綜合物探方法在水資源勘察中的應(yīng)用

廖文鵬， 朱 通， 黃日華， 張志磊

(長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710064)

綜合物探方法在水資源勘察中的應(yīng)用

廖文鵬， 朱 通， 黃日華， 張志磊

(長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710064)

為解決渭南市合陽(yáng)縣地區(qū)水資源短缺問(wèn)題，選用瞬變電磁法與放射性α測(cè)量?jī)煞N方法，在該地區(qū)展開(kāi)找水工作。矩形大回線(xiàn)源瞬變電磁法在地下水勘查中具有廣泛應(yīng)用，采用晚期視電阻率計(jì)算存在明顯的邊界效應(yīng)，這里利用全區(qū)視電阻率計(jì)算方法驗(yàn)證了矩形大回線(xiàn)源瞬變電磁法可以有效地壓制邊界效應(yīng)。放射性找水方法相比于傳統(tǒng)電法勘探具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，在地下水勘察中應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。α射線(xiàn)異?？梢源笾氯Χ?gòu)造斷裂，電阻率的分布特征可確定地下含水?dāng)嗔盐恢?，瞬變電磁法和放射性α測(cè)量?jī)煞N方法相互驗(yàn)證，互為補(bǔ)充，提高了找水的精確性,有效降低勘探的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)鉆井驗(yàn)證單井出水量可達(dá)60 m3/h，解決了當(dāng)?shù)鼐用竦纳罴稗r(nóng)作物的灌溉用水，為該地區(qū)水資源的勘探提供了借鑒。

瞬變電磁法； 全區(qū)視電阻率； 放射性α測(cè)量； 基巖裂隙找水

0 引言

水資源的短缺，嚴(yán)重制約著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步、生活和生態(tài)的改善[1]。傳統(tǒng)地球物理方法在水文地質(zhì)中一直得到應(yīng)用[2]，梁建剛等[3]通過(guò)不同的電阻率方法和激發(fā)極化法組合使用，充分發(fā)揮不同方法的優(yōu)點(diǎn)，取得良好效果；吳小潔等[4]通過(guò)不同物探方法相互驗(yàn)證圈定基巖破碎帶找地?zé)岬V水；張彪等[5]通過(guò)高密度電法精細(xì)勘察淺表覆蓋情況，EH4評(píng)估深部大地構(gòu)造和區(qū)域性斷裂發(fā)育情況兩種方法互相驗(yàn)證互為補(bǔ)充，在花崗巖嚴(yán)重缺水去找水取得不錯(cuò)效果。電阻率法因其受地形影響、礦體干擾等因素，成井率較低，激發(fā)極化法補(bǔ)充了電阻率法的一些不足，但是其異常的形成影響因素較多，導(dǎo)致解釋的多解性，一定程度上影響了該方法的推廣[6]。近幾年來(lái)，瞬變電磁技術(shù)在國(guó)、內(nèi)外迅速發(fā)展[7-8]，它是利用不接地回線(xiàn)發(fā)射一次場(chǎng)，在一次場(chǎng)的間歇期間利用回線(xiàn)接收二次感應(yīng)磁場(chǎng)，該二次電磁場(chǎng)是由地下良導(dǎo)體受激勵(lì)引起的渦流所產(chǎn)生的非穩(wěn)磁場(chǎng)[9]。因其具有垂向和橫向分辨率高、受地質(zhì)噪聲影響較小、對(duì)低阻反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，在地下水勘查中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[ 10-11]。全區(qū)視電阻率定義的方法有兩種，即利用垂直磁場(chǎng)定義或利用垂直磁場(chǎng)的時(shí)間倒數(shù)定義，白登海等[12]提出時(shí)間域瞬變電磁法中心式全程視電阻率的計(jì)算方法；熊彬[13]利用逆樣條插值法計(jì)算大回線(xiàn)瞬變電磁法全區(qū)視電阻率；李建平等[20]利用水平電偶極子合成回線(xiàn)源，再利用水平電偶極子垂直磁場(chǎng)求取任意形狀回線(xiàn)全區(qū)視電阻率；王華軍[14]利用平移算法計(jì)算中心回線(xiàn)方式瞬變電磁全區(qū)視電阻率；張成范等[15]利用二分搜索算法計(jì)算矩形大定源回線(xiàn)瞬變電磁測(cè)深全區(qū)視電阻率；武軍杰等[16]提出利用磁偶極子等效的大定源回線(xiàn)瞬變響應(yīng)的視電阻率定義；曹昌祺[17]、湯井田[18]分別給出了電偶極子全區(qū)視電阻率的求取方法。我國(guó)用核技術(shù)方法尋找地下水的研究，從1974年開(kāi)始到現(xiàn)在技術(shù)越來(lái)越成熟，核技術(shù)找水比傳統(tǒng)的電法找水方法有一系列的優(yōu)點(diǎn)：儀器裝備輕便，操作簡(jiǎn)單，成本低，效率高，資料解釋直觀(guān)，可避免電法所受的電磁干擾和地形影響等。筆者利用矩形大回線(xiàn)源瞬變電磁和放射性測(cè)量綜合方法找水，兩種方法相互驗(yàn)證，互為補(bǔ)充，有效降低勘探的風(fēng)險(xiǎn)。

