電阻率測(cè)深法在柴達(dá)木盆地地下水調(diào)查評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

冀顯坤，白 運(yùn)，郭偉立

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054)

電阻率測(cè)深法在柴達(dá)木盆地地下水調(diào)查評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

冀顯坤，白 運(yùn)，郭偉立

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054)

都蘭縣地處柴達(dá)木盆地，為高原大陸性氣候， 以干旱為主要特點(diǎn)，自然景觀為干旱荒漠，主要土類為鹽化荒漠土和石膏荒漠土。隨著礦產(chǎn)資源與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)水資源的需求愈發(fā)突出，為此開展柴達(dá)木盆地水文地質(zhì)調(diào)查工作，其中地球物理勘探的目的是探查富水區(qū)及流域剖面上第四系含水層的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和空間變化特征。主要確定第四系含水介質(zhì)的巖性、厚度、埋藏深度及基底形態(tài)。電阻率測(cè)深法是地下水勘探中重要的技術(shù)手段，本文介紹了其中的對(duì)稱四極測(cè)深法在柴達(dá)木盆地地下水調(diào)查中的應(yīng)用，在山前地下水埋深較淺地區(qū)，通過向地下供電，建立人工電場(chǎng)，測(cè)量電場(chǎng)地下介質(zhì)的分布。所取得野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是地下地質(zhì)構(gòu)造體分布及電性特征的綜合反映，消除或壓制這些干擾因素的影響，最大程度得到反映地電斷面真實(shí)信息的信號(hào)。在定性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量反演計(jì)算剖面電性結(jié)構(gòu)特征，劃分含水層，確定基巖面，最后取得了良好的應(yīng)用效果。

電阻率測(cè)深；地下水；對(duì)稱四極

豐富的礦產(chǎn)和農(nóng)牧業(yè)資源是促進(jìn)都蘭縣經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)的重要推力，由于都蘭縣地處干旱盆地，縣域內(nèi)降水稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源勘查研究程度低，現(xiàn)有水文地質(zhì)資料難以滿足新經(jīng)濟(jì)形式下的礦產(chǎn)資源開發(fā)及農(nóng)業(yè)園區(qū)擴(kuò)大建設(shè)對(duì)地下水資源需求，為此開展了柴達(dá)木盆地水文地質(zhì)調(diào)查任務(wù)，為了查明第四系厚度，劃分含水層范圍，采用地球物理勘探方法技術(shù)，本文所述電阻率測(cè)深法則是其中的內(nèi)容。

1 電阻率測(cè)深法工作原理

電阻率法屬于傳導(dǎo)類電法勘探方法。建立在地殼中各種巖礦石具有各種導(dǎo)電性差異的基礎(chǔ)上，通過觀察和研究與這些差異有關(guān)的天然電場(chǎng)或人工電場(chǎng)的分布規(guī)律，從而達(dá)到查明下構(gòu)造的目的。在地層巖性電阻率的實(shí)際測(cè)定工作中，所測(cè)得的電阻率并不等于某一巖層的真電阻率，也不是各地層電阻率的平均值，而是該電場(chǎng)分布范圍內(nèi)，各種巖層電阻率綜合影響的結(jié)果，稱之為視電阻率，用符號(hào)ρs表示。其表達(dá)式為：

(1)

式中：ρs的單位為Ω·m，K 為與電極排列有關(guān)的裝置系數(shù)，單位為m。 ΔUMN為MN測(cè)量電極的電位差，I為供電電流。

更確切地說，電阻率法應(yīng)稱作視電阻率法，它是根據(jù)所觀測(cè)視電阻率值的變化特點(diǎn)和規(guī)律去發(fā)現(xiàn)和了解地下電性不均勻體，根據(jù)不同地電斷面揭示地下地層情況，從而達(dá)到探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造、儲(chǔ)水構(gòu)造、尋找地下礦物和地下水的目的。

電阻率測(cè)深法簡(jiǎn)稱電測(cè)深法，它是研究垂向地質(zhì)構(gòu)造的重要物探方法。其實(shí)質(zhì)是在每個(gè)電測(cè)深點(diǎn)上，用改變供電極距的方法來控制不同的勘探深度，由淺入深地了解測(cè)深點(diǎn)地下介質(zhì)垂向電阻率的變化。綜合每條測(cè)線的測(cè)量結(jié)果，通過定性分析和定量解釋，獲得每條測(cè)線的地電斷面資料；綜合工區(qū)各測(cè)線的測(cè)量結(jié)果，來獲得地下巖石、含水巖層沿水平方向和垂直方向變化的資料，以達(dá)到立體填圖的效果。常用

裝置為對(duì)稱四極法。對(duì)稱四極的裝置如圖1。

圖1 對(duì)稱四極裝置圖

供電電極 AB 和測(cè)量電極 MN 對(duì)稱分布在測(cè)點(diǎn) o 兩側(cè)，并沿一直線排列，一般 AB 長(zhǎng)度選擇遵循以下公式。

