電法勘探在黃河高階地地區(qū)水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用研究

楊生彬, 王延輝, 李仁海

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán) 西北電力設(shè)計(jì)院有限公司,陜西 西安 710032)

青海某換流站工程位于黃河Ⅳ級(jí)階地地貌上,為滿足該工程的用水需求,需要在建設(shè)項(xiàng)目區(qū)域進(jìn)行水文及水文地質(zhì)調(diào)查,因引用地表水水資源的投資巨大,故開(kāi)展了本工程的水文地質(zhì)勘察工作,目的是為了查明區(qū)域水文地質(zhì)條件,推薦能夠滿足變電站需水要求的富水地段[1],評(píng)價(jià)地下水資源并確定供水井的位置及結(jié)構(gòu)。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域地下水資源開(kāi)發(fā)利用程度極低,基本無(wú)可利用的水文地質(zhì)資料,因此本次工作首先利用地球物理勘探方法進(jìn)行了探查。

地球物理勘探方法簡(jiǎn)稱(chēng)為物探,主要是指通過(guò)對(duì)地球物理的科學(xué)合理利用,在按照各個(gè)巖層之間的一些物理性質(zhì),通過(guò)選用不相同的物探儀器和物理勘探方法,對(duì)工程區(qū)的地球物理場(chǎng)的實(shí)際變化情況進(jìn)行有效的測(cè)量,最終確保解決地質(zhì)問(wèn)題[2]。物探是水文地質(zhì)勘察工作的一種重要手段,特別是在環(huán)境條件復(fù)雜、水文資料極其匱乏的地區(qū),利用自然電場(chǎng)或者人工電場(chǎng)、磁場(chǎng)或電化學(xué)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)分析被測(cè)對(duì)象的磁性、電性、介電性和電化學(xué)分布規(guī)律判別地質(zhì)情況[3],能夠充分發(fā)揮物探工作的優(yōu)勢(shì),縮短野外工作時(shí)間,提高工作效率。

1 工區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

1.1 場(chǎng)地工區(qū)水文地質(zhì)概況

建設(shè)項(xiàng)目地處共和盆地,東臨黃河,共和盆地是中國(guó)西北地區(qū)比較典型的一個(gè)中、新生代斷陷盆地,盆地地處昆侖、祁連兩大山系的交匯處,四周為群山環(huán)抱,中間為低洼的盆地,呈西窄東寬的葫蘆形[4],盆地長(zhǎng)約250 km,最寬達(dá)90 km,海拔一般在3 000～3 500 m之間。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料,共和盆地在第四紀(jì)早—中更新世內(nèi)陸沉積環(huán)境中,以河湖相沉積為主,堆積了厚達(dá)300～1 000 m的松散堆積物,下部為一套早更新統(tǒng)砂土質(zhì)地層,表部覆蓋了上更新統(tǒng)砂土層,為盆地第四系孔隙水的賦存運(yùn)移創(chuàng)造了良好空間[5]。但由于該地下水分布不均勻且埋深較大,加之地廣人稀,導(dǎo)致地下水開(kāi)發(fā)利用程度極低。

大氣降水在盆地四周的山區(qū)形成地表水和地下水,是盆地地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源。山區(qū)是地下水的補(bǔ)給區(qū),山區(qū)溝谷是盆地地下水的補(bǔ)給通道,山前傾斜平原和盆地中央是地下水的徑流區(qū),由于黃河深切,使共和盆地成為外泄盆地,黃河谷地成為地下水的排泄區(qū),在黃河谷地至盆地區(qū)間就形成了黃河Ⅰ-Ⅶ級(jí)階地,從低階地至高階地,地下水水位埋深逐漸增大。

1.2 工區(qū)地球物理特征

建設(shè)項(xiàng)目場(chǎng)地堆積了大厚度的河湖相砂卵礫石層堆積物,根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目東側(cè)約30 km處在黃河三級(jí)階地上規(guī)劃的其他建設(shè)項(xiàng)目的可行性研究階段地質(zhì)勘測(cè)資料,揭露的50 m勘探深度范圍內(nèi),主要為第四系、上第三系(中、上新統(tǒng))粉砂、細(xì)砂、圓礫、卵石層,未發(fā)現(xiàn)地下水。根據(jù)地層巖性資料,上層地層松散,下部密實(shí)度逐漸增大,通過(guò)定性分析,表層地層由于較為干燥,含水量較低,因此視電阻率數(shù)值應(yīng)該偏高,而隨著深度和含水量的增加視電阻率下降,遇到裂隙水地層,該數(shù)值明顯減低,因此通過(guò)測(cè)區(qū)內(nèi)電性層的分布及其與地層結(jié)構(gòu)的關(guān)系,可以大致判斷與實(shí)際采集的視電阻率數(shù)據(jù)相吻合,呈現(xiàn)數(shù)據(jù)先下降再上升再下降的KHK型曲線特征,根據(jù)低阻下降區(qū)域可判斷是因?yàn)楹看蠓黾右鸬?從而確定地下水位界面。進(jìn)而通過(guò)量板方法進(jìn)行定量解釋,借助于二層和輔助量板可以對(duì)數(shù)據(jù)的電測(cè)深曲線進(jìn)行解釋,則可獲得電性層的埋深及厚度。

