鄂爾多斯白堊系盆地礦區(qū)地下水地球物理勘查特點(diǎn)和技術(shù)

劉亮光

（江西省地質(zhì)局九0二大隊(duì)，江西 新余 338000）

盆地是我國(guó)西北地區(qū)重要的能源基地，地下水資源十分豐富。但是流域氣候干旱，降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，地表水資源匱乏，地下水已成為工農(nóng)業(yè)的主要水源。根據(jù)鄂爾多斯和白堊系盆地地下水勘探的特點(diǎn)，指出了鄂爾多斯白堊系盆地其中的合理性和水質(zhì)判別中的關(guān)鍵問(wèn)題，認(rèn)為 Eh-4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)是鄂爾多斯白堊系盆地地下水勘探的合理有效系統(tǒng)[1]。

1 鄂爾多斯白堊系盆地概述

鄂爾多斯白堊系盆地位于鄂爾多斯盆地位處于中西部，是一個(gè)跨陜 、甘 、寧 、蒙四省(區(qū) )的大型地下水盆地。它位于我國(guó)西部干旱半干旱地區(qū)，南部為黃土覆蓋，北部為沙漠覆蓋。近東西延伸，南北兩地的沉積環(huán)境、巖性構(gòu)造、巖相古地理有明顯差異，使兩地區(qū)地下水具有明顯的區(qū)域變異特征。根據(jù)地下水循環(huán)的深度，盆地北部可分為淺層含水層系統(tǒng)、中層含水層系統(tǒng)和深層含水層系統(tǒng)。 其水文地質(zhì)特征為： 白堊系志丹群碎屑巖是一個(gè)連續(xù)的非均質(zhì)含水雜巖體，屬于裂隙-孔隙雙重介質(zhì)。膠結(jié)和孔隙度差的砂巖孔隙度大，裂縫發(fā)育，是儲(chǔ)水和導(dǎo)水的良好介質(zhì)。膠結(jié)性好、硬度高的砂巖孔隙度小，裂縫發(fā)育，富水性差。巖相空間變化復(fù)雜，水質(zhì)水量具有復(fù)雜變化和高原自流盆地特征。構(gòu)成相對(duì)的防水、邊界。地下水主要由大氣提供，承壓水主要由上游地下水和地下水徑流提供。

2 地下水系統(tǒng)概念

地下水系統(tǒng)是我國(guó)現(xiàn)如今水文地質(zhì)學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。到目前為止，對(duì)“地下水系統(tǒng)”的概念我國(guó)暫時(shí)還沒(méi)有明確的定義和統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。原來(lái)地球、水、系統(tǒng)如同在時(shí)間和空間中，四維自然界，能量不斷，有機(jī)整體新陳代謝。任何復(fù)雜系統(tǒng)都可以概括為三個(gè)方面： 系統(tǒng)的構(gòu)成、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、角色的塑造、系統(tǒng)與周圍媒介的相互作用，以及系統(tǒng)中各要素之間的關(guān)系、系統(tǒng)、角色、性質(zhì)和發(fā)展，以及發(fā)展的歷史。因此，提出了與地下水系統(tǒng)概念相似的“水文地質(zhì)系統(tǒng)”概念。句子太長(zhǎng)，請(qǐng)用較短的句子，包括含水層、含水層及其組合； 主含水層空隙的性質(zhì)； 主含水層的巖性； 主含水層的儲(chǔ)量、水和水的傳導(dǎo)性； 主含水層； 主含水層； 補(bǔ)充和建立條件。

中國(guó)科學(xué)院的資深博士陳孟雄教授對(duì)于地下水體系與地下水系統(tǒng)的定義做出了比較全面的總結(jié)，并給出了對(duì)含水層體系與地下水系統(tǒng)的具體定義以及區(qū)分。地下水系統(tǒng)是一種復(fù)雜的體系，受不同自然環(huán)境和人為因素的制約，存在著各種程度的相互交叉聯(lián)系和作用，有著四維空間和時(shí)間分布、屬性和獨(dú)立單元，并有著自身的特征和不斷發(fā)展的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)有如下特點(diǎn)[2,3]：

（1）地下水系統(tǒng)由多個(gè)相互獨(dú)立、相互關(guān)聯(lián)、相互影響的子系統(tǒng)或子系統(tǒng)組成。

（2）地下水系統(tǒng)是一個(gè)水文系統(tǒng)的組成部分，降水與地表水系統(tǒng)的存在密切相關(guān)，受地表水輸入輸出系統(tǒng)的控制。

（3）每個(gè)地表、地下水和系統(tǒng)都有其慣有的特點(diǎn)，包括自己的含水層系統(tǒng)、水循環(huán)、水動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)、水化學(xué)和系統(tǒng)。