AB=(4～6)H

(2)

式中：H為目標(biāo)體深度。

MN=(1/3—1/5)AB

(3)

式中：MN 應(yīng)等于 1～2 倍的點(diǎn)距。裝置系數(shù)計(jì)算公式為：

(4)

2 工作裝置及極距的選擇

本文激電測(cè)深裝置采用對(duì)稱四極裝置，按照最大極距估算公式AB≈(3～5)×H 可初步估算出最大供電極距，綜合考慮信號(hào)衰減和地形因素，初步確定一個(gè)發(fā)射極距。根據(jù)試驗(yàn)，本次測(cè)深工作最大AB/2取500 m，最大MN/2取100 m，采用等比裝置，其比值為1/5。測(cè)深極距布設(shè)參見表1。

表1 激電測(cè)深極距表

時(shí)間制式參數(shù)選擇

用大功率直流電法儀時(shí),其延時(shí)一般取200 ms、采樣寬度、二次場(chǎng)采樣塊數(shù)、迭加次數(shù)均是由儀器本身固有設(shè)定的，這里不再另行設(shè)置。

供電周期預(yù)設(shè)為16 s，供電時(shí)間為T=4 s。

測(cè)量視極化率(ηs)、視電阻率(ρs)和自然電位(ΔV)三項(xiàng)參數(shù)。其中視極化率(ηs)取4塊積分面積，即測(cè)量記錄ηs1、ηs2、ηs3、ηs4，以便數(shù)據(jù)分析處理和成圖時(shí)，選取穩(wěn)定可靠的視極化率進(jìn)行。在重點(diǎn)測(cè)深點(diǎn)的重點(diǎn)深度異常部位，測(cè)量記錄ηs1～ηs4等多個(gè)參數(shù)，為分析異常屬性提供二次場(chǎng)“衰減曲線”。

3 工作區(qū)地質(zhì)概況

3.1 水文地質(zhì)

依據(jù)地質(zhì)、地貌和地下水埋藏條件與水力性質(zhì)等，柴達(dá)木盆地含水層系統(tǒng)可劃分為松散巖類孔隙含水層系統(tǒng)、碎屑巖類孔隙裂隙含水層系統(tǒng)、碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水層系統(tǒng)、巖漿巖類孔隙裂隙含水層系統(tǒng)、變質(zhì)巖類裂隙含水層系統(tǒng)、多年凍結(jié)層含水層系統(tǒng)六種類型。具有集中供水價(jià)值的是第四系松散巖類孔隙地下水。

第四系松散巖類孔隙含水層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及主要特征：

分布于柴達(dá)木盆地廣大的平原區(qū)及山區(qū)溝谷地帶。含水介質(zhì)主要由第四系松散堆積物組成。松散巖類孔隙含水層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、地下水富水性及水質(zhì)等，從山前—盆地中心，總體上具有環(huán)帶狀或半環(huán)帶狀分布規(guī)律。水文地質(zhì)剖面見圖2。

圖2 都蘭縣察汗烏蘇河谷水文地質(zhì)剖面圖(張戈等)

3.2 地球物理前提

第四系松散沉積、沖積物，其電阻率與孔隙度和富水性的關(guān)系就較之巖石的復(fù)雜多了。不含水的干砂礫石，其電阻率高達(dá)幾百至幾千Ω·m，飽水的砂礫石其電阻率顯著下降。而在同樣飽水的情況下，粗顆粒的砂礫石電阻率比細(xì)顆粒的細(xì)砂、粉砂高?？傊?，在第四系地層中潛水位以下的高阻層反映為粗顆粒的含水層，當(dāng)然，在這些高阻層中，隨著粗顆粒松散層的粒徑不同，電阻率相對(duì)也有一定變化。作為隔水層的粘土類的電阻率遠(yuǎn)比含水層低。上述的地電特點(diǎn)，為地面電電阻率法和電測(cè)井法尋找和劃分含水層與隔水層并判斷其富水性提供了充分的理論依據(jù)。

工區(qū)物性資料顯示，砂礫石層視電阻率為100～120 Ω·M；中粗砂層的視電阻率為80～100Ω·M；中細(xì)砂層的視電阻率為60～90 Ω·M；亞砂土的視電阻率為40～60 Ω·M；亞粘土的視電阻率為30～50 Ω·M；粘土的視電阻率為20～40 Ω·M。

本地區(qū)第四系覆蓋層主要為沖洪積粗砂石和砂礫卵石，冰水堆積含泥砂、礫卵石、粗砂，冰川堆積泥質(zhì)礫石、砂及粘土，少量芒硝、石膏，含水后電阻率呈現(xiàn)低阻電性特征，含少量水或者不含水屬于中阻的電性特征。盆地基地為巖漿巖屬于高阻，與第四系覆蓋層電性差異大，具有電阻率法勘探的物性前提。

