直流電阻率測(cè)深法在魯西南(中西部)高氟區(qū)找水中的應(yīng)用

劉增珉

(山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

魯西南(中西部)地區(qū)位于黃河下游，為黃河沖積平原區(qū)，該區(qū)域地下水中氟及礦化度含量普遍較高，也是山東省地方性氟中毒病情比較嚴(yán)重的地區(qū)[1]。據(jù)調(diào)查，區(qū)域內(nèi)機(jī)民井用水多集中在淺層及中層，大部分水中氟及礦化度含量均超出飲用水標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)具有垂直分帶性，含淡水砂土層與黏土層存在一定的電阻率差異[4-5]。一般情況下，地下水中的高氟、高礦化度之間為伴生關(guān)系，高氟、高礦化度地下水多賦存于以黏土、亞黏土等細(xì)顆粒為主的松散巖類中，黏土層及高礦化度地下水均表現(xiàn)為低電阻率的地球物理特征[6]。

本文通過(guò)研究區(qū)內(nèi)深層黏土與砂土含水層電阻率的細(xì)微變化，利用電阻率測(cè)深曲線反演、斷面圖及等值線剖面圖結(jié)合水文地質(zhì)資料對(duì)區(qū)內(nèi)地層在垂向上的含水性進(jìn)行了綜合解釋。最終確定了各重點(diǎn)區(qū)鉆孔位置，并通過(guò)后期的鉆探資料驗(yàn)證了物探推斷成果與實(shí)際情況基本吻合。因此利用直流電阻率測(cè)深法結(jié)合水文地質(zhì)資料對(duì)該區(qū)域含水層位進(jìn)行詳細(xì)識(shí)別，能夠較準(zhǔn)確地找到含氟及礦化度相對(duì)較低的可飲用水資源。

1 區(qū)域水文地質(zhì)概況

研究區(qū)屬于黃河沖積平原區(qū)，沉積有巨厚的第四紀(jì)和新近紀(jì)松散堆積物，地下水主要賦存于松散堆積物的孔隙中，受地層、古氣候及沉積環(huán)境等因素的影響，含水層的分布、水化學(xué)特征及地下水水力性質(zhì)比較復(fù)雜[7]。高氟水在各含水巖組均有分布，且具有一定的分布規(guī)律。淺層地下水氟含量比較集中，地勢(shì)低洼地區(qū)和相對(duì)較低的地方易形成高氟水，氟離子含量最大為4.6mg/L；深層水氟離子分布規(guī)律比較明顯，從研究區(qū)自西往東，氟離子含量總體呈逐漸增大的趨勢(shì)，氟離子含量最高為4.0mg/L左右。

區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)具有垂直分帶性，其結(jié)構(gòu)可分為：上中部為咸水—下部為淡水的雙層結(jié)構(gòu)和上淡—中咸—下淡的三層結(jié)構(gòu)2種類型[8]。根據(jù)含水層的水力性質(zhì)、水化學(xué)及埋藏特點(diǎn)，將區(qū)內(nèi)松散鹽類孔隙水劃分為3個(gè)不同的含水巖組：即淺層潛水含水巖組、中深層承壓含水巖組和深層承壓含水巖組[9]。其中，淺層和深層地下水是主要開采層位(圖1)。

1—礦化度界線；2—剖面線；3—地下水流向；4—研究區(qū)范圍；5—地下水富水性界線；6—淺及深層全淡水區(qū)；7—松散砂層；8—咸淡水界面；9—含水巖組代號(hào)；10—孔號(hào)/標(biāo)高(m)；11—孔深(m)圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)與剖面簡(jiǎn)圖

