電阻率法和激發(fā)極化法在地下水勘查中的應(yīng)用

梁建剛，劉黎東，高學(xué)生，蘇永軍，孟利山

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300145)

截至目前，物探方法找水除核磁共振法外都屬于間接找水[1-3]，所以物探找水工作必須與水文、地質(zhì)工作緊密結(jié)合。這是因?yàn)樗暮偷刭|(zhì)調(diào)查可以確定勘查區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造情況和區(qū)域賦水類型、賦水層位及大致深度。了解這些情況對(duì)選擇物探方法組合模式、確定物探測(cè)線布置方位至關(guān)重要；同時(shí)物探數(shù)據(jù)的解譯時(shí)刻離不開(kāi)地質(zhì)和水文信息，使單純的物性特征能還原成地質(zhì)上的層位、巖性，即以地質(zhì)、水文的語(yǔ)言呈現(xiàn)其成果；最后物探找水工作的一個(gè)突出特點(diǎn)是驗(yàn)證機(jī)率比較高，通過(guò)成井后的測(cè)井工作，一方面驗(yàn)證物探資料解譯的準(zhǔn)確度，另一方面又可積累測(cè)區(qū)極距與深度的轉(zhuǎn)換系數(shù)，可以最大限度的提高物探人員的資料解譯水平。

找水工作中的物探方法選擇，應(yīng)該從含水層的類型和物探方法的方法特點(diǎn)兩個(gè)方面加以考慮。實(shí)踐證明,電阻率法和激發(fā)極化法的組合使用是一種最有效的工作模式。

國(guó)土資源系統(tǒng)北方四省抗旱找水工作，工作區(qū)位于河南省新鄉(xiāng)市鳳泉區(qū)。本次地下水勘查物探工作，采用了電阻率法和激發(fā)極化法兩大類方法，其中電阻率法又有高密度電法、EH4電導(dǎo)率測(cè)深等方法。根據(jù)含水層的賦水類型的地球物理特征，選擇一種物探方法或幾種物探方法的組合進(jìn)行綜合水文地質(zhì)定井，取得了較好效果。

1 含水層的地球物理特征

根據(jù)地下水的賦存條件、水力性質(zhì)特征，工作區(qū)內(nèi)含水巖組類型可分為以下三大類：

1)松散巖類孔隙含水巖組。

2)碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組。

3)碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組。

本次工作的取水目的層主要是：新近系碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組、新近系泥灰?guī)r裂隙巖溶含水巖組和奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組。新近系泥灰?guī)r雖然是碳酸鹽巖，但是較破碎，裂隙巖溶發(fā)育，其地球物理特征與新近系碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組基本一致。加之泥灰?guī)r與泥巖、砂巖交互沉積，因此本次研究中將新近系碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組、新近系泥灰?guī)r裂隙巖溶含水巖組統(tǒng)稱為新近系含水巖組。

1.1 電阻率特征

為了更好地開(kāi)展物探工作，我們搜集到工區(qū)內(nèi)各類巖層的電性參數(shù)，如表1所示。

表1 河南新鄉(xiāng)地區(qū)巖石物性表(電阻率)

1)新近系含水巖組。此類含水層主要是指砂巖、粉砂巖及泥灰?guī)r的裂隙、巖溶等，本區(qū)內(nèi)主要的隔水層為泥巖(粘土)及完整的泥灰?guī)r，砂巖、粉砂巖和泥灰?guī)r的裂隙、巖溶(即新近系地層中的含水層)相對(duì)泥巖(粘土)顆粒粗、孔隙度大，從而使電阻率相對(duì)較高，這樣含水層相對(duì)隔水層表現(xiàn)為相對(duì)高阻，但是完整的泥灰?guī)r的電阻率又高于新近系含水層，因此在新近系地層中尋找相對(duì)高阻是本區(qū)運(yùn)用電阻率方法的地球物理基礎(chǔ)，實(shí)際工作中要注意區(qū)分完整泥灰?guī)r與泥灰?guī)r含水層。

2)奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組。此類含水層主要是石灰?guī)r、白云巖中的裂隙、破碎帶及巖溶含水。當(dāng)完整的巖體中出現(xiàn)裂隙、斷裂及巖溶并充水或充泥時(shí)，含水礦物質(zhì)電解導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率下降，出現(xiàn)相對(duì)低阻[4]。所以尋找相對(duì)低阻是本區(qū)運(yùn)用電阻率方法尋找碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組的地球物理基礎(chǔ)。