（4）地下水系統(tǒng)的時(shí)空分布和演化是受人類活動(dòng)的控制。

（5）含水層，系統(tǒng)和地下水系統(tǒng)代表兩個(gè)不同的概念，前者有固定的邊界，后者有自由變化的邊界。

其中，最全面的是陳孟雄院士的地下水系統(tǒng)概念及其特點(diǎn)，最詳細(xì)、最具體的是提出的地下水系統(tǒng)、研究?jī)?nèi)容和方法，無(wú)論在理論上還是在實(shí)踐中，都具有很好的指導(dǎo)、指導(dǎo)意義。必須指出，由于研究對(duì)象所處的水、文化、土地和質(zhì)量條件的差異，在分析某一特定地下或地下含水體的地下水系統(tǒng)時(shí)，還必須靈活運(yùn)用，根據(jù)研究?jī)?nèi)容著眼于需要解決的主要問(wèn)題，牢記地下水系統(tǒng)的科學(xué)性和實(shí)際應(yīng)用。

3 不同的物探方法

3.1 對(duì)于松散沉積空隙地下水的勘探

3.1.1 粗粒較厚含水層電阻率測(cè)深法的應(yīng)用

在松散地層中，含水層的分布一般為水平層，由于不同土層的電阻率不同，因此在電法勘探方法的選擇中常采用電阻率法（如圖1）。當(dāng)含水層厚度相對(duì)埋深較大時(shí)，電性層相對(duì)簡(jiǎn)單，可以取得較好的勘探效果。一般來(lái)說(shuō)，在野外作業(yè)過(guò)程中應(yīng)考慮含水層的厚度和含水層的高程，在布線過(guò)程中可采用交叉布線法。交叉布線法是根據(jù)不同的地質(zhì)條件，沿地層變化較大的方向布置測(cè)線和測(cè)深點(diǎn)，選擇一個(gè)含水層較厚、埋深較深的合適點(diǎn)。根據(jù)與原直線垂直的直線上各點(diǎn)的曲線變化，選擇最佳位置。

圖1 實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)物探過(guò)程

3.1.2 細(xì)粒較薄含水層綜合電法的配合使用

在含水層結(jié)構(gòu)壁較薄的地方，如沖積扇、洪積扇以及河流邊緣，土壤顆粒通常較小，含水層多聚集于水泥層或過(guò)篩細(xì)土層，但由于細(xì)粒土的電阻率與非含水層結(jié)構(gòu)的電阻率很接近，因此電阻率法并不明顯區(qū)分出土壤是否屬于含水層結(jié)構(gòu)，在電阻率測(cè)定的曲線上電阻率變化也不明顯。所以，電阻率法并不是單純用來(lái)測(cè)量這些區(qū)域的含水量，而且還可能需要進(jìn)行其他電法勘探方法如電阻率法等方式的檢驗(yàn)。

3.2 對(duì)于基巖裂隙地下水的勘探

由于基巖中含水層的電阻率與周圍基巖的電阻率之間有較大的差異，所以在測(cè)量方法的選用上可采用電測(cè)剖面法，從而取得了較好的勘探效益。在野外使用這種方法時(shí)，就很有必要地對(duì)環(huán)境進(jìn)行了全面調(diào)查，以確保光電法的使用不受到周圍天然電廠的影響。如果在檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生了特殊情況的，就必須通過(guò)聯(lián)合斷面法加以檢驗(yàn)。一旦利用節(jié)理剖面法所測(cè)得的曲線上存在一低阻正交點(diǎn)，并且自然電場(chǎng)和曲線的最低點(diǎn)相吻合時(shí)，就能夠確認(rèn)了結(jié)構(gòu)的存在，進(jìn)而利用綜合剖面法和激電探測(cè)法測(cè)定了結(jié)構(gòu)的具體條件，這樣測(cè)量人員就能夠判斷周圍地下水的情況。

4 物探方法的選擇

根據(jù)白堊系盆地地下水勘探的特點(diǎn)，提出了電法(包括電阻率法、激發(fā)極化法)和地震法。

根據(jù)白堊系盆地地質(zhì)地球物理模型，彈性波勘探與電法勘探相結(jié)合是解決白堊系盆地巖性及水質(zhì)變化特征的最佳組合。但是，由于地震勘探成本高，一般較少在工作區(qū)域使用。因此，從解決問(wèn)題的能力和地區(qū)特色入手，是一種更為合理、經(jīng)濟(jì)的方法。盆地內(nèi)存在明顯的水質(zhì)問(wèn)題，可間接反映地下水的礦化程度。物理參數(shù)只是電阻率，中間水是唯一的途徑。因此，電阻率法的應(yīng)用是首選的。電法勘探是地球物理最基本的方法之一。方法： 直流法、電阻率法、激發(fā)極化法、極化法和交流電電阻率法。對(duì)于鄂爾多斯、白堊系、系列盆地、 ac 法、電阻率法等最適合地下水研究的方法，包括頻域法、電阻率法、時(shí)域法、電阻率法2種類型。在頻域上，電阻率法具有探測(cè)深度大、效率高、分辨率高的特點(diǎn)。

