系（方法原理和模型试验）、勘探体系（勘探的步骤、方法、装置和需要注意的问题，以及工作质量检查、资料解释和干扰因素分析等内容）以及应用体系（列举应用这种物探方法解决各种地质问题的典型野外工作实例）。
本书中，作者提出了通过大量野外实践而总结出来的一套应用天然电场选频法解决地质问题的“天然电场选频法勘探技术模式”，并详细阐述了该勘探技术模式中各种野外测量方法的装置内容、勘探目的、工作要点以及需要注意的问题等内容；详细说明了应用该勘探技术模式的“剖面测量”可快速确定井位置（或矿体位置）、“环形剖面测量”可预估单井涌水量（或矿体品位）以及“测深法测量”可推断含水层（或矿层）的层数及每层的深度厚度等地质信息。特别是在该勘探技术模式中提出了天然电场选频法独有的长线测深法（测深法）。为了更加有效地应用天然电场选频法解决各种地质问题，作者根据该方法特点，在本书中提出了在勘探工作中应采取“多装置、多频率、多方位”测量、剖面测量与测深法测量并重、频率测深法与非频率测深法相结合的观点。
本书是作者经过对天然电场选频法四十多年的研究并结合长期野外实际生产和教学实践而写成的专著，从理论到实践，内容丰富，深入浅出，可供地球物理勘探、水文地质和工程地质等领域的从业者以及相关专业院校和科研单位的研究者参考和应用。

前言概述

天然电场选频法作为一种新的物探方法，自20世纪80年代初研究成功并推向社会以来，因其具有地质效果好、轻便、快捷、用人少和应用范围广等特点，并在地下水勘探、矿产勘探、工程地质与灾害地质勘探以及地热勘探等方面都取得了良好的地质效果，已经被越来越多的地勘工作者了解和应用。为了让读者对该方法有一个更清晰的认识，作者在此首先对其做一个总体概述，更详细的内容将在后文的相关章节中进行具体论述。（1）天然电场选频法的定义。天然电场选频法（简称选频法）是以大地电磁场作为工作场源，以地下岩矿石电性差异为基础，根据在地面上测量大地电磁场的电场水平分量中几个或几十个不同频率的电场强度变化规律，来研究地下电性的变化情况，以达到解决地质问题的一种交流电勘探方法。
作者之所以将该物探方法命名为“天然电场选频法”，一方面是因为该方法测量的是大地电磁场的电场水平分量，故其名称中包含了“天然电场”；另一方面是因为该方法测量的是电场水平分量中几个或几十个不同频率的电场强度，即对电场水平分量进行了选频，故其名称中又包含了“选频”。因此，这种物探方法被总称为“天然电场选频法”。而根据该方法理论设计生产制造的仪器，被称为“天然电场选频物探测量仪”，简称“天然电场选频仪”或“选频仪”。可以看出，天然电场选频法具有科学严谨的定义，并且拥有自己的一套完整的理论体系和勘探体系。因此，天然电场选频法绝不能与自然电场法、天电法、天然电场法等电法勘探方法混为一谈。
（2）天然电场选频法创新的核心。上述对于“天然电场选频法”的定义，一方面指出了天然电场选频法是一种交流电法；另一方面指出了这种物探方法所使用的工作场源、应用的物质基础以及测量的物理量与其他电法方法的不同之处。这种物探方法创新的精髓是选择大地电磁场的电场水平分量中几个或几十个不同频率的电场强度作为研究对象，即对电场水平分量进行了选频，以达到解决地质问题的目的。因此，“对电场水平分量进行选频”是天然电场选频法创新的核心，而“选频”则表明该物探方法的勘探内容包括两个方面，一方面具有“测量几个不同频率的剖面测量法”；另一方面具有“测量几十个或更多不同频率的频率测深法”。天然电场选频法的这种创新，使该方法具有鲜明的特色和突出的优势，即实现了“多频率、多装置、多方位”观测、剖面测量与测深法测量并重、频率测深法（ρr-f测深法）与非频率测深法即长线测深法（ρr-MN测深法）相结合。天然电场选频法所具有的这套“三多、两并重、两结合”特点的工作方法是区别于其他交流电法的不同处之一，也是天然电场选频法扬长避短的重要措施，同时构成了天然电场选频法勘探体系——天然电场选频法勘探技术模式的重要思想。在勘探工作中，采用这套独具特色的天然电场选频法勘探技术模式，可以获得多种测量参数，实现测量资料互相对比印证，抑制或消除干扰，突出地质体异常，最终达到提高解决地质问题的成功率，获得良好地质效果的目的。
