綜合物探在日喀則地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

郝紅兵，謝小國，劉康林，章旭

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綜合物探在日喀則地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

郝紅兵1，謝小國2,3，劉康林1，章旭1

（1. 中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，成都 611734；2. 四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司，成都 610031；3. 成都理工大學(xué)，成都 610059）

為查明日喀則地區(qū)地下水含水層結(jié)構(gòu)和特征，評價水文地質(zhì)參數(shù)，以區(qū)域地質(zhì)及地球物理科學(xué)為基礎(chǔ)，分別對大地電磁測深法、高密度電阻率法的原理、工作方法及應(yīng)用效果進(jìn)行綜合分析，解釋推斷了該地區(qū)地層、覆蓋層厚度、含水層結(jié)構(gòu)等。同時建立了單孔水文地質(zhì)參數(shù)測井模型，對含水層的深度、厚度、滲透系數(shù)、孔隙度、地下水礦化度等進(jìn)行了估算，對涌水量等進(jìn)行了推測。應(yīng)用結(jié)果表明，測井解釋與實驗結(jié)果吻合度較高，綜合物探技術(shù)在水文地質(zhì)調(diào)查中具有較好的適用性。

水文地質(zhì)；綜合物探；測井；日喀則

日喀則市為西藏第二大城市、后藏糧倉和重要的礦產(chǎn)資源儲備基地，因降水貧乏，季節(jié)性、工程性缺水較為突出，局部由于干旱缺水引發(fā)草地退化、土地沙化等環(huán)境地質(zhì)問題[1]，因此開展水文地質(zhì)調(diào)查工作意義重大。

作為水文地質(zhì)調(diào)查不可缺少的方法之一，地球物理方法被廣泛用于尋找地下水，查明含水層厚度和結(jié)構(gòu)，推斷基巖埋藏及起伏形態(tài)，圈定富水構(gòu)造，分析水文地質(zhì)參數(shù)[2]?；凇扒嗖馗咴瓕姿钩傻V帶東段1∶25萬水文地質(zhì)調(diào)查”項目，日喀則地區(qū)運用了大地電磁測深、高密度電阻率和水文測井等物探方法，為研究工區(qū)水文地質(zhì)特征提供了可靠的地球物理數(shù)據(jù)。

1 工區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

日喀則地區(qū)位于印度河-雅魯藏布江結(jié)合帶與獅泉河-阿索-九子拉-嘉黎結(jié)合帶之間，跨中岡底斯-念青唐古拉板塊和喜馬拉雅板塊的范圍，及雅魯藏布江縫合帶[3-5]。含水巖組類型主要為松散巖類孔隙水含水巖組、碎屑巖類孔隙裂隙水含水巖組、碳酸鹽巖類及碳酸鹽巖夾碎屑巖類巖溶裂隙含水巖組、巖漿巖類裂隙水含水巖組和變質(zhì)巖類裂隙含水巖組等5種類型[6-7]，以“一江兩河”中部流域為代表[8]。第四系松散巖類孔隙水含水巖組含水層主要為砂質(zhì)礫石、砂卵礫石、卵礫石夾少量砂層，個別地段夾有不等厚的亞砂土、亞粘土，質(zhì)地純凈、富水性好，厚度大。

據(jù)工區(qū)以往物探及本次電法、測井?dāng)?shù)據(jù)分析，卵石、角礫等覆蓋層的電阻率值為300Ω.m～1 200Ω.m，粘土為10Ω.m～15Ω.m，板巖為80Ω.m～430Ω.m，粉砂巖、砂巖為200Ω.m～800Ω.m，花崗巖為20Ω.m～500Ω.m，砂為10Ω.m～100Ω.m，其電性差異明顯，為開展電法勘探和測井提供了較理想的電性依據(jù)。

2 工作方法及原理

2.1 大地電磁測深

大地電磁測深法是基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組導(dǎo)出的卡尼亞視電阻率方程[9-11]，電場（E）、磁場（H）與視電阻率（）的關(guān)系式如下：

由（1）式可知，只要在地面上觀測到兩個正交的水平電磁場（E、H）就可以獲得卡尼亞電阻率。根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)，趨膚深度公式如下：