1 矩形大回線(xiàn)源瞬變電磁全區(qū)視電阻率定義

視電阻率包括早期、晚期和全區(qū)視電阻率，早期、晚期視電阻率計(jì)算簡(jiǎn)單，但是對(duì)中期的視電阻率求取存在較大的誤差，實(shí)際應(yīng)用中存在局限性，筆者利用水平電偶極子合成回線(xiàn)源的方法計(jì)算全區(qū)視電阻率，不分早期和晚期，與回線(xiàn)內(nèi)測(cè)量的位置也無(wú)關(guān)，不存在“邊界效應(yīng)”的影響[19-20]。

水平電偶極子均勻半空間上垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)時(shí)間的變化率為式(1)[21]。

(1)

矩形回線(xiàn)源任意位置的垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為式(2)。

(2)

式中:li表示矩形回線(xiàn)源第i邊的邊長(zhǎng)。

利用一維正演理論模擬，均勻半空間電阻率r=100 Ω·m，線(xiàn)框?yàn)?00 m×400 m，點(diǎn)距為30 m，供電電流為10 A，圖1為發(fā)射回線(xiàn)與測(cè)點(diǎn)示意圖，用全區(qū)視電阻率計(jì)算與晚期視電阻率對(duì)比，得出視電阻率斷面圖(圖2)。

圖1 正演線(xiàn)框及測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Schematic of transmitter loop and measuring point position for forward

圖2 兩種計(jì)算方式正演深度視電阻率斷面圖Fig.2 Profile of apparent resistivity(a)晚期視電阻率計(jì)算；(b)全區(qū)視電阻率計(jì)算

從圖2(a)看出，存在很強(qiáng)的“邊界效應(yīng)”，視電阻率曲線(xiàn)向下彎曲，出現(xiàn)局部高阻，早期道出現(xiàn)電阻率的假高值，反觀(guān)全區(qū)視電阻率斷面圖2(b)，不存在晚期視電阻率的“邊界效應(yīng)”，且早期道未出現(xiàn)電阻率假高值，能夠較好的反映模型地電特征。

