電法在沖積平原潛水探測中的應(yīng)用

張建鋒，李賀領(lǐng)，余能成，楊志杰，張俊杰，劉紅蕾， 占士軍，程歲泉，汪雪萍，智春生

(河南工程學院 資源與環(huán)境學院,河南 鄭州451191)

地下水資源是影響社會和經(jīng)濟發(fā)展及生態(tài)安全的重要因素，潛水資源又是地下水中與日常生產(chǎn)生活和自然環(huán)境聯(lián)系最緊密的一部分。因此，對地下潛水的探測和監(jiān)控對區(qū)域的生態(tài)平衡、經(jīng)濟建設(shè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。潛水含水層與周圍非含水地層的導(dǎo)電性通常具有明顯差異，這就為電法在該領(lǐng)域的應(yīng)用提供了物理基礎(chǔ)。此外，由于電法施工方便、獲取的信息量大、經(jīng)濟高效、解釋技術(shù)成熟，故被廣泛應(yīng)用于解決地下水的相關(guān)問題中。電法在水文地質(zhì)領(lǐng)域中的應(yīng)用始于20世紀50年代[1]，在過去的幾十年里，電法被廣泛應(yīng)用于解決各種水文地質(zhì)問題，并取得了良好的效果。Israil等[2]利用氚標記的方法建立了地下水入滲補給量與電阻率的關(guān)系式，從而用電阻率測深法來估計地下水入滲補給量。Olofsson等[3]綜合甚低頻(VLF)、連續(xù)電測深(CVES)和地質(zhì)雷達(GPR)等方法檢測了瑞典Tveta垃圾填埋場滲濾液的滲漏情況。針對巖溶地區(qū)賦水空間差異大的情況，李華等[4]利用EH4電磁成像技術(shù)成功地在巖溶區(qū)找到了地下水。周文龍等[5]利用模擬和綜合物探勘察技術(shù)研究了山區(qū)河床的地質(zhì)條件，較好地解決了河床地層的分層、厚度和滲流范圍等問題。譚磊等[6]利用并行電法連續(xù)監(jiān)測壩體水位，從而監(jiān)測壩體內(nèi)部浸潤動態(tài)特征。本研究綜合利用了高密度電法、激發(fā)極化法和電測深法，同時結(jié)合地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，研究了黃河沖積平原與山前沖洪積平原過渡區(qū)的潛水含水層，為快速經(jīng)濟地進行地下水資源評價提供了一種較好的途徑。

1 研究區(qū)概況

本次研究的區(qū)域選擇在河南省鄭州市新鄭龍湖鎮(zhèn)東南部，距離鄭州航空港區(qū)10 km。龍湖鎮(zhèn)現(xiàn)有人口20.5萬，其中鎮(zhèn)區(qū)人口17.1萬。根據(jù)城市規(guī)劃，至2030年，龍湖鎮(zhèn)總?cè)丝趯⑦_到32.8萬，其中城鎮(zhèn)人口29萬。這將極大增加鎮(zhèn)區(qū)的水資源供應(yīng)壓力，所以對該區(qū)域地下水資源的研究將為社會發(fā)展規(guī)劃提供科學依據(jù)，是非常必要的。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L氣候，四季分明，年平均氣溫為14.2 ℃，年均降雨量為640 mm，地理上位于黃河沖積平原與山前沖洪積平原過渡區(qū)，場地開挖和回填現(xiàn)象較為普遍。工作區(qū)域內(nèi)地形西南高、東北低，地勢整體起伏較小，坡度較緩，高差約3 m。研究區(qū)域位于黃河二級階地，淺層水主要以第四系的松散巖類孔隙水為主，水位埋深較淺，富水性好，是生產(chǎn)生活的主要供水水源，含水層位主要賦存在15～25 m深度的粉土和粉質(zhì)黏土層中，潛水流向為NNE。本研究區(qū)域測線E02西北約700 m的鉆孔顯示，含水層的頂部含鐵錳結(jié)核和銹斑，底板為約10 m厚的膠結(jié)黏土層。根據(jù)巖性的變化特征，潛水含水層下伏地層的電阻率將進一步降低。附近水井水位資料表明，區(qū)內(nèi)淺層地下水水位變化不大，水位埋深約為19 m[7-8]。研究區(qū)地層的接地條件良好，目標地層與圍巖的導(dǎo)電性差異相對明顯，適合電法工作的開展。

