綜合地球物理方法在坦桑尼亞某電廠水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

楊青峰，劉彥華，蔣玉坤

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綜合地球物理方法在坦桑尼亞某電廠水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

楊青峰1，劉彥華1，蔣玉坤2

( 1.江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，江蘇 淮安 223003；2.中國電力工程顧問集團(tuán) 華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063)

EH4電阻率成像系統(tǒng)是將部分可控源與天然源相結(jié)合的一種大地電磁測深系統(tǒng)。電測井是通過測量人工或天然電場，研究鉆孔剖面地層電學(xué)性質(zhì)的一種方法。本文以坦桑尼亞某電廠水文地質(zhì)勘察為例，說明這兩種方法在查明該場區(qū)的地層結(jié)構(gòu)、基巖面起伏以及覆蓋層中的水文地質(zhì)情況具有良好的應(yīng)用效果。實踐證明，大地電磁測深、鉆孔電阻率測井及自然電位測井是水文地質(zhì)勘察中最優(yōu)的物探手段。

水文地質(zhì)勘察；EH4電磁成像系統(tǒng)；電阻率測井；自然電位測井；坦桑尼亞

( 1.JiangsuProvinceHydrogeologyandEngineeringGeologyReconnaissanceInstitute,Huai’anJiangsu223003,China;2.EastChinaPowerDesignInstituteCo.,Ltd,ChinaPowerEngineeringConsultingGroup,Shanghai200063,China)

1 引 言

地球物理方法作為水文地質(zhì)調(diào)查必不可少的手段之一，被廣泛地用于尋找地下水，圈定構(gòu)造，及其走向和斷距，解釋基底埋深，劃分含水層的空間分布等方面。EH4是一種新的物探方法，在我國已成功運用在地礦、煤炭、水利、水電系統(tǒng)的找礦、找水等具體工程中，但在國外找水工程中的公開資料較少。本次在坦桑尼亞某電廠中運用EH4電磁成像系統(tǒng)，并結(jié)合鉆孔視電阻率及自然電位測井手段，為電廠水文地質(zhì)調(diào)查提供了可靠的物性資料。

2 場區(qū)地質(zhì)條件與巖土體的地球物理特征

2.1 場區(qū)地質(zhì)條件

坦桑尼亞某電廠位于坦桑尼亞東海岸，距印度洋約20 km，該場地地勢有一定起伏，東低西高，地表高程在82～93 m。地貌屬坦桑尼亞東部丘陵，場地中部有一東西向季節(jié)溪流貫穿場地，旱季無水，雨季有少量匯水，寬度10～20 m。場地內(nèi)無人員居住及建筑物，地表分布松散灰白色砂土，灌木叢生。地層主要為以粉質(zhì)黏土混粉砂為主的第四紀(jì)早期地層，厚度在50 m左右；新近紀(jì)晚期地層以砂層為主，夾黏土層，砂層泥質(zhì)成分非常高，雖厚度很大，但富水性和導(dǎo)水性都極差?；鶐r主要為第三系砂泥巖和白堊系砂礫巖，在場區(qū)以西Pugu山出露，其余地區(qū)埋藏很深。

2.2 巖土體的地球物理特征

地下巖、土層由于其成分、結(jié)構(gòu)、顆粒大小、組合形式的不同，不同巖、土層之間存在著電性差異，同樣的或相近的巖、土層由于含水量的不同，也存在電性差異。而砂層也會因其泥質(zhì)含量的不同，電阻率會發(fā)生變化。地下各種巖土體會受地質(zhì)構(gòu)造的影響，電性也會發(fā)生變化。地下巖、土層具有的電性差異就是本次物探評價地下水工作采用大地電磁測深、電阻率法的地球物理前提，其巖土介質(zhì)的物性參數(shù)如表1所示。

3 野外工作方法

本次大地電磁測深共布置6條測線。采用手持GPS放置測點和測線[1]。后期采用GPS雙頻RTK系統(tǒng)對測點進(jìn)行復(fù)測。測區(qū)及測線位置見圖1。

表1 巖土介質(zhì)物性參數(shù)

