綜合電法在西宇莊村地下水勘探中的應(yīng)用

曹光奇，周彥勇，趙 健，劉 雷，王新?tīng)I(yíng)

(中國(guó)人民解放軍66259部隊(duì),內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

1 概述

西宇莊村位于涉縣縣城西北約13km，鹿頭鄉(xiāng)西約8km處，隸屬河北省涉縣鹿頭鄉(xiāng)所轄，X155號(hào)鄉(xiāng)村公路從西宇莊通過(guò)，到西宇莊村有鄉(xiāng)村水泥路通過(guò)，至索堡鎮(zhèn)與S213號(hào)省道相連，交通比較方便，如圖1所示。

圖1 工區(qū)交通位置圖

地下水的儲(chǔ)存介質(zhì)包括孔隙介質(zhì)、裂隙介質(zhì)和巖溶介質(zhì)[1]，按含水介質(zhì)分類地下水可分為孔隙水、裂隙水和巖溶水；按埋藏條件分類地下水可分為包氣帶水、上層滯水、承壓水。從水文地質(zhì)和物探的角度來(lái)看，不同介質(zhì)中地下水的特征明顯不同，要充分分析和正確判斷地下水的成因、賦存特征、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、理化特征、補(bǔ)給排泄以及地下水含水系統(tǒng)和流動(dòng)系統(tǒng)的相互關(guān)系，同時(shí)要重點(diǎn)研究不同含水介質(zhì)的電性特征。針對(duì)不同類型的地下水，從物探勘查過(guò)程來(lái)說(shuō)要高度關(guān)注以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：①要研判地下水儲(chǔ)存介質(zhì)電性層的空間分布特征，包括第四系松散含水層頂?shù)装迓裆?、含水層視厚度及其視電阻率大小。②要判斷基巖裂隙蓄水構(gòu)造的產(chǎn)狀、性質(zhì)及其規(guī)模大小。③要分析地電斷面與地質(zhì)斷面的相關(guān)性和差異性，準(zhǔn)確確定含水介質(zhì)的實(shí)際埋深、實(shí)際厚度和真電阻率。④要結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件和數(shù)據(jù)反演成果資料判斷地下水儲(chǔ)存介質(zhì)的富水情況，推算、估計(jì)單井涌水量，進(jìn)而確定鉆井孔位?？碧降叵滤奈锾椒椒ㄝ^多，包括電阻率法、天然放射性、核磁共振測(cè)深法（MRS）[2]、激發(fā)極化法、音頻大地電磁測(cè)深法（AMT）等，根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡孛蔡卣骱蛶r性特點(diǎn)，選擇一種科學(xué)、高效的地下水勘探理念是提高地下水勘探工作效率的重要保障。EH-4音頻大地電磁測(cè)深系統(tǒng)和激發(fā)極化法的完美組合能夠從地下水勘探要解決的具體問(wèn)題出發(fā)，契合了科學(xué)、高效的地下水勘探技術(shù)模式和理念，具有理論上的依據(jù)和實(shí)踐上的可行性，兩者結(jié)合可精確判斷地下水含水情況，包括儲(chǔ)水介質(zhì)的空間分布特征和富水性。

通過(guò)在試驗(yàn)區(qū)選擇合理的地下水物探勘探技術(shù)模式，成功地找到了可供開(kāi)采的地下水源，滿足了當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活需要；打破了解放后以來(lái)在該地域找不到地下水的神話，得到了當(dāng)?shù)鼐用窈秃颖笔＜业囊恢抡J(rèn)可和好評(píng)，從而更好地填補(bǔ)了該區(qū)域水文地質(zhì)資料的空白。

