綜合物探方法在水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用
——以東寧市浙江工業(yè)園勘查為例

賈立國，張 帆，蔡 賀，李 霄

中國地調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧沈陽110034

綜合物探方法在水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用
——以東寧市浙江工業(yè)園勘查為例

賈立國，張 帆，蔡 賀，李 霄

中國地調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧沈陽110034

針對東寧市浙江工業(yè)園急需查找后備水源地的現(xiàn)狀，利用高密度電阻率法與激發(fā)極化法組合，在對已知井觀測研究基礎(chǔ)上，建立勘查區(qū)地球物理找水模型.進一步對相關(guān)區(qū)域勘查，結(jié)合水文地質(zhì)資料和成井條件圈定井位，經(jīng)鉆井施工驗證，成井率100%.通過多種物探方法在該地區(qū)應(yīng)用的實際效果分析，高密度電阻率法與激發(fā)極化法組合模式在區(qū)域相似的水文地質(zhì)條件下，在地下水勘查的應(yīng)用中能提高其找水和成井的準確性.

激發(fā)極化法；高密度電法；物探方法組合；多參數(shù)測量；地下水勘查

0 前言

水文地質(zhì)物探是獲取深部水文地質(zhì)資料的一種輔助勘查技術(shù)手段.物探方法能應(yīng)用于探測地表松散介質(zhì)的厚度、地下水的埋深、斷層的位置、基巖的深度等方面［1］.在水文地質(zhì)勘查中，水源地勘查是一項重要工作.直接用鉆探找水具有很大的盲目性，且成本高、風(fēng)險大.采用綜合物探方法找水具有方便、快捷、準確的優(yōu)點，是最經(jīng)濟、有效的手段.在黑龍江省東寧市浙江工業(yè)園區(qū)采用找水常用的激發(fā)極化法與高密度電阻率法組合方式，查清了測區(qū)的水文地質(zhì)構(gòu)造情況，確定了地下巖溶裂隙發(fā)育區(qū)的位置及埋深.經(jīng)鉆孔成井，效果良好.

1 研究區(qū)地質(zhì)特征

1.1 基礎(chǔ)地質(zhì)

研究區(qū)區(qū)域上地層簡單，主要為第四系覆蓋及下伏新近系土門子組的沉積變質(zhì)巖.第四系沿山坡和溝谷分布，厚度一般小于10 m，成分為洪沖積亞黏土、雜色砂巖、砂礫巖.新近系土門子組（N1t）基巖為含礫粗砂巖、粗砂巖、粉砂巖及泥巖.中、粗砂巖是裂隙水的主要含水層，是本次勘查的目標層.

1.2 水文地質(zhì)

測區(qū)位于東寧盆地邊緣山坡.按地下水含水介質(zhì)的巖性、賦存條件及水動力特征，本區(qū)地下水類型可劃分為松散巖類孔隙水和基巖風(fēng)化裂隙水兩大類.測區(qū)松散巖類孔隙水有沖洪積層孔隙水和殘坡積、坡洪積層孔隙水等.主要分布于山前及溝谷地帶，含水層多為砂礫石層、砂或碎石夾黏土層，厚度較小，富水性較差.基巖風(fēng)化裂隙水，由于地貌部位、風(fēng)化程度、埋藏條件、構(gòu)造裂隙發(fā)育程度的不同，富水性極不均勻.根據(jù)已有機井和收集的水文資料分析，該區(qū)域水量在3 t/h，局部水量偏大.

2 方法選擇及工作布置

根據(jù)測區(qū)情況和工作任務(wù)，我們選擇激發(fā)極化法和高密度電阻率法.測線布置見圖1.

圖1 工區(qū)測線布置簡圖Fig.1 Layout of survey lines in the work area

激發(fā)極化效應(yīng)是在人工電流場一次場或激發(fā)場作用下，具有不同電化學(xué)性質(zhì)的巖石或礦石，由于電化學(xué)作用而產(chǎn)生隨時間變化的二次電場（激發(fā)極化場）［2］.地層中賦水后也會產(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.激發(fā)極化法優(yōu)點是受地形影響小，對巖溶、裂隙水的水位埋深和相對富水帶反映得比較直觀.目前激發(fā)極化法找水應(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和衰減度參數(shù)，還有激發(fā)比和相對衰減時等綜合參數(shù)，這些參數(shù)的選取與不同地質(zhì)體和不同儀器有關(guān).本次使用國產(chǎn)DZD－6A型直流激電儀，具有測量多參數(shù)的功能.激法極化法采用等比對稱四極裝置，裝置系數(shù)AB/MN＝5∶1.