圖1 測區(qū)及測線位置Fig.1 Measurement area and line position

3.1 EH4電磁成像系統(tǒng)

3.1.1 EH4電磁成像系統(tǒng)工作原理

EH4屬于部分可控源與天然源相結(jié)合的一種大地電磁測深系統(tǒng)[2]。當(dāng)頻率在10～1 000 Hz時，可以采集天然電磁場信號；當(dāng)頻率在500～100 kHz時，天然場信號中高頻成分比較弱，這時，使用人工電磁信號補償天然信號的不足，實現(xiàn)天然信號源與人工信號源的采集和處理，可有效地穿透不同厚度的覆蓋層，高精度反演地下0～1 000 m的地質(zhì)體的電性結(jié)構(gòu)。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[3]。

EH4野外測量采用剖面法，其野外工作裝置布置如圖2所示。以測線方向為x軸，垂直測線方向為y軸，在測點上沿x、y放線布置兩組相互正交的高頻磁探頭和電極，采用“十”字形方式布極，根據(jù)地形、地物條件，各個測點的電極距為15～25 m不等，布極方向分別平行(Ex)和垂直(Ey)于測線。同樣，磁傳感器也分別平行(Hx)和垂直(Hy)于測線。[4]

EH4電磁成像系統(tǒng)(簡稱EH4)是一種國際上先進(jìn)的高頻大地電磁系統(tǒng)。其原理是通過觀測相互正交的兩個電場分量(Ex，Ey)和兩個磁場分量(Hx，Hy)的時間序列，利用觀測值求得xy，yx兩個方向上的視電阻率和相位差[9]。

其計算公式如下：

(1)

(2)

式中：f為頻率，Hz；ρ為電阻率，Ω·m；E為電場強度，mV/km；H為磁場強度，nT。

上述是把在大地當(dāng)成均勻介質(zhì)情況下推導(dǎo)出來的電阻率公式，但大地一般都是非均勻的，為趨膚深度內(nèi)介質(zhì)電阻率的綜合值，通常稱為視電阻率。

在電磁法理論中，將電磁場在大地中傳播時，其振幅衰減到初始值1/e時的深度稱為穿透深度或趨膚深度δ。趨膚深度為

(3)

由式(3)可知，趨膚深度δ將隨電阻率ρ和頻率f的變化而變化。根據(jù)電磁波傳播的特征可知，上式三式表明，探測深度隨頻率的降低而增大，視電阻率增大對電磁場的衰減作用反而更小[6，7]。因此在相同的電阻率情況下可以通過采集較低頻率的信號來獲得更深的探測深度。在一個寬頻帶上觀測到的電場和磁場信息可反演出不同深度介質(zhì)的電阻率分布信息[8-12]。

圖2 EH4電磁成像系統(tǒng)工作裝置布置Fig.2 Arrangement of working device of EH4 electromagnetic imaging system

3.1.2 EH4電磁成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與分析

EH4采集的數(shù)據(jù)先進(jìn)行預(yù)處理，在現(xiàn)場進(jìn)行傅立葉變換，獲得電場和磁場虛實分量和相位數(shù)據(jù)，并進(jìn)行一維Bostic反演。在一維反演的基礎(chǔ)上，室內(nèi)資料處理中采用Robust估計方法處理時間序列資料，最大限度地壓制了不相關(guān)噪聲的影響，獲得高質(zhì)量的張量阻抗元素。利用EH4系統(tǒng)的二維成像軟件進(jìn)行快速自動二維電磁成像，生成dat格式的文件。將場區(qū)測線及高程代替橫縱坐標(biāo)，生成EH4電阻率數(shù)據(jù)。

3.2 鉆孔電測井

電測井是通過測量人工或天然的電場，研究鉆井剖面地層的電學(xué)性質(zhì)，結(jié)合鉆探取芯資料，可以對地層巖性、含水層水文地質(zhì)特征等方面做出定性和定量解釋，為水文地質(zhì)勘察工作提供準(zhǔn)確可靠的物探參數(shù)。