2 區(qū)域地球物理特征

區(qū)內(nèi)第四紀(jì)松散巖層視電阻率較低，一般在6～40Ω·m。當(dāng)含砂量增高時(shí)，視電阻率值隨之增大。通過(guò)收集到的附近電測(cè)井資料，區(qū)域內(nèi)黏土的視電阻率值在6～16Ω·m，砂土的視電阻率值略大于黏土在16～40Ω·m之間(表1)。咸水層礦化度要高于淡水層[10]，黏土層賦含咸水，砂層賦含淡水，因此在含水層中黏土咸水層的視電阻率要小于砂層淡水層，這是劃分該區(qū)內(nèi)咸淡水分界面的主要依據(jù)。電阻率與地下水礦化度關(guān)系密切，高氟又易與高礦化度伴生存在，因此，賦存高礦化度地下水的黏土層與賦存可飲用地下水砂土層電性上的差異為利用電法在該地區(qū)勘查出可飲用地下水提供了基本的物性條件[11]。

表1 含水層電阻率與礦化度的關(guān)系

區(qū)內(nèi)第四系及新近系厚度均較大，在1000m左右，該次工作勘探深度并未達(dá)到基巖深度，因此，對(duì)基巖裂隙水并無(wú)反映。綜合水文地質(zhì)資料進(jìn)行分析，認(rèn)為該次水文物探工作的主要目標(biāo)層位應(yīng)是新生代松散沉積地層中砂巖、砂巖與泥巖互層這一層位，可通過(guò)電阻率測(cè)深精細(xì)解釋推測(cè)出松散沉積地層中的相對(duì)高阻層，從而達(dá)到尋找砂巖、砂礫巖層相對(duì)較厚區(qū)段的目的[12]。

3 工作方法

該次電法工作所使用儀器為中裝集團(tuán)重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DZD-6A多功能直流電法(激電)儀，所采用裝置為對(duì)稱四極等比裝置，AM=NB，記錄點(diǎn)在MN的中點(diǎn)。其電極距序列AB/2為： 5，10，15，25，40，65，100，150，250，350，500，750，1000，1250，1500，1750，2000(m)局部地段根據(jù)實(shí)際情況增大AB距，AB/MN=5/1。

4 牡丹區(qū)沙土集重點(diǎn)區(qū)

牡丹區(qū)沙土集鎮(zhèn)重點(diǎn)區(qū)位于聊考斷裂以東，菏澤斷裂以南，菏澤凸起區(qū)塊內(nèi)。區(qū)內(nèi)第四系及新近系厚度1000m左右。地貌屬于古河床高地邊緣地帶。巖性主要由黏土層、粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂及粉、細(xì)砂層組成，其中砂層為主要儲(chǔ)水層位。

4.1 測(cè)線布置

測(cè)線垂直于古河床高地和緩平坡地接觸帶布置，測(cè)線方位角90°，線距500m，點(diǎn)距250m，共布設(shè)5條測(cè)線，每條測(cè)線測(cè)點(diǎn)數(shù)20個(gè)，測(cè)線長(zhǎng)4750m，5條測(cè)線共100個(gè)測(cè)點(diǎn)。以研究區(qū)西南角為起始點(diǎn)，即線號(hào)為100，點(diǎn)號(hào)為1。

4.2 電測(cè)深曲線特征

通過(guò)野外實(shí)測(cè)，將電測(cè)深曲線進(jìn)行了室內(nèi)整理并確定曲線類型，發(fā)現(xiàn)測(cè)區(qū)內(nèi)電測(cè)深視電阻率曲線較為復(fù)雜，但大多為表層曲線形態(tài)的變化，為表層地層電性不均勻影響，曲線從整體上呈四層地電模型曲線[13]。

從測(cè)深單點(diǎn)曲線圖(圖2)可以看出，該區(qū)為表層低阻，第二層相對(duì)高阻，第三層低阻，底層高阻的四層地電模型特征，電測(cè)深曲線類型為KH型[14]，曲線變化段中點(diǎn)分別出現(xiàn)在AB/2=15m，150m，1250m左右。從圖2上可以看出，曲線首支視電阻率反映的為地表不均勻電性層，在15m10Ω·m)[15]。整條曲線視電阻率最大不超過(guò)35Ω·m，均為新生代松散沉積地層電性特征反應(yīng)，勘探未達(dá)到基巖深度。