2 工作方法及原理

本次工作根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件,地面物探采用電阻率測(cè)深法,對(duì)稱(chēng)四極溫納裝置。電阻率測(cè)深法是利用巖土的導(dǎo)電性差異,分析電性不同的巖層沿垂向分布情況的一種物探方法。具體在實(shí)際工作中是在同一測(cè)點(diǎn)上逐次擴(kuò)大供電極距,使探測(cè)深度逐漸加大,同時(shí)相應(yīng)測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)電壓和供電電流,從而得到觀測(cè)點(diǎn)處視電阻率沿垂直方向上的變化情況(見(jiàn)圖1)。

圖1 野外觀測(cè)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of field observation device

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,選擇該工程最小供電極距(AB/2)min為1.5 m,以保證其實(shí)測(cè)曲線的前支部分有明顯的漸近線,最大供電極距(AB/2)max為750 m,滿足本次探測(cè)深度的要求。相鄰供電極距之間的比例滿足1.3ABi+1/ABi1.8的關(guān)系,測(cè)量極距與供電極距之比為1∶3,并滿足關(guān)系A(chǔ)B/3≥MN≥AB/30;AB/2在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下均勻近等距分布,并保證一定的密度,滿足測(cè)量精度。

3 測(cè)線布置及工作量

項(xiàng)目場(chǎng)地地表在灘地草原,地形平坦,地勢(shì)開(kāi)闊,根據(jù)工作任務(wù)特點(diǎn)和測(cè)區(qū)地質(zhì)條件,電法勘探測(cè)線由北向南布置6條,測(cè)線號(hào)從北往南由小到大,線距約60～80 m,點(diǎn)距95～350 m,共25個(gè)電測(cè)深測(cè)點(diǎn),測(cè)線布置平面見(jiàn)圖2。

圖2 電法勘探測(cè)點(diǎn)測(cè)線平面布置圖Fig.2 Plane layout of surveying points and lines in electrical prospecting

4 電阻率測(cè)深法資料解譯

電測(cè)深資料解釋工作有定性和定量解釋:定性解釋工作主要是分析電測(cè)深曲線的類(lèi)型、ρs等值線平面圖、ρs等值線斷面圖,從中發(fā)現(xiàn)視電阻率特征與地層的對(duì)應(yīng)關(guān)系,以及與地下水富集規(guī)律的關(guān)系,在定性解釋的基礎(chǔ)上,先對(duì)曲線比較完整、電性層反映較明顯的電測(cè)點(diǎn)進(jìn)行解釋,先點(diǎn)后線,并結(jié)合地質(zhì)測(cè)繪資料,以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法、特征點(diǎn)等方法進(jìn)行計(jì)算,力求解釋結(jié)果符合實(shí)際地質(zhì)情況[6]。電測(cè)深資料的定量解釋工作主要是使用反演軟件對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)反演,并與實(shí)際數(shù)據(jù)擬合比較,再修改地層模型,經(jīng)多次反復(fù)調(diào)整修改直至曲線擬合較好時(shí),就可得到由野外的視電阻率曲線對(duì)應(yīng)的地電模型。但由于地層電性的復(fù)雜性,使得物探數(shù)據(jù)解釋具有多解性,很難給出一個(gè)較為客觀的地電模型,所以物探數(shù)據(jù)解釋以定性解釋為主,定量解釋為輔。

4.1 電測(cè)深曲線類(lèi)型及分析解釋

測(cè)區(qū)內(nèi)電測(cè)深曲線基本一致,初步判斷測(cè)區(qū)地層空間分布、厚度、埋深變化不大,曲線類(lèi)型以KHK型為主,只有個(gè)別(DS119)為KH型曲線,故以主要曲線類(lèi)型KHK型五層曲線進(jìn)行分析,測(cè)區(qū)典型KHK曲線類(lèi)型分布圖見(jiàn)圖3。

