電法勘探在塔克拉瑪干沙漠找水中的應(yīng)用

張本靜

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 勘測(cè)分院，安徽蚌埠 233000)

1 工程概況

工程區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)南部塔里木盆地塔克拉瑪干大沙漠的西南緣，喀喇昆侖山北麓的和田地區(qū)皮山縣境內(nèi)，該地區(qū)年平均降雨量48.3 mm，年蒸發(fā)量2 400 mm，降雨少，蒸發(fā)量大，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候。該地區(qū)土地資源豐富，人口較少，但水資源缺乏，水資源是當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約瓶頸。安徽省委響應(yīng)中央號(hào)召對(duì)口援建新疆，計(jì)劃用十年左右的時(shí)間，在和田地區(qū)皮山縣境內(nèi)再造十萬畝綠洲，以改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，涵養(yǎng)水源，提高人民生活水平。再造綠洲項(xiàng)目得以順利實(shí)施的必要條件是要有水源地，為了尋找可持續(xù)開采的地下水源，本院在規(guī)劃區(qū)阿克坦及巴什拉克區(qū)塊分別為78 km2及56 km2范圍內(nèi)開展了物探電法找水工作(見圖1)。

2 測(cè)區(qū)地質(zhì)概況、水文地質(zhì)條件及地電特性

2.1 地形地貌

塔里木盆地周圍高山環(huán)抱，從外圍向中心可分為山麓帶、山前礫質(zhì)洪積帶、沖積細(xì)土平原帶及中部的塔克拉瑪干沙漠。測(cè)區(qū)位于塔里木盆西南緣，盆地地勢(shì)西高東低，向北微傾，測(cè)區(qū)地面高程一般為1 360～1 490 m。盆地地形封閉，氣候極端干旱，植被稀少，干燥剝蝕和風(fēng)蝕、風(fēng)積作用特別強(qiáng)烈，形成了塔克拉瑪干沙漠。

2.2 地層巖性

新生代地層在盆地廣為分布，第四紀(jì)沉積厚度達(dá)200～800 m，甚至更大。測(cè)區(qū)位于盆地邊緣沖積細(xì)土平原帶，第三系巖層以莎車坳陷和庫(kù)車坳陷最為完整，厚度最大，下第三系和上新統(tǒng)主要為海相和濱湖相沉積，其巖性為紅色砂巖、夾褐色的粘土、灰色泥巖、灰質(zhì)砂巖和石灰?guī)r、玫瑰色含石膏砂巖。

2.3 水文地質(zhì)條件［1］

塔里木盆地在其特殊的氣候、水文、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造條件的制約下，其地下水形成、埋藏、分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有獨(dú)特的特征。昆侖山北麓山前戈壁礫石帶是單一的潛水分布區(qū)，昆侖山前隱伏斷裂以北沉積了厚度較大的第四系松散沉積物，由孔隙性較好的中、上更新統(tǒng)砂卵礫石組成含水層。溢出帶及其下游的沖洪積平原受構(gòu)造的影響，坳陷區(qū)第四系松散堆積物驟然加厚。沖積—湖積平原區(qū)，含水層呈現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)，上部是潛水含水層，下部埋藏一層或多層承壓含水層，潛水含水層巖性以粉細(xì)砂為主，富水性各地不一。塔克拉瑪干沙漠大致以北緯40°為界，南部為發(fā)源于昆侖山北坡的諸多水系形成的沖湖積細(xì)土平原，廣大沙漠腹地屬于南部沉積區(qū)，地下水主要接受昆侖山山前平原地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，地下水運(yùn)動(dòng)特征明顯，地下水徑流方向與地形坡度方向基本一致。

2.4 測(cè)區(qū)地電特征

阿克坦和巴什拉克兩個(gè)測(cè)區(qū)地表覆蓋物主要為砂礫石、風(fēng)積沙土等干燥土性。由于巖土層顆粒粒徑變化大，所以電阻率變化也大。阿克坦區(qū)塊一般視電阻率ρs=70～500 Ω·m，少數(shù)為ρs=500～1500 Ω·m，個(gè)別達(dá)2 000 Ω·m。巴什拉克區(qū)塊一般視電阻率ρs=100～500 Ω·m，低的ρs=14～30 Ω·m(推測(cè)為鹽堿粉砂土)，少數(shù)為ρs=500～2 500 Ω·m，個(gè)別達(dá)3 000 Ω·m。但兩測(cè)區(qū)電性特征也有一定的規(guī)律性:干砂礫石電阻率大于含水的砂礫石電阻率，含水的砂礫石電阻率大于含水的中粗砂電阻率，含水的砂礫或砂層電阻率大于泥礫石(或粉細(xì)砂夾粉土)電阻率。一般泥礫石(或粉細(xì)砂夾粉土)電阻率為ρs=200～100 Ω·m，少數(shù)為ρs=50～70 Ω·m(推測(cè)為粉土)，在測(cè)區(qū)較為穩(wěn)定，是測(cè)區(qū)電性標(biāo)志層。測(cè)區(qū)地電斷面的組合具備了電法勘探的理論前提。

