高密度電法在花崗巖地區(qū)找水的應(yīng)用

王曉龍，王 鑫，周博武

(1.廣西壯族自治區(qū)二七二地質(zhì)隊(duì)，廣西南寧530031；2.中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司華南廣西分公司，廣西南寧530012)

0 前言

高密度電法是以巖土的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測(cè)地電介質(zhì)的電阻率變化，分析電阻率變化趨勢(shì)，從而解決各類地質(zhì)問題[1]。常用的測(cè)量裝置有偶極-偶極裝置(ABMN)，三極裝置(AMN或MNB)和施倫貝爾裝置(AMNB)；聯(lián)合剖面法裝置是由正三極裝置(AMN)和反三極裝置(MNB)組合而成。不同測(cè)量裝置其測(cè)量原理和測(cè)量效果不盡相同，有關(guān)裝置的效果及優(yōu)缺點(diǎn)很多學(xué)者都做了大量研究。羅延中[2]等人研究認(rèn)為在斜坡地形下探測(cè)陡立低阻板狀體電阻率法電極裝置的探測(cè)分辨率偶極-偶極裝置最強(qiáng)。柳建新[3]等人研究認(rèn)為偶極裝置縱向分辨率最好，施倫貝爾裝置在橫向不均勻地質(zhì)體上反映靈敏。對(duì)于高密度電法裝置大部分人認(rèn)為偶極-偶極裝置的分辨率最高，施倫貝爾裝置信號(hào)最強(qiáng)[1-3]；在不同地質(zhì)體的勘查任務(wù)都能取得較好的效果。本文介紹在花崗巖地區(qū)進(jìn)行地下水勘查的中常用測(cè)量裝置數(shù)據(jù)的反演結(jié)果，并結(jié)合聯(lián)合剖面法確定井位的探討。

1 常用裝置的測(cè)量原理

1.1 偶極-偶極裝置(ABMN)

測(cè)量時(shí)，AB=MN為固定電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到第一條剖面線；接著BM增大一個(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測(cè)量下去，得到倒梯形(或倒三角形)斷面，跑極方式見圖1。

圖1 偶極-偶極裝置跑極示意圖

1.2 三極裝置

正三極裝置(AMN)中供電電極B為無窮遠(yuǎn)極；在測(cè)量時(shí)供電A不動(dòng)，M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到一條滾動(dòng)線；接著A、M、N同時(shí)向右移動(dòng)一個(gè)電極，供電A不動(dòng)，M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到另一條滾動(dòng)線；這樣不斷滾動(dòng)測(cè)量下去，得到平行四邊形(或倒三角形)斷面，跑極方式見圖2。

圖2 三極裝置跑極示意圖

反三極裝置(MNB)測(cè)量方式與AMN裝置相似，此時(shí)的供電電極A為無窮遠(yuǎn)極。

1.3 施倫貝爾裝置(AMNB)

測(cè)量時(shí)，電極間距AM =NB，MN電極間距固定；A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到第一條剖面線；接著AM、NB增大一個(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測(cè)量下去，得到倒梯形(或倒三角形)斷面，跑極方式見圖3。

圖3 施倫貝爾裝置跑極示意圖

1.4 聯(lián)合剖面法裝置

聯(lián)合剖面法裝置是由正三極裝置(AMN)和反三極組裝置(MNB)合而成。實(shí)測(cè)中，分別觀測(cè)正-反三極裝置，視電阻率值分別記為ρsa、ρsb，提取相同供電電極距AB/2值對(duì)應(yīng)的視電阻率值數(shù)據(jù)繪制剖面圖；以橫軸表示測(cè)點(diǎn)位置、縱軸表示ρs值，則在同一測(cè)線上得到ρsa和ρsb兩條視電阻率曲線。在有效勘探范圍內(nèi)，通常在低阻異常體上方附近ρsa和ρsb曲線有一交點(diǎn)，即低阻交點(diǎn)(正交點(diǎn))[1]。

