綜合物探在花崗巖嚴(yán)重缺水區(qū)地下水勘查中的應(yīng)用

田蒲源，朱慶俊

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定071051)

綜合物探在花崗巖嚴(yán)重缺水區(qū)地下水勘查中的應(yīng)用

田蒲源，朱慶俊

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定071051)

通過(guò)對(duì)音頻大地電磁測(cè)深法(EH4電導(dǎo)率成像系統(tǒng))、高密度電阻率法和激發(fā)極化法的技術(shù)原理以及勘查特點(diǎn)的分析研究，結(jié)合花崗巖嚴(yán)重缺水區(qū)地下水勘查的難點(diǎn)，以及在北京昌平長(zhǎng)陵鎮(zhèn)的找水實(shí)例，提出了幾種方法在組合形式、適用條件以及資料解釋等方面勘查地下水的技術(shù)模式，并在實(shí)際工作中進(jìn)行驗(yàn)證，取得了令人滿意的效果。

音頻大地電磁測(cè)深法;高密度電阻率法;激發(fā)極化法;地下水勘查

近年來(lái)由于自然因素和人類活動(dòng)的雙重影響，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源的矛盾日益突出，水資源問(wèn)題成了制約缺水地區(qū)人民生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素?；◢弾r區(qū)地下水資源分布復(fù)雜，在地下水勘查及開(kāi)采方面難度很大，一直以來(lái)都有“找水禁區(qū)”之稱。加強(qiáng)花崗巖嚴(yán)重缺水區(qū)地下水資源合理開(kāi)發(fā)利用，對(duì)于盡快改善缺水地區(qū)人民基本生活、生產(chǎn)條件、緩解農(nóng)牧業(yè)和工業(yè)用水矛盾，改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)缺水地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 技術(shù)方法原理簡(jiǎn)介

時(shí)代的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類社會(huì)正在發(fā)生日新月異的革新，地下水勘查地球物理技術(shù)方法也是如此。在二十世紀(jì)八九十年代，物探找水工作者通用的是音頻大地電場(chǎng)法與激發(fā)極化法的組合技術(shù)模式，之后，逐漸引進(jìn)并迅速掌握了核磁共振技術(shù)、高分辨率淺層地震技術(shù)、音頻大地電磁測(cè)深技術(shù)、高密度電阻率技術(shù)等等。在實(shí)際工作中，針對(duì)花崗巖地區(qū)地下水的水文地質(zhì)特征、地球物理特征以及開(kāi)展物探的工作條件(地形地貌、干擾源等)，選取經(jīng)濟(jì)有效的物探技術(shù)方法組合，能取得良好的應(yīng)用效果。

1.1 音頻大地電磁測(cè)深技術(shù)

目前常用的音頻大地電磁測(cè)深技術(shù)物探找水儀器是EH4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)，它是由美國(guó)GEOMETRICS和EMI公司聯(lián)合生產(chǎn)的。自從二十世紀(jì)九十年代中期引進(jìn)國(guó)內(nèi)以來(lái)，迅速推廣，在地下水勘查領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，深受地球物理工作者的喜愛(ài)。EH－4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)屬于部分可控源與天然場(chǎng)源相結(jié)合的一種大地電磁測(cè)深系統(tǒng)。其觀測(cè)的基本參數(shù)為時(shí)間域正交的電場(chǎng)分量(Ex、Ey)和磁場(chǎng)分量(Hx、Hy)。通過(guò)頻譜分析及一系列運(yùn)算，求得不同頻率的視電阻率值，通過(guò)改變頻率可以達(dá)到測(cè)深的目的?？醽喴曤娮杪视?jì)算公式如下:

式中f為電磁波頻率，ρ為地層視電阻率。

趨膚深度(探測(cè)深度)由下公式求得:

該系統(tǒng)由于配置不同而具有不同的勘探深度，其基本配置(頻率為10～100 Hz)的勘探深度為幾十至一千多米，低頻配置(頻率0.1 Hz～1 kHz)的勘探深度達(dá)3 000多米。在地下水勘查方面主要用于劃分地層巖性，確定含水體埋深、厚度，查明構(gòu)造規(guī)模、性質(zhì)、產(chǎn)狀及其裂隙發(fā)育程度等。