式中為探測深度，m；為地表電阻率，Ωm；為頻率，Hz。

大地電磁測深方法使用儀器為美國勞雷工業(yè)有限公司生產(chǎn)的EH4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀。EH4是一種用來測量地下電阻率的電法儀器，它既可以接收天然場源的大地電磁信號，又可以接收人工場源的電磁信號，探測深度從幾米至一千米不等。工區(qū)天然場信號較強(qiáng)且豐富，所獲得的電阻率曲線連續(xù)，滿足野外原始數(shù)據(jù)采集對信號的要求。

2.2 高密度電法

高密度電法基是以地層巖性的電阻率差異為基礎(chǔ)，通過電極向地下供電，形成人工電場，并測量該電場。利用電場的分布與地下巖土介質(zhì)的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)公式=KU/求得地下不同位置介質(zhì)的視電阻率，獲得地下介質(zhì)視電阻率的分布規(guī)律，并根據(jù)該規(guī)律推斷解釋地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)[12-13]。

高密度電法采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的高密度電阻率法測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)探測效率高，剖面覆蓋面積和探測深度大，信噪比高，可有效探測地質(zhì)體及其結(jié)構(gòu)特征。

2.3 水文測井

測井曲線具有連續(xù)性好、精度高，包含豐富的地質(zhì)信息等特點。結(jié)合水文地質(zhì)勘查的需要，水文測井一般要解決的地質(zhì)問題包括劃分地層，確定含水層與隔水層的層位和厚度；劃分咸淡水界面、估計地下水的礦化度；估算含水層的孔隙率、滲透系數(shù)及涌水量等[14-17]。日喀則地區(qū)水文測井采用PSJ-2型數(shù)字測井儀測井，測井曲線包括自然伽馬、自然電位、電阻率、聲波時差、井溫等參數(shù)。不同地層具有不同的測井響應(yīng)特征，綜合分析各測井信息，能有效地分析井內(nèi)水文地質(zhì)參數(shù)[18]。

水文測井研究的重點是含水層。利用自然伽馬、視電阻率能很好地識別出含水層與隔水層[19]。日喀則地區(qū)第四系松散地層以孔隙水為主，主要的富水層位為砂卵礫石層，主要的隔水層為泥質(zhì)含量高的粘土層。分析可知，工區(qū)測試的地下水礦化度與測井電阻率的對數(shù)值具有較好的相關(guān)性[20~22]：

C=-874×ln（lg）+709.22=0.626 （3）

式中：C為地層水礦化度，mg/L。為相關(guān)系數(shù)。

利用聲波時差計算地層的孔隙度[23]：

式中：t、t、t、t分別為聲波時差測井曲線值、巖石骨架聲波時差值、泥巖段聲波時差值和流體聲波時差值，ms/m；C為壓實校正系數(shù)；為孔隙度值，%。V為泥質(zhì)含量，%。

滲透系數(shù)與孔隙度的相關(guān)關(guān)系：

=10-5×0.663× R2=0.988 （5）

利用裘布依公式計算單井涌水量[24-28]：

式中：為單井涌水量，m3/d；為滲透系數(shù)，m.d-1；為含水層累計厚度，m；為抽水井水位降深，m；為影響半徑，m；為抽水井半徑，m。

3 成果解釋與推斷

3.1 大地電磁測深解釋

工區(qū)共完成3條大地電磁測深剖面，其中拉孜縣測線1條，剖面長度2 260m；昂仁縣測線2條，剖面長度2 340m。實測數(shù)據(jù)采用IMAGEM處理軟件進(jìn)行實時處理、預(yù)處理、反演及地形校正處理。

以昂仁測線為例，該區(qū)地層電阻率呈現(xiàn)層狀分布，淺表為第四系沖、洪積砂、砂土，電阻率為60～110Ω.m；中部為湖積不均勻砂、砂礫、卵石，電阻率為200～500Ω.m；深部為白堊系昂仁組一段粉砂巖，電阻率為700～1 000Ω.m不等，且隨深度增加而增大；基底線沿山頂向湖岸呈向下趨勢，垂直于兩山谷呈倒“U”型。80測點附近為觀測井，揭露顯示0～22m 為全新統(tǒng)沖積砂土；22～90m為全新統(tǒng)沖積砂礫卵石粘土及粗砂；90m以下為粉砂巖。砂土為弱含水層，厚22.0m；砂礫卵石、粗砂為強(qiáng)含水層，厚60.0m；粘土為隔水層，厚度為10m。