高密度電阻率法較常規(guī)電阻率法具有電極一次布設(shè)、多種裝置選擇對比、數(shù)據(jù)采集自動化、數(shù)據(jù)地質(zhì)信息豐富、解釋方便等特點［3-4］.應(yīng)用該種方法可以清晰地劃分出第四系、新近系基巖地層及地層內(nèi)的含水層、隔水層、斷層等.本次測量采用美國 AGI公司SUPERSTRING/R8電法儀，極距10 m，采用Wenner、Dipole-Gradinet裝置，一次布設(shè)電極60～120根.

3 成果解釋

3.1 成果解釋分析方法

物探成果的解釋主要遵循從已知到未知和物探解釋與地質(zhì)推斷相結(jié)合的原則.根據(jù)反演成果圖像顯示的剖面電性特征，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)資料和本次工作調(diào)查及收集的資料，推斷地層巖性特征和基巖裂隙帶，并選擇推薦合理的取水層（帶）.

通常在含水層的具有 ρs低、ηs高、St高、D 高、r低、ZP高、J高特征.ηs曲線對含水層都有反映，但異常寬大、幅度小、邊界模糊［6］.其中極化比J為ηs與D的乘積，在含水層上值均高.極化比J參數(shù)使異常放大反映更明顯，并且該參數(shù)對含碳地層的影響能較好地壓制［5］.綜合參數(shù) ZP為 ηs×St，St曲線對含水層頂部具有明顯的反映，但對底界面反映不清.含碳地層極化率較高，但半衰時衰減較快，使得綜合參數(shù)（ZP）與含水層相比變小，從而可以排除碳質(zhì)地層干擾.結(jié)合水文地質(zhì)資料對比分析多參數(shù)曲線，排除單一參數(shù)的多解性，可保證解釋的可靠性.

高密度電法資料的分析和解釋以經(jīng)過處理的高密度電法剖面反演圖像為基礎(chǔ)，結(jié)合工作區(qū)區(qū)域地質(zhì)資料，根據(jù)黏性土層、含水砂層表現(xiàn)出來的不同視電阻率高低，對圖像特征進行分析、解釋.

3.2 已知井高密度剖面

已知井含水層為新近系含礫粗砂巖、中粗砂巖，深110 m，涌水量3 t/h.遵循從已知到未知研究思路，首先經(jīng)過已知井位布設(shè)A－A′高密度電法剖面，長1150 m，極距10 m，116個電極.從高密度電阻率反演斷面（圖2）中可以看出，整條剖面分為3層4個子區(qū).第一層（Ⅰ區(qū)）為黏土、亞黏土、基巖強風(fēng)化物，厚度不均（1～13 m），屬弱含水層；第二層（Ⅱ區(qū)）電阻率大于100 Ωm，推斷為新近系基巖粉砂巖；第三層（Ⅲ－Ⅳ區(qū)）電阻率 10～100 Ωm，推斷為粉砂巖、泥巖、中（粗）砂巖基巖互層組成，其中低阻帶（Ⅲ）推斷為含裂隙水的基巖與泥巖互層組成.已知井位于51與52號電極間，它位于50～57點間的低阻帶.結(jié)合水井資料，該低阻帶推測為泥巖或砂巖含水層互層組成.

3.3 已知井位激發(fā)極化綜合參數(shù)特征

為進一步了解高密度電法剖面異常，在已知井位點布置了測深點.從該處測深綜合曲線（圖3）來看，在AB/2＝65、100 m 處具有 ρs相對低、ηs高、St高、D 高、ZP高、J高特征，ηs、ZP、J同時呈現(xiàn)高值，說明該處泥巖含碳質(zhì)低或不含碳.在東北地區(qū)含水層深度（h）與電測深極距（AB/2）相當(dāng)［7-9］，根據(jù)曲線特征推測埋深 65～100 m段為相對“富水”地段.推測結(jié)果與收集的已知井的資料吻合，驗證了推測內(nèi)容.