Eh-4電阻率成像系統(tǒng)是頻域電阻率法新技術(shù)的產(chǎn)物，是由美國(guó)GEOMETRICS和 EMI公司聯(lián)合生產(chǎn)的。Eh4導(dǎo)電成像系統(tǒng)是幾何和電磁干擾的結(jié)合產(chǎn)物。這個(gè)系統(tǒng)是受控源和自然源的結(jié)合。在電磁測(cè)深中，系統(tǒng)的基本參數(shù)是時(shí)域正交電場(chǎng)分量和頻率視電阻率。由于勘探深度不同，系統(tǒng)的配置也不同，勘探深度的基本配置，為數(shù)十至1000多米，低頻配置的勘探深度為3000多米。在地下水勘探中，地表主要用于劃分地層巖性，確定含水體的深度和厚度，查明構(gòu)造規(guī)模、性質(zhì)、產(chǎn)狀和裂隙發(fā)育程度等。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，它充分利用了頻域、電阻率分辨率、高速、光照、探測(cè)、大深度等特點(diǎn)，是法國(guó)電磁學(xué)的最新技術(shù)。

該盆地存在明顯的水質(zhì)問(wèn)題，可以間接反映地下水的礦化程度，物理參數(shù)只是電阻率值，利用地層電阻率與巖性、孔隙度和溫度的關(guān)系找到地層中的產(chǎn)狀，中間水是唯一的方法。因此，電阻率法的應(yīng)用是首選方案。

5 勘察效果

5.1 白堊系地層分布特征

白堊系、地層、地下水、屬于碎屑巖的砂巖、碎屑孔隙、孔隙水及其主要含水層。由于顆粒、膠結(jié)物、成分、膠結(jié)程度和水質(zhì)的變化，地層和電阻率都會(huì)發(fā)生變化。因此，地層劃分的目的可以通過(guò)地表測(cè)量地下地層的電性變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般含水砂巖，電阻率高，具有電阻率高的特點(diǎn)，其絕對(duì)值、大小，反映了巖性和水質(zhì)特征。而泥巖、砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)砂巖的電阻率較低。當(dāng)視電阻率在上部時(shí)，局部電阻率不均勻，其分布特征反映了其特殊地理環(huán)境和環(huán)境變化產(chǎn)生的特征。

5.2 水質(zhì)變化特征

在所有物理參數(shù)中，只有電阻率與地下水水質(zhì)關(guān)系最密切。因此，如何定量、準(zhǔn)確地獲取地層、電阻率和地層水溶液電阻率、電阻率，是水質(zhì)評(píng)價(jià)的重要任務(wù)。在水質(zhì)評(píng)價(jià)中，首先要分析其形成的原因，其中的主要因素，并進(jìn)行必要的分析。根據(jù)白堊系地層特征，孔隙度、孔隙度和孔隙度是主要的影響因素。根據(jù)阿爾奇公式： 地層水、溶液電阻率、地層電阻率和孔隙度之間的關(guān)系。根據(jù)地層水溫度、礦化度和電阻率之間的關(guān)系，綜合考慮了地層溫度和水化學(xué)類型等因素，按照 alch 公式計(jì)算地層水溶液的電阻率。

5.3 白堊系盆地地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)實(shí)例

Eh-4電導(dǎo)率成像，系統(tǒng)頻率高，點(diǎn)豐富，分辨率高，勘探深度大，對(duì)鄂爾多斯白堊系盆地地下水勘探工作是可行和有效的。可以清楚地反映白堊紀(jì)地層和構(gòu)造的變化。利用 Eh-4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行電阻率值判別，具有很高的可靠性，是對(duì)其鄂爾多斯白堊系系統(tǒng)盆地地下水水質(zhì)判別的關(guān)鍵。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，可以看出不同的地下水調(diào)查方法各有特點(diǎn)，也有優(yōu)缺點(diǎn)，在選擇調(diào)查方法時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，如含水層的性質(zhì)和具體分布，科學(xué)合理地確定電法勘探方法，以不斷提高電法勘探的效率，取得良好的勘探效果。