1.2 激電特征

巖礦石在外部電場(chǎng)充電和放電過(guò)程中，由于電化學(xué)作用引起的隨時(shí)間緩慢變化的附加電場(chǎng)現(xiàn)象，稱為激發(fā)極化效應(yīng)(IP效應(yīng))，激發(fā)極化法是以不同巖礦石的激電效應(yīng)之差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和研究大地激電效應(yīng)，以探查地下地質(zhì)情況的一種物探方法。

新近系含水巖組和奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組，在激發(fā)極化方面都表現(xiàn)為高極化、高半衰時(shí)，這是用激發(fā)極化法尋找地下水的地球物理前提。在激發(fā)極化找水中用得最多、最有效的是對(duì)稱四極垂向測(cè)深裝置。

2 物探方法適用范圍及特點(diǎn)

2.1 高密度電法

高密度電法是一種以地下介質(zhì)體的電阻率差異為基礎(chǔ)[5]，用直流電阻率法的陣列形式，進(jìn)行二、三維地電斷面測(cè)量的電阻率方法。自二十世紀(jì)七十年代末期高密度電法的最初模式的提出至今已經(jīng)30多年，該方法成本低、效率高、信息豐富、解釋方便，被廣泛應(yīng)用在水、工、環(huán)物探工作中。

2.2 EH4電導(dǎo)率測(cè)深

EH4電導(dǎo)率測(cè)深系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理是大地電磁測(cè)深法，是利用交變電磁場(chǎng)研究地球電性結(jié)構(gòu)的一種地球物理勘探方法。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是受場(chǎng)地限制較小，易于開(kāi)展工作；發(fā)射裝置輕便，便于野外多次移動(dòng)，保證發(fā)射信號(hào)質(zhì)量；多次迭加采集數(shù)據(jù)，能有效地壓制干擾；時(shí)間域觀測(cè)，頻譜豐富，能提供更多的地質(zhì)信息，高頻探頭一般探測(cè)深度為1 500 m，低頻探頭探測(cè)深度可達(dá)數(shù)公里；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，確保觀測(cè)質(zhì)量；現(xiàn)場(chǎng)給出連續(xù)剖面的擬二維反演結(jié)果，結(jié)果直觀。缺點(diǎn)主要是當(dāng)工業(yè)游散電流干較強(qiáng)時(shí)，難以開(kāi)展工作；當(dāng)?shù)乇砭植侩娦圆痪鶗r(shí)，易產(chǎn)生靜態(tài)效應(yīng)[3]。

2.3 激發(fā)極化法

激發(fā)極化法是根據(jù)巖(礦)石的激發(fā)極化效應(yīng)來(lái)尋找金屬和解決水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等問(wèn)題的一種電法勘探方法。激發(fā)極化效應(yīng)則是在人工電流場(chǎng)一次場(chǎng)或激發(fā)場(chǎng)作用下，具有不同電化學(xué)性質(zhì)的巖石或礦石，由于電化學(xué)作用將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的二次電場(chǎng)(激發(fā)極化場(chǎng))。地層中賦水后也會(huì)產(chǎn)生上述激發(fā)極化效應(yīng)，這是激發(fā)極化法找水的地球物理前提。

相對(duì)于電阻率法而言，激發(fā)極化法找水最大的特點(diǎn)是受地形影響較小[1，3]，對(duì)巖溶裂隙水的水位埋深和相對(duì)富水帶反映都比較直觀。目前成功應(yīng)用的激電參數(shù)較多，如表征巖石激發(fā)極化的極化率和充電率參數(shù)，表征巖石激發(fā)極化放電快慢的半衰時(shí)和衰減度參數(shù)，還有激發(fā)比和相對(duì)衰減時(shí)等綜合參數(shù)，這些參數(shù)的選取與不同地質(zhì)體和不同的儀器有關(guān)。實(shí)踐表明，極化率(η)、半衰時(shí)(TH)、衰減度(D)的測(cè)量與判定在地下水勘查中效果明顯。

3 物探工作及應(yīng)用效果

在工作區(qū)內(nèi)物探方法找水一般采用電阻率法和激發(fā)極化法相結(jié)合的模式，并根據(jù)探測(cè)深度的不同選擇不同的電阻率方法，即200 m深度以淺一般采用高密度電法，200 m以深采用EH4電導(dǎo)率測(cè)深。

3.1 地層簡(jiǎn)單區(qū)

