物探方法在水文地質(zhì)詳查中的應(yīng)用

呂 英

（山西省水文水資源勘測局 山西太原 030001）

0 引言

物探是地球物理勘探的簡稱，它是以地下巖土層（或地質(zhì)體）的物性差異為基礎(chǔ)，通過儀器觀測自然場或人工物理場的變化，確定地下地質(zhì)體的空間展布范圍（大小、形狀、埋深等）并可測定地下巖土層的物性參數(shù)，達(dá)到解決地質(zhì)問題的一種物理勘探方法。

按照勘探對象的不同，物探技術(shù)分為三大分支，即石油物探、固體礦物探和水工環(huán)物探（簡稱工程物探），水利系統(tǒng)使用的物探屬于工程物探。

水文地質(zhì)詳查就是基本查明工作區(qū)域水文地質(zhì)條件，對地下水可采資源及其開發(fā)利用作出評價，并為地區(qū)發(fā)展總體規(guī)劃及水源地建立提供依據(jù)的水文地質(zhì)勘查階段。

工程物探技術(shù)方法依據(jù)原理和設(shè)備的不同種類眾多，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新方法、新技術(shù)、新儀器不斷面世。以下介紹實際工作中用的電法勘探技術(shù)。

1 電阻率法

巖石電阻率是由礦物成分、顆粒結(jié)構(gòu)、孔隙度、含水量及水的礦化度諸因素決定的，其中含水程度是一主要因素，對同一巖石含不含水，在電阻率數(shù)值上有很大差異。采用電阻率法是通過測定地質(zhì)體的電阻率在其空間的分布規(guī)律，查明地質(zhì)體的層位產(chǎn)狀，從而達(dá)到探測目的的一種手段。電阻率法找水就是以含水巖層與圍巖電阻率的明顯不同為依據(jù)，發(fā)現(xiàn)和探查含水巖層的空間展布，儲水條件，來尋找地下水。它是一種間接找水的方法。

電阻率法的裝置類型有聯(lián)合剖面裝置、溫納和等比測深裝置、對稱四級裝置等，均是以獲得從淺到深不同測深的地下電性（導(dǎo)電性和激電性）變化為目的。

單一的電阻率法，工作成本低，但跑極勞動強度大，工作效率低，同時實際工作中常遇到以下問題：

（1）我省山區(qū)占全省面積的72%，地形起伏較大，地表介質(zhì)不均勻，在地形復(fù)雜的太行、呂梁山區(qū)勘測時，所測的電測深曲線畸變點很多，不容易確定水的異常。

（2）從電性特征來講，巖溶含水層是相對的良導(dǎo)體，它與完整石灰?guī)r和巖溶裂隙不發(fā)育灰?guī)r比，呈低阻反映，即高阻中找低阻，確定含水層。但引起低阻異常的并不完全是水的反映。如石灰?guī)r夾厚層泥灰?guī)r或角礫狀泥灰?guī)r，被壤土碎石充填的古溶洞，斷層擠壓帶等，在電測深曲線上反映都是低阻異常，單從物性推斷含水層的埋藏深度及其富水性時，可能錯把干擾因素當(dāng)成水的異常。

此外，含水層的大小，還取決于地質(zhì)單元的匯水面積、補給來源和滲透通道等綜合因素。

2 激發(fā)極化法

激發(fā)極化法是物探找水中一種應(yīng)用廣泛且行之有效的方法，激發(fā)極化法所采用的電極裝置與電阻率法相同。當(dāng)通過供電極AB向地下供以恒定的直流電時，測量電極MN之間就會產(chǎn)生一次場△V1，隨著時間的變化該電位不斷上升（2～5min）之后趨于飽和，斷電后測量電極間仍存在隨時間而衰減的微小電位差△V2，并在幾分鐘后逐漸衰減到零。這種在充電和放電過程中產(chǎn)生隨時間而變化的附加電場的現(xiàn)象稱為“激發(fā)極化效應(yīng)”簡稱“二次場”。

