綜合物探方法在應急抗旱找水中的應用

張 晉，翁愛華，趙建糧，張秋冬，鄭棟材

(1.吉林大學，吉林長春130026;2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南鄭州450053)

2011年2月，河南省遭遇了嚴重的秋冬春連旱，應急抗旱找水打井工作迅速啟動。我院迅速投入物探鉆探儀器設備開展在鶴壁地區(qū)展開找水打井工作。面對任務重，時間緊，地質(zhì)環(huán)條件復雜的情況，在進行了大面積區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的同時，采用了多種物探方法:重力勘探、激發(fā)極化測深法、高密度電法、AMT的有機結(jié)合與互補。對于不同缺水地區(qū)采用不同的物探勘查方法，進行對比和研究，取得較好效果?？偨Y(jié)出山丘區(qū)抗旱打井水文地質(zhì)勘查的有效找水技術(shù)方法。

1 概況

1.1 自然地理概況

鶴壁地區(qū)位于河南省北部，安陽與新鄉(xiāng)之間。京廣鐵路、京珠高速公路和107國道縱貫南北，鶴濮高速橫穿東西。本區(qū)地處太行山東南麓與華北平原西緣的接壤部位，總地勢西高東低，西部為低山丘陵地形。東部為山前傾斜平原及黃河沖積平原。

1.2 地質(zhì)條件及地球物理特征

1.2.1 地層巖性

西部山區(qū)有寒武系毛莊組(∈2m)灰?guī)r、奧陶系下統(tǒng)(O1)白云質(zhì)灰?guī)r;東部為黃河下游平原，部分地區(qū)有寒武系中統(tǒng)(∈2)灰?guī)r和太古界(Ar)片麻巖出露。新近系(N):出露于山前，主要為河流—湖泊相沉積。巖性為較松散或半膠結(jié)狀的砂巖、砂礫巖、泥灰?guī)r和泥巖。第四系(Q):黃河下游廣泛分布第四系，厚度較大，分布不均(圖1區(qū)域地質(zhì)圖)。

圖1 區(qū)域地質(zhì)圖

1.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

工作區(qū)隸屬中朝準地臺山西臺隆和華北坳陷，自西向東分別為太行山隆起、湯陰斷陷和內(nèi)黃隆起。由于經(jīng)歷了長期、多次構(gòu)造運動，構(gòu)造形跡以斷裂為主，褶皺不發(fā)育。

1.2.3 地球物理特征

工作區(qū)西部山區(qū)主要目的層為灰?guī)r構(gòu)造裂隙，相對完整基巖，構(gòu)造裂隙含水基巖電阻率明顯偏低;東部為黃河沉積的松散砂層、砂礫石層。相對埋深而言具有一定的厚度和規(guī)模，與隔水巖類電性差異明顯。同時，基底巖性與上覆地層密度具有明顯差異。以上條件為電法、電磁法及重力勘探提高了地球物理勘探的前提。

2 工作方法

2.1 物探方法的選擇

針對鶴壁?？h淺層為第四系粉質(zhì)粘土和砂層為主，部分地區(qū)基巖出露，主要選用對稱四極激發(fā)極化測深法和高密度電法。對地層有基本了解之后，在對稱四極激發(fā)極化測深法的基礎上，選取條件較好位置進行高密度電法加密，來更加詳盡了解地下含水層厚度和地下裂隙及巖溶的發(fā)育情況。

淇濱區(qū)地表大部基巖直接出露的地層特點，主要以對EH4音頻大地電磁測深法和稱四極激發(fā)極化測深法為主。在對淇濱區(qū)進行地質(zhì)調(diào)查后，選取構(gòu)造發(fā)育地段布設EH4音頻大地電磁測深勘探線，來確定斷層產(chǎn)狀。對EH4剖面上有異常的位置布設對稱四極激發(fā)極化測深點，以確定地層富水情況。

