激發(fā)極化法在淺埋隱伏基巖區(qū)水文定井中的應(yīng)用淺析

黃子瑩 王成龍

(河北省水文工程地質(zhì)勘查院 石家莊 050021)

1 激發(fā)極化法及其測(cè)試參數(shù)

在常規(guī)電法勘探中，當(dāng)采用某一電極排列方式向大地供電或切斷電流的瞬間，在測(cè)量電極M、N之間總能觀測(cè)到電位差隨時(shí)間的變化。在這種類似充、放電的過程中，由于地下介質(zhì)或探測(cè)對(duì)象的電化學(xué)作用所引起的隨時(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)(簡(jiǎn)稱激電效應(yīng))，如圖1。

圖1 激發(fā)極化法充、放電波形示意圖

激發(fā)極化法是物探勘查的一種技術(shù)與方法，就是以巖、礦石激電效應(yīng)的差異為基礎(chǔ)，在外業(yè)采集供電電流、一次場(chǎng)電位差、二次場(chǎng)電位差，并計(jì)算求得極化率ηS(%)、衰減度Dr(%)、半衰時(shí)TH(s)、偏離度r(%)等激電參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過資料解譯、分析對(duì)比，從而達(dá)到找礦或找水的目的。

2 激電特征與激電找水的地球物理前提

激電效應(yīng)有隨巖石、礦石中電子導(dǎo)電礦物、地下水含量的增高而增強(qiáng)的特性，是激發(fā)極化法成功應(yīng)用于多金屬礦探查、找水的物理化學(xué)基礎(chǔ)。

當(dāng)巖石存在黃鐵礦、黃銅礦低礦化時(shí)，激電效應(yīng)明顯，極化率多為3%～10%；以黃鐵礦、黃銅礦為代表的硫化物呈浸染型多金屬礦化、呈塊狀多金屬礦化、石墨礦、含碳巖石等，其極化率高達(dá)10%～50%。一般而言，低極化地層的富水層位極化率多為1%～2%左右，咸水層的極化率相對(duì)偏高一些。

對(duì)某地層而言，半衰時(shí)、衰減度幅值大，表示該極化介質(zhì)二次場(chǎng)放電慢，衰減慢；而半衰時(shí)、衰減度幅值小，則表示該介質(zhì)放電速度快，衰減快。富水地層的半衰時(shí)、衰減度幅值相對(duì)較高，即說明富水地層的激電效應(yīng)衰減相對(duì)較慢。

總而言之，相對(duì)于多金屬礦化巖層或巖體而言，一般富水地層的極化率明顯較低為1%～2%，而半衰時(shí)、衰減度值相對(duì)較高。對(duì)同一地層如硅質(zhì)砂巖、碳酸鹽巖、砂卵礫石層等低極化地層，相對(duì)于貧水層位，富水層位的極化率、半衰時(shí)、衰減度均呈現(xiàn)高幅值異常特征，這即是激電找水的地球物理前提。

3 激電找水常用裝置類型及其特點(diǎn)

應(yīng)用于找礦普查，激發(fā)極化法多以激電中梯為主；應(yīng)用于水文地質(zhì)調(diào)查、貧水區(qū)找水，多在物探剖面的基礎(chǔ)上，以激電測(cè)深對(duì)比驗(yàn)證。

在激發(fā)極化找水中用得最多、最有效的裝置類型是對(duì)稱四極垂向測(cè)深裝置,即溫納裝置，也稱為IP測(cè)深。激電測(cè)深的供電電極AB與測(cè)量電極MN布置在通過測(cè)點(diǎn)O的一條直線上,通常采用溫納裝置并保持MN/AB=1/3的等比關(guān)系。如圖2所示，這種裝置的特點(diǎn)是AM=NB，記錄點(diǎn)取在MN的中點(diǎn)。其電阻率值ρS表達(dá)式為：

圖2 對(duì)稱四極激電測(cè)深裝置示意圖

相對(duì)于其他裝置類型，該裝置類型抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)得的數(shù)據(jù)穩(wěn)定、△V1、△V2幅值高。

因常規(guī)電法的電阻率值與電流、電壓有關(guān)，而電壓值為地表測(cè)量電極MN間測(cè)得，受地形起伏影響。因此，常規(guī)電法的電阻率值受地形起伏干擾較大。所以常規(guī)電法要求放線的場(chǎng)地盡量平緩。