2 放射性測(cè)量方法尋找地下水原理

氡氣測(cè)量法是使用測(cè)氡儀測(cè)量土壤、水及大氣中氡氣濃度，并通過(guò)研究氡氣濃度的分布特征解決某些地質(zhì)問(wèn)題的一種放射性測(cè)量方法。氡(Rn)屬于惰性氣體，它能以游離原子形式沿著巖石孔隙或裂隙遷移，因此構(gòu)造破碎帶和裂隙發(fā)育帶是氡氣遷移的良好通道，一般來(lái)說(shuō)，放射性異常產(chǎn)生的原因分為三類(lèi)：①不同巖石中的放射性礦物含量不同；②構(gòu)造活動(dòng)使巖石破碎或產(chǎn)生斷裂、裂隙，在破碎帶及裂隙處，巖石的射氣系數(shù)遷移能力較強(qiáng)，使射氣更易于達(dá)到地表，產(chǎn)生異常；③由于地下水的地球化學(xué)作用，使巖石土壤中的某些放射性元素發(fā)生變化，產(chǎn)生異常[22]。地下水分為土壤水、層間水、裂隙水和巖溶水。后兩種都與風(fēng)化裂隙帶、成巖裂隙、構(gòu)造裂隙等關(guān)系密切，造裂隙帶是地下水儲(chǔ)存和運(yùn)移最豐富、最強(qiáng)烈的地帶[23]。

3 綜合方法找水實(shí)例

3.1 工區(qū)地質(zhì)概況

區(qū)域上合陽(yáng)縣位于鄂爾多斯盆地南緣及汾渭地塹中部邊緣，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜。以往勘察資料推測(cè)，區(qū)域上發(fā)育有合陽(yáng)(F9)、橋頭河(F7)、楊家莊(F6)、仙宮河(F5)、孟村溝南(F4)、孟村溝北(F3)等多條北東，北東東向高角度正斷層。本次勘查范圍內(nèi)發(fā)育有F3、F4、F5、F6斷層，其斷距F4、F6較大、達(dá)幾十米，而F3、F5較小，僅幾米至十余米。以上斷層多為含水?dāng)鄬?，?duì)基巖裂隙水多具有控制作用(圖3)。

圖3 勘查區(qū)斷層分布圖Fig.3 Fault exploration area map

3.2 工區(qū)水文地質(zhì)概況

勘查區(qū)地下水在物探測(cè)量深度內(nèi)可分為松散沉積層孔隙水即孔隙裂隙水、基巖裂隙水兩種類(lèi)型。

3.2.1 松散沉積層孔隙水即孔隙裂隙水

1)下中更新統(tǒng)黃土狀土及沖洪積砂、砂礫石潛水含水巖組。分布于二級(jí)黃土塬，其巖性為中更新統(tǒng)黃土狀土夾古壤及下更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土、局部夾有砂礫石層。水位埋藏深度變化為30 m～90 m，南北兩端淺，中間深。含水層厚度變化為30 m～60 m，其厚度與基巖面高低相關(guān)。

2)下中更新統(tǒng)洪積砂礫石及黃土狀土潛水含水巖組。分布于勘查區(qū)北部洪積裙區(qū)，其巖性上部為黃土狀土夾古土壤及鈣核層，下部為砂礫石及粉土、粉質(zhì)粘土。休里村、佃頭村測(cè)區(qū)裙體較完整，有利于地下水的賦存，水位埋深較淺，一般在40 m～60 m之間，富水性較好。

3)上新統(tǒng)砂礫石承壓水含水巖組。僅分布于勘查區(qū)南部康家坡村一帶，其巖性上部為粉土夾薄層粉細(xì)砂，含水性差，下部為砂礫石，是該含水巖組主要含水層，富水性較強(qiáng)。

松散沉積層孔隙水、孔隙裂隙水，水化學(xué)類(lèi)型均屬重碳酸鈣鎂型，礦化度小于0.5g/L。

3.2.2 基巖裂隙水

1)三迭系下中統(tǒng)紙坊群砂巖裂隙水含水巖組。分布于勘查區(qū)北部麻陽(yáng)村～休里村測(cè)區(qū)，主要由砂巖與泥巖組成，下伏石千峰組第四段厚層泥巖，是良好隔水底板；勘查區(qū)斷裂較多，裂隙發(fā)育，二者成為該含水巖組地下水賦存和運(yùn)移的有利條件，形成相對(duì)富水地段。但因受基底起伏影響，各測(cè)區(qū)該含水巖組的厚度變化較大，涌水量也區(qū)別較大。