1.2 高密度電阻率法

高密度電阻率法就其本質(zhì)而言，與傳統(tǒng)的電阻率法完全相同，因此，它仍然以巖(礦)石的電性差異為基礎(chǔ)的一類電探方法，研究在施加電場(chǎng)作用下，地中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，從而達(dá)到勘探地質(zhì)體的目的。

高密度電阻法工作時(shí)，是將數(shù)十乃至數(shù)百根電極一次性布設(shè)完畢，每根電極既是供電電極又是測(cè)量電極。通過(guò)程控式多路電極轉(zhuǎn)換器選擇不同的電極組合方式和不同的極距間隔，從而完成野外數(shù)據(jù)的快速采集。對(duì)某一極距而言，其結(jié)果相當(dāng)于電阻率剖面法，而對(duì)同一記錄點(diǎn)處不同極距的觀測(cè)又相當(dāng)于一個(gè)電測(cè)深點(diǎn);所以高密度電阻法實(shí)際上就是電阻率剖面法和電阻率測(cè)深法的結(jié)合。

高密度電阻率法可以根據(jù)不同的勘探對(duì)象和地質(zhì)條件選擇不同的裝置形式或組合，其常見(jiàn)的電極裝置有溫納四極、偶極、施倫貝格、三極、二極裝置。

1.3 激發(fā)極化法

激發(fā)極化法找水通常被人們認(rèn)為是一種直接找水方法，其基本原理是:利用人工場(chǎng)(稱之為一次場(chǎng))，激發(fā)地質(zhì)體，產(chǎn)生極化場(chǎng)(稱之為二次場(chǎng))，通過(guò)測(cè)量反映二次場(chǎng)振幅大小及衰減快慢的視電阻率、半衰時(shí)、極化率、綜合參數(shù)等物理參數(shù)，來(lái)判斷含水體富水性。

2 技術(shù)組合模式和質(zhì)量保障措施

針對(duì)花崗巖區(qū)特殊的水文地質(zhì)條件，張性構(gòu)造裂隙是主要的地下水賦存空間。因此，確定構(gòu)造裂隙地下水為勘查工作的主要找水目標(biāo)。結(jié)合工作區(qū)域獨(dú)特的地形、地貌條件以及其他干擾因素，選取確實(shí)有效的物探工作方法，開(kāi)展地下水的勘查工作。

2.1 組合原則

工作中，物探方法選擇視地質(zhì)條件、地形條件以及電磁干擾程度不同而有所不同:

(1)在電磁干擾少、第四系覆蓋層較薄的花崗巖、閃長(zhǎng)巖山區(qū)，以查明斷裂破碎帶的空間形態(tài)和富水狀況為目的工作，可選擇EH－4法、激發(fā)極化法的組合模式。

(2)在電磁干擾大、工作場(chǎng)地較寬廣的花崗巖、閃長(zhǎng)巖山區(qū)，以查明斷裂破碎帶的空間形態(tài)、風(fēng)化殼厚度和其富水狀況為目的工作，可選擇高密度電法和激發(fā)極化法的組合模式。

2.2 質(zhì)量保障措施

2.2.1 音頻大地電磁測(cè)深法

在野外工作中頻率域電磁測(cè)深法在開(kāi)工前后均進(jìn)行平行試驗(yàn)，在數(shù)據(jù)采集時(shí)增加疊加次數(shù)、選擇好的勘測(cè)地點(diǎn)、盡量選擇好的工作時(shí)段、采集過(guò)程中對(duì)時(shí)序文件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、重復(fù)測(cè)量等方法來(lái)確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。在原始資料預(yù)處理階段，首先對(duì)照野外原始記錄檢查各個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)及電極距的正確性;其次，重新回放每個(gè)測(cè)點(diǎn)的原始時(shí)序文件，對(duì)整條測(cè)線逐點(diǎn)、逐屏的對(duì)時(shí)序進(jìn)行挑選，剔除存在著明顯干擾的時(shí)序信號(hào)，減少隨機(jī)干擾對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。