3.2.1 自然電位測井法

自然電位測井的基本方法：如圖3所示，在井內(nèi)放置測量電極M，地面放置測量電極N，將M電極沿井筒移動，可測出一條井內(nèi)自然電位隨深度變化的曲線。

測量原理：固定地面的電極N，其電位VN是一個恒定值。當(dāng)測量電極M在井中移動時，電位差計所測得的電位差ΔVMN會隨之發(fā)生變化，這種變化就是井下自然電位的變化，而繪制電位差隨井深變化的曲線，即自然電位曲線。自然電位曲線的變化與巖性有密切關(guān)系，分析曲線中明顯的異常能得出其含水層的滲透性規(guī)律，這在水文地質(zhì)測井上具有非常重要的意義。

圖3 電測井自然電位法原理Fig.3 Principle diagram of electric logging natural potential method

3.2.2 電阻率測井法

電阻率測井的基本方法如下：如圖4所示，在井內(nèi)放置電極系(底部梯度電極系)，電極系由供電電極A、測量電極M、N組成，地面放置供電電極B，將電極系沿井筒移動，可測出一條井內(nèi)視電阻率隨深度變化的曲線。

圖4 電測井視電阻率法原理Fig.4 Principle diagram of electric logging apparent resistivity method

測量原理：電極系在井中時，由供電電極(A、B)供給的電流流過地層，另兩個測量電極(M、N)測量電位差，根據(jù)測量的電位差和供電電流來確定電阻率。均勻介質(zhì)的視電阻率為：

ρs=(4π·AM·AN/MN)·ΔVMN/I

(4)

令K=4π·AM·AN/MN

4 場區(qū)地球物理成果分析

4.1 水文地質(zhì)條件分析

場區(qū)地下水類型主要為松散層孔隙水和基巖風(fēng)化裂隙水。松散層孔隙水主要賦存于第四系地層和第三系松散層中，由于第四系地層以黏性土為主，其富水性很差；第三系松散層雖以砂層為主，但其泥質(zhì)含量較高，其富水性亦很差?；鶐r風(fēng)化裂隙水則主要賦存于基巖與松散層交界處的風(fēng)化地層以及構(gòu)造裂隙中，其富水性和松散層相對較好，但由于場區(qū)基巖埋藏深，而第三系主要為砂泥巖，其風(fēng)化裂隙多為泥質(zhì)充填，導(dǎo)致其富水性和導(dǎo)水性也很差[5]。

4.2 EH4大地電磁測深資料解釋

擬建電廠位于整個場地的東南角。根據(jù)前期鉆孔資料以及業(yè)主要求，本次EH4大地電磁測深共布置測線6條，其中3條主測線長度約1 000 m，3條次測線布置在擬建電廠區(qū)域，長度約500 m。各測線編號分別為：L1、L2、L3、L4、L5、L6，其中南北向測線為L1、L3、L6，東西向測線為L2、L4、L5，線距不等，點距均為25 m。

首先測量的為L1、L2、L3主測線，計劃在主測線成果中找出低阻帶，結(jié)合地質(zhì)資料分析低阻帶中富水性較好的區(qū)域，然后在擬建電廠區(qū)域布置次測線，計劃在該區(qū)域加密測量并布置水文鉆孔，進(jìn)一步研究富水性。

圖5為L1測線視電阻率斷面圖，測線位于測區(qū)中部，自西而東測量，長1 030 m。圖中0～250 m、450～750 m均為視電阻率高阻區(qū)域；上部高程至55 m的視電阻率呈似層狀低阻電性特征，推斷為粉質(zhì)黏土混粉砂為主的覆蓋層，而高程55 m以下區(qū)域視電阻率梯度變化大，推斷為顆粒較粗或固結(jié)程度較高的砂層(砂礫巖)，結(jié)合水文資料分析，這兩段的富水性及導(dǎo)水性都較差。圖中250～450 m、750～1 030 m視電阻率整體數(shù)值低；推斷上部高程至55 m為粉質(zhì)黏土混粉砂為主的低阻地層；高程在55～-400 m視電阻率整體較低，推斷為泥質(zhì)含量較高的砂層(砂礫巖)，故其富水性較差。綜合分析L1測線，在250～350 m雖處于擬建電廠位置之外， 但視電阻率高低阻接觸帶，可做進(jìn)一步研究。