3 方法原理及測(cè)線布置

3.1 電測(cè)深法［2］

不同地層或同一地層由于成分、結(jié)構(gòu)或地下水等因素的不同，而具有不同的電阻率。通過接地電極將直流電供入地下，建立穩(wěn)定的人工電場(chǎng)，在地表觀測(cè)某點(diǎn)垂直方向的電阻率變化，從而了解巖土介質(zhì)及地下水分布或地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)。電測(cè)深法主要用于解決與深度有關(guān)的地質(zhì)問題，要求地下電性層次不多，具有一定的厚度，電性標(biāo)志層穩(wěn)定。

3.2 激發(fā)極化法［3］

激發(fā)極化法是通過觀測(cè)和分析大地激電效應(yīng)，依據(jù)地下目的體與周邊介質(zhì)的人工激發(fā)極化效應(yīng)的差異來探測(cè)地下介質(zhì)分布情況的一種電法勘探方法。實(shí)際上是觀測(cè)停止供電后二次場(chǎng)電位差的衰變規(guī)律，來評(píng)價(jià)地層地下水的富水程度。

3.3 儀器選擇及測(cè)線布置

根據(jù)測(cè)區(qū)地層巖性及地電特點(diǎn)，通過野外反復(fù)試驗(yàn)，攻克電極接地電阻大，電流難以供入地下的難題后，選用輸入阻抗≥100 MΩ 的JJ—2 型激發(fā)極化儀。測(cè)量電極采用紫銅電極，直徑Φ=20 mm，長(zhǎng)80 cm。激電測(cè)量電極采用不極化電極，供電電極采用不銹鋼電極，直徑Φ=22 mm，長(zhǎng)100 cm。野外測(cè)量采用電極組，減阻液，減小接地電阻，確保建立起滿足測(cè)量精度要求的人工電場(chǎng)。

物探測(cè)線采用垂直河流走向布設(shè)，測(cè)線及測(cè)點(diǎn)間距為1 km，即測(cè)網(wǎng)為1 km×1 km，測(cè)點(diǎn)呈梅花型布置，阿克坦區(qū)塊布置6 條測(cè)線，68 個(gè)電測(cè)深點(diǎn)，實(shí)際控制面積68 km2;巴什拉克區(qū)塊布置5 條測(cè)線，65 個(gè)電測(cè)深點(diǎn)，實(shí)際控制面積65 km2。電測(cè)深布極方向應(yīng)使地形、地物對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)影響最小，遇有高壓線，使放線方向垂直于高壓線。電極接地位置，在預(yù)定跑極方向上的偏差應(yīng)＜1%，在垂直跑極方向上的偏差應(yīng)＜5%。

選擇四極對(duì)稱梯度裝置，測(cè)量電極MN 與供電電極AB 之比為1∶5，最小極距AB/2=1.5 m，最大極距為AB/2=500 m，裝置系數(shù)K=7.533。

4 地下水富水程度分區(qū)

4.1 地下水富水程度分區(qū)原則

將兩個(gè)測(cè)區(qū)的電測(cè)深和激電測(cè)深曲線與測(cè)區(qū)附近已有機(jī)井井旁實(shí)測(cè)電測(cè)深曲線及激電測(cè)深曲線相比對(duì)，結(jié)合已有機(jī)井成井參數(shù)及實(shí)際出水量，采用定性分析與定量類比相結(jié)合的方法進(jìn)行解釋，確定不同程度富水地層的視電阻率ρs特征值和激電測(cè)深衰減度D 特征值。根據(jù)測(cè)區(qū)及附近部分機(jī)井實(shí)測(cè)資料確定的富水地層特征值見表1。

圖1 規(guī)劃區(qū)物探測(cè)區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of geophysical prospecting in planning area

表1 新疆皮山縣阿克坦、巴什拉克區(qū)塊井旁測(cè)深統(tǒng)計(jì)表Table 1 List of depths of the wells inAktan and Bashlark Blocks，Pishan County，Xinjiang

4.2 地下水富水程度平面分區(qū)