水文物探中，激電測(cè)深最大的優(yōu)點(diǎn)是衰減度、半衰時(shí)等參數(shù)受地形影響小，因此衰減度、半衰時(shí)測(cè)深曲線異常段的深度即反映富水地層的深度。不需要刻意進(jìn)行深度換算。

外業(yè)工作中，由于供電時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)試與計(jì)算的參數(shù)較多，激電測(cè)深法外業(yè)效率相對(duì)較低；同時(shí)由于二次場(chǎng)較弱，及地電干擾、接地條件較差等因素，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。所以，在激電測(cè)深外業(yè)中，需要根據(jù)實(shí)際情況，及時(shí)串聯(lián)外接電池提高電壓、并需改善供電極接地條件，以提前換土、澆水方式改善測(cè)量電極的接地條件，提高M(jìn)、N極罐的穩(wěn)定性。

4 白堊系砂巖地層水文定井

在某鐵路車站找水中，了解到車站需水量不大于10 m3/h。調(diào)查可知該測(cè)區(qū)地處白堊系地層，外圍村莊有水井，出水量約20 m3/h左右。該處白堊系的砂巖、泥巖多以互層形式展現(xiàn)，完整性一般較好，賦水性差。試驗(yàn)可知隱伏的泥巖、砂巖互層的電阻率值整體較低，相對(duì)富水與不富水地層電阻率并無明顯的電性差異。在水文物探工作中最常使用的直流電測(cè)深法在該類區(qū)域找水效果不明顯。

4.1 工作方法

鑒于該類區(qū)域基巖的電性特點(diǎn)，開展以激電測(cè)深法為主的水文勘探成為首選。首先在已知井井旁分別做直流電測(cè)深與激電測(cè)深，取得已知電阻率和激電參數(shù)，而后每100～200 m布置一個(gè)激電點(diǎn)；通過各測(cè)點(diǎn)曲線與已知井參數(shù)曲線的對(duì)比分析，在圈定的富水區(qū)段再布置一條十字測(cè)線，并進(jìn)行適當(dāng)加密測(cè)點(diǎn)，直到確定理想的點(diǎn)位為止；在擬定的井位處輔以十字激電測(cè)深，對(duì)比分析，綜合確定了富水層與井深。

4.2 參數(shù)分析與成井效果

從測(cè)試成果看，該區(qū)各測(cè)點(diǎn)的視電阻率曲線類型近似，即AKH與HKH型，即中深部的視電阻率曲線走勢(shì)均相似，與已知井差異不明顯。僅從視電阻率曲線特征比較，推薦井位的難度較大。從各測(cè)點(diǎn)的視極化率曲線特征與幅值分析，各測(cè)點(diǎn)中深部的視極化率約介于0.4%～0.9%間，局部高值達(dá)1.5%未出現(xiàn)明顯的高極化特征(圖3)。

圖3 已知井激電測(cè)深各參數(shù)曲線

從上面的已知井旁曲線可以看出，電測(cè)深曲線的AB(max)/2=500 m，而激電參數(shù)的AB(max)/2=250 m。AB/2=50 m以深，衰減度與半衰時(shí)兩參數(shù)均呈現(xiàn)明顯的高值異常，且AB/2=50 m與AB/2=160 m處衰減度與半衰時(shí)均出現(xiàn)峰值，Dr≥0.3，而半衰時(shí)TH約介于0.7～0.9間(圖4)。

圖4 推薦井位激電測(cè)深各參數(shù)曲線

從上面的推薦井位曲線看，AB/2=75～160 m間，衰減度與半衰時(shí)兩參數(shù)均呈現(xiàn)明顯的高值異常，且AB/2= 160 m處衰減度與半衰時(shí)均出現(xiàn)峰值，Dr≥0.3，而半衰時(shí)TH=0.8。

比較已知井和DS-4激發(fā)極化參數(shù)(半衰時(shí)、衰減度)曲線，以上兩測(cè)點(diǎn)AB/2=50 m以深電性特征相似，且DS-4點(diǎn)與已知井的半衰時(shí)、衰減度幅值近似，由此推斷DS-4的含水情況應(yīng)與參數(shù)井的出水量近似，建議井深180 m。實(shí)際出水量15 m3/h，滿足了供水需求。