3.2 高密度電阻率探測解釋

日喀則地區(qū)共完成7條高密度電阻率測線，測量點1 700個。實測原始資料經(jīng)預(yù)處理后，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料對高密度電阻率剖面進(jìn)行綜合分析，建立正演地質(zhì)模型，利用RES2DINV高密度電法反演軟件進(jìn)行反演擬合計算，得到二維反演圖。

圖1 日喀則地區(qū)昂仁區(qū)內(nèi)大地電磁測深二維演斷面圖

圖2 日喀則地區(qū)昂仁區(qū)內(nèi)高密度電阻率剖面圖

以昂仁縣亞木鄉(xiāng)的W6測線為例，W6線橫穿河流，地勢有一定的起伏，長900m。結(jié)合露頭剖面、ZK08鉆孔資料及地表地形情況，W6線巖性主要為含粘土卵礫石和凝灰?guī)r，其中含粘土卵礫石電阻率為89.1Ω.m～501.2Ω.m，平均值為177.8Ω.m；凝灰?guī)r電阻率17.8Ω.m～89.1Ω.m，平均值為56.2Ω.m，因此在電阻率突變段推斷為覆蓋層的底界。

水文測井解釋成果數(shù)據(jù)表

孔號ZK01ZK02ZK04ZK05ZK06ZK07ZK08ZK09ZK10 試驗測試礦化度/mg.L～122818014640226084730160346 涌水量/m3.d～1584654974724425958384188158516 滲透系數(shù)/m.d～1150.438.113.231.10.71.93.016.74.2 影響半徑/m625617362492351989833186 測井?dāng)?shù)據(jù)視電阻率/Ω.m2884562288100163947 自然伽馬/API56708863702307444149 聲波時差/ms.m～1299289277284260235266297279 含水層厚度/m38.3109.496.481.013.979.975.414.795.6 測井分析礦化度/mg.L～1386137221452128103547303260 孔隙度/%24.622.520.021.516.511.417.824.220.5 滲透系數(shù)/m.d～1150.138.17.419.20.71.54.010.76.0 涌水量/m3.d～143353152574120912103291184508

結(jié)合ZK08號鉆孔的水文地質(zhì)資料，含水層段均在W6線的低阻區(qū)域內(nèi)，與W6線的推斷富水異常區(qū)域相吻合。

3.3 水文測井解釋

基于水文測井解釋模型，對工區(qū)水文鉆孔的礦化度、滲透系數(shù)、涌水量等進(jìn)行分析預(yù)測（表1）。從表可以看出，測井解釋礦化度與水樣測試礦化度比較接近，誤差在±200mg/L間；滲透系數(shù)平均誤差為2.4m/d；鉆孔測井解釋涌水量與抽水試驗確定的涌水量基本在同一個數(shù)量級范圍內(nèi)。

以日喀則地區(qū)昂仁縣亞木鄉(xiāng)ZK08號鉆孔為例，該孔孔深80m，測井深度77m，抽水試驗確定其影響半徑為98m，滲透系數(shù)為3.0m/d，涌水量為188m3/d，水樣測試礦化度為730mg/L。其中0～21.60m、29.15～78m為砂卵礫石和粘土質(zhì)礫石，為含水層段，自然伽馬為48~98API，平均為70API；由于地下水礦化度較高，導(dǎo)致電阻率較低，地層電阻率一般為13.9~22.1Ω.m，平均為19.8Ω.m；聲波時差為265~329ms/m，平均為284ms/m。測井解釋孔隙度平均為17.8%，滲透系數(shù)為4.0m/d，涌水量為291m3/d；地下水礦化度平均為547mg/L。對比分析，測井解釋結(jié)果與實驗結(jié)果吻合度較高。21.60～29.15m為細(xì)砂，相對上下巖石自然伽馬（105API）、聲波時差（370ms/m）較高，電阻率低（8.8Ω.m），含水性和透水性均較差，為隔水層。78～80m為安山質(zhì)巖屑凝灰?guī)r，中等風(fēng)化，裂隙發(fā)育，含水性一般，透水性中等。

