激發(fā)極化法尋找地下水源的探討和研究

吳翔飛

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

1 激發(fā)極化法找水機(jī)理

1.1 離子導(dǎo)體激發(fā)極化效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制探討

當(dāng)一次場電流通過寬窄不同的巖石孔隙時，由于窄孔隙（即正離子選擇帶或薄膜）中正離子遷移率正負(fù)離子大于負(fù)離子遷移率，而寬孔隙中（即非選擇帶）正負(fù)離子等于負(fù)離子遷移率，結(jié)果在窄孔隙的電流流出端形成正離子的堆積；而在電流流入端正離子較少。與此同時，由于負(fù)離子在寬孔隙中的遷移率高于在窄孔隙中的遷移率，因而在正離子造成堆積或不足的地方，同樣造成負(fù)離子的堆積或不足，這樣便形成離子濃度沿孔隙的變化。所形成的離子濃度梯度將阻礙離子的流動，直至達(dá)到平衡為止。當(dāng)外電流截斷后，由于離子擴(kuò)散作用，離子濃度梯度將逐漸消失，恢復(fù)到原來狀態(tài)。與此同時，形成擴(kuò)散電位，這就是在離子導(dǎo)體上觀測到的激發(fā)極化電位。

1.2 影響激發(fā)極化效應(yīng)因素探討

均質(zhì)黏土激發(fā)極化效應(yīng)非常小。當(dāng)黏土與沙、巖石碎屑、砂卵石等不同物質(zhì)混合時，形成了粗細(xì)不同的薄膜，在一次電場作用下，產(chǎn)生了離子濃度梯度，因此可以觀測到極化效應(yīng)產(chǎn)生的二次場。

雖然激發(fā)極化效應(yīng)的關(guān)鍵因素是水，但二次電場的大小與各種巖性及所含的礦物成分、巖石的破碎程度，水溶液的溫度、礦化度，供電時間、布極方向、供電及測量電極材料等相關(guān)。一般來講，巖石中含有金屬離子時，激發(fā)極化效應(yīng)會變大，會對找水形成干擾。巖石越破碎、水溶液溫度越高、礦化度越高、供電時間越長，激發(fā)極化效應(yīng)越大，這些對于找水是非常有利的。

2 表征激發(fā)極化效應(yīng)的綜合參數(shù)J

2.1 極化率η

對于二次場強(qiáng)度，國內(nèi)外均采用極化率η表示：

式中：n——極化率；

ΔV1——供電時一次場電位差；

ΔV2——停止供電時二次場電位差。

2.2 衰減度D

對于二次場衰減速度，國內(nèi)外是用某兩個時刻二次場電位差之比，但在時間點的選擇上不盡一致，所采用的數(shù)學(xué)公式表述也各有不同。通過大量實踐認(rèn)為：衰減度在找水方面選用0.25～5.25 s間的5 s內(nèi)進(jìn)行平均，是比較合適的。

從衰減度D的物理意義可以看出，D永遠(yuǎn)是小于1的一個數(shù)值。如果野外測試過程中發(fā)現(xiàn)D大于1，可能是干擾造成的，要引起足夠注意。

2.3 激發(fā)比J

將極化率和衰減度乘積定義為激發(fā)比，由于含水層的η和D都較高，故激發(fā)比J能更好地反映含水層的含水狀況。根據(jù)找水方面的研究，激發(fā)比不大于2%。因此，在實際工作過程中，一定要對測區(qū)的巖石礦物成分進(jìn)行分析，避免由于金屬離子產(chǎn)生的激發(fā)極化效應(yīng)，而誤導(dǎo)對地層含水情況的判斷。