2.2.2 高密度電阻率法

高密度電阻率法野外工作中常見(jiàn)的問(wèn)題為極化補(bǔ)償問(wèn)題、供電時(shí)間問(wèn)題以及接地電阻問(wèn)題。

目前應(yīng)用的SuperSting高密度電阻率儀具備自電補(bǔ)償能力，在電阻率測(cè)量過(guò)程中可完全消除穩(wěn)定的或線性變化的自然電位;同時(shí)，由于高密度電法數(shù)據(jù)采集快，供電電極供完電后，馬上又轉(zhuǎn)換成測(cè)量電極，極化電位會(huì)給測(cè)量帶來(lái)較大的誤差。針對(duì)這一情況，野外工作中，我們適當(dāng)選擇電偶極距以及供電時(shí)間，盡量避免由電極極化造成的電位差測(cè)量誤差。

盡管SuperSting高密度電阻率儀的輸入電阻可高達(dá)20 MΩ，但由于當(dāng)接地電阻較大時(shí)，造成極化補(bǔ)償困難。野外工作中，在數(shù)據(jù)測(cè)量之前，對(duì)接地電極進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)于接地電阻大的電極，采用深埋或澆水方法來(lái)減小接地電阻。

2.2.3 激發(fā)極化法

在野外工作開(kāi)工前首先對(duì)儀器進(jìn)行硬件測(cè)試，儀器測(cè)試正常后再開(kāi)展工作。不極化電極在工作前使用飽和鹽水浸泡，工作過(guò)程中保證其埋入濕土中。測(cè)量過(guò)程中保證測(cè)量電流值位于較大的水平，當(dāng)電流值較小時(shí)采用加大供電量，增加電極數(shù)，在電極旁澆水等手段。

3 應(yīng)用實(shí)例

花崗巖含水構(gòu)造通常為富水?dāng)鄬?，多為燕山期或新?gòu)造運(yùn)動(dòng)形成或復(fù)活小型張性斷裂。寬幾米至幾十米;發(fā)育深度一般小于500 m，張開(kāi)的透水性好的裂隙，深度一般不超過(guò)200 m;傾角較大，通常為70°～85°。北莊村地處北京市昌平區(qū)長(zhǎng)陵鎮(zhèn)東北邊界，地處燕山、太行山支脈的結(jié)合地帶，屬低山丘陵地貌。第四系覆蓋很薄，沉積地層發(fā)育很不完全，主要巖性為中生代巖漿巖。村莊位于近東西向溝谷中，溝內(nèi)找年有水，旱季流量較小。村莊飲水水源為溝谷內(nèi)的兩口大口井，井深5～6 m。據(jù)村民反映，水的口感差，有腥味，且認(rèn)為近年來(lái)村內(nèi)癌癥發(fā)病率高與飲用水源有關(guān)系。村西主溝南側(cè)山坡發(fā)育近南北向支溝，溝谷平直，延伸較遠(yuǎn)。溝西側(cè)為二長(zhǎng)花崗巖，東側(cè)為正長(zhǎng)巖，判斷沿支溝發(fā)育斷層。若南北向斷層存在，且支溝的匯水面積較大，具備一定厚度的風(fēng)化殼，可以淺部風(fēng)化帶孔隙裂隙水結(jié)合深部的構(gòu)造裂隙水作為供水目標(biāo)層。本次采用上述勘查技術(shù)模式在村西主溝南側(cè)山坡進(jìn)行野外勘查，取得了成功。

在地勢(shì)較低、場(chǎng)地較寬闊的地段布設(shè)高密度測(cè)線一條，采用施倫貝格采集裝置。圖1為勘查結(jié)果生成的電阻率剖面圖，由圖可見(jiàn)剖面中部?jī)蓚€(gè)低阻異常帶(140 m處和200 m處)被中部高阻分隔，二者傾角較陡，傾向相向。剖面140 m處低阻為正長(zhǎng)斑巖巖脈反映(地表出露)，巖脈節(jié)理發(fā)育，呈碎塊狀。從低阻帶與圍巖的電性差異推測(cè)，正長(zhǎng)斑巖巖脈或富水或有礦物侵入。