根據(jù)確定的特征值，應(yīng)用不同極距等AB/2 視電阻率平面圖編制不同深度地下水分布圖，圖2、圖3 分別為阿克坦區(qū)塊與巴什拉克區(qū)塊500 m 以上不同深度地下水含水情況的綜合圖，綜合反映了測(cè)區(qū)地下水分布的范圍。從圖2 可以看出阿克坦測(cè)區(qū)有東、西兩個(gè)富水區(qū)域，該區(qū)域推測(cè)為皮山河的兩條古河床。從圖3 可看出巴什拉克測(cè)區(qū)東部的較大范圍富水區(qū)域，該區(qū)推測(cè)為桑株河的古河床。測(cè)區(qū)地下水概況見表2。

4.3 地下水富水程度剖面分區(qū)

地下水在縱向上的分布，采用等視電阻率斷面圖作基礎(chǔ)圖件，根據(jù)不同富水區(qū)ρs特征值及地下水靜水位編制而成，該圖能比較客觀地反應(yīng)各條剖面含水層的空間位置、厚度及富水程度等，根據(jù)需要每一條剖面對(duì)應(yīng)的增加編制等AB/2 視電阻率剖面圖、電性—地質(zhì)剖面圖等，組成綜合剖面圖，其效果更好，圖4 是阿克坦區(qū)塊二十四線綜合剖面圖。

從圖5 可清楚地看出，24～8、24～12、24～22 三個(gè)ρs≥300 Ω·m 的高值異常區(qū)，是現(xiàn)代河床(洪水通道)的反應(yīng);兩個(gè)中等富水區(qū)一個(gè)在24～4—24～14 點(diǎn)之間，深度在40～300 m，另一個(gè)在24～22—24～24 點(diǎn)之間，深度在20～200 m;兩個(gè)富水區(qū)均位于兩個(gè)中等富水區(qū)中，一個(gè)位于24～10 點(diǎn)，深度95～220 m;另一個(gè)位于24～22—24～24 之間，深度40～120 m。其它剖面大同小異，不在贅述。

5 含水因素與井位設(shè)計(jì)原則

5.1 含水因素及其與管井單位出水量的關(guān)系

研究表明管井的出水量與含水層的衰減度D 密切相關(guān)，其D 值越高、幅度越大，管井的出水量就越大，根據(jù)這一理念試圖應(yīng)用測(cè)區(qū)及附近激電測(cè)深資料參數(shù)推導(dǎo)出管井單位出水量與衰減度D 的關(guān)系曲線圖，但是與出水量有關(guān)的D 有兩個(gè)主要因素:一是D 值的大小，二是D 曲線的異常幅度，如何把這兩個(gè)因素有機(jī)地結(jié)合，建立與管井單位出水量的相關(guān)關(guān)系是成敗的核心。通過大量的井旁激電測(cè)深資料對(duì)比、研究發(fā)現(xiàn)，含水背景值以上與衰減度D 曲線之間的面積含蓋了D值大小和D 曲線異常幅度兩個(gè)因素(命名為:含水因素，單位:mm2)，與管井單位出水量密切相關(guān)，可直接建立管井單位出水量與含水因素關(guān)系曲線圖，阿克坦區(qū)塊和巴什拉克區(qū)塊地區(qū)管井單位出水量與含水因素關(guān)系曲線圖見圖5。根據(jù)管井單位出水量與含水因素關(guān)系曲線圖可以對(duì)擬打井位置進(jìn)行激電測(cè)深，設(shè)計(jì)成井深度和預(yù)測(cè)出水量，為鑿井施工提供技術(shù)保證。

5.2 開采井位設(shè)計(jì)原則

為了使地下水長(zhǎng)期、有效、穩(wěn)定、有序的開發(fā)利用，利用最少的投資達(dá)到最大的收益，就必須科學(xué)、合理地開發(fā)地下水，對(duì)測(cè)區(qū)開采地下水提出以下原則:

(1)富水區(qū)、中等富水區(qū)、弱富水區(qū)的劃分是根據(jù)視電阻率值的大小范圍與出水量關(guān)系確定的，但是在同一個(gè)區(qū)域范圍(如富水區(qū))其出水量差別很大，因此，在利用地下水分布圖設(shè)計(jì)井位的時(shí)候盡可能地將井位選布在高電阻率區(qū)(必須是在區(qū)域地下水位以下)，施工同樣的井深可以開采最大的出水量。

(2)在進(jìn)行群井開采地下水時(shí)，設(shè)計(jì)井位要考慮抽水影響半徑(成井后抽水試驗(yàn)確定)，井間距要大于兩倍影響半徑，以免抽水時(shí)相互影響，不能發(fā)揮單井的最大效益。