3 激發(fā)極化法找水應(yīng)用

耿鎮(zhèn)位于山西省五臺縣境內(nèi)清水河岸邊，距離五臺縣城約30 km，東西為丘陵山區(qū)，中部是清水河沖積平原。為解決旱季缺水問題，在該村不同方位布置了激發(fā)極化電測深點。工作區(qū)下伏太古界火成巖和變質(zhì)巖地層，上覆古生界下寒武統(tǒng)鮞狀灰?guī)r和紫紅色頁巖地層。河床堆積物為第四系黏土和卵礫石。6號點位于村外兩條田間小道的交叉處，解釋成果見表1，實測曲線分別見圖1和圖2。

表1 山西省五臺縣耿鎮(zhèn)6號點成果表

圖1 山西省五臺縣耿鎮(zhèn)6號點視電阻率曲線圖

圖2 山西省五臺縣耿鎮(zhèn)6號點激發(fā)比曲線圖

根據(jù)電測深曲線可以推斷出：視電阻率曲線為標(biāo)準(zhǔn)的“KH”型，曲線的前支和中支的大“K”型，在沖洪積的平川區(qū)往往是較大河流古河道的反映。從地面開始往下 4.2～11.6 m，電阻率為 799.2～853.9 Ωm，激發(fā)比為0.2%～1%，推斷地層為不含水的礫石；11.6～29.4 m，電阻率為 338.3～430.9 Ωm，激發(fā)比為 0.3%～0.35%，推斷地層巖性為不含水的砂礫石；29.4～67.1 m，電阻率為 124.2～247.6 Ωm，激發(fā)比為 0.7%～1.1%，推斷地層為含水的砂礫石；67.1～103.9 m，電阻率為 90.5～114 Ωm，激發(fā)比為1.1%～1.4%，推斷為風(fēng)化破碎的含水基巖；103.9～194.4 m，電阻率為 349.8～420.1 Ωm，激發(fā)比為1.95%～3.05%，推斷地層巖性為裂隙發(fā)育的含水層反映。

從上述來看，一是可以利用反演后的真電阻率劃分地層巖性。因為地層含水與否雖然對電阻率值影響較大，但不起主導(dǎo)作用。從電阻率值方面，可以將4.2～103.9 m劃分為第四紀(jì)砂礫卵石層；103.9～194.4 m劃分為基礎(chǔ)地層。由于真電阻率不高，因此推斷基巖地層比較破碎。二是利用激發(fā)比確定地層含水情況。從激電參數(shù)來看，在深度3~103.9 m范圍內(nèi)激發(fā)比小于2%，屬于離子導(dǎo)體的正常場，推斷為第四系砂礫石層；在深度103.9~210 m范圍內(nèi)激發(fā)比大于2%，已接近或超過離子導(dǎo)體的正常場，推斷基巖中含有金屬離子。

通過以上資料分析，6號測點推斷為古河道，深度0~103.9 m為覆蓋層；深度103.9~210 m范圍內(nèi)電阻率均較低，推斷基巖較破碎。建議井深220 m，預(yù)計枯水季節(jié)每天涌水量600～800 t。

本次測試完成后，在6號點進(jìn)行打井。鉆探揭露的基巖面深度為100 m，這與物探推斷解釋基本一致。從打井取出的巖芯來看，在100～220 m范圍內(nèi)巖石比較破碎。從抽水試驗來看，每小時40多噸水，一天出水量為1000 t左右。

4 結(jié)論

利用激發(fā)極化法可以有效尋找地下水源。激發(fā)比作為激發(fā)極化的一個重要參數(shù)，對尋找地下水源會起到有益幫助，但完全依賴激發(fā)比的大小判斷是否有水，是不可行的。根據(jù)對含水地層離子導(dǎo)體激發(fā)比的研究，在沒有金屬礦電子導(dǎo)體的干擾下含水地層的激發(fā)比一般小于2%；當(dāng)發(fā)現(xiàn)激發(fā)比大于2%時，應(yīng)分析工區(qū)內(nèi)巖石礦物成份是否含有金屬離子。如果巖石礦物成份含有金屬離子，就不能利用激發(fā)比大小判斷地層含水情況，而需根據(jù)電阻率的大小和地質(zhì)情況來判斷地層的破碎情況，從而判斷含水情況。