在離高密度測(cè)線垂直距離約30 m處布置一條EH－4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)勘查測(cè)線，其方向與高密度測(cè)線大致相同。圖2為EH－4采集數(shù)據(jù)經(jīng)隨機(jī)附帶的反演軟件進(jìn)行擬反演后的結(jié)果?？辈榻Y(jié)果同樣揭示了測(cè)線上兩個(gè)低阻異常帶的存在(對(duì)應(yīng)于剖面55 m處和160 m處)。

圖1 北莊高密度勘查結(jié)果

圖2 北莊EH4勘查結(jié)果

兩條測(cè)線揭示出兩條斷層的走向?yàn)楸睎|10°左右。為了判斷斷層的富水性，選取EH－4測(cè)線57 m處開(kāi)展激電測(cè)深工作，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 北莊激發(fā)極化法勘查結(jié)果

從激電參數(shù)分析，在AB/2為40～60 m范圍內(nèi)，視電阻率，極化率以及半衰時(shí)出現(xiàn)小幅高值異常，綜合三個(gè)激電參數(shù)高值異常分析，推測(cè)斷層富水性較好。綜合分析三種物探成果，在EH－4測(cè)線57 m位置布置1個(gè)孔位設(shè)計(jì)井深120 m。鉆探結(jié)果表明第四系覆蓋小于1 m，0～10 m為風(fēng)化層，以下均為中生代花崗巖，在約55 m處為主要破碎出水段，出水量約120，解決了該村居民人畜飲水困難問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論和實(shí)踐表明，在花崗巖嚴(yán)重缺水區(qū)，音頻大地電磁測(cè)深法、高密度電阻率法與激發(fā)極化法組合勘查地下水的技術(shù)模式是一種可行有效的技術(shù)手段。

當(dāng)電磁干擾嚴(yán)重，電磁法類手段無(wú)法開(kāi)展工作時(shí)，宜采用高密度電法(直流電法)勘查。此時(shí)高密度電法采用多種裝置開(kāi)展工作。資料解釋時(shí)可求同存異，以提高資料解釋的精度。由于受場(chǎng)地大小限制，高密度電法的勘查深度有限;當(dāng)工區(qū)地形條件較好時(shí)，則可與激電測(cè)深法相結(jié)合。激電測(cè)深法的勘探深度大于高密度電法，可以彌補(bǔ)高密度法勘探深度不足的缺陷;同時(shí)，可根據(jù)高密度勘查結(jié)果，結(jié)合激電測(cè)深結(jié)果和地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，分析斷層的發(fā)育規(guī)模，預(yù)測(cè)斷層的發(fā)育深度，有效確定井位和設(shè)計(jì)井深。

高密度電法對(duì)淺部分辨率高，反演結(jié)果受靜態(tài)影響小;而EH－4法勘探深度大，可彌補(bǔ)高密度法的不足，同時(shí)，EH－4法由淺部不均勻體引起的靜態(tài)效應(yīng)較強(qiáng)，對(duì)斷層反映易形成從淺至深的縱向低阻條帶，與實(shí)際結(jié)果有所偏差，可通過(guò)高密度結(jié)果和EH－4結(jié)果的共同解釋有效分析斷層的空間發(fā)育特征，結(jié)合水位埋深和斷層規(guī)模，較準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)井位。

激電測(cè)深結(jié)果不僅反映地層結(jié)構(gòu)，其二次場(chǎng)參數(shù)與地層富水性息息相關(guān)，在花崗巖區(qū)亦可指示由巖石礦化或礦物侵入引起的水質(zhì)問(wèn)題，是花崗巖區(qū)工作不可或缺的技術(shù)手段。

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1004－1184(2012)03－0125－03

2012－03－12

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(1212011121149)，華北地方病嚴(yán)重區(qū)地下水勘察及供水安全示范(1212011121149)

田蒲源(1983－)，男，河北保定人，助理工程師，碩士研究生，主要從事物探技術(shù)應(yīng)用及地下水勘查。