4 討論

日喀則地區(qū)昂仁區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)調(diào)查采用了大地電磁測深和高密度電阻率兩種電法，結(jié)合前人研究結(jié)果[29～32]以及實際應(yīng)用表明，兩種方法在水文地質(zhì)勘探中各有優(yōu)勢與差異。

1）大地電磁測深法和高密度電阻率法均是以地下介質(zhì)的導(dǎo)電性差異為地球物理基礎(chǔ)，適用于地表濕潤，電極接地電阻導(dǎo)性能良好，且具有顯著電性差異的地區(qū)。

2）大地電磁測深方法勘探深度較高密度深，一般對1 000m以淺的構(gòu)造帶等地質(zhì)異常體具有良好的識別效果[33]。大地電磁測深法適用于無電磁干擾，地下為高阻介質(zhì)且電性差異明顯的地區(qū)。該方法使用方便、操作靈活，觀測效率高，且不受高阻覆蓋層的影響等優(yōu)點。但對工區(qū)的環(huán)境要求高，淺層地質(zhì)構(gòu)造解釋精度不夠，具有多解性。

3）高密度電阻法勘探深度較淺，一般對200m以淺的地質(zhì)異常體具有較為準(zhǔn)確的判斷[34]，可以清晰地劃分出第四系、基巖地層，以及地層的富水構(gòu)造、斷層。該方法具有數(shù)據(jù)密度大、點距小，應(yīng)用直觀、高效、分辨率高等優(yōu)點，主要適用于地面平坦地區(qū)。

圖3 日喀則地區(qū)ZK08號孔水文測井解釋成果圖

5 結(jié)論

1）日喀則地區(qū)含水層段主要為砂卵礫石等松散巖類，以孔隙水為主，富水性好，厚度大，隔水層主要為粘土、粉土等。各巖土電性差異明顯，為開展電法和測井工作提供了依據(jù)。

2）大地電磁測深法和高密度電阻率法均對覆蓋層的厚度、巖性、結(jié)構(gòu)等情況進(jìn)行了分析，其中大地電磁測深法對深部地質(zhì)構(gòu)造體具有較高的識別能力，高密度電阻率法對淺層地質(zhì)異常辨別精度高。含水層所測井響應(yīng)特征表現(xiàn)為中高電阻率、低自然伽馬、中低聲波時差，與隔水層具有明顯的差異。基于測試數(shù)據(jù)建立的測井水文地質(zhì)參數(shù)解釋模型，能準(zhǔn)有效地估算地下水礦化度、滲透系數(shù)、孔隙度、涌水量等水文地質(zhì)參數(shù)。

3）綜合物探手段能有效提高地質(zhì)解釋精度和效率，達(dá)到水文地質(zhì)綜合研究的目的。

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The Application of Comprehensive Geophysical Method to the Hydrogeological Survey in the Xigazê Region

HAO Hong-bin1XIE Xiao-guo2,3LIU Kang-lin1ZHANG Xu1

(1-Institute of Exploration Technology, Chinese Academy of Geological Sciences, Chengdu 611743; 2- Sichuan Huadi Construction Engineering Co. Ltd, Chengdu, Sichuan 610081; 3- Chengdu University of Technology, Chengdu, 610059)

This paper interprets and infers the thickness of strata and cover as well as aquifer structure by means of telluric electronmagnetic sounding and high-density resistivity method based on regional geological and geophysical data in order to find out the structure and characteristics of groundwater aquifer, and evaluation of hydrogeological parameters in Xigazê area, and establishes hydrogeological parameter logging model of single hole in order to estimate the depth, thickness, permeability coefficient, porosity and mineralization of aquifer as well as water inflow. The results show that logging interpretation and experimental results are highly consistent.

telluric electronmagnetic sounding; highdensity resistivity method; logging; hydrogeological survey; Xigazê area

2017-05-09

中國地質(zhì)調(diào)查局“青藏高原岡底斯成礦帶東段1∶25萬水文地質(zhì)調(diào)查”項目（項目編碼：DD20160297）資助。

郝紅兵（1975-），男，碩士，高級工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)相關(guān)工作

P631.3；P641.7

A

1006-0995（2019）01-0143-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.033