2 技術(shù)方法原理簡(jiǎn)介

EH-4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀是屬于部分被動(dòng)源（天然源）與主動(dòng)源(人工場(chǎng)源)相結(jié)合的電磁頻率測(cè)深儀器系統(tǒng)，它是建立在音頻大地電磁法(AMT)和可控源音頻大地電磁法(CSAMT)理論基礎(chǔ)之上的。EH-4的工作頻率在10～100kHz的范圍內(nèi)，在許多地區(qū)工作，不需要人工場(chǎng)源來(lái)彌補(bǔ)高頻端大地電磁信號(hào)不足的問(wèn)題。但是為了消除部分地區(qū)人文活動(dòng)和環(huán)境噪聲給EH-4系統(tǒng)在勘測(cè)過(guò)程中帶來(lái)的干擾，特別是為了解決AMT的數(shù)據(jù)往往在5000～1000Hz的“死頻”頻帶上信號(hào)弱，沒(méi)有較好數(shù)據(jù)的客觀情況，系統(tǒng)很好地集成了人工源來(lái)拓展其適用范圍，即CSAMT工作模式。EH-4系統(tǒng)在物探儀器分類上屬于電法類勘探儀器，那么它最終所要涉及的物理量離不開(kāi)電阻率這個(gè)物質(zhì)的電性參數(shù)，EH-4儀器系統(tǒng)與直流電法儀的不同之處就是它在計(jì)算電阻率時(shí)不是直接利用歐姆定理，而是首先通過(guò)觀測(cè)地表的電磁場(chǎng)信號(hào)，然后通過(guò)傅立葉變化將時(shí)間域的電磁信號(hào)變成頻譜信號(hào)，得到地表X、Y兩個(gè)方向的電場(chǎng)分量Ex、Ey和磁場(chǎng)分量Hx、Hy，再計(jì)算卡尼亞電阻率來(lái)研究地下巖石電阻率的分布規(guī)律，研究大地電磁測(cè)深理論關(guān)鍵是研究地面電磁場(chǎng)與地下巖石的電阻率存在的關(guān)系。EH-4的勘探深度按照公式來(lái)估計(jì)，單位為m，其中ρ為背景電阻率，f為其可用的最低頻率，由公式可以看出，探測(cè)深度（H）與視電阻率(ρs）的平方根成正比，與頻率（f）的平方根成反比，所以在頻率一定的情況下，探測(cè)深度的大小取決于電阻率的大小。目前，EH-4電磁測(cè)深系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于在地下水勘查領(lǐng)域，主要用來(lái)劃分測(cè)區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層的巖性，確定儲(chǔ)水體頂?shù)装迓裆?、結(jié)構(gòu)、厚度；查明基巖斷裂帶或破碎帶的規(guī)模大小、性質(zhì)、產(chǎn)狀及其巖石破碎程度等。

目前在找水領(lǐng)域除了核磁共振測(cè)深方法外，激發(fā)極化法是被國(guó)內(nèi)外眾多專家論證和確立的另一種直接找水方法[3]，它的工作原理是通過(guò)儀器的供電部分從地表直接向地下供電，在地層中產(chǎn)生一次場(chǎng)，然后通過(guò)一次場(chǎng)激發(fā)地質(zhì)體，在地質(zhì)體中形成二次場(chǎng)，通過(guò)觀測(cè)斷電后某一時(shí)刻二次場(chǎng)振幅大小、反映地質(zhì)體衰減快慢的半衰時(shí)、反映地質(zhì)體激化程度的極化率、以及反映地質(zhì)體導(dǎo)電性的視電阻率等物理參數(shù)來(lái)判斷地層的富水性，從而達(dá)到找水的目的。激發(fā)極化法找水過(guò)程中的作用主要有2點(diǎn)，一是區(qū)分高極化巖層與水引起的異常；二是劃分富水地段，尋找地下水源。