根據(jù)上面兩種不同勘查方法異常特征和水文地質(zhì)條件的分析，同時得到含裂隙水的基巖與泥巖互層的組合電阻特征低于純泥巖與其他不含水基巖互層的電阻率.可以據(jù)比建立該區(qū)域找水地球物理模型，在該區(qū)直接通過低電阻率（1～20 Ωm）特征圈定含水區(qū)域，預(yù)選井位.

3.4 實驗定井

根據(jù)工業(yè)園未來規(guī)劃的廠房Ⅰ區(qū)用水需求，布設(shè)測深點及“十”字高密度電法剖面組合方法，確定實驗井位.

1）B－B′線成果解釋

B－B′高密度電法剖面長590 m，極距10 m，60個電極.整條剖面（圖4）分為3層5個子區(qū).第一層（Ⅰ區(qū)）為黏土、亞黏土、基巖強風(fēng)化物，厚度1～15 m；第二層（Ⅱ區(qū)）電阻率大于100 Ωm，厚度30 m左右，推斷為新近系基巖粉砂巖，該層位產(chǎn)出不連續(xù)；第三層（Ⅲ－Ⅴ區(qū)）電阻率 10～100 Ωm，推斷為泥巖、中粗砂巖基巖組成.其中17～45號電極間低阻異常（Ⅲ區(qū)）占第三層的2/3面積，埋深35～110 m，結(jié)合水文地質(zhì)資料該異常為含裂隙水的基巖與泥巖互層引起.中高阻層（Ⅳ區(qū)）推測為泥巖與弱含水砂巖互層在上下伏基巖粉砂巖共同引起.高阻層（Ⅴ區(qū)），推測為下伏基巖粉砂巖引起.

2）C－C′線成果解釋

C－C′高密度電法剖面長590 m，極距10 m，60個電極.整條剖面（圖5）分為3層4個子區(qū).第一層（Ⅰ區(qū)）為黏土、亞黏土、基巖強風(fēng)化物，厚度不均（1～15 m）；第二層（Ⅱ區(qū)）電阻率大于100 Ωm，推斷為新近系基巖粉砂巖，該層位產(chǎn)出不連續(xù)；第三層（Ⅲ－Ⅳ區(qū)）電阻率10～100 Ωm，推斷為泥巖、中粗砂巖基巖組成.在10～25號電極之間埋深25～60 m 段，25～32號電極間埋深15～124 m段和37～55號電極間埋深40～110 m段分別存有低阻層（Ⅲ區(qū)），其中低阻帶推斷為含裂隙水的基巖與泥巖組成.左部中高阻層（Ⅳ區(qū)）為基巖粉砂巖引起，右部中低阻層（IV區(qū)）推測為粉砂巖與泥巖互層引起.

圖2 A－A′剖面高密度反演電阻率斷面圖Fig.2 High density resistivity inversion of A-A′profile

圖3 已知井激電測深綜合曲線Fig.3 Composite IP sounding curves of existing well

圖4 B－B′剖面高密度反演電阻率斷面圖Fig.4 High density resistivity inversion of B-B′profile

3）A＃井位激發(fā)極化綜合參數(shù)特征

從該處測深綜合曲線（圖6）來看，AB/2＝25、65、100 m 處顯示 ρs相對低、ηs高、St高、D 高、ZP高、J高特征，ηs、ZP、J同時呈現(xiàn)高值，說明該處泥巖含碳質(zhì)低或不含碳.綜合多參數(shù)曲線異常直觀反映，25～100 m地層為“富”水層.

圖5 C－C′剖面高密度反演電阻率斷面圖Fig.5 High density resistivity inversion of C-C′profile

圖6 A＃井激電測深綜合曲線Fig.6 Composite IP sounding curves of A＃well

4 鉆井驗證

通過高密度電阻率剖面異常特征及A＃井激發(fā)極化綜合參數(shù)曲線特征分析，深25～100 m低阻異常為有利“富”水地段.在預(yù)定井位區(qū)域共布設(shè)兩個井位（見圖7），分別為出水井A＃與觀測井B＃.建議鉆井井深110 m，出水井與觀測井相隔10 m.鉆探驗證，成井井深A(yù)＃100 m，B＃100 m.A＃井的主要出水層位為25～35、50～60、65～70、80～100 m，證實了物探解釋的準確性.抽水測得A＃靜水位測深18.7 m，動水位埋深62.5 m，水位降深43.8 m，穩(wěn)定出水量可達200 t/d以上.