圖5 L1測線視電阻率等值線斷面Fig.5 L1 survey line apparent resistivity contour map

圖6為L3測線視電阻率斷面圖，測線位于測區(qū)中偏南部，自西而東測量，長1 015 m。圖中0～500 m為視電阻率高阻區(qū)域；上部高程至55 m視電阻率呈似層狀低阻電性特征，推斷為粉質(zhì)黏土混粉砂為主的地層，高程55 m以下區(qū)域視電阻率梯度變化大，推斷為顆粒較粗或固結(jié)程度較高的砂層(砂礫巖)，結(jié)合水文資料分析，其富水性及導(dǎo)水性都較差。圖中500～1 015 m為視電阻率整體較低，推斷上部高程至55 m為粉質(zhì)黏土混粉砂為主的地層；高程在55 m以下由于其泥質(zhì)含量較高，視電阻率較低但富水性較差。綜合分析L2測線，推斷300～600 m下部為顆粒較粗或固結(jié)程度較高的砂層(砂礫巖)，結(jié)合水文資料分析，其富水性及導(dǎo)水性都較差。而在450～500 m雖屬于擬建電廠之外但視電阻率高低阻地層接觸帶，可做進(jìn)一步研究。

依據(jù)相同的解釋方法，對L2測線進(jìn)行解釋，并在擬建電廠區(qū)域增加三條次測線L4、L5、L6，計劃尋找富水帶。圖7為L4測線視電阻率斷面圖，測線位于測區(qū)中偏東部，自南向北測量，長度為570 m。L4測線的布置主要依據(jù)L1、 L3兩測s線在擬建電廠位置上的低阻帶，盡量貼近兩測線視電阻率高低阻的接觸帶。綜合分析L4測線，視電阻率數(shù)值整體較低，僅在250～400 m、420～500 m兩處上部視電阻率較高。結(jié)合水文地質(zhì)條件，推斷該斷面上部為粉質(zhì)黏土混粉砂為主的地層，而下部地層主要以砂層為主，但砂層中泥質(zhì)含量較高，故富水性及導(dǎo)水性較差。

圖6 L3測線視電阻率等值線斷面Fig.6 L3 survey line apparent resistivity contour map

圖7 L4測線視電阻率等值線斷面Fig.7 L4 survey line apparent resistivity contour map

另外還布置了L5、L7測線，但大地電磁測深效果一般，未能發(fā)現(xiàn)明顯的富水帶。綜合大地電磁測深的結(jié)果，結(jié)合擬建電廠工程實際情況，在L3與L4測線中可能性較大的富水帶進(jìn)行鉆孔驗證。

4.3 電測井資料解釋

鉆孔電位測井和電阻率測井的資料，可為含水層、隔水層位置提供分析依據(jù)，并定性了解含水層泥質(zhì)含量，為指導(dǎo)成井、確定過濾器位置提供主要的依據(jù)。鉆孔電測井資料解釋的方法主要是通過視電阻率(ρs)、自然電位(ΔV)兩條曲線分析鉆孔地層的巖性、透水性和富水性，分析含水層位置。

鉆孔視電阻率(ρs)測井可以反映鉆孔中地層的導(dǎo)電性以及砂層中顆粒的粗細(xì)；而鉆孔自然電位(ΔV)測井則反映了地層的滲透、過濾性以及透水性。根據(jù)場區(qū)的地球物理特征，并綜合電測井資料，可以得到該場區(qū)中黏性土和泥巖的電阻率數(shù)值最小，而砂層電阻率較高。而砂層中顆粒大小、含泥量的不同，電阻率也發(fā)生對應(yīng)的變化。一般來講：砂層中顆粒越粗，電阻率越高；泥質(zhì)含量越高，電阻率越低；不含水的砂層要比含水砂層電阻率高。通過視電阻率(ρs)曲線可以分析地層的巖性、顆粒粗細(xì)，通過自然電位(ΔV)曲線可分析地層的透水性和砂層的泥質(zhì)含量。在資料處理中，黏土層或泥巖井段的自然電位曲線比較平直，解釋中通常將黏土層或泥巖井段的自然電位曲線值作為基線，來分析含水層的自然電位異常。