（3）天然电场选频法的理论研究。任何一种物探方法的理论研究，目的都在于更本质地揭示这种物探方法的物理场时间和空间的分布特点及规律，找出场的变化规律和地质体之间的内在联系，从而更好地应用这种物探方法去解决实际工作中遇到的各种地质问题。简而言之，物探方法理论研究的最终目的是为了解决实际的地质问题。天然电场选频法理论研究的最终目的也是如此。天然电场选频法具有自己的特点。其工作场源是大地电磁场，场的来源、成分和结构是多元的，且测量频率的范围跨度大——从高频到音频再到低频，甚至超低频以及传导类低频电流场都有可能被使用到。在多元场源的作用下，地质体产生的二次场也是多元的。在传导类低频电流场作用下（如游散电流场），可以获得类似电阻率法的视电阻率剖面异常；在超低频交流电磁场作用下，可以产生交流感应激发极化率异常；在高频和低频交流电磁场作用下，可以形成感应的二次电磁场。基于这些原因，天然电场选频法理论所研究的内容、方式和方法也是多元的，要根据具体研究对象的不同性质、不同前提和不同条件而确定。例如，可以利用麦克斯韦方程进行求解；也可以利用矢量位进行求解；在城镇矿区及其周围开展测量工作时，工业电器设备接地或漏电以及农村某些电网采用“二线一地”制供电等原因，造成交流电直接供入大地形成大地电流场，这种情况相当于向地下供以传导类低频交流电流，可以利用稳定电流场或似稳定电流场的拉普拉斯方程进行求解；在交变电磁场作用下，对于复杂形体产生的二次场可以利用近似分析法进行求解；其他求解方法还有模型实验求解法以及经验法求解法等。为解决实际地质问题，这些求解方法中已有部分被应用于天然电场选频法，并获得了良好的地质效果。因此，作者认为应当在实践中不断研究、总结和发展天然电场选频法的理论基础。
天然电场选频法属于测量单分量的交流电方法，同时又属于无量纲电阻率测量方法，测量结果为沿地质体水平方向（剖面测量法）或垂直方向（测深测量法）变化的无量纲电阻率。这与传统的Cagniard模型正演结果有很多不同之处。从电磁场理论可知，由于交变电磁场在不均匀介质传播过程中表现得较为复杂，介质中的电场与磁场不成正交关系，电流矢量j和电场矢量E方向不一致，电场分量Ex不仅与正交的磁分量Hy有关，而且与同向的磁分量Hx有关，所以在测量电分量Ex和磁分量Hy的电磁测深法中可以引入张量阻抗概念，采用Cagniard模型解决频率测深问题；而天然电场选频法是单分量测量方法，又是无量纲电阻率测量方法，无法采用Cagniard模型去解决频率测深问题。因此，在进行天然电场选频法地质模型的正演与反演的过程中所遇到的问题将会更加繁琐和复杂，这个课题还有待今后进一步研究。鉴于此，天然电场选频法只能根据本方法自身的条件和特点，另辟蹊径来解决勘探地质体深度的问题。针对这个问题，一方面，作者经过深入研究和大量野外实践，将公式：
δ=5035ρf中所表示的电磁波穿透深度δ（也称勘探深度）与电阻率ρ、频率f三者之间的关系作为基本原理，再结合大量的野外实践经验，选择合适的仪器测量参数和数据采集方式，以及采用相应的软硬件数据处理方法，创新地解决了天然电场选频法的频率测深法（ρr-f测深法）问题。另一方面，作者又成功研究出另一种非频率测深方法——长线测深法（ρr-MN测深法）。这种测深方法是天然电场选频法所独有的，而其他交流电法所不具有的一种测深方法。根据作者长期在野外实际工作中应用该测深方法获得的勘探结果来看，该测深方法能够比较准确地确定地质体的层数及各层的深度和厚度，同时还具有区分异常等功能。以上这些研究成果也是作者对天然电场选频法理论体系和勘探体系所做出的一个重要贡献。
天然电场选频法属于交流电勘探方法的范畴。从交流电法理论的角度而言，天然电场选频法与很多人工场源或天然场源的交流电法有着相同或相似之处。只要清楚这些交流电法理论的应用前提和条件，就可以在天然电场选频法中借鉴或应用这些交流电法的理论，实现相互融合，取长补短，共同发展。虽然天然电场选频法应用于地勘工作已有30多年，并取得了良好的地质效果，且有越来越多的物探工作者从事该方法的理论研究和实际应用，但是和其他传统的电法方法相比，该方法仍然是一种新的物探方法，还面临许多尚待探索、研究、解决和完善的课题。作者编撰本书的目的也是希望为天然电场选频法的发展尽自己的一份绵薄之力，同时希望和广大物探工作者一起共同推动天然电场选频法的应用和发展。
本书力图从方法理论和野外实践两个方面对天然电场选频法进行一个全面系统的介绍。第1章和第2章主要阐述天然电场选频法的理论体系，包括方法原理和模型实验。第3章和第4章阐述天然电场选频法的勘探体系，即讨论天然电场选频法的勘探技术模式，论述天然电场选频法在野外勘探工作中解决地质问题的勘探步骤、方法、装置和需要注意的问题，以及工作质量检查、资料解释和干扰因素分析等内容。第5章阐述天然电场选频法的应用体系，其中列举了应用天然电场选频法解决地下水勘探、矿产勘探、工程地质与灾害地质勘探以及地热勘探等地质问题的大量野外典型工作实例，供读者参考。