圖2 沙土集重點(diǎn)區(qū)100線20號(hào)點(diǎn)電測(cè)深曲線圖

4.3 電測(cè)深曲線反演

采用中國(guó)地調(diào)局物化探研究所開發(fā)的電法處理軟件電法工作站2.0對(duì)測(cè)深曲線資料進(jìn)行反演(圖3)，選取層狀介質(zhì)模型的反演結(jié)果(表2)來(lái)確定每層深度、厚度。對(duì)照反演結(jié)果表，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)特征和電性特征，該區(qū)分為四層：表層ρs = 13.02Ω·m，為第四紀(jì)含砂礫壤土層的反映；第二層 ρs =32.01Ω·m，為第四紀(jì)砂礫石層的反映；第三層ρs =3.56Ω·m，為第四紀(jì)黏土層的反映；第四層ρs =11.48Ω·m，為砂層與黏土互層，砂層為主的反映。

圖3 沙土集重點(diǎn)區(qū)300線18號(hào)點(diǎn)測(cè)深曲線層狀介質(zhì)反演圖

表2 沙土集重點(diǎn)區(qū)300線18號(hào)點(diǎn)層狀介質(zhì)反演結(jié)果

4.4 測(cè)深資料綜合解釋

從測(cè)深曲線類型圖(圖4)可以看出，區(qū)內(nèi)測(cè)深曲線類型大體相同，大多為四層KH型。且曲線特征點(diǎn)及分層拐點(diǎn)位置也大致一樣。從視電阻率斷面等值線圖(圖5)可以看出，地電斷面的四層結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為在AB/2<15m區(qū)間低阻，在15m1250m區(qū)間高阻的四層地電結(jié)構(gòu)，與以上所述一致。結(jié)合該區(qū)的地質(zhì)資料分析，該區(qū)內(nèi)第四系及新近系較厚，可達(dá)1000m，主要由黏土層、砂層及其互層組成。砂層賦存淡水，黏土層一般含水礦化度較高。因此，綜合區(qū)內(nèi)地質(zhì)及水文地質(zhì)資料，對(duì)測(cè)深曲線的細(xì)微變化進(jìn)行了精細(xì)的定性、定量綜合解釋[16-20]：在h<20m的低阻層為表層土壤的電性反應(yīng)，在20m250m，巖性為砂層與黏土互層，以砂層為主。因此，推測(cè)深層咸淡水分界面為h=250m。

圖4 沙土集重點(diǎn)區(qū)300線視電阻率曲線類型圖

圖5 沙土集重點(diǎn)區(qū)300線視電阻率斷面圖

圖6 牡丹沙土集重點(diǎn)區(qū)視電阻率測(cè)深A(yù)B/2=1250mρs等值線平面圖

根據(jù)牡丹區(qū)沙土集重點(diǎn)區(qū)視電阻率測(cè)深A(yù)B/2=1250m等值線平面圖(圖6)可以看出，在推斷的砂層平面分布上， 300號(hào)測(cè)線12號(hào)點(diǎn)附近深部砂層賦存情況較好，因此選取鉆孔孔位在300號(hào)線12號(hào)點(diǎn)附近。據(jù)后期ZK-1電測(cè)井資料及水文鉆孔揭露巖性資料顯示，鉆孔243.25m以上視電阻率曲線平滑且幅值較低，天然伽馬曲線幅值也低，巖性以黏土和砂質(zhì)黏土為主，其富水性較差。243.25m以下視電阻率曲線幅值較上部略高，砂層和砂質(zhì)黏土交替出現(xiàn)，砂層富水性好，與電測(cè)深推斷解釋結(jié)果吻合。后期經(jīng)與周圍機(jī)民井水質(zhì)對(duì)比,該鉆孔深層水所含氟化物及礦化度均有明顯下降，明顯改善了當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬎畻l件。