3 綜合物探設(shè)計(jì)模式

3.1 設(shè)計(jì)理念

EH-4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀[4]整套儀器設(shè)備輕便、觀測(cè)時(shí)間短、工作效率高、可連續(xù)勘查較大深度的地質(zhì)體，大約只需15～20min左右的時(shí)間就能完成一個(gè)1000m深度的電磁測(cè)深點(diǎn)，這使它可以輕而易舉實(shí)現(xiàn)密點(diǎn)連續(xù)測(cè)量，可進(jìn)行EMAP連續(xù)觀測(cè)；而激發(fā)極化法相對(duì)來(lái)說(shuō)電源笨重、野外工作勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，成本高，因此，在勘查階段的設(shè)計(jì)理念是：首先用EH-4開(kāi)展剖面探測(cè)工作，查明地下含水體的空間分布特征，圈定異常靶區(qū)，然后在異常靶區(qū)用激發(fā)極化法進(jìn)行測(cè)深工作，從而判定含水巖體在縱深方向的富水程度。

3.2 技術(shù)方法

在應(yīng)用音頻大地電磁測(cè)深法進(jìn)行野外實(shí)測(cè)工作時(shí)，剖面線的布置應(yīng)盡量與地質(zhì)構(gòu)造走向垂直，各剖面應(yīng)等間距平行布置，此次勘探采用的間距是20m,共布置了3條剖面。針對(duì)地質(zhì)構(gòu)造方向不確定的隱伏構(gòu)造應(yīng)采用網(wǎng)格化布置剖面。電極距的選擇應(yīng)根據(jù)地形地貌條件來(lái)確定，極距不能太大、也不能太小，極距太大會(huì)影響勘測(cè)的橫向分辨率；極距太小電場(chǎng)信號(hào)太弱，影響勘測(cè)結(jié)果。點(diǎn)距的選擇應(yīng)根據(jù)不同的儲(chǔ)水介質(zhì)類型而確定，常規(guī)的勘測(cè)極距有10m、20m、30m、40m，第四系松散巖類儲(chǔ)水介質(zhì)地下水的測(cè)量點(diǎn)距可適當(dāng)大一些，一般可為40～100m，基巖裂隙類介質(zhì)地下水的測(cè)量點(diǎn)距適當(dāng)小一些，一般為10～30m。此次物探工作主要以尋找基巖裂隙含水構(gòu)造為主要目標(biāo)，因此選用了極距為10m的工作方式。

激發(fā)極化法要選用合理有效的技術(shù)手段，其裝置類型應(yīng)結(jié)合勘測(cè)區(qū)的實(shí)際情況而定，一般可采用等比裝置，本次工作采用對(duì)稱四極測(cè)深裝置。關(guān)鍵技術(shù)是采用電極極差穩(wěn)定的不極化電極，不極化電極在工作前使用飽和鹽水浸泡。測(cè)量過(guò)程中應(yīng)將不極化電極深埋濕土中，保證接地條件良好和測(cè)量電流值處于較高的水平，當(dāng)電流值較小時(shí)應(yīng)采用加大供電量，增加電極數(shù)，并在不極化電極旁澆水等手段來(lái)解決。

3.3 資料反演解釋與井位確定的工作思路

應(yīng)結(jié)合以下幾個(gè)方面的工作做好資料的反演解釋：①充分了解測(cè)區(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，把握好有利于地下水形成的巖性條件、構(gòu)造條件、匯水條件和補(bǔ)給條件；②認(rèn)真分析判斷EH-4反演曲線的異常性質(zhì)，不同巖性體或構(gòu)造體的視電阻率數(shù)值及形態(tài)在曲線上所反映的情況或特征是不同的，應(yīng)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，分析判別引起曲線形態(tài)或電阻率數(shù)值變化的主要原因；③認(rèn)真分析判斷激電異常形態(tài)的走勢(shì)變化，尤其是多個(gè)激電參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，若各個(gè)參數(shù)在相同的電性層位都存在異常，說(shuō)明該地層富水的可信度高，結(jié)合地質(zhì)資料，確定井位的成功率比較高。