圖7 富水區(qū)域井位布置圖Fig.7 Layout of wells in water-rich area

5 結(jié)語

通過水資源勘查實例，證實在該區(qū)域應(yīng)用高密度電阻率法與激發(fā)極化法組合尋找地下水是行之有效的.

1）純泥巖中極化率較小，而含水砂巖極化率較大，通過激發(fā)極化法能排除泥巖層的干擾，激發(fā)極化法多參數(shù)找水能夠直接劃分出富水地段.高密度電阻率法具有采集豐富地質(zhì)信息的特點，兩者組合可以降低多解性，提高找水成功率，充分發(fā)揮各種方法的優(yōu)勢，可以產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效果.

2）不同類型含水層具有不同的物探特征，因此在利用物探方法進行地下水勘查定井位時，要針對各含水層特點選擇不同的物探方法組合，彌補單一方法的多解性，充分發(fā)揮各種物探方法的本身優(yōu)勢并合理應(yīng)用，能提高定井效率和定井成功率.

［1］徐智彬，朱朝霞，裴靈.水文地質(zhì)勘查方法［M］.武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2013.

［2］李金銘.激發(fā)極化法方法技術(shù)指南［M］.北京：地質(zhì)出版社，2004.

［3］賈立國，吳繼紅.高密度電法測量的應(yīng)用及其在森林區(qū)的優(yōu)勢［J］.地質(zhì)與資源，2014，23（2）：181－183.

［4］鄧帥奇，岳建華，劉志新，等.高密度電阻率法在基巖勘察中的應(yīng)用［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2012，40（2）：78－85.

［5］柳建新，劉海飛，馬捷.直流激電測深多參數(shù)綜合分析劃分含水異常巖體［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2005，33（3）：74－77.

［6］陜西地質(zhì)局第一物探大隊.激發(fā)極化法文集［M］.北京：地質(zhì)出版社，1975.

［7］劉福臣，王啟田，程興奇.激發(fā)極化法探測泰山群變質(zhì)巖地下水壓［J］.水文地質(zhì)工程質(zhì)，2008（5）：72－75.

［8］許小強，程順有.地球物理找水方法概述［J］.地下水，2007，29（3）：28－29.

［9］龍凡，韓天成.激電法在地下水探測中的應(yīng)用效果［J］.物探與化探，2002，26（6）：422－424.

APPLICATION OF COMPREHENSIVE GEOPHYSICAL METHODS IN HYDROGEOLOGICAL EXPLORATION：A Case Study of Zhejiang Industrial Park in Dongning City

JIA Li-guo，ZHANG Fan，CAI He，LI Xiao
Shenyang Institute of Geology and Mineral Resources，CGS，Shenyang 110034，China

To meet the urgent need of potential water sources for the Zhejiang Industrial Park in Dongning City，on the basis of observation and study of existing wells，the methods of high density resistivity and induced polarization are combined to establish a geophysical model for water resources exploration.With further prospecting in related areas，combining the hydrogeological data and well completion conditions to delineate well locations，the success rate of drilling is up to 100%by verification.Analysis on the actual application effect of multiple geophysical methods in the area shows that the combination of high density resistivity and induced polarization methods can improve the accuracy of water exploration and well completion in groundwater prospecting application with similar hydrogeological conditions.

induced polarization method；high density resistivity method；geophysical method combination；multiparametersurvey；groundwaterexploration

1671-1947（2017）05-0515-06

P641.72

A

2017－02－27；

2017－03－25.編輯：張哲.

中國地質(zhì)調(diào)查局項目“中俄蒙經(jīng)濟走廊哈大齊和綏芬河-同江地區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查”（編碼121201007000150007）.

賈立國（1981—），男，碩士，工程師，從事地球物理研究工作，通信地址遼寧省沈陽市皇姑區(qū)黃河北大街280號，E-mail//278256304@qq.com