2)二迭系上統(tǒng)石千峰組第三段砂巖裂隙水含水巖組。分布于北伍中村測(cè)區(qū)，埋藏于麻陽(yáng)村～休里村測(cè)區(qū)深部，主要由砂巖夾泥巖組成，砂巖占90%以上，以往勘察資料推測(cè)，該含水巖組應(yīng)屬富水性較好的含水巖組。

基巖裂隙水，水化學(xué)類(lèi)型均屬重碳酸型。按上述的兩個(gè)含水巖組的次序由北而南分別為HCO3-Ca·Na·Mg型，礦化度小于0.3 g/L；HCO3-Ca·Na·Mg或HCO3-Na·Mg型，礦化度小于0.5 g/L。

應(yīng)指出的是，基巖裂隙水賦存雖具相對(duì)成層性，也具有明顯的不均一性，在斷層和向斜軸部附近、裂隙密集發(fā)育帶以及基巖頂面低洼處的砂巖中地下水往往比較豐富。同時(shí)，含水基巖風(fēng)化層、含水裂隙發(fā)育段多位于基巖面以下40 m～90 m。

3.3 野外工作

本次地面瞬變電磁法勘探，選用長(zhǎng)沙白云儀器開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的MSD-1脈沖瞬變電磁儀，發(fā)射線(xiàn)框?yàn)? 000 m×600 m的矩形回線(xiàn)大線(xiàn)框，在線(xiàn)框內(nèi)布設(shè)兩條測(cè)線(xiàn)，一條為主測(cè)線(xiàn)，一條為參考測(cè)線(xiàn)，北偏西45°方向布置，點(diǎn)距為30 m，線(xiàn)距為200 m，接收線(xiàn)圈的等效面積為2 200 m2，供電電流為2 A，發(fā)射頻率為8.3 Hz，疊加次數(shù)以256次為主，放射性測(cè)量使用的是FFA-2快速α數(shù)字閃爍輻射儀，測(cè)點(diǎn)與瞬變電磁測(cè)點(diǎn)重合，參考測(cè)線(xiàn)(1線(xiàn))在左端加入一個(gè)點(diǎn)，右端加入兩個(gè)點(diǎn)，主測(cè)線(xiàn)(2線(xiàn))則在兩端各延長(zhǎng)十個(gè)點(diǎn)。

3.4 資料解釋

通過(guò)對(duì)勘察數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一系列的處理，對(duì)比兩條測(cè)線(xiàn)的視電阻率斷面圖(圖4)，1線(xiàn)縱向上，在0 m～140 m之間，電阻率值比較高，電性反映為140 Ω·m～240 Ω·m；在140 m～250 m之間，電阻率先減小再增大，存在一個(gè)局部的低阻異常；在250 m～500 m之間，電阻率先增大后減小，電性反映為120 Ω·m～180 Ω·m，局部相對(duì)高阻；在500 m～800 m之間，電阻率變化較大，高低組相間。橫向上，在0 m～300 m之間，電阻率變化較為連續(xù)，無(wú)明顯的高低阻相間；在300 m～800 m之間，電阻率高低阻相間比較明顯，并且在40至58號(hào)點(diǎn)，形態(tài)上表現(xiàn)為向上彎曲的局部低阻異常，異常深度大致為400 m左右，電性反映為80 Ω·m～130 Ω·m之間的相對(duì)低阻。通過(guò)分析2(圖5)線(xiàn)具有相似的電阻率特征。