音頻大地電磁測(cè)深法資料的反演解釋依據(jù)是被勘測(cè)地層的視電阻率值。對(duì)于第四系松散巖類孔隙含水介質(zhì)，以尋找較粗顆粒的砂類、礫石類、卵石等高阻體為目標(biāo)體，在反演成果圖上視電阻率值反映為高值特征；而對(duì)于基巖類裂隙含水介質(zhì)、巖溶含水介質(zhì)，以尋找裂隙發(fā)育良好、斷層破損程度高的低阻體為主要目標(biāo)體，在反演成果圖上視電阻率值反映為低值特征。判斷電阻率值的高低要考慮以下因素：一是區(qū)域地層圍巖電阻率值的大小，因?yàn)槟繕?biāo)體視電阻率的高低只是相對(duì)于圍巖值而言；二是要認(rèn)清泥質(zhì)地層的低阻效應(yīng)給判斷地層富水情況帶來(lái)的干擾，因?yàn)槟噘|(zhì)地層和含水地層都會(huì)表現(xiàn)出低值特征，必須加以綜合分析與判斷；三是要認(rèn)真對(duì)待作業(yè)區(qū)的各種干擾因素，包括EH-4勘測(cè)系統(tǒng)各單元相互之間的干擾和環(huán)境因素干擾。儀器本身造成的干擾主要是由于主機(jī)離前置放大器和磁棒太近(＜5m)、兩磁棒之間的距離太近（＜2m）引起的；環(huán)境因素干擾主要由各種外界環(huán)境因素引起的，如風(fēng)、作業(yè)人員在工作站附近的隨機(jī)走動(dòng)、各種機(jī)械振動(dòng)、輸電線、工業(yè)游散電流、電臺(tái)、正在運(yùn)轉(zhuǎn)的水泵、地下金屬管網(wǎng)、金屬柵欄等，以上干擾因素都會(huì)造成電阻率值具有較大誤差。因此，必須對(duì)系統(tǒng)所采集的原始數(shù)據(jù)加以綜合分析，采用專業(yè)的資料處理軟件，剔出那些質(zhì)量不好的數(shù)據(jù)，以保證所測(cè)視電阻率的真實(shí)性。

利用激發(fā)極化法的衰減特性來(lái)反演解釋儲(chǔ)水介質(zhì)的含水情況一般都要用專業(yè)的常規(guī)電法軟件做激電測(cè)深一維曲線。實(shí)測(cè)原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后會(huì)得到一組視數(shù)據(jù)，用視數(shù)據(jù)繪制出一個(gè)測(cè)深點(diǎn)上視電阻率和各衰減參數(shù)隨極距變化的曲線，稱之為激電測(cè)深曲線。依據(jù)激電測(cè)深曲線反演推斷地層的巖性、結(jié)構(gòu)和富水情況，這就是激發(fā)極化法找水的反演解釋工作。對(duì)于基巖裂隙含水巖層[5]，在激電測(cè)深曲線上，視電阻率反映為低值異常，而極化率、半衰時(shí)均反映為高值異常。另外，還可以對(duì)半衰時(shí)曲線與橫坐標(biāo)所包圍的區(qū)域做積分運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果稱為含水因素。用極貧水地區(qū)所測(cè)的半衰時(shí)曲線計(jì)算出的含水因素稱為含水因素的背景值，去除背景值的含水因素稱為純含水因素，在試驗(yàn)作業(yè)區(qū)通過(guò)不同測(cè)點(diǎn)含水因素的研究對(duì)比，不僅可解決無(wú)水與有水、貧水與富水問(wèn)題，而且還可對(duì)未知地段的含水層做涌水量的定量計(jì)算。研究表明，在相同賦水條件下的同一地域，含水因素與涌水量之間存在線性相關(guān)關(guān)系，如果能用線性回歸分析的方法統(tǒng)計(jì)出含水因素與涌水量之間的線性關(guān)系系數(shù)，就可以根據(jù)含水因素預(yù)測(cè)單井涌水量。

井位的最終確定要根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，結(jié)合EH-4成圖軟件生成的視電阻率等值線斷面圖和激電測(cè)深曲線綜合考慮。