對于東部松散覆蓋層地區(qū)，收集本區(qū)區(qū)域重力資料，解譯并推斷基巖埋深剖面，對整個區(qū)域基巖埋深進行控制，以減少激電測深及高密度電法等物探工作的工作量，加快找水定井速度。

2.2 對稱四極激電測深

對稱四極激發(fā)極化測深法采用固定裝置排列，最小供電極距AB/2=3m，最小測量極距MN/2=1 m，最大供電極距AB/2=500 m，最大測量極距MN距120m。其工作原理是在同一側(cè)點處兩側(cè)逐漸擴大供電電極距，使探測深度逐漸加大，這樣便可得到觀測點處沿垂直方向由淺變深的視電阻率變化情況。通過室內(nèi)解譯，計算出地層電阻率，由地層電阻率預測地層巖性，達到探測目的。大極距測深的工作特點是需向測點兩側(cè)長距離布設測線(見圖2)。

圖2 對稱四極電阻率測深原理示意圖

野外工作采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DZD－6A型多功能直流電法儀。直接測取視電阻率ρs和視激發(fā)極化率ηs，依據(jù)衰減曲線計算出綜合參數(shù)ZP、半衰時TH、衰減度D。結(jié)合本次地質(zhì)情況，為保證曲線首枝達到漸近線及滿足探測深度要求，選擇最小供電電極距3米，最大500米。

2.3 高密度電法

高密度電法工作方法采用溫納四極測深裝置形式，剖面均為120道測量，測量層數(shù)為1～39層，點距5米。其溫納測深裝置方式(WN)裝置形式(見圖3)。電極排列規(guī)律是:A，M，N，B(其中 A，B是供電電極，M，N是測量電極)，AM=MN=NB為一個電極間距，隨著間隔系數(shù)n由n(MIN)逐漸增大到n(MAX)，四個電極之間的間距也均勻拉開。該裝置用于固定斷面掃描測量，其特點是測量斷面為倒梯形。

圖3 溫納四極測深裝置方式圖

2.4 EH4音頻大地電磁測深

EH4電導率剖面儀通過發(fā)射和接收地面電磁波來達到電阻率或電導率的測探。連續(xù)的測深點陣組成地下二維電阻率剖面，甚至三維立體電阻率成像。根據(jù)以MaxWell方程組為核心的大地電磁理論若將地表天然電場與磁場分量的比值定義為地表波阻抗，那么在均勻大地背景下，此阻抗與入射場極化無關，只與大地電阻率以及電磁場的頻率有關。由勘探趨膚深度公式:

可知穿透深度(δ)僅僅取決于大地電阻率(ρ)和使用的信號頻率(f)。隨著電阻率的減小或頻率增高，穿透深度變淺反之，隨著電阻率增大或頻率降低，穿透深度加大。如大地電阻率結(jié)構(gòu)一定時，改變信號頻率便可以得到連續(xù)的垂直測深。根據(jù)上式，結(jié)合EH4的工作頻率10Hz～100KHz，則EH4的有效勘探深度為10m～800m即通常所說的的有效勘探深度為幾十米到一千米左右。其具體情況與當?shù)氐牟煌刭|(zhì)情況有關。

3 應用實例

3.1 重力勘探的應用

對區(qū)域重力資料進行分析后，在?？h一帶1/10區(qū)域重力等值線圖的基礎上，對部分點進行驗證后，在工作區(qū)范圍內(nèi)做了重力剖面(Z1－Z1ˊ)反演計算圖，此處以?？h白寺鄉(xiāng)—?？h城區(qū)為例(見圖4)。

圖4 ?？h白寺－?？h城區(qū)重力剖面正演計算圖

根據(jù)本區(qū)布格重力異常與主要構(gòu)造的對應關系和深部基巖面的形態(tài)分析，測區(qū)內(nèi)部布格重力異?？傮w反反應了沉積蓋層的厚度變化和基地的起伏形態(tài)。測區(qū)重力值最高點在?？h縣城區(qū)域，最大值為－23ΔG(10－5MS－2)左右，重力最低值在小河鄉(xiāng)，大致值為－40ΔG(10－5MS－2)左右。最高最低值相差－17ΔG(10－5MS－2)左右。所以重力值的巨大差異表明區(qū)內(nèi)灰?guī)r基地起伏變化較大。整體形態(tài)，北淺南深。根據(jù)重力剖面推斷本區(qū)域的基巖埋深分布情況，確定使用何種其他物探方法和儀器，為具體的找水定井工作提供基本依據(jù)。