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料根據(jù)曲線反應(yīng)的特性,初步判斷第一層為風(fēng)積粉細(xì)砂層,透水性好,表層一般厚度較薄,電阻率較高,一般為80.0～480.0 Ω·m,構(gòu)成K型曲線的首枝;第二層為沖洪積圓礫、卵石,透水性好,電阻率較上層更高,一般為360.0～960.0 Ω·m,構(gòu)成K型曲線的中間段;第三層巖性以圓礫、卵石為主,充填粉土或粉細(xì)砂,推測(cè)受下層地下水的毛細(xì)水或地表水下滲潮濕層的影響,電阻率出現(xiàn)下降趨勢(shì),一般為100.0～300.0 Ω·m,而且在下降趨勢(shì)最低處電阻率一般為100.0 Ω·m左右,對(duì)應(yīng)為H型曲線的中間段,推測(cè)該段為地下水位位置;第四層巖性以圓礫、卵石為主,充填粉土或粉細(xì)砂,電阻率出現(xiàn)升高,電阻率一般為150.0～300.0 Ω·m,構(gòu)成H型曲線的后枝;第五層電阻率出現(xiàn)下降趨勢(shì),結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料推測(cè)是第四系底層向第三系過(guò)渡帶,且受到第三系泥巖的影響造成電阻率下降,富水性差,該層電阻率一般<200.0 Ω·m,構(gòu)成第二個(gè)K型曲線的后枝。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料及周邊調(diào)查結(jié)果分析認(rèn)為,上部?jī)蓪訛榘鼩鈳?第三層底部以下可能存在地下水含水層。

圖3 測(cè)區(qū)典型KHK型五層曲線Fig.3 Typical KHK-type five-layer curve in survey area

圖4 典型不同極距視電阻率平面等值線圖(圖中ρs單位為Ω·m)Fig.4 Typical isoline map of apparent resistivity plane with different polar distances

4.2 ρs不規(guī)范等值線平面圖分析解釋

不同極距的ρs平面等值線圖反映不同深度地層在平面上的電性分布情況,分析不同深度的ρs平面等值線圖的分布特征可推測(cè)對(duì)應(yīng)深度的地層電性的分布情況。本次工作選擇了測(cè)區(qū)各電測(cè)深測(cè)點(diǎn)在AB/2=10 m、40 m、100 m、150 m、250 m、400 m、500 m、650 m、750 m極距的數(shù)據(jù),繪制了ρs平面等值線圖(見(jiàn)圖4)。AB/2=10 m視電阻率平面等值線圖較為清晰的反映表層情況;AB/2=40 m視電阻率平面等值線圖較為清晰的反映淺層情況;AB/2=100 m、150 m視電阻率平面等值線圖推測(cè)反映的中深層情況;AB/2=250 m、400 m視電阻率平面等值線圖反映深層情況;AB/2=500 m、650 m、750 m視電阻率平面等值線圖反映受第三系地層的影響情況。區(qū)域地層主要為黃河沖洪積形成的粉土、砂卵石層為主,區(qū)域等值線分布較為均勻表明區(qū)域地層巖性差異變化較小,無(wú)斷裂帶存在。綜合推測(cè)AB/2=100 m、150 m的視電阻率平面等值線圖反映的是地下水分布的情況,隨著電測(cè)深極距的增大,工作區(qū)電阻率值差距逐漸縮小,反映深層地層趨于一致。

4.3 ρs等值線斷面圖分析解釋

視電阻率等值線斷面圖是根據(jù)同一剖面上不同測(cè)深點(diǎn)和不同極距的視電阻率值繪制的,通過(guò)分析視電阻率等值線斷面圖,可以了解剖面上不同深度地電斷面的特征和規(guī)律,可以粗略地判斷不同電性的巖層接觸面、大致產(chǎn)狀及厚度等。通過(guò)不同測(cè)線的視電阻率等值線斷面圖分析,斷面圖分層與曲線類(lèi)型吻合很好,推測(cè)地面以下105～120 m潛在含水層,地層以砂卵礫石層為主,細(xì)顆粒填充,受填充密實(shí)度的影響,含水層涌水量需進(jìn)一步結(jié)合水文地質(zhì)鉆探成果來(lái)判斷。不同測(cè)線的等值線斷面圖詳見(jiàn)圖5。

5 結(jié)論及建議

通過(guò)電法勘探對(duì)測(cè)區(qū)的水文地質(zhì)條件、地層構(gòu)造等有了初步認(rèn)識(shí),提供了完整的水文地質(zhì)物探勘測(cè)資料,對(duì)后來(lái)的水文地質(zhì)勘查工作具有指導(dǎo)意義。

圖5 典型視電阻率等值線斷面圖(圖中ρs單位為Ω·m)Fig.5 Typical apparent resistivity isoline profile

(1) 在測(cè)區(qū)開(kāi)展電阻率測(cè)深法工作具有較好的物探前提,已取得了階段性成果。

(2) 受條件所限,電法勘測(cè)未能全面清晰地查明地下水特征,尤其是含水層的涌水量情況。

(3) 根據(jù)追蹤回訪,后期開(kāi)展的水文地質(zhì)勘查工作表明區(qū)域地下水位埋深約118 m,充分印證了前期電法勘探成果的準(zhǔn)確性。

(4) 電阻率測(cè)深法成本低、效率高,在水文地質(zhì)工作中可避免盲目鉆探施工,起到降低成本和提高工作效率的作用。