通常來講，同一鉆孔的自然電位曲線和電阻率曲線是可以相互對應(yīng)的。電阻率高的地層對應(yīng)的自然電位越低，則該地層滲透性較好，是很好的含水層。而電阻率低的地層對應(yīng)的自然電位無明顯異常，則該地層的隔水性較高。

圖8為驗證鉆孔的鉆探分層資料和對應(yīng)的電測井曲線。該鉆孔56m以淺的地層以粉質(zhì)黏土混粉砂為主；56～135 m主要為粉細(xì)砂但泥質(zhì)含量高，此段電阻率數(shù)值最大僅達(dá)到11 Ω·m，自然電位曲線差別也小，反映地層滲透性差；135～200 m主要為粉細(xì)砂、中細(xì)砂、細(xì)砂為主，夾黏土層，其電阻率最大為18 Ω·m。根據(jù)一般經(jīng)驗，砂層的電阻率應(yīng)該在30～40 Ω·m，故135～200 m段含泥量相對較高。綜合兩條曲線，135～142 m、146～149 m、167～176 m、180～182 m、189～195 m這五段視電阻率相對較高，推斷砂層中泥質(zhì)含量較高，水量較?。坏@五段自然電位差別小，說明地層滲透性差，即地下水補給差。

圖8 鉆孔電測井曲線Fig.8 Borehole electric logging curve graph

5 結(jié) 論

本次坦桑尼亞某電廠水文地質(zhì)勘察中通過采用EH4電測成像系統(tǒng)和鉆孔電阻率及自然電位的測井方法，為電廠選定了比較合適的水文鉆孔?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：

1)水文地質(zhì)條件和地球物理條件，是開展EH4電磁成像工作和電阻率及自然電位測井的前提基礎(chǔ)。物探工作之前必須了解覆蓋層的厚度、地層情況以及斷裂發(fā)育情況，重點在富水區(qū)及匯水區(qū)布置物探工作，以指導(dǎo)后續(xù)資料解釋工作。

2)EH4電磁成像系統(tǒng)能對地層進(jìn)行分析，先將場地進(jìn)行劃分區(qū)域，然后在視電阻率高低阻接觸帶上增加物探測線，進(jìn)一步研究地層的富水帶。

3)鉆孔中電阻率測井和自然電位測井兩種方法相互結(jié)合，可分析出黏土層、砂層對應(yīng)的富水性及滲透性。隔水層主要為黏土層，其視電阻率較低，而電位變化小。含水層主要為砂層，其視電阻率較高，且電位變化大。

4)運用EH4電磁成像系統(tǒng)和鉆孔電阻率及自然電位測井的方法，可以相互驗證、相互補充，不僅能圈定場地中低阻區(qū)域，還可以對低阻區(qū)的地層性質(zhì)進(jìn)行分析。新老方法結(jié)合，是水文地質(zhì)調(diào)查中必不可少的物探手段，既節(jié)省了成本，也達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

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The Application of Integrated Geophysical Methods to Hydrogeological Surveying in the Tanzania Power Plant

Yang Qingfeng1,Liu Yanhua1,Jiang Yukun2

EH4 electromagnetic image systemis a kind of magnetotelluric sounding system controlled source with the combination of natural sources. Electric logging is measured by artificial or natural electric field. It is a kind of method to research the electrical properties of borehole sections.In Tanzania, hydrogeological exploration of a certain power plant as an example, shows that the two methods in identification of the stratigraphic structure and the bedrock surface fluctuation and the hydrological geology layer has a good application effect.Practice has proved that EH4 electromagnetic image system, drilling resistivity logging and spontaneous potential logging are the optimal means of geophysical prospecting in the hydrogeological exploration.

hydrogeological investigation; EH4 electromagnetic image system; resistivity log; self-potential log; Tanzania

1672—7940(2016)05—0659—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.05.017

國家自然科學(xué)基金(編號：41274123)

楊青峰(1964-)，男，高級工程師，主要從事資源及工程物探的生產(chǎn)與研究工作。E-mail：23744106@qq.com

P631

A

2016-03-30