4 數(shù)據(jù)處理

野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是地下地質(zhì)構(gòu)造體分布及電性特征的綜合反映，包含了自然界本身存在的各種不同的干擾(噪音)成分。資料預(yù)處理就是要消除或壓制這些干擾因素的影響，最大程度得到反映地電斷面真實(shí)信息的信號(hào)。在定性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行一、二維定量反演計(jì)算。根據(jù)視電阻率直方圖(圖3)結(jié)果，根據(jù)物性資料可知，可劃分對(duì)應(yīng)為含水的中粗砂層，以及淺層的含水層，下部的基巖三個(gè)層次，呈現(xiàn)典型的三層結(jié)構(gòu)。

圖3 視電阻率分布圖

圖4 工作布置圖

激電異常體埋深計(jì)算

異常埋深計(jì)算采用桂林工學(xué)院的2.5維電法正反演解釋軟件，本軟件適合于目前高密度電法、常規(guī)電法不同裝置的雙頻儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(視電阻率和視幅頻率)反演解釋。也適用于水平地形和起伏地形下的數(shù)據(jù)解釋，且不需要對(duì)地形影響進(jìn)行校正。本反演算法是基于電阻率/幅頻率數(shù)據(jù)2.5維有限元正演模擬和基于光滑模型約束最小二乘反演算法。在正演計(jì)算中，采用了三角單元剖分，能很好的模擬起伏地形，單元內(nèi)的電性參數(shù)設(shè)置為連續(xù)變化。在反演的目標(biāo)函數(shù)中，加入了最簡(jiǎn)單模型和背景場(chǎng)等先驗(yàn)信息，減少了解的多解性。

5 推斷解釋

測(cè)線位于都蘭縣城北部，橫穿察汗烏蘇河測(cè)線兩端均處于山前。工作部署如圖4。

從電性結(jié)構(gòu)分析，呈現(xiàn)三層電性結(jié)構(gòu)，上部為第四系沖積含水層，電阻率較低，中間為隔水層，電阻率較高，最下層為基巖，電阻率較高，基底起伏形態(tài)清晰連貫，如圖5。

圖5 推斷解釋

6 結(jié)語

向地下建立人工電場(chǎng)，測(cè)量地下半空間介質(zhì)的電場(chǎng)分布，結(jié)合水文地質(zhì)、地球物理資料，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，可以快速的定性劃分地下水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，了解地下特征。根據(jù)已知資料，對(duì)測(cè)深曲線進(jìn)行二維正反演，根據(jù)剖面的地球物理特征，可定量確定所測(cè)地質(zhì)斷面的水文地質(zhì)特征，確定和層位在剖面上的埋深以及空間的展布。為布置鉆孔提供技術(shù)支撐。通過在柴達(dá)木盆地的應(yīng)用表明：電阻率測(cè)深法具有施工簡(jiǎn)便，抗干擾強(qiáng)，解釋簡(jiǎn)單快速等特點(diǎn)，可有效的圈定含水層，查明地下水文地質(zhì)構(gòu)造，在地下水勘探中具有良好的應(yīng)用效果。

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Application of Resistivity Sounding Method in Investigation and Evaluation of Groundwater in Qaidam Basin

JI Xian-kun, BAI Yun, GUO Wei-li

(Xi'an Geological Survey Center of China Geological Survey, Shaanxi Xi’an 710054)

Dulan Country is located in the Qaidam Basin, which is the continental climate of the plateau and the main features is drought. The natural landscape is arid desert, and the main soil is salinized desert soil and gypsum desert soil. With the rapid development of mineral resources and agricultural economy, the demand for water resources is becoming more and more prominent, to this end, the hydrogeological investigation work of Qaidam Basin is carried out. The purpose of geophysical exploration is to explore the hydrogeological structure and spatial variation characteristics of the Quaternary aquifer in the rich and regional watersheds. The lithology, thickness, burial depth and basement morphology of the Quaternary aquifer are mainly determined. The resistivity sounding method is an important technical means in groundwater exploration. This paper introduces the application of the symmetrical quadrupole sounding method in the groundwater survey of Qaidam Basin. In the shallow groundwater field, by supplying electric for underground can establish man-made electric field and measure the distribution of underground media in electric field. The obtained data is the comprehensive reflection of the distribution and electrical characteristics of the underground geological structure, the elimination or suppression of the influence of these disturbances can get the signal of the true information of the electrical section at the largest degree. On the basis of qualitative analysis, the quantitative structure of the profile is calculated by quantitative inversion, the aquifer is divided, the bedrock surface is determined, and finally the good application effect is achieved.

resistivity sounding; groundwater; the symmetrical quadrupole sounding method

2017-03-24

東昆侖銅鎳多金屬資源基地調(diào)查(121201011000150005)

冀顯坤(1980-)，男，陜西商洛人，工程師，主要從事電磁法勘探研究工作。

P641.8

B

1004-1184(2017)04-0013-03