東魯堡沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，水文條件相對(duì)簡(jiǎn)單。根據(jù)對(duì)村中已有水井開(kāi)展的水文調(diào)查，確定了含水層深度。地球物理勘查主要是區(qū)分含水層和阻水層，達(dá)到定井目的，所以僅做了高密度電法。在高密度電法反演擬斷面圖上確定剖面范圍內(nèi)最佳的匯水位置，提高涌水量。

3.2 地層復(fù)雜區(qū)

王門村處于太行山山前斷裂，對(duì)附近水井開(kāi)展的水文地質(zhì)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)幾個(gè)水井的含水層位、類型不同，為防止預(yù)選井干井或涌水量過(guò)低，我們?cè)谠撎幍厍蛭锢砜辈橹胁扇×烁呙芏入姺ê图ぐl(fā)極化法對(duì)稱四極測(cè)深的方法組合[6-7]。

根據(jù)高密度電法剖面反演擬斷面圖(圖1)，并結(jié)合物性資料，初步認(rèn)為10 Ω·m以下為粘土(泥巖)、10 Ω·m ～20 Ω·m為含水砂巖，20 Ω·m及以上為泥灰?guī)r或礫石層。據(jù)此完成該剖面的地質(zhì)解釋，考慮到剖面上的成井條件及施工工藝的因素，選擇440點(diǎn)作為預(yù)選井位，推斷含水段為30 m～130 m。

為進(jìn)一步確定440點(diǎn)的賦水條件開(kāi)展了激發(fā)極化法對(duì)稱四極測(cè)深。最大AB/2=500 m，AB極布設(shè)方向沿高密度電法剖面方向(313°)，記錄視電阻率、視極化率(η)、半衰時(shí)(TH)、衰減度(D)四個(gè)參數(shù)。

從圖2可以看到ηa異常自AB/2=30 m起逐步升高，在AB/2=100 m時(shí)已經(jīng)高于1%，隨后迅速升高，至AB/2=150 m～200 m范圍達(dá)到峰值，最大值為5.1%，AB/2=200 m之后又迅速下降，說(shuō)明AB/2=200 m以深含水條件變差；ρa(bǔ)曲線上可以看到，在AB/2=15 m時(shí)出現(xiàn)一個(gè)高阻，與高密度電法反演擬斷面圖對(duì)應(yīng)，為礫石層的反應(yīng)，AB/2=20 m～AB/2=200 m范圍，視電阻率均在10 Ω·m ～20 Ω·m ，尾支上升，代表向下電阻率升高的趨勢(shì)。TH(半衰時(shí))曲線、D(衰減度)曲線相關(guān)度較好，對(duì)應(yīng)ηa異常深度出現(xiàn)D>0.4的異常。綜上所述孔位定在440 m處，設(shè)計(jì)井深140 m。

實(shí)際上，鉆探揭露含水段為35.64 m～59.70 m、71.70 m～ 83.74 m、89.73 m～101.77 m、125.79 m～134.85 m四層，與高密度電法吻合程度很高，甚至第一含水層和第二含水層之間的粘土層在高密度斷面中都有反應(yīng)。涌水量70 m3/h，地球物理綜合方法定井成效明顯。

3.3 基巖區(qū)

分將池村賦水類型為奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶含水。含水層位較深，超出高密度電法工作測(cè)量探測(cè)極限，我們初步設(shè)計(jì)采用EH4電導(dǎo)率測(cè)深加激發(fā)激化法對(duì)稱四極測(cè)深的組合，尋找跟賦水相關(guān)的低阻異常的位置[8-9]。

分將池村現(xiàn)有抽水水井與本次工作預(yù)選1號(hào)水井，分屬貫穿整個(gè)村莊的大沖溝的兩側(cè)，地質(zhì)上推斷大沖溝本身就是一個(gè)大斷層，根據(jù)斷層含水的機(jī)理，預(yù)選井位定在斷層的上盤。

EH4剖面點(diǎn)距10 m，21個(gè)點(diǎn)，剖面總長(zhǎng)為200 m，方位角為114°。從圖3反演電阻率擬斷面圖可以看到，電阻率橫向上，西邊(小號(hào)端)電阻率低，東邊(大號(hào)端)電阻率高，解釋為西邊為沖溝，東邊為灰?guī)r巖體?？v向上基本上隨著深度的增加電阻率逐漸增加。