2 地電模型及效果分析

花崗巖地區(qū)淺層地形水的主要類型有：風(fēng)化裂隙含水、構(gòu)造裂隙水。風(fēng)化裂隙水的埋藏和分布與地形關(guān)系密切。在地形平緩的丘陵地區(qū)，花崗巖風(fēng)化帶往往較發(fā)育，地形對(duì)風(fēng)化帶保存有利，風(fēng)化帶厚度較大，給地下水的儲(chǔ)存提供較大的空間。風(fēng)化裂隙水一般埋藏較淺，補(bǔ)給主要靠大氣降水，地形平緩的地區(qū)有利于大氣降水的滲入補(bǔ)給，因而在丘陵地區(qū)，花崗巖風(fēng)化裂隙水普遍分布，通常富水性較好。風(fēng)化裂隙水主要分布在匯水的低洼地帶。構(gòu)造裂隙水主要是在構(gòu)造作用下，巖石相對(duì)破碎，巖石風(fēng)化裂隙往往沿著構(gòu)造裂隙發(fā)展起來。在斷裂構(gòu)造發(fā)育的地段，巖石風(fēng)化裂隙發(fā)育的強(qiáng)度和深度都比較大；沿?cái)嗔褬?gòu)造裂隙所形成的風(fēng)化裂隙帶是地下水相對(duì)富集的地段。

根據(jù)淺層花崗巖地區(qū)地下水分布特點(diǎn)，可類似于由一個(gè)簡單的二層(地表低阻覆蓋層、深部為高阻基巖)斷面加一個(gè)低阻板狀體模型的組合，圖4模型為低阻覆蓋層下的基巖介質(zhì)中存在一個(gè)低阻直立薄板體。模型中地表低阻覆蓋層電阻率為100 Ω·m、厚度為10 m；基巖電阻率為2000 Ω·m；直立薄板低阻體寬為5 m、頂部埋深10 m、向下延伸30 m，電阻率為10 Ω·m。對(duì)模型經(jīng)正演計(jì)算偶極-偶極裝置、正三極裝置、施倫貝爾裝置視電阻率后，進(jìn)行電阻率二維反演，得圖5所示的不同裝置反演電阻率斷面，其中實(shí)線所示為低阻板狀體模型的位置，反演結(jié)果與正演的擬合誤差小于2.5%。

圖4 淺層花崗巖地區(qū)地下水電阻率模型

(a)偶極-偶極裝置

根據(jù)反演結(jié)果看(見圖5)，各種裝置對(duì)基底界面埋深反映均較好。偶極-偶極裝置(圖5(a))對(duì)直立低阻板狀體的位置及形態(tài)反映較準(zhǔn)確，水平分辨率高。正三極裝置(圖5(b))對(duì)異常體有響應(yīng)，但異常體形態(tài)向測(cè)量電極方向傾斜，導(dǎo)致無法異常體形態(tài)變形。施倫貝爾裝置(圖5(c))對(duì)直立低阻板狀體反應(yīng)不明顯。

在探測(cè)低阻板狀異常體時(shí)，三極裝置反演的異常形態(tài)發(fā)生變形，為準(zhǔn)確判斷異常體傾向，通常結(jié)合聯(lián)合剖面法判斷異常體傾向(見圖6)，即利用不同電極距低阻交點(diǎn)(正交點(diǎn))[1]位置變化進(jìn)行判斷。圖6(a)、圖6(b)在145 m～150 m之間均出現(xiàn)低阻交點(diǎn)，不同的供電電極AB/2對(duì)應(yīng)著不同勘探深度，出現(xiàn)低阻交點(diǎn)的位置基本相同，因而可以判斷異常體傾向近似直立。

(a)AB/2=17.5 m

綜合以上認(rèn)識(shí)，偶極-偶極裝置能有效地識(shí)別出低阻板狀異常體的位置，且水平分辨率高；正三極裝置次之，施倫貝爾裝置最弱。三極裝置的反演電阻率異常形態(tài)存在變形，通常要結(jié)合聯(lián)合剖面法使用才能準(zhǔn)確的分辨異常體的形態(tài)。因此，采用偶極-偶極裝置、聯(lián)合剖面法進(jìn)行探測(cè)，能有效地識(shí)別直立薄板狀低阻體。