5 曹縣常樂(lè)集重點(diǎn)區(qū)

曹縣常樂(lè)集重點(diǎn)區(qū)位于聊考斷裂以東，魚臺(tái)斷裂以南，菏澤凸起區(qū)塊內(nèi)。區(qū)內(nèi)第四系及新近系厚度1000m左右。地貌屬于古河床決扇口邊緣地帶。巖性主要由黏土層、粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂及粉、細(xì)砂層組成，其中砂層為主要儲(chǔ)水層位。根據(jù)收集以往地下水水化學(xué)垂向分布特征資料顯示，該區(qū)為上淡—中咸—下淡的三元地下水分布結(jié)構(gòu)。

5.1 測(cè)線布置

曹縣常樂(lè)集地區(qū)位于聊考斷裂以東的古河床絕扇口和緩平坡地接觸帶附近。接觸帶走向近SN向。因此，布置測(cè)線方位角90°，線距500m，點(diǎn)距250m，線距500m，點(diǎn)距250m，共布設(shè)5條測(cè)線，每條測(cè)線測(cè)點(diǎn)數(shù)20個(gè)，測(cè)線長(zhǎng)4750m，5條測(cè)線共100個(gè)測(cè)點(diǎn)。以研究區(qū)西南角為起始點(diǎn)：即線號(hào)為100，點(diǎn)號(hào)為1。

5.2 電測(cè)深曲線特征

通過(guò)野外實(shí)測(cè)，將電測(cè)深曲線進(jìn)行了室內(nèi)整理并確定曲線類型，發(fā)現(xiàn)測(cè)區(qū)內(nèi)電測(cè)深視電阻率曲線較為復(fù)雜，但從整體上體呈五層地電模型曲線。從測(cè)深單點(diǎn)曲線圖來(lái)看，300線3號(hào)點(diǎn)(圖7)為五層KHK型曲線。但后者除了尾支(AB/2>1000m)視電阻率略有下降外，曲線整體形態(tài)，特征點(diǎn)，拐點(diǎn)位置與三層曲線類型圖一致，對(duì)于曲線淺部形態(tài)，因表層土壤電性不均勻引起視電阻率起伏差異而導(dǎo)致的曲線形態(tài)變化，因?qū)ι顚訋r層賦水性情況并無(wú)影響，在此不做討論。從曲線整體圖上看，去掉首尾支，地電斷面基本表現(xiàn)為三層結(jié)構(gòu)，因此，選取三層地電斷面對(duì)曲線做特征點(diǎn)劃分。曲線拐點(diǎn)分別出現(xiàn)在AB/2=40m，400m左右。在AB/2<40m區(qū)間，為表層高阻(10Ω·m<ρs<30Ω·m)；在40m400m區(qū)間，為底層高阻(10Ω·m <ρs<20Ω·m)。從整條曲線電阻率值大小可以看出，地層視電阻率最大不超過(guò)30Ω·m，均為第四系及新近系電性特征反應(yīng)，勘探未達(dá)到基巖深度。