4 應(yīng)用實(shí)例

西宇莊地處河北省邯鄲市西部的太行山中低山區(qū)，地勢(shì)西北高東南低，海拔一般在600m左右，境內(nèi)溝谷縱橫多呈“V”字形谷，山坡陡峭，多懸崖峭壁，在涉縣盆地內(nèi)為侵蝕堆積地貌形態(tài)，盆地周圍為侵蝕構(gòu)造地貌形態(tài)。出露地層主要有中元古界長(zhǎng)城系大紅峪組的紫紅色石英砂巖，古生界寒武、奧陶系濱海相沉積的碳酸鹽類地層，新生界第四系地層比較薄，主要為沖洪積粘土、礫石混雜堆積，沖洪積、殘坡積松散堆積物及砂卵礫石。根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件并結(jié)合前人所做的工作，該地域地下水比較貧乏；經(jīng)過(guò)我們前期的地質(zhì)踏勘，在地表也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)斷層的存在，因此確定井位比較困難。本次采用上述綜合物探勘查模式進(jìn)行野外工作，力圖在尋找隱伏構(gòu)造上取得實(shí)質(zhì)性的突破，并找到理想的鑿井孔位，以解決當(dāng)?shù)鼐用竦纳铒嬎щy問(wèn)題。

圖2所示的視電阻率剖面為EH-4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀隨機(jī)附帶的反演軟件進(jìn)行反演后的成像結(jié)果。從圖中可以看出在水平位置87m處的縱向方向個(gè)別深度段上視電阻率等值線明顯陡立、密集，出現(xiàn)了等值線分異、不連續(xù)的異?，F(xiàn)象，反映為斷層影響帶或富水裂隙發(fā)育帶，推斷該處為斷層破碎帶或裂隙發(fā)育良好帶。

圖2 EH-4測(cè)深二維電阻率反演斷面圖

圖3 激發(fā)極化法測(cè)深一維成果圖

從激發(fā)極化勘查結(jié)果（圖3）可見(jiàn)，視電阻率ρs在極距為100～350m范圍內(nèi)，激化率ηs和半衰時(shí)St分別在100m、130m、280m附近存在3處高值異常。綜合2個(gè)激電參數(shù)高值異常分析，推斷剖面87m處地層深處裂隙比較發(fā)育、富水性好。因此在EH-4電導(dǎo)率成像圖87m處確定1個(gè)井位，設(shè)計(jì)井深為260m，估計(jì)單井出水量超過(guò)90m3/h。后經(jīng)鉆探驗(yàn)證，該井成井深度253m，出水量110m3/h。該井打成后解決了當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活用水困難。

5 結(jié)論

（1）在實(shí)驗(yàn)區(qū)的物探和鉆井實(shí)踐證明，音頻大地電磁測(cè)深法與激發(fā)極化測(cè)深法相結(jié)合勘探地下水的理念是一種可行有效的技術(shù)手段。發(fā)揮音頻大地電磁測(cè)深法中采用長(zhǎng)剖面、多測(cè)點(diǎn)控制、分辨率高、分層定厚能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，利用頻率測(cè)深的特點(diǎn)和橫、縱向的高分辨率，從而準(zhǔn)確查明地下水儲(chǔ)存體的空間展布、圈定異常范圍的優(yōu)勢(shì)，再利用激發(fā)極化測(cè)深法抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定、反演解釋手段成熟、多參數(shù)可定量判斷地下水儲(chǔ)存介質(zhì)富水性的特點(diǎn)，結(jié)合水文地質(zhì)條件，即可確定鉆井孔位。2種方法巧妙結(jié)合、綜合分析、取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)是一種理想的地下水勘查模式。

（2）利用EH-4勘探地下水源要觀察、預(yù)判和分析測(cè)區(qū)是否有干擾源的存在，如果有干擾源要想盡有效辦法排除之，以保證采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠準(zhǔn)確。

（3）利用激發(fā)極化法勘探地下水源極距大小選擇要合適，極距太大會(huì)漏掉地下含水構(gòu)造的存在。

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