在本书中，作者提出了通过大量野外实践而总结出来的一套应用天然电场选频法解决地质问题的“天然电场选频法勘探技术模式”，并详细阐述了该勘探技术模式中各种野外测量方法的装置内容、勘探目的、工作要点以及需要注意的问题等内容；详细说明了应用该勘探技术模式的“剖面测量”可快速确定井位置（或矿体位置）、“环形剖面测量”可预估单井涌水量（或矿体品位）以及“测探法测量”可推断含水层：（或矿层）的层数及每层的深度厚度等地质信息。特别是在该勘探技术模式中提出了天然电场选频法独有的长线测深法（ρr-MN测深法）。为了更加有效地应用天然电场选频法解决各种地质问题，作者根据该方法特点，在本书中提出了在勘探工作中应采取“多装置、多频率、多方位”测量、剖面测量与测深法测量并重、频率测深法与非频率测深法相结合的观点。
本书是作者经过对天然电场选频法40多年的理论研究并结合教学实践和野外实际工作而写成的专著。该书最早曾作为物探专业及全国天然电场选频法学习班的教材使用，后经补充修订又作为北京杰科创业科技有限公司销售的JK系列天然电场选频仪的培训资料使用。现为了让更多相关人员了解、学习和应用天然电场选频法，又再次补充修订后正式出版。本书内容丰富，从理论到实践，深入浅出，可供地球物理勘探、水文地质和工程地质等领域的从业者以及相关专业院校和科研单位的研究者参考和应用。本书所有勘探实例的测量数据都是通过使用作者所研发的天然电场选频仪测量获得的，其中1984年之前的由“DX-1型天然电场选频仪”测量获得，之后的均由“微机自动选频物探测量仪（简称微机选频仪）”和“JK系列天然电场选频物探测量仪（简称JK选频仪）”测量获得。其中大部分勘探实例都是由作者在野外工作中亲力亲为所得，少数勘探实例由北京杰科创业科技有限公司的客户提供。在此，作者也向这些为本书撰写提供勘探实例的客户表示衷心感谢。

作者介绍

韩荣波，1938年10月生于广西梧州，天然电场选频法的提出者和天然电场选频仪的发明人，地球物理勘探副教授，现任北京杰科创业科技有限公司总工。从事物探科研、教学和生产工作五十余年，在地下水勘探、矿产勘探、工程地质与灾害地质勘探以及地热勘探方面积累了丰富的实践经验。曾在国家及省级刊物、会议上发表过十余篇论文。其中从事天然电场选频法的理论研究和野外实践工作长达四十余年，在此期间通过不断研究和实践逐步构建并完善了该物探方法的理论体系、勘探体系和应用体系，总结出一套应用天然电场选频法和天然电场选频仪解决地质问题的勘探技术模式，探索出一条具有地质效果显著、轻便、快捷、用人少（只需两人）、应用范围广等特色的找水找矿创新之路。1958年至1963年就读于北京地质学院（现中国地质大学）地球物理勘探系。1963年毕业后分配到中国地质科学院（北京百万庄）物探研究所第二研究室专门从事交流电勘探方法的研究工作。从事多年野外工作后又调入赣州地质学校和郑州地质学校任物探教学工作。1984年至1994年担任郑州地质学校物探专业主任，河南省地球物理勘探委员会副主任，全国中等地质学校物探专业委员会副主任。1984年首次提出“天然电场选频法”并研制成功“天然电场选频仪”。其中天然电场选频法于1984年8月8日至10日由河南省地质矿产局组织专家评审委员会评审通过，并荣获1984年度河南省科学技术进步三等奖。同年由该局下发文件推广应用该物探新方法。1985年首次研制成功带微处理器的自动化天然电场选频仪——“微机自动选频物探测量仪”，于1986年3月申请并获得国家首批专利，专利号：86201631.2。1996年首次研制成功“天然电场选频电位差比物探测量仪”，专利号：96222718.8。2003年首次研制成功“全自动天然电场选频物探测量仪”，专利号：201120041512.4。2010年首次研制成功“高密度天然电场选频物探测量仪”，专利号：201020128870.4。2010年首次研制成功搭载Windows
CE操作系统的天然电场选频仪，专利号：201120059125.3。2013年首次研制成功剖面频率可调、测深频率可设置的天然电场选频仪。2013年首次研制成功可以在仪器屏幕上直接显示二维图的天然电场选频仪。2016年首次研制成功可以设置勘探步长和勘探深度的天然电场选频仪。