僅從測(cè)深曲線上看，在AB/2=500 m范圍內(nèi)，賦水有利深度在50 m～100 m之間(后來(lái)認(rèn)識(shí)到供電極A極在此范圍內(nèi)正好在沖溝范圍內(nèi))。

在EH4剖面反演擬斷面圖上，150 m～170 m處發(fā)現(xiàn)有低阻反應(yīng)，鉆探過(guò)程中在該深度范圍發(fā)現(xiàn)斷層泥，解釋為壓型斷層。比照在已有井位的EH4剖面測(cè)量結(jié)果，賦水部位在電阻率變化的梯級(jí)帶上，繼續(xù)施工在355 m～360 m范圍出水， EH4反演擬斷面圖上對(duì)應(yīng)有明顯的低阻反映。據(jù)鉆孔巖性確定為奧陶系饅頭組的層位含水。401 m終孔，出水量15 m3/h。盡管鉆孔出水了但并未物探勘查工作的成果，地球物理綜合方法定井成效不佳。為此，進(jìn)一步開(kāi)展預(yù)選2號(hào)井的地球物理勘查工作。

圖1 王門村高密度反演電阻率擬斷面圖Fig．1 Pseudo resistivity section of high-density electrical method in wingmen village

圖2 王門村預(yù)選井激電測(cè)深ηs、ρa(bǔ)、TH、D曲線Fig．2 ηs、ρa(bǔ)、TH、D curve of IP sounding at wingmen village preselected well

圖3 分將池EH4反演電阻率擬斷面圖Fig．3 Pseudo resistivity section of EH4 sounding in fenjiangchi village

圖4 分將池預(yù)選1號(hào)井激電測(cè)深ηs、ρa(bǔ)、TH、D曲線Fig．4 ηs、ρa(bǔ)、TH、D curve of IP sounding at fenjiangchi village preselected No.1 well

首先在測(cè)區(qū)內(nèi)施測(cè)一條東南—西北向的聯(lián)合剖面測(cè)量剖面，AO=BO=200 m，MN=40 m。該剖面測(cè)量成果圖見(jiàn)圖5。

圖5 分將池預(yù)選2號(hào)井視電阻率聯(lián)合剖面測(cè)量成果曲線圖Fig．5 Curve of joint-profile resistivity sounding at fenjiangchi village preselected No.2 well

從圖5中可以看出，ρsA曲線和ρsB曲線在100號(hào)點(diǎn)附近出現(xiàn)同步低凹點(diǎn)，因此推斷在剖面上100號(hào)點(diǎn)附近有一條斷裂構(gòu)造通過(guò)。

在100號(hào)點(diǎn)布置了一個(gè)視電阻率對(duì)稱四極電測(cè)深點(diǎn)，以探測(cè)垂向上視電阻率的變化情況，判斷富水層位。電測(cè)深點(diǎn)成果曲線圖見(jiàn)圖6：

圖6 100號(hào)點(diǎn)(分將池預(yù)選2號(hào)井)直流電阻率測(cè)深曲線Fig．6 Curve of station 100 resistivity sounding at preselected No.2 wel ofl fenjiangchi village

由圖6可以看到，在曲線的前枝即0 m～90 m為奧陶灰?guī)r較完整層，視電阻率值隨極距的增大而45°左右上升；90 m～120 m曲線呈下降趨勢(shì)，表明此段寒武系灰?guī)r巖石開(kāi)始破碎；180 m～210 m曲線為視電阻率陡降最凹區(qū)段，表明該深度范圍巖石斷裂破碎程度較高，且該層位在地下水潛水面以下，富水性較好；230 m～250 m段曲線平緩略升，表明該區(qū)段為又一巖石破碎富水區(qū)段；250 m～300 m段電阻率值繼續(xù)向上升，曲線向上抬起，但角度不大，因此判斷該區(qū)段為深部一般富水區(qū)段，可綜合利用。最終選擇在該點(diǎn)布設(shè)鉆孔?？咨?21.5 m，涌水量31.3 m3/h。

從成井后的測(cè)井結(jié)果看，自然伽瑪曲線上有兩段高值，解釋為裂隙。一段為160 m～177 m處，自然電位沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明盡管有裂隙但是滲透性不好，應(yīng)該是斷層泥的表現(xiàn)。另一段為272.4 m～ 291.55 m處，伴隨有自然電位高值(滲透性)異常，所以判斷此區(qū)段為該井的主要出水位置

4 結(jié)論

綜合上述成功與失敗案例，我們可以得出以下結(jié)論：

分將池村預(yù)選1號(hào)井地球物理勘查失敗的原因:

1)激發(fā)激化法受地形影響較小是相對(duì)于電阻率法而言的，即對(duì)無(wú)極化率異常區(qū)域，地形本身不會(huì)產(chǎn)生極化率異常，但在有極化率異常區(qū)域，地形可以改變極化率異常的形態(tài)。對(duì)于采用對(duì)稱四極裝置的激發(fā)極化法測(cè)深始終還要受到體積效應(yīng)的影響，也就是說(shuō)測(cè)得的極化率等參數(shù)應(yīng)該是供電極AB范圍內(nèi)所有地質(zhì)體的綜合反映，當(dāng)AB布設(shè)方向跨越構(gòu)造時(shí)受周圍地質(zhì)體影響更大。地球物理測(cè)線布設(shè)一般盡量垂直走向，這樣如果為確定井位布設(shè)多個(gè)測(cè)深點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布設(shè)及AB極布設(shè)方向均垂直走向，無(wú)可厚非。但若只布設(shè)一個(gè)測(cè)深點(diǎn)，AB極布設(shè)應(yīng)盡量避開(kāi)垂直走向方向，以盡可能減少AB范圍跨越的地質(zhì)體數(shù)量。預(yù)選1號(hào)井激電測(cè)深賦水有利深度在50 m～100 m之間，實(shí)際上供電極A極在此范圍內(nèi)正好在沖溝范圍內(nèi)。從地形上講，山脊地形產(chǎn)生了假的電阻率低異常，A極沖溝(季節(jié)性徑流)與B極完整石灰?guī)r巨大的電性差異使極化率、衰減度在此范圍更多的偏向于含水特征。

2)EH4電導(dǎo)率測(cè)深同一般電磁法測(cè)深一樣，相對(duì)傳統(tǒng)的幾何測(cè)深而言，用頻率與深度的關(guān)系代替了極矩與深度的關(guān)系，屬頻率域電磁法。其抗干擾能力較傳統(tǒng)直流幾何測(cè)深弱，在工業(yè)電干擾下易產(chǎn)生假的低阻異常，使得在尋找以低阻異常為目標(biāo)的勘查中受干擾極強(qiáng)，這也是在預(yù)選1號(hào)井和2號(hào)井井地球物理勘查中，EH4效果比直流電測(cè)深差的原因。由此在深度較大地下水勘查中更多的推薦電磁法測(cè)深，但必須保證相應(yīng)的工作環(huán)境，在居民區(qū)如果對(duì)生產(chǎn)生活影響較小的情況下，建議協(xié)調(diào)停電觀測(cè)，以取得真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。

3)構(gòu)造含水如水源為地層(承壓)水，應(yīng)該考慮承壓的因素，而在分將池預(yù)選井位附近的水井水文調(diào)查中僅注意到靜水位。這樣給地球物理工作提供了錯(cuò)誤的預(yù)設(shè)深度。這樣當(dāng)在錯(cuò)誤的預(yù)設(shè)含水深度出現(xiàn)極化率測(cè)深因周圍沖溝等引起的高極化率異常及平面位置上的低阻異常(不完全是假異常，但含有干擾成分)時(shí)，物探方法組合在這個(gè)預(yù)選井位的勘查中失效了。

張型斷層與壓型斷層含水特征的不同。張型斷層較壓型斷層破碎，理論上表現(xiàn)為較低的電阻率，但這種差異往往被體積效應(yīng)掩蓋，而這種差異可以在自然電位測(cè)井中體現(xiàn)出來(lái)。

根據(jù)本次找水工作的效果可以發(fā)現(xiàn)，采用電阻率方法和激發(fā)極化法的組合是正確的，組合方法的運(yùn)用能彌補(bǔ)單一方法的不足與缺陷，能充分發(fā)揮各種方法自身的優(yōu)點(diǎn)，為本次地下水勘查井位的布置提供了進(jìn)一步的佐證，取得了良好的效果。當(dāng)然物探方法也有不足之處，如地面電法工作都存在體積效應(yīng)，在縱向分辨率上與地球物理測(cè)井無(wú)法比擬，這就使得在測(cè)井中反映的細(xì)微分層，在地面電法剖面上無(wú)法加以區(qū)別，而只反映了這些層位的綜合效應(yīng)。另外電阻率法雖然可以較正確地判定斷層的位置和規(guī)模，卻無(wú)法判定斷層的性質(zhì)。

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