基于激發(fā)極化法的地下水勘探設(shè)計(jì)與分析

朱金彪

基于激發(fā)極化法的地下水勘探設(shè)計(jì)與分析

朱金彪

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院物探隊(duì)，新疆 昌吉 831100）

作為一種間接的找水方法，激發(fā)極化法是目前水源物探工作比較有效的勘探手段，正確地運(yùn)用和掌握激發(fā)極化法測量參數(shù)，才能發(fā)揮激發(fā)極化法最大優(yōu)勢，準(zhǔn)確地確定出井位。結(jié)合新疆六孚紡織工業(yè)園找水勘探的實(shí)例，分析了如何正確運(yùn)用激發(fā)極化法測量參數(shù)。

激發(fā)極化法；測量參數(shù)；物探；分析

1 激發(fā)極化法概述

激發(fā)極化法的原理是根據(jù)巖石或礦石之間不同的激電效應(yīng)，并以此差異性為物質(zhì)基礎(chǔ)，觀測和分析大地的激電效應(yīng)，勘探地下工程地質(zhì)情況的一種電法勘探方法。激發(fā)極化法根據(jù)不同的勘探任務(wù)，會有不同的布極形式，常用的有對稱四極測深法、三極測深、偶極測深和環(huán)形測深等方法。激發(fā)極化法是一種間接的找水方法，如要準(zhǔn)確確定出井位和井深，除使用激發(fā)極化法外，還要掌握水文地質(zhì)資料并配合其它物探手段。激發(fā)極化場具有時(shí)間和頻率雙重特性。

1.1 激發(fā)極化法測量參數(shù)

激發(fā)極化法需要較大的供電電流和較長的供電時(shí)間，才能獲得明顯的計(jì)劃電位差。一般供電電流在1～2A之間，供電時(shí)間應(yīng)根據(jù)地質(zhì)任務(wù)和地質(zhì)條件而定。一般普查找礦時(shí)，多采用2s、4s、8s等雙向脈沖供電；詳查研究異常時(shí)，用單向脈沖。測量電極要采用不極化電極，目的是消除電極極化電位的干擾。激發(fā)極化法測量參數(shù)主要包括四個(gè)基本方面，其他參數(shù)都是在此基礎(chǔ)上的綜合應(yīng)用。

（1）視極化率(ηs)。

視極化率ηs是時(shí)間域激發(fā)極化法的一種基本測量參數(shù)。測量視極化率時(shí)需運(yùn)用某種電極裝置形成電流作用，在此范圍內(nèi)，由于地下巖層不均勻的極化率分布，會測出不同的數(shù)值，視極化率實(shí)際上就是綜合反映各種地形和極化體的激發(fā)極化效應(yīng)。視極化率ηs通常用百分?jǐn)?shù)表示，其數(shù)值大小和分布情況會直接反映出測試范圍內(nèi)的極化體的存在和賦存情況，其表達(dá)式為：

其中：△U（T）為供電時(shí)間T時(shí)測得的極化場電位差；△U（t）為斷電后t時(shí)刻測得的二次場電位差。

分析式子可以看出，與視極化率ηs直接有關(guān)的兩個(gè)因素就是供電時(shí)間T和測量延遲時(shí)間t，每個(gè)視極化率ηs對應(yīng)特定的供電時(shí)間T和測量延遲時(shí)間t 。在極限條件下，當(dāng)長時(shí)供電（T→∞）和無延時(shí)（t→0）時(shí)的測量結(jié)果：

（2）視頻散率（Ps）。

視頻散率Ps是頻率域激發(fā)化法的一種基本測量參數(shù)，其表達(dá)式為：

其中△U(fD)、△U(fG)個(gè)對應(yīng)的是超低頻段（n·10-2～n·102Hz）低頻和高頻供電電流所形成的總場電位差。從物理本質(zhì)上來說，時(shí)間域激電法和頻率域激電法并無區(qū)別，與視極化率ηs一樣，當(dāng)△U(fD)→0和△U(fG)→∞時(shí)，測量結(jié)果并無差異。

（3）衰減度（D）。

衰減度是反映激發(fā)極化場衰減快慢的一種測量參數(shù)，用百分?jǐn)?shù)來表示。二次場衰減越快，其衰減度就越小。其表達(dá)式為：

式中：△U2代表供電30s、斷電后0.25s時(shí)的二次場電位差；

△U2是斷電后0.25s至5.25s內(nèi)二次電位差的平均值。即

（4）激發(fā)極化時(shí)間特性參數(shù)。

二次場在衰減中是一個(gè)較復(fù)雜的電化學(xué)過程，不同演示成分、結(jié)構(gòu)和含水層上二次衰減是不同的。

衰減時(shí)(S )：是指把斷層瞬間所測得的二次場△U2定位100%，則△U2衰減到某一規(guī)定的數(shù)值時(shí)所需要的時(shí)間稱為衰減時(shí)，單位為秒。S描述了二次場△U2衰減的快慢。