3.2 激電測深與高密度電法的應用

此處以?？h水廠附近對稱四極激發(fā)極化測深法和高密度為例進行說明，?？h水廠位于?？h西北部，該處曾經(jīng)為一個石灰?guī)r采石場，采石坑廢棄后用碎石砂土填埋，下部為灰?guī)r。以采石場為中心布設高密度電法剖面，方向垂直采石場走向。在對所有野外資料數(shù)據(jù)進行全部復核無誤后，采用RES2DINV軟件進行反演，生成反演電阻率等值剖面(見圖5)。圖中紅色區(qū)域高阻部分為灰?guī)r的電型反應，但基巖面下部有低阻異常，推測該低阻異常由灰?guī)r破碎形成的巖溶充水引起。

為進一步驗證巖溶的發(fā)育賦水情況，在剖面260 m處布設激發(fā)激化測深點一個。該曲線首支電阻率較低，約30Ω·m，是碎石砂土的電性反應，推測該層厚度約為30米:中段電阻率曲線45度角抬升，是完整基巖的電性反應，但尾支，在AB/2=90m后，視電阻率下降，且視極化率值明顯升高，最大ηs值達到2%，推測為灰?guī)r巖溶充水的電性反應。巖溶埋深60米左右，破碎帶走向與高密度布極方向垂直(見圖6)。

圖5 ?？h水廠高密度視電阻率等值線圖

圖6 ?？h水廠激電測深ρs及ηs曲線圖

在該位置施工水井(1#)100米深，約50米深度時遇灰?guī)r巖溶，成井水量50 T/h，水位降深2.5m。

3.3 激電測深與AMT法的應用

鶴壁市淇濱區(qū)大河澗鄉(xiāng)位于鶴壁市西部，大部分地區(qū)基巖出露，因此以尋找基巖裂隙水為主。采用EH4音頻大地電磁測深法結(jié)合激電測深法進行找水定井。進行野外踏勘后，選擇構(gòu)造發(fā)育區(qū)域，布設EH4音頻大地電磁測深剖面線。此處以大河澗鄉(xiāng)牟巫山山下養(yǎng)牛廠處為例進行說明。

對野外數(shù)據(jù)進行室內(nèi)整理后，用軟件sufer8.0繪制出音頻大地電磁測深等值線圖(見圖7)。

從圖中易看出，測線方向0～600米和1 000～1 600米處，表層視電阻率值較低，是地表粉質(zhì)粘土覆蓋層的電性反應，600～1 000米，視電阻率值較高，該處基巖出露，與實際地貌相符合。

隨著深度增加，視電阻率值逐漸增加，但在測線700～800米，深度400米處，視電阻率值急劇下降，是基巖破碎充水的電性反應，因此推測該處存在一個斷層，且從電阻率值分布上來看，破碎帶左側(cè)高值部分在深度上高于右側(cè)，結(jié)合低視電阻率的分布情況，推測該處斷層為逆斷層，編號為F1。同樣，認為在該剖面1 200米處也存在著一個逆斷層，編號為F2。

圖7 音頻大地電磁測深視電阻率等值線圖

為了驗證EH4音頻大地電磁測深的準確性和對打井位置斷層埋深情況做進一步的了解，我們在F2斷層擬定井位處布設對稱四極激發(fā)極化電測深點一個。

從視電阻率曲線圖上可以看出(見圖8)，F(xiàn)1號斷層在該處埋深約200米，F(xiàn)2號斷層埋深約300米，推測結(jié)果與EH4音頻大地電磁測深推測結(jié)果相同。后在F2斷層上盤鉆井(2#)過程中所揭露地層及構(gòu)造與推測結(jié)果基本相符，且成井后出水量滿足設計要求。