由于該法不受純地形起伏及圍巖電阻率不均勻性的影響，具有充分利用時間（或頻率）的特性，多個參數(shù)對巖溶裂隙水的水位埋深和相對富水帶反映較直觀，電阻率法提到的干擾因素一般不產(chǎn)生激發(fā)極化效應(yīng)。因為激電二次場與巖石的孔隙度有關(guān)，在純粹的泥巖中極化率比較小，在含水砂礫巖中極化率比較大。實際工作中總結(jié)特點如下：

（1）主要參數(shù)有極化率η對碳質(zhì)灰?guī)r、金屬顆粒有較強反映。

（2）二次場的衰減度D作為衡量二次場放電快慢的參數(shù)，D值越小、說明放電越快，D值越大、說明放電越慢。D參數(shù)測深曲線異常峰值常與某些地質(zhì)界面相對應(yīng)，具有較高的相關(guān)性。

（3）激化比J，取極化率η和衰減度D的乘積，可使異常放大，通常含水層上η和D值均較高，反映更明顯，并且該參數(shù)對含碳質(zhì)巖層的影響也有較好的壓制。

（4）激發(fā)極化法主要研究衰變場離子導(dǎo)體的激發(fā)極化特征，而離子體所產(chǎn)生的二次場電位差很微弱。對于交流電等工業(yè)信號嚴(yán)重干擾的情況下是無法進行工作的。實際工作經(jīng)驗得知，不含水的土層和巖石激化比J＜0.2%，當(dāng)AB/2超過300m時，一次電位差只有20～30mV，這時的△V2便小于0.1mV,而工業(yè)交流電的干擾電位差往往大于0.1mV，此時所測量的數(shù)據(jù)是干擾電位。因此激發(fā)極化法常用于工業(yè)不發(fā)達(dá)的丘陵山區(qū)勘查地下水。

3 高密度電法

高密度電法集中了電剖面法和電測深法兩法的特點，其原理與普通電阻率法相同，所不同的是在觀測中設(shè)置了高密度的觀測點，是一種陣列勘探方法。在我省由北向南，展布了一系列“多”字形斷陷盆地。高密度電法在太原盆地、大同盆地、運城盆地咸水區(qū)找淡水勘查中發(fā)揮了重要作用。野外測量時將全部電極（幾十至上百根）置于剖面上，利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機工程電測儀，實現(xiàn)了剖面中不同電極距、不同電極排列方式的數(shù)據(jù)快速自動采集，同時使得資料中的可利用信息大為豐富。高密度電法實現(xiàn)了野外測量數(shù)據(jù)的快速、自動和智能化采集，與常規(guī)的電阻率相比，高密度電法具有以下優(yōu)點：

（1）電極布置一次完成，減少了電極設(shè)置引起的故障和干擾，提高了效率。

（2）能夠選用多種電極排列方式進行測量，獲得豐富的地電斷面的信息。

（3）野外數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)自動化，提高了采集速度，避免了手工操作誤差。

（4）高密度電法資料的電阻率反演解釋，從一維和二維發(fā)展到三維，極大地提高了地電資料的解釋精度。如用二維板狀近似斷層，三維球體近似溶洞等。

高密度電法勘探裝置的選擇、資料的解釋是兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。排列裝置選擇合適與否，直接關(guān)系到是否測試出探測目的所反映的異常。實際工作中多采用四級裝置，進行剖面勘探，不大適合于勘探深度較大的電測深，同時盡量避免地形的起伏因素，這樣受地形因素影響較小，電測剖面形態(tài)較好判斷。