2 方法介紹

電測深法是用于探測地下垂直方向上具有明顯導(dǎo)電性差異問題的一類常用穩(wěn)定電流場方法。該方法實驗過程相對簡單，場地的適應(yīng)性較強，測量曲線相對容易解釋，故被廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和地熱地質(zhì)等[9-11]領(lǐng)域。野外測量時，電測深法常采用常規(guī)的對稱四極裝置，測量過程中，通過不斷加大供電電極極距的方式來增加勘探的深度，并利用下面的公式計算不同深度上的視電阻率ρα：

(1)

電測深法一般只能反映單點垂直方向上的電性變化，而高密度電法則能在二維空間反映地層的物性結(jié)構(gòu)特征。高密度電法的原理與電測深法類似，都是基于穩(wěn)定電流場來研究地下介質(zhì)的電阻率，不同的是它能對幾十個電極進行控制，數(shù)據(jù)量更大，精度更高，對物性的刻畫更直觀。

激電法是利用介質(zhì)激電效應(yīng)來探測地質(zhì)的一種方法，它具有不受地形起伏及圍巖電性不均影響的特點[12]。激電效應(yīng)是巖礦石在外部電場充電和放電過程中，由于電化學作用引起的隨時間緩慢變化的附加電場現(xiàn)象。介質(zhì)激電效應(yīng)的大小與電子導(dǎo)電礦物的含量、含水性、離子濃度等因素正相關(guān)。時間域激電法中，用視極化率ηα來表示激電效應(yīng)的大?。?/p>

(2)

式中：ΔU(T)為供電一段時間(T)后的總場電位差；ΔU2(t)為斷電后t時刻的二次場電位差。實際上，視極化率與含水性的關(guān)系并不密切，但是極化二次場ΔU2的衰減特性能夠很好地反映地下的含水情況[13]。這是因為，松散層內(nèi)作為含水層的沙層、沙礫石層，與作為隔水層的亞黏土層，都可引起幅度相似的視極化率異常[14]。因此，在松散層中找水需要綜合極化性和電阻率兩個參數(shù)進行分析和判斷。本研究中，采用充電率TH(單位為ms)來表示二次場的衰減特性：

(3)

為了便于對比分析，研究區(qū)內(nèi)布置了2個近似南北向且東西相距1 km的剖面線(點)，東西剖面線(點)分別命名為E01和E02，分別進行電測深法和高密度電法工作。由于E02處干擾因素較強，采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量很差，僅在E01處完成了1個點的激電測深。為了保證勘測深度，電測深最大供電極距為150 m，激電法最大供電極距為110 m，激電供電時間為5 s，測量裝置均采用對稱四極，供電電壓均為400 V。以上測深工作的點位均位于剖面線的近中間部位。高密度電法每個剖面設(shè)置40個電極，極距均為4 m，剖面總長156 m，裝置采用空間分辨率較好的γ排列[15]。施工時，3種電法野外數(shù)據(jù)采集儀器均采用WDA-1型數(shù)字直流電法儀。

3 結(jié)果與分析

電測深視電阻率數(shù)據(jù)繪制在以自然常數(shù)e為底的雙對數(shù)坐標內(nèi)，見圖1。激電測深法充電率測量結(jié)果繪制在線性直角坐標內(nèi)，見圖2。為了進一步研究不同參數(shù)與介質(zhì)含水層的關(guān)系、定量分析電阻率和激電效應(yīng)與地層含水性的關(guān)系，利用1X1D分別對電阻率測深數(shù)據(jù)和激電數(shù)據(jù)進行了反演，見圖3與圖4。

圖1 點E01和E02電測深曲線Fig.1 Curves of VES at points E01 and E02

圖2 點E01激電測深曲線Fig.2 Curve of IP at point E01

圖3 電測深反演結(jié)果Fig.3 Reversion of vertical resistivity sounding

圖4 E01激電反演結(jié)果Fig.4 Reversion of IP at E01

在高密度電法數(shù)據(jù)反演工作之前，首先剔除了明顯由干擾因素造成的壞點，然后利用RES2DINV軟件對電阻率數(shù)據(jù)進行反演，反演采用平滑約束最小二乘法，見圖5與圖6。