圖8 F2號斷層處對稱四極激發(fā)極化視電阻率曲線圖

3.4 激電測深在確定咸淡水位置中的應用

鶴壁市?？h東部主要以松散層為主，有部分區(qū)域地下淺層含水層礦化度較高，通過收集資料和孔旁電測深曲線點算解釋電阻率值與測井解釋礦化度對比情況:通過對比，歸納推算出電阻率與礦化度的關系如圖9。

圖9 視電阻率與礦化度關系圖

圖10 黎陽鎮(zhèn)水峪新村激電測深ρs及ηs曲線圖

將視電阻率與極化率結(jié)合起來后，能明顯驗證含水砂層礦化度的高低問題。

此處以浚縣黎陽鎮(zhèn)水峪新村3#井位的推斷為例來進行解釋說明。視電阻率曲線圖見圖10，利用吉林大學電法反演軟件，生成函數(shù)反演見圖11。

以此兩項為主要依據(jù)，準確的劃分出了鶴壁市?？h部分區(qū)域的咸水區(qū)域和咸水層，為抗旱找好水和成井提供有力的依據(jù)。

根據(jù)曲線形態(tài)建立反演模型，該位置地層分為四層。第一層厚度約0.5米，視電阻率值較高，是表層粉質(zhì)粘土較干引起，第二層阻值下降，且極化率較低，是粉質(zhì)粘土的電性反應，厚度為35米左右，第三層視電阻率繼續(xù)下降，最低達8.9Ω·m，但極化率值有所升高，判定為含水砂層，但礦化度較高，厚度約29米。第四層視電阻率值和極化率值都有所抬升，是淡水含水砂層的電性反應，因此，建議該井應該注意考慮65米以上，咸水層的封井工作。

該井(3#)最終成孔200米，止水位置70米，水量50T/h，水質(zhì)達到國家飲用水標準。

圖11 黎陽鎮(zhèn)水峪新村激電測深ρsT函數(shù)反演結(jié)果圖

4 結(jié)語

通過多種物探方法與儀器的應用，對鶴壁應急抗旱工作的順利完成起到了重要的作用，取得了良好效果。結(jié)論如下:

(1)在應急抗旱找水打井物探工作中，打破了傳統(tǒng)找水定井的局限性，對于不同地區(qū)不同地層進行選擇不同的物探方法，采用了重力勘探、激電測深、高密度直流電法、音頻(EH4)大地電磁測深等多種方法，使單一的電法勘探變得多樣化，提高了工作效率，保障了工作質(zhì)量。

(2)根據(jù)各區(qū)的電性特征進行了電性—地質(zhì)分層，結(jié)合布格重力異常和已有資料，將區(qū)域重力法與不同的電法相結(jié)合，以區(qū)域重力控制整個工作區(qū)的基巖面，并找出主要斷層異常，再以有地層針對性的電法加密詳查，極大的提高了定井的速度，且節(jié)約了項目經(jīng)費。

(3)根據(jù)咸水層和淡水層在視電阻率和極化率上的不同電性反應，運用激電測深區(qū)分咸淡水，指導后期成井，取得了良好的效果。

［1］趙云章等.黃河下游影響帶地下水資源評價及可持續(xù)開發(fā)利用.中國大地出版社.2002.

［2］趙建糧，陳天振.MT法在開封凹陷地熱資源調(diào)查中的應用［J］.物探與化探，2010，34(2).

［3］李保群，王喜軍.河南省鄭州北郊水源地供水水文地質(zhì)地球物理勘探報告［R］.河南省鄭州地質(zhì)工程勘察院，1995.

［4］趙建糧，張笑笑.綜合物探方法在鶴壁抗旱找水打井中的應用與研究［R］.河南省地礦局水文二隊，2011.