5 隱伏白云巖區(qū)水文定井

5.1 外業(yè)工作方法

工點(diǎn)位于官廳水庫東岸，沖溝發(fā)育，地形起伏大，電法放線受限嚴(yán)重。上覆厚層黃土與礫石土，調(diào)查推測(cè)基巖頂板埋深40～80 m左右，潛水面在基巖頂板附近的上側(cè)。推測(cè)下伏基巖應(yīng)為薊縣系霧迷山組白云巖等。

在前期物探工作中，通過音頻大地電磁法即EH-4剖面測(cè)量，初步查明了土石界線的埋深與基巖裂隙發(fā)育帶；根據(jù)預(yù)選的靶區(qū)，結(jié)合地形特點(diǎn)在溝底或土梁處開展了多處激電測(cè)深法，視電阻率曲線類型多為QH型。

5.2 參數(shù)分析與測(cè)試效果

在IP-3測(cè)點(diǎn)，可知AB/2=50 m時(shí)衰減度Dr≥0.3，基本對(duì)應(yīng)已知水位；AB/2=110 m處衰減度Dr=0.34，而兩極距的半衰時(shí)介于0.77～1.05間，即衰減度與半衰時(shí)均呈現(xiàn)明顯的高值異常；推測(cè)應(yīng)為基巖頂板附近溶蝕裂隙發(fā)育，相對(duì)富水。后經(jīng)鉆探成井驗(yàn)證，證實(shí)白云巖裂隙發(fā)育，成井深度約110 m。初測(cè)出水量40 m3/h(圖5)。

圖5 基巖頂板富水的激電曲線特征

6 白云巖區(qū)十字激電測(cè)深法水文定井

在太行山區(qū)，石灰?guī)r、白云巖、大理巖等碳酸鹽巖地層發(fā)育，探測(cè)溶蝕發(fā)育帶、斷層帶成為間接找水的有效途徑。但在有些測(cè)區(qū)，因地表第四系覆蓋，缺乏已知的構(gòu)造、地層資料，或者已知井位缺乏或水量不理想，或者電阻率曲線特征近似或富水異常特征不明顯，單單憑借電法的電阻率曲線特征推薦井位風(fēng)險(xiǎn)較大，或難于推薦井位。而這時(shí)若場(chǎng)地適宜，在重點(diǎn)區(qū)布設(shè)少量的激電測(cè)深點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，可能會(huì)有意想不到的探測(cè)效果。

如在某新建大型水泥廠水文定井時(shí)，根據(jù)場(chǎng)地條件，選用了外業(yè)效率較高的電測(cè)深法開展工作。通過對(duì)稱四極電測(cè)深法剖面測(cè)量，發(fā)現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)視電阻率曲線類型多為HA或AA型，各測(cè)點(diǎn)的深部基巖的電性差異不明顯，且斜率較大，未能確定井位。后改用激電測(cè)深法，在采集視電阻率參數(shù)的同時(shí)分別采集了極化率、半衰時(shí)與衰減度等。通過激電綜合參數(shù)對(duì)比分析，達(dá)到了預(yù)想的效果(圖6)。

圖6 各激電測(cè)深的視電阻率曲線特征對(duì)比

6.1 外業(yè)工作方法

從調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該工點(diǎn)周邊基巖埋深10～20 m左右，潛水面在基巖頂板，但水量小且隨季節(jié)變化明顯。鉆探遇下伏基巖為白云巖。在廠南側(cè)已有兩處機(jī)井干眼，另有村里一眼水井出水量達(dá)30～40 m3/h，并分別作了井旁電測(cè)深。

6.2 參數(shù)分析與成井效果

在ZS4-1測(cè)點(diǎn)處發(fā)現(xiàn)AB/2=80 m以深衰減度值明顯偏高；又經(jīng)十字測(cè)深后發(fā)現(xiàn)，在深部電阻率差異不大的同時(shí)衰減度差異明顯，即東西向放線時(shí)的衰減度明顯呈現(xiàn)高值異常，而半衰時(shí)介于0.78～1.0間，推測(cè)應(yīng)為東西向的溶蝕裂隙發(fā)育。后經(jīng)鉆探成井驗(yàn)證，在90 m附近見溶洞，成井深度約100 m。4吋泵連續(xù)抽水而降深不明顯。但初始抽水時(shí)出水紅色混濁，推測(cè)溶洞內(nèi)底部有泥質(zhì)充填(圖7)。