根據(jù)視電阻率斷面圖梯度帶的位置及已有的鉆孔資料推測(cè)，0 m～140 m整體呈現(xiàn)相對(duì)高阻，根據(jù)已有的地質(zhì)資料，該層為黃土層，黃土層的含水性較差，基巖面深度大概為140 m左右，在140 m～450 m之間，電阻率表現(xiàn)為相對(duì)高阻，其巖性主要為灰褐色，深灰色灰?guī)r，中厚層豹斑灰?guī)r，白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖，含水性較差，在水位線(xiàn)以上，基巖裂隙表現(xiàn)為高阻，水位線(xiàn)以下，基巖裂隙表現(xiàn)為低阻異常，因此在該段電阻率分布不均勻，其存在裂隙或者斷裂。在450 m以下，巖性主要為灰、深灰色厚層灰質(zhì)白云巖、灰?guī)r，其位于水位線(xiàn)以下，因此巖石裂隙在電性上表現(xiàn)為相對(duì)低阻異常。通過(guò)分析比較1線(xiàn)、2線(xiàn)的視電阻率斷面的結(jié)果，2線(xiàn)具有較好的典型條件，再對(duì)比測(cè)量曲線(xiàn)，40號(hào)～46號(hào)點(diǎn)位有向上的異常，綜合瞬變電磁和放射性剖面分析，推測(cè)這一段的異常引起的原因?yàn)榱严栋l(fā)育帶，因此建議井位布置在2線(xiàn)44號(hào)點(diǎn)處，實(shí)施鉆井驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)后期工作的鉆井驗(yàn)證，在離設(shè)計(jì)井位(450 m)60 m處地方布設(shè)鉆井深度約為700 m，出水量可達(dá)到60 m3/h，緩解了當(dāng)?shù)鼐用竦纳钣盟畣?wèn)題以及農(nóng)作物的灌溉需求。

圖4 1線(xiàn)瞬變電磁視電阻率斷面圖及放射性曲線(xiàn)Fig.4 The first line of transient electromagnetic apparent resistivity profile and radioactive α curve(a)1線(xiàn)視電阻率斷面圖；(b)1線(xiàn)放射性α曲線(xiàn)

圖5 2線(xiàn)瞬變電磁視電阻率斷面圖、放射性曲線(xiàn)及井位布置圖Fig.5 The second line of transient electromagnetic apparent resistivity profile and radioactive a curve with the location arrangement of well(a)2線(xiàn)視電阻率斷面圖；(b)2線(xiàn)放射性α曲線(xiàn)

4 結(jié)論

1)一維瞬變電磁正演理論模擬結(jié)果表明，全區(qū)視電阻率不存在晚期視電阻率表現(xiàn)出來(lái)的邊界效應(yīng)，且沒(méi)有早期道的假高值，更能反映模型的地電情況，有利于大定源回線(xiàn)的處理解釋工作，對(duì)提高物探資料解釋的精準(zhǔn)性具有重要意義。

2)以已有水文地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，瞬變電磁法與放射性測(cè)量發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到相互驗(yàn)證，互為補(bǔ)充，抑制了解釋的多解性的目的，提高了工作效率。

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Theapplicationofcomprehensivegeophysicalprospectingmethodinwaterexploration

LIAO Wenpeng， ZHU Tong， HUANG Rihua， ZHANG Zhilei

(School of Geology Engineering and Geomatics，Changan University，Xi'an 710064，China)

In order to solve the problem of water shortage in HeYang of Wei Nan city, we select the transient electromagnetic method and radioactive method to search for underground water in this area. The rectangle large loop source transient electromagnetic method was widely used in the exploration of the groundwater. There was obvious boundary effective when we use terminal of the apparent resistivity to calculate, but when we select all-time apparent resistivity to calculate it that can effectively suppress the boundary effect，and it is showed in article. Structure faulting is beneficial to radioactive gas migration to the surface, then we can measured the radioactive abnormal. Radioactive method has a series of advantages compared with the traditional electrical method. It also be widely used in the exploration of groundwater. Radioactive abnormal can be broadly framed structure facture, and the distribution features of the resistivity can be framed the position of underground water-bearing fracture. It was mutual authentication and complement each other between two method, and it improves the accuracy of the water, reducing the risk of exploration effectively, too. Drilling verification single well water yield can be up to 60 m3/h, it solve the problem of he lives of local residents and crop irrigation water, and providing an important technical basis for water exploration in the future.

transient electromagnetic； all-time apparent resistivity； radioactive α measurement； find water in the bedrock fissure

2016-11-03 改回日期： 2016-11-29

廖文鵬(1993-)，男，碩士，主要研究方向?yàn)殡姺碧?，E-mail：512597947@qq.com。

1001-1749(2017)06-0768-07

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.06.09