3 應(yīng)用實(shí)測(cè)效果分析

實(shí)例工區(qū)位于湖北省梅川鎮(zhèn)。該工區(qū)出露的巖性為多期侵入的“雜巖體”，主要巖性為二長花崗巖；地勢(shì)低洼的溝谷主要分布為砂質(zhì)、礫質(zhì)粘性土或含粘性土礫砂的第四系全新統(tǒng)沖積層，厚度0～10 m不等。由于受多次構(gòu)造活動(dòng)的影響，測(cè)區(qū)內(nèi)侵入巖脈發(fā)育，脈寬2 m～8 m不等，走向呈NS向居多，在巖脈旁常發(fā)育有與巖脈走向基本平行的節(jié)理(裂隙)，這些節(jié)理(裂隙)易風(fēng)化，往往形成有較厚的風(fēng)化殼。測(cè)區(qū)地屬貧水區(qū)或弱含水區(qū)，地表水以徑流為主，地下水不發(fā)育，地下水主要匯集于低山丘陵間的小型溝谷、盆地。綜合水文地質(zhì)條件看，選擇合適的工作方法在低洼處是有可能尋找到規(guī)模較大的構(gòu)造裂隙水。本次勘查水源采用上述高密度電法裝置組合在地勢(shì)較低、地形起伏不大的低洼處開展工作，尋找構(gòu)造裂隙水取得了成功。圖7與圖8為同一條測(cè)線上不同觀測(cè)方法的測(cè)量結(jié)果，其中圖7為高密度電法不同裝置數(shù)據(jù)使用RES2DINV軟件反演的二維斷面，圖8為取AB/2=37.5 m、62.5 m值繪制的聯(lián)合剖面曲線圖。

(a)偶極-偶極裝置

從圖7上看，除施倫貝爾裝置外，其余裝置斷面在橫向上都出現(xiàn)了明顯的近似直立低阻異常帶：偶極-偶極裝置集中在230 m～250 m附近(圖7(a))；正三極裝置集中在230 m～255 m、380 m～400 m、420 m～435 m附近(圖7(b))，偶極-偶極裝置的異常位置與正三極裝置對(duì)應(yīng)較好。聯(lián)合剖面法曲線上分別在圖8(a)的235 m、圖8(b)的240 m附近出現(xiàn)低阻正交點(diǎn)，不同極距的交點(diǎn)位置偏移不大，預(yù)示低阻異常體傾角較陡。綜合所有的物探信息，推斷剖面在235 m～245 m處存在有較好的富水構(gòu)造帶。因此，在240 m處布置鉆孔，鉆探結(jié)果表明：0 m～8 m為全風(fēng)化層，8 m～22 m為裂隙發(fā)育帶，22 m～30 m為破碎的花崗巖，終孔50 m，出水量達(dá)168 m3/d，水量豐富，有效地解決了水源問題。

(a)AB/2=37.5 m 聯(lián)剖曲線圖

4 結(jié)語

通過本文實(shí)例的高密度電法裝置觀測(cè)結(jié)果可知：

(1)不同裝置在識(shí)別傾角較陡的低阻板狀體時(shí)分辨率存在明顯的差異，分辨率從高到低的排序?yàn)椋号紭O-偶極裝置，三極裝置，施倫貝爾裝置；

(2)在識(shí)別基巖的起伏界面上，偶極-偶極裝置數(shù)據(jù)更為精細(xì)；

(3)在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，三極裝置的反演斷面可能會(huì)出現(xiàn)假異常，結(jié)合聯(lián)合剖面法曲線分析可獲得可靠的異常；

(4)在花崗巖地區(qū)高密度電阻率法找水，選擇偶極-偶極裝置和聯(lián)合剖面法裝置進(jìn)行探測(cè)是行之有效的組合；在條件允許的情況下，可考慮選擇三種以上方法組合綜合地質(zhì)解譯。