圖5 E01剖面地電斷面反演結(jié)果Fig.5 Inversion result of resistivity section at E01

圖6 E02剖面地電斷面反演結(jié)果Fig.6 Inversion result of resistivity section at E02

電測深曲線(圖1)E01為Q型，曲線存在明顯相對穩(wěn)定的層位。曲線首支視電阻率約為140 Ω·m；中間段對應(yīng)極距為AB/2=9～22 m，即ln(AB/2)=2.0～3.0，視電阻率為50～56 Ω·m；尾支視電阻率約為15 Ω·m。距離測點E01西約1 km處的E02電測深曲線也是Q型曲線：首支穩(wěn)定視電阻率為115 Ω·m；中間段極距AB/2=6～17 m，即ln(AB/2)=1.8～2.8，視電阻率為53～56 Ω·m；尾支視電阻率約為20 Ω·m。2個測深點的電阻率曲線特征基本相同，尾支電阻率明顯小于上覆地層，可能是含水層下部黏土層形成的，其特征與研究區(qū)的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件吻合良好。因此，綜合以上2個電測深點可以初步判斷潛水含水層應(yīng)位于6～22 m的深度。電測深數(shù)據(jù)反演結(jié)果(圖3)與圖1相似，除表層外，電阻率隨著深度的增加而逐漸降低，當深度為10.0～21.5 m時電阻率偏低，對應(yīng)含水層位置，下伏地層的電阻率進一步下降，推測為黏土層。含水層對應(yīng)電阻率在E01點為37.6 Ω·m、在E02點為33.7 Ω·m，平均電阻率為35 Ω·m。上覆地層電阻率在E01點為57 Ω·m、在E02點為67.5 Ω·m，平均電阻率為62 Ω·m。下伏地層電阻率在E01點為34.4 Ω·m、在E02點為15.5 Ω·m，平均電阻率為25 Ω·m。

點E01激電測深曲線(圖2)表明：AB/2在11～24 m具有異常大值，充電率約為500 ms；在AB/2<11 m和AB/2>24 m時，充電率快速降至約200 ms，異常差異十分明顯?？梢酝茰y，在11～24 m應(yīng)存在一個穩(wěn)定的激電異常地層。另外，當40 m

從淺到深，測線E01高密度電阻率剖面表現(xiàn)出清晰的、電阻率逐漸降低的4個電性分層(圖5)：第一層，電阻率大于60 Ω·m(深度約為5 m)，為人工擾動造成的表層不均值帶；第二層，電阻率為20～60 Ω·m(深度為5～15 m)，為潛水面以上的包氣帶層；第三層，電阻率為10～20 Ω·m(深度為15～23 m)，根據(jù)地層的地球物理性質(zhì)，該范圍為潛水含水層；第四層，電阻率小于10 Ω·m(深度大于23 m)，結(jié)合研究區(qū)的水文地質(zhì)特征，該層應(yīng)為潛水含水層下伏的厚層黏土隔水層。測線E02高密度電阻率剖面也表現(xiàn)出與測線E01相似的、清晰的、電阻率逐漸降低的4個電性分層(圖6)：第一層，電阻率大于70 Ω·m(深度約為10 m)，為人工擾動造成的表層不均值帶；第二層，電阻率為30～70 Ω·m(深度為10～15 m)，為包氣帶層；第三層，電阻率為20～30 Ω·m(深度為15～23 m)，為潛水含水層；第四層，電阻率小于20 Ω·m(深度大于23 m)的下伏厚層黏土隔水層。高密度電法的探測結(jié)果與電測深和激電法的結(jié)果高度吻合。在相距1 km的兩條測線上，高密度電法剖面均在15～23 m處表現(xiàn)出低電阻率的特征，電阻率為10～30 Ω·m，與研究區(qū)內(nèi)飽和粉土和粉質(zhì)黏土介質(zhì)的電阻率十分接近。

4 結(jié)語

綜合常規(guī)電法探測平原區(qū)潛水含水層較為理想，充分發(fā)揮了常規(guī)電法施工方便、高效、解釋方法成熟的特點。電測深法能夠大概圈定潛水含水層的賦存位置及厚度。激電法測量的充電率與地層的含水性關(guān)系明顯，能很好地反映富水地層的空間位置，但是在實際應(yīng)用過程中還需要考慮黏土對激電效應(yīng)的影響。高密度電法也能反映具有電阻率異常的潛水含水層，該方法在刻畫潛水層時更加精細和直觀。因此，實踐中可以綜合利用高密度電法、激發(fā)極化法和電阻率測深法，降低物探數(shù)據(jù)解釋的不確定性，從而提高地下水資源勘探的效果。但是，無論使用何種電法進行地下水的勘探，對研究區(qū)水文地質(zhì)和地層電性特征的了解必不可少，否則會導(dǎo)致解釋錯誤。