4 大功率激電測深法

目前，地理條件好，淺層的地球物理勘探基本完工，勘查對象主要為隱伏和深埋地層，這就對地球物理勘探提出了新要求。大功率激電測深法因其發(fā)送功率大，勘探深度也加大，信噪比高，獲得的數(shù)據(jù)更加可靠。大功率激電測深采用電阻率法中的各種裝置，根據(jù)任務(wù)要求、工作區(qū)的地質(zhì)、地球物理條件和裝置本身的特點，測量電極距MN通常取大于干擾體的直徑，取得最大異常，野外勘測時一般按MN/AB=1/30～1/50，AB=(4～10)h關(guān)系確定,h為極化體的頂端埋深。

隨著極距的擴大，電阻率不均勻、地形起伏、供電極位置等因素的影響也相對加大，往往造成異?；儭Ｔ谝巴庾鳂I(yè)時根據(jù)已知鉆孔資料取得真實深度與相應(yīng)電極距間的比值關(guān)系，結(jié)合實踐經(jīng)驗選擇作業(yè)區(qū)內(nèi)“最佳”極距。

5 可控源音頻的大地電磁法

可控源音頻大地電磁法（簡稱CSAMT法），基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組建立視電阻率和電磁場比值之間的關(guān)系，

式中Ex為沿x方向的電場分量，Hy為與Ex垂直方向上的磁場的水平分量，經(jīng)過運算就可獲得地層的視電阻率ρs。

并且根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論得出電磁波的傳播深度（或探測深度）與頻率之間的關(guān)系：

式中H為探測深度，m；ρ地層電阻率；f為電磁波的發(fā)射頻率。

這樣可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測深度，達(dá)到頻率測深的目的，屬于物探技術(shù)中的交流電法。使用專用軟件進行資料處理，結(jié)合地質(zhì)情況對異常推斷解釋。具有以下優(yōu)點：

（1）使用人工發(fā)射的可以控制的場源，測量參數(shù)為電場與磁場之比—肯尼亞電阻率，增強了抗干擾能力，探測深度可達(dá)2km,并兼有剖面和測深的雙重性質(zhì),解決了天然電磁場信號微弱、易受自然環(huán)境影響的不足。

（2）利用改變頻率進行不同深度的電測深，一次發(fā)射可同時完成7個點的電磁測深，提高了工作效率。橫向分辨率高，可以靈敏地發(fā)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造，找到儲水?dāng)鄬印?/p>

（3）大地電磁法克服了直流電法需人工跑極，勞動強度大的缺點，具有采樣密度大，穿透能力強，解釋速度快，精度高等優(yōu)點。不同深度地質(zhì)體的埋深、厚度、產(chǎn)狀等地質(zhì)參數(shù)，通過專用軟件對探測數(shù)據(jù)解釋，得出地下巖層的巖性、厚度、顆粒大小、地質(zhì)構(gòu)造的產(chǎn)狀等物探成果。進一步對物探成果資料進行分析解釋，可以推斷地下不同地層的的富水性、厚度、埋深、分布范圍。

（4）CSAMT法作為普通電阻率法和激發(fā)極化法的補充還可以解決深層地質(zhì)問題，如尋找深部基巖裂隙水，地?zé)峥辈榈取?/p>

6 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，人們對水資源數(shù)量和質(zhì)量的要求不斷提高，水資源問題日益突出,這就對水文水資源詳查提出了更高的要求。目前電法勘探正從單一的供水勘查向合理利用地下水資源和環(huán)境保護戰(zhàn)略方向轉(zhuǎn)變。任何一種物探方法，都存在制約因素，再加上地質(zhì)的多解性，只有采取多種方法綜合探測，互相補充驗證，提高成果的解釋精度，才能完成探測精度要求的探測任務(wù)。在降低工作成本和提高工作效率，注重經(jīng)濟效益和社會效益的前提下，合理地開發(fā)利用地下水與水資源保護，為地區(qū)發(fā)展總體規(guī)劃及水源地建立提供更加科學(xué)的依據(jù)，降低盲目打井的風(fēng)險，使有限的地下水資源得到更加合理的配置。