圖7 ZS4-1點(diǎn)十字激電測(cè)深曲線對(duì)比

6.3 利用激電測(cè)深法對(duì)富水帶的探測(cè)

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較，經(jīng)鉆探成井、出水層、出水量情況對(duì)比分析，證實(shí)ZS1-9點(diǎn)中淺部富水，水量相對(duì)偏??；而ZS4-1點(diǎn)中深部富水，出水量大(圖8)。

圖8 深淺不同富水層的激電曲線對(duì)比

7 結(jié)論

常規(guī)的物探找水是間接找水，所以水文物探定井是項(xiàng)目小難度大風(fēng)險(xiǎn)高。難就難在需找水的地區(qū)都是貧水、沒水的；風(fēng)險(xiǎn)高在于物探推薦了井位就鉆探成井，一針見血，沒有退路。

水文物探定井是細(xì)活，須謹(jǐn)慎從事。物探定井應(yīng)多看、多問、多做、多比較。通過資料收集、踏勘與走訪、剖面測(cè)試、重點(diǎn)區(qū)開展激電驗(yàn)證或做激電剖面、進(jìn)行井旁對(duì)比、綜合分析，之后再推薦井位。每種物探技術(shù)均有其局限性，因此在條件許可的情況下，水文物探定井須以綜合手段開展外業(yè)工作。

在水文物探工作中，常規(guī)直流電測(cè)深法以其數(shù)據(jù)穩(wěn)定、信噪比高、可控性強(qiáng)、相對(duì)經(jīng)濟(jì)高效性仍為水文定井的首要方法，但由于其參數(shù)單一、場(chǎng)地條件的限制、及多解性，在水文勘探中有其局限性。

輔之以電剖面法、電測(cè)深法、EH4等，激電測(cè)深法憑借半衰時(shí)(TH)、衰減度(Dr)、極化率(ηs)和偏離度(r)等多參數(shù)對(duì)比分析，若得到很好的發(fā)揮，將會(huì)達(dá)到預(yù)想不到的效果。

在選用DZD系列或類似的多功能電法儀在基巖區(qū)開展激電找水外業(yè)工作時(shí)，必須正、反、正三次供電；最好供電時(shí)間選8 s或10 s，大極距時(shí)一次場(chǎng)電壓不應(yīng)低于10 mV。

相對(duì)富水地層：衰減度(Dr)應(yīng)在0.28～0.4間，Dr≥0.30以上可視為富水層。半衰時(shí)(TH)一般出現(xiàn)較高異常，幅值應(yīng)在1左右。視極化率(ηs)一般出現(xiàn)較高異常，幅值也應(yīng)在1左右，最好不大于2；過大應(yīng)是地層自身礦化的激電效應(yīng)。

在地下水位附近，半衰時(shí)與衰減度曲線一般均出現(xiàn)不同程度的突變，呈相對(duì)高幅值特征。所以可以根據(jù)地下水位確定異常背景值。背景值以上部分為相對(duì)高值，應(yīng)為相對(duì)富水層位的反映；背景值以下部分為相對(duì)低值，應(yīng)為不含水或較差。

電測(cè)深法與激電測(cè)深法均具有體積效應(yīng)，要求被測(cè)的目的層要有一定的規(guī)模，目的層埋的越深，體積效應(yīng)越大，要求目的層厚度越大，含水層小或薄則很難有所反映。

[1]劉正峰.水文地質(zhì)手冊(cè).銀聲音像出版社,2010.

[2]劉國興.電法勘探原理與方法[M].地質(zhì)出版社,2005.

[3]劉建國,黃子瑩等.靈壽縣太行山山前土地整治項(xiàng)目水文物探報(bào)告,2013.

[4]劉志彬,黃子瑩等.靈壽縣土地整治項(xiàng)目中綜合物探找水淺析.《地球》.2015(02)：158-160.

[5] 黃子瑩,劉志彬.太行山區(qū)淶源泉域水文物探淺析.《水能經(jīng)濟(jì)》2016(06):279-280.