含水因素(Ms)：利用衰減時(shí)找水時(shí)，除直接利用衰減時(shí)S了解某深度水量相對大小情況外，為了進(jìn)一步研究水層的水量大小，引出與地下水層水量有關(guān)的含水因素Ms。Ms可由S為參數(shù)的測深曲線計(jì)算取得，即以不同AB/2極距取得的S值關(guān)系曲線與橫軸所包圍的面積。

2 激發(fā)極化法在地下水勘探中的主要應(yīng)用

激發(fā)極化法在地下水勘探中的主要應(yīng)用主要包括兩個(gè)方面，第一是區(qū)分水異常；第二就是尋找地下水，劃分出富水地段。

2.1 用視極化率判別水異常

在巖溶區(qū)，使用激發(fā)化法找水時(shí)通常會因?yàn)榈貙哟嬖诘妥杼假|(zhì)夾層，會出現(xiàn)明顯的低阻異?，F(xiàn)象，這種異常現(xiàn)象會大大增加區(qū)分水的困難。碳質(zhì)巖層有兩方面的作用，在引起視電阻率的低阻異常的同時(shí)，還會導(dǎo)致高視極化率異常，以此作為判斷依據(jù)，能正確判斷出水異常。

2.2 衰減時(shí)（S）法找水

激電法找水另一個(gè)直接有效手段就是衰減時(shí)法。衰減時(shí)（S）就是在二次場中頻率衰減到某一規(guī)定的百分比時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間。

3 應(yīng)用實(shí)例

某工業(yè)園區(qū)內(nèi)需新建一口水井，園區(qū)屬于天山北坡沖洪積扇地區(qū)，附近與已建的水井揭露地層0～300m為沙壤土與細(xì)粒石、中粗砂互層。

此次物探工作在已建成水井附近進(jìn)行了參數(shù)點(diǎn)采集，在園區(qū)工作人員指定擬建水井處進(jìn)行了激電測深測試。

3.1 工作方法與技術(shù)

采用激發(fā)極化法測試，MN/2：AB/2=1：3的溫納爾裝置，供電時(shí)間20s，最小AB/2=3m，最大AB/2以反映地層含水層的電性特征為準(zhǔn)，本次測試最大AB/2=300m。野外測量方法采用單次讀證測試曲線質(zhì)量，對測試曲線畸變點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)觀測，重復(fù)觀測的電阻率相對數(shù)法，為保誤差小于5% ，視極化率η1～η7符合線性關(guān)系。

3.2 測試成果分析

（1）路邊水井旁激點(diǎn)測試曲線，如圖1所示。參數(shù)點(diǎn)：電阻率曲線為H型，0～21m，電阻率為3～5Ω·m，21m以下，電阻率為80～100Ω·m；0～6m視極化率在10.3%～10.7%，6～21m視極化率在10.3%～16.8%，21～150m視極化率在16.8%～6.2%，150～300m視極化率在6.2%～12.4%；0～45m衰減度在0.13～0.35，45～300m衰減度在0.41～0.58。

（2）擬定水井位置測試曲線，如圖2所示。測試點(diǎn)：電阻率曲線同樣為H型，0～21m，電阻率為3～15Ω·m，21m以下，電阻率為80～100Ω·m；0～21m視極化率在4.5%～25.1%，21～150m視極化率在25.1%～4.3%，150～300m視極化率在4.3%～14.7%；0～9m衰減度在0.25～0.27，9～99m衰減度在0.25～0.42，99～300m衰減度在0.35～0.5。

分析路邊水井旁參數(shù)點(diǎn)及擬建水井處測試點(diǎn)，其電阻率曲線類型一致，地表地層為砂壤土，理論電阻率在20～50Ω·m，測試電阻率為3～15Ω·m，從視極化率和衰減度曲線看地表3以下即見地下水，其地下水位較高，低電阻反映表層地下水礦化度較高；21m以下電阻率為80～100Ω·m，從電阻率值看其地層應(yīng)為砂壤土、中粗砂及較小粒徑的砂礫石互層組成，結(jié)合視極化率和衰減度曲線看，150m以下有穩(wěn)定地下含水層。測試結(jié)果滿足SL 26-2005《水利水電工程物探規(guī)程》的要求。

圖1 路邊水井旁激點(diǎn)測試曲線

圖2 擬定水井位置測試曲線

4 結(jié) 語

近年來，激發(fā)極化法在水利水電勘探方面的應(yīng)用得到了長足的發(fā)展，但其仍是一種間接使用手段，并不能作為獨(dú)立的方法應(yīng)用于水利勘探。就目前而言，最經(jīng)濟(jì)、最高效的勘探方法還是常規(guī)直流電阻法。雖然此方法還存在很多的不足，但將兩方法有效地結(jié)合在一起，發(fā)揮出各自的優(yōu)勢，對提高確定井位的可靠性還是有幫助的。

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10.3969/j.issn.1008-1305.2014.04.015

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1008-1305（2014）04-0044-03

朱金彪（1980年-），男，工程師。