三維高密度電法在隱伏構(gòu)造富水性勘探中的應(yīng)用

馬靜晨，李 娜

（1.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048，2.中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750）

三維高密度電法在隱伏構(gòu)造富水性勘探中的應(yīng)用

馬靜晨1，李 娜2

（1.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048，2.中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750）

三維高密度電法勘探是在二維電法勘探的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種較新的勘探方法。本文通過實(shí)例介紹了三維高密度電法在隱伏構(gòu)造富水性勘探的應(yīng)用效果。

三維高密度電法；隱伏構(gòu)造；富水性

0 前言

三維高密度電法勘探是在二維電法勘探的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種較新的勘探方法，是電法勘探中的一個(gè)重要分支，是現(xiàn)在真正實(shí)現(xiàn)地電體的三維空間探測的一種方法，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文介紹了在山西某地采用三維高密度電法成功查明富水隱伏構(gòu)造的位置，為后期科學(xué)的布置井位奠定了基礎(chǔ)。

1 三維高密度電法工作原理

高密度電阻率法是以探測地下目標(biāo)體與圍巖之間的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的一種地球物理勘探方法。當(dāng)人工向地下加載直流電流時(shí)，在地表利用相應(yīng)儀器觀測其電場分布，通過研究這種人工施加電場的分布規(guī)律來達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的。因此，我們就要研究在施加電場的作用下，地層中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律。

實(shí)際的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)電阻率表現(xiàn)為三維的電性結(jié)構(gòu)，即ρ=ρ(x,y,z)。當(dāng)?shù)叵掳霟o限空間的電阻率分布為各向同性時(shí)，在地表觀測的電位值U滿足以下公式：

式中σ為電導(dǎo)率，f是源位置函數(shù)。

三維直角坐標(biāo)系中，若場源是一個(gè)位于A（XA,YA,ZA）點(diǎn)，電流強(qiáng)度為+I的點(diǎn)電源，則：

式中δ為狄拉克函數(shù)。

高密度電阻率法在求解簡單地電條件的電場分布時(shí)，通常采用解析法，即根據(jù)給定邊界條件，解拉普拉氏方程：

它概括了穩(wěn)定電流場所滿足的基本實(shí)驗(yàn)定律，反映了穩(wěn)定電流場的內(nèi)在規(guī)律。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工區(qū)概況

工區(qū)位于晉東南黃土覆蓋區(qū)，經(jīng)過多年抽灌，區(qū)內(nèi)大部分淺井已接近干涸，為保障附近農(nóng)田灌溉，需在工區(qū)布置1-2個(gè)井位，經(jīng)過對工區(qū)地球物理特征分析認(rèn)為，采用三維高密度電法勘探可查明工區(qū)內(nèi)富水位置，指導(dǎo)鑿井。

區(qū)內(nèi)地層由老至新分別為奧陶系、石炭系、二疊系下統(tǒng)下石盒子組和第四系地層，主要含水層為第四系含水層和下石盒子組含水層。根據(jù)工區(qū)內(nèi)水井調(diào)查，區(qū)內(nèi)黃土厚度8～25米。

2.2 觀測系統(tǒng)

三維高密度電法勘探時(shí)常用的裝置有單-單極、單-偶極、偶-偶極，根據(jù)本次勘探的地質(zhì)任務(wù)，采用了電極距10米，線距40米的偶-偶極三維觀測系統(tǒng)。

偶-偶極排列的視電阻率計(jì)算公式如下：

這里 a 是M、N電極間距， n 是AM與MN的比值。偶-偶極排列的優(yōu)點(diǎn)是水平分辯率較高，但是它的信號強(qiáng)度較低。為獲得更好的穿透深度，可以增大A、B(和M、N)間的距離。降低噪聲干擾的一個(gè)方法是采用不同的a值和n值進(jìn)行多次重復(fù)觀測。

圖1 偶-偶極(dipole-dipole)排列

圖2 三維工區(qū)示意圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

不同的反演軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)步驟差異較大，三維高密度電法數(shù)據(jù)處理步驟如下：

（1）野外采集數(shù)據(jù)整理（包括觀測系統(tǒng)校對和格式轉(zhuǎn)換）；

（2）反演參數(shù)預(yù)設(shè)（厚度增長因子、濾波、阻尼因子、迭代次數(shù)、收斂限差等）；

（3）執(zhí)行反演計(jì)算；

（4）反演成果輸出。

相對于二維高密度電法成果，三維成果更加豐富，在成果解釋時(shí)既可以進(jìn)行斷面、切片解釋，也可以在空間成圖軟件中進(jìn)行立體解釋，實(shí)現(xiàn)圖件的多樣化和解釋的立體化，圖3為工區(qū)電阻率成果圖。

圖3 三維高密度電法電阻率成果圖

圖4是本次三維高密度電法反演特征圖。從模型—觀測數(shù)據(jù)分布特征圖可以看到，模型和觀測數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，迭代反演5次時(shí)誤差為6.57%，與反演4次時(shí)相差0.07%，模型響應(yīng)與實(shí)測電阻率趨于穩(wěn)定。

圖4 三維高密度電法反演特征曲線

2.4 成果解釋及驗(yàn)證情況

電阻率是地層、構(gòu)造等地質(zhì)體的直接響應(yīng)，根據(jù)三維高密度電法電阻率成果：工區(qū)地層起伏不大，且電阻率界面清晰，上部為第四系黃土，電阻率40～80 ?m，厚度3～30m；下部為下石盒子組砂泥巖互層，電阻率50～1200 ?m。淺部有幾處明顯的電阻率異常，分析為第四系富水區(qū)。在測區(qū)中部有明顯的帶狀低阻異常，推斷為富水構(gòu)造F1。

圖5 綜合解釋成果圖

綜合分析本區(qū)的水文地質(zhì)條件，推斷構(gòu)造F1的“源、通、儲、泄”等基本地質(zhì)條件良好，推斷富水構(gòu)造的三維高密度電法成果可靠，設(shè)計(jì)了井1（見圖5）。

根據(jù)鑿井資料：井1第四系厚度17米，下遇破碎帶，最終井深56米，穩(wěn)定出水量420m3/d，超過預(yù)期。

3 結(jié)束語

本次隱伏構(gòu)造富水性探測采用三維高密度電法，發(fā)現(xiàn)了工區(qū)內(nèi)的富水隱伏構(gòu)造F1，經(jīng)鑿井驗(yàn)證，成果可靠。本次三維高密度電阻率法在隱伏構(gòu)造勘探中的成功運(yùn)用，為今后開展類似工作提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1]傅良魁主編.應(yīng)用地球物理教程—電法、放射性、地質(zhì)[M].北京：地質(zhì)出版社.1991.

[2]董浩斌，王傳雷.高密度電法的發(fā)展與應(yīng)用[J].地學(xué)前緣，2003,10.

[3]張建智,易才華,李 娜.煤礦淺埋老窯采空區(qū)多梯度剖面裝置探測研究[J].中國煤炭地質(zhì)，2012,5.

Application of 3D High-Density Electrical Method to
Detection of the Groundwater Exploration in Concealed Structure

MA Jincheng1,LI Na2

( 1.Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering ,Beijing 100048;2.Research Institute of Coal Geophysical Exploration of China National Administration of Coal Geology,Zhuozhou,Hebei 072750)

3D high density apparent resistivity measurement is new method, which devoloped from 2D method.in this paper,we give a application with 3D high density apparent resistivity measurement and introduce its effect about the groundwater exploration in concealed structure.

3D High-Density Electrical Method;Buried fault; groundwater yield property

P631.3

A

1007-1903（2014）01-0043-03