圖7 常樂(lè)集重點(diǎn)區(qū)300線3號(hào)點(diǎn)電測(cè)深曲線圖

5.3 電測(cè)深曲線反演

該區(qū)視電阻率測(cè)深曲線表現(xiàn)為五層地電介質(zhì)模型，但根據(jù)前期收集附近鉆孔資料顯示，地電斷面實(shí)際模型大體可劃為七層結(jié)構(gòu)。因此，選取七層層狀介質(zhì)模型對(duì)測(cè)深曲線反演(圖8)。對(duì)照反演結(jié)果表，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)特征和電性特征，該區(qū)分為以下七層：表層ρs=10.62Ω·m，為第四系含砂礫壤土層的反映；第二層ρs =27.23Ω·m，為第四系砂礫石層的反映；第三層ρs=4.12Ω·m，為第四系黏土層的反映；第四層ρs=21.93Ω·m，為砂層與黏土互層，砂層為主的反映；第五層ρs=8.30Ω·m，為砂層與黏土互層，黏土層為主的反映；第六層ρs=20.04Ω·m，為砂層與黏土互層，砂層為主的反映；第七層ρs=7.19Ω·m，為黏土、砂質(zhì)黏土的反映。其中第四、五、六層均為砂層與黏土互層的反應(yīng)，也可以歸為一層，這與測(cè)深單點(diǎn)曲線的五層結(jié)構(gòu)是基本吻合的，區(qū)內(nèi)其他測(cè)深曲線大體和此測(cè)深曲線類型相似。

圖8 常樂(lè)集重點(diǎn)區(qū)300線3號(hào)點(diǎn)測(cè)深曲線層狀介質(zhì)反演圖

表3 常樂(lè)集重點(diǎn)區(qū)300線3號(hào)點(diǎn)層狀介質(zhì)反演結(jié)果

5.4 測(cè)深資料綜合解釋

從測(cè)深曲線類型圖(圖9)可以看出，區(qū)內(nèi)視電阻率測(cè)深曲線類型比較復(fù)雜，但曲線特征點(diǎn)及拐點(diǎn)位置卻基本一致。特別是對(duì)于中層低阻層和底層高阻層分界面基本一致，從視電阻率等值線斷面圖(圖10)上可以較好地看出此點(diǎn)。結(jié)合該區(qū)的地質(zhì)資料綜合分析，第四系及新近系較厚大于1000m，主要由黏土層、砂層及其互層組成。砂層賦存淡水，黏土層一般含水且礦化度較高。因此推斷：在h<5m的低阻層為表層土壤的電性反應(yīng)，在5m550m，巖性以黏土為主。因此，推測(cè)深層咸淡水大致分界面為h=300m。根據(jù)視電阻率測(cè)深A(yù)B/2=500m等值線平面圖(圖11)可以看出，在推斷的砂層平面分布上， 200號(hào)測(cè)線13號(hào)點(diǎn)附近深部砂層賦存情況較好，因此選取鉆孔孔位在200號(hào)線13號(hào)點(diǎn)附近。據(jù)后期ZK-5鉆孔電測(cè)井資料及水文鉆探揭露巖性資料顯示，該鉆孔揭露309.47m以上巖性以黏土和砂質(zhì)黏土為主，309.47m以下巖性砂層和砂質(zhì)黏土交替出現(xiàn)，砂層富水性較好，與電測(cè)深推斷結(jié)果吻合。

圖9 常樂(lè)集重點(diǎn)區(qū)300線視電阻率曲線類型圖

圖10 常樂(lè)集重點(diǎn)區(qū)300線視電阻率斷面圖

圖11 常樂(lè)集重點(diǎn)區(qū)視電阻率測(cè)深A(yù)B/2=500mρs等值線平面圖

6 結(jié)論

通過(guò)研究重點(diǎn)區(qū)內(nèi)深層黏土與砂土含水層視電阻率的細(xì)微變化，綜合地質(zhì)、水文地質(zhì)資料及物探成果在牡丹區(qū)沙土集及曹縣常樂(lè)集重點(diǎn)區(qū)分別施工了ZK-1及ZK-5兩個(gè)鉆孔，終孔深度分別為407m與405m，綜合單井涌水量分別為1209.33m3/d及1625.66m3/d，所出水質(zhì)相較周邊有明顯的改善，氟化物及礦化度含量均明顯降低。

雖然本次工作受到了一些因素的制約，但工作過(guò)程中，充分發(fā)揮了常規(guī)電測(cè)深法經(jīng)濟(jì)、高效的特點(diǎn)，還是較好的完成了在高氟、高礦化度地區(qū)尋找理想淡水資源的任務(wù)，也為今后在相似區(qū)域開展相關(guān)工作提供了基礎(chǔ)參考。