(3)由于本次物探勘察測(cè)網(wǎng)是1 km×1 km，所以鑿井施工時(shí)，應(yīng)在選定的井位采用激電測(cè)深方法進(jìn)行核定，以防萬一地層有變化造成損失，并確定成井深度和預(yù)測(cè)成井的出水量，在井孔打好后應(yīng)做水文地質(zhì)測(cè)井，以便指導(dǎo)井管配置，做到既節(jié)約經(jīng)費(fèi)，又能達(dá)到開采最大出水量。

圖2 阿克坦區(qū)塊500 m 以上地下水分布圖Fig.2 Distribution of more than 500 meters underground water in Aktan Block

圖3 巴什拉克區(qū)塊500 m 以上地下水分布圖Fig.3 Distribution of more than 500 meters underground water in Bashlark Block

表2 阿克坦區(qū)塊與巴什拉克區(qū)塊地下水富水狀態(tài)探測(cè)結(jié)果一覽表Table 2 Detection results of water-rich state of underground water in Aktan and Bashlark Blocks

圖4 阿克坦區(qū)塊二十四線綜合剖面圖Fig.4 Twenty-four line compositive profile in Aktan Block

圖5 阿克坦區(qū)塊和巴什拉克區(qū)塊地區(qū)管井單位出水量與含水因素關(guān)系曲線圖Fig.5 Curve showing the relationship between specific water yield of tube well and water factors

(4)皮山河、桑株河同屬于冰川融雪補(bǔ)給型內(nèi)陸水系河流，消失于沙漠之中，而塔克拉瑪干大沙漠為海相沉積地層，沙漠腹地地下水為高礦化度咸水，兩個(gè)測(cè)區(qū)均在緩傾斜沖積細(xì)土平原，緊靠沙漠腹地咸水區(qū)，因此，再造綠洲大面積開發(fā)地下水，要注意觀察地下水位及水質(zhì)的變化，特別是每年的3－5月份，正是大量抽取地下水的季節(jié)，又沒有融雪補(bǔ)給地下水，一旦發(fā)現(xiàn)水質(zhì)變咸要及時(shí)調(diào)整開采量，使地下水位穩(wěn)定在一個(gè)合理的高程。

6 結(jié)語(yǔ)［4］

(1)戈壁沙漠地區(qū)應(yīng)用電法探測(cè)地下水，如何減小電極接地電阻，將電流供入地下，建立穩(wěn)定的人工電場(chǎng)，獲得地下巖土介質(zhì)地電信息，這是能否成功的關(guān)鍵。本次物探工作在解決接地電阻方面的研究取得了突破性進(jìn)展，實(shí)測(cè)效果良好，在地下水埋深h≥100 m的條件下，AB/2 極距達(dá)到500 m 時(shí)，測(cè)試的電位差V1≥100 mV，保證了激發(fā)極化法參數(shù)的測(cè)試精度，為全面開展電測(cè)深法普查地下水提供了技術(shù)保障。

(2)流入沙漠的河流大多進(jìn)入沙漠后河床明流消失進(jìn)入地下，而沙漠找水往往是在沙漠的邊沿地帶，因此在選擇測(cè)區(qū)的時(shí)候，一定要考慮是否有河流進(jìn)入該區(qū)?并盡可能將測(cè)線垂直河床布置，以獲取較好古河床的信息。

(3)在沙漠邊沿地區(qū)地形坡度大，加之在古河床部位下伏地層為強(qiáng)透水的砂礫石層，電測(cè)深曲線一般表現(xiàn)為KQ 型，其K 型的極高值段往往誤判為比較好的含水層，真正的含水層是在曲線緩傾角下降的Q 型段，其原因是地下水位較深，巨厚的砂礫石層處在地下水位上、下電性差異造成的，因此，在設(shè)計(jì)井深時(shí)一定要查清地下水位的深度，慎重考慮這一因素。

(4)找水工作的最終目的是找到水源豐富的地下淡水體，但是在沙漠地區(qū)找水時(shí)，當(dāng)工作區(qū)向沙漠腹地推進(jìn)時(shí)，要關(guān)注電阻率的劇烈變小，當(dāng)ρs≤10 Ω·m時(shí)，這往往是水質(zhì)變咸的反應(yīng)，一旦出現(xiàn)這種情況，要及時(shí)調(diào)整測(cè)區(qū)范圍，避開咸水區(qū)域。

［1］新疆維吾爾自治區(qū)地下水開發(fā)利用初步規(guī)劃報(bào)告［R］.烏魯木齊:新疆水文水資源局，2007.

［2］SL326—2005，水利水電工程物探規(guī)程［S］.

［3］鐘新淮，陳居和.找水新法——激發(fā)極化法［M］.北京:水利電力出版社，1987.

［4］GB50027—2001，供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.