高密度電法在地下流體臺站勘選中的應(yīng)用

王彬，朱帥潤，許正霖，馬文來

(1.青海省地震局，青海 西寧 810001；2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059)

0 引 言

隨著1960年代我國地震預(yù)報的研究工作的陸續(xù)開展，地下流體也正式進入了地震預(yù)報的研究工作中，大量的地下流體動態(tài)觀測數(shù)據(jù)也應(yīng)用到了地震監(jiān)測預(yù)報中。為了解釋每一次地震前不同程度的流體前兆異常，需要產(chǎn)出穩(wěn)定且高效的地震地下流體數(shù)據(jù)(包括各項地下水、地下氣等測項)，尋找穩(wěn)定地下裂隙水對于各種地震地下流體觀測具有重要的價值[1]。地下水的開采利用和地球物理勘查息息相關(guān)，其中高密度電法是一項具有良好經(jīng)濟性、適用性的新型勘查方法。高密度電法探測地下水層的物理基礎(chǔ)在于，含水層或充泥則表現(xiàn)為低電阻率特征，如果是基巖則表現(xiàn)為高電阻率特征[2-3]。

采用數(shù)據(jù)來自西藏山南地區(qū)，山南地區(qū)地貌

類型以高原山地為主，位于岡底斯山至念青唐古拉山以南，雅魯藏布江干流中下游地區(qū)。工作區(qū)水量豐富的含水層主要沿雅魯藏布江及其一、二級支流下游分布，地下水賦存于這些河流漫灘及一級階地、沖洪積扇及冰水堆積扇中，含水層主要為上更新統(tǒng)至全新統(tǒng)沖積、沖洪積及冰水堆積物等，巖性以砂卵石、砂礫石、泥質(zhì)礫(卵)石和泥質(zhì)砂漂石為主，磨圓度和分選性較好，結(jié)構(gòu)松散，透水性較強。水量中等的含水層主要分布于大江大河寬谷一、二級湖積、沖湖積階地，三、四級沖洪、沖洪積階地(臺地)及較大型的扇體、扇裙等區(qū)域，含水層為湖積、沖湖積、沖積、沖洪積、冰磧和部水堆積物等，巖性為砂、細(xì)礫、砂礫、卵石等，組成多韻律層。

1 高密度電法基本原理

1.1 方法原理

巖(礦)石的地球物理性質(zhì)包括密度、重力、地磁、地電、放射性和彈性等，不同巖(礦)石具有不同的地球物理性質(zhì)，故由不同巖(礦)石組成的不同地層及地質(zhì)構(gòu)造其地球物理性質(zhì)就不同，因而不同物理儀器就可測量地層或地質(zhì)構(gòu)造的不同地球物理性質(zhì)，從而可以推斷地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點。

高密度電法是以地層巖性的電阻率差異為基礎(chǔ)。通過電極向地下供電，形成人工電場，并測量該電場。利用電場的分布與地下巖土介質(zhì)的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)電阻率公式求得地下不同位置介質(zhì)的視電阻率，獲得地下介質(zhì)視電阻率的分布規(guī)律，并根據(jù)該規(guī)律推斷解釋地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)[4-6]。高密度電阻率法是一種成本低、效率高、信息豐富、解釋方便的電法勘探新方法。與常規(guī)電法相比，高密度電法具有以下優(yōu)點：①電極布設(shè)一次性完成，減少了因電極設(shè)置引起的干擾和由此帶來的測量誤差。②能有效進行多種電極排列方式的測量，從而可以獲得較豐富的關(guān)于地電結(jié)構(gòu)狀態(tài)的信息。③數(shù)據(jù)的采集和收錄全部實現(xiàn)了自動化或半自動化，不僅采集速度快，而且避免了由于人工操作所出現(xiàn)的誤差和錯誤。④可以實現(xiàn)資料的現(xiàn)場實時處理和成果解釋，生產(chǎn)效率高[7-8]。

1.2 儀器設(shè)備

本次高密度電法勘探數(shù)據(jù)采集選用的儀器是桔燈公司最新研制的GD-10高密度電法測量系統(tǒng)。該儀器性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集速度快、精度高。

該設(shè)備主要特點及功能：

(1)準(zhǔn)確、高效：在保持良好重復(fù)性的前提下，測量一個斷面所需時間一般60分鐘。

(2)超大存儲：在高密度方式I(只存儲電阻率參數(shù))，可存儲不小于43 680次的測量值；在高密度方式II(存儲電阻率與電流參數(shù))，可存儲不小于21 840次的測量值。掉電亦不丟失[9]。

(3)接地檢查：在野外工作中，可隨時方便、快捷地檢查各電極接地是否良好[10]。

(4)電極排列：裝置類型多達18種且可擴展。既可按固定斷面(電極排列有AMNB、ABMN、AMBN、AMN、MNB、A-MN-B、自電M、自電MN、充電M、充電MN)掃描測量又可按變斷面連續(xù)滾動掃描測量(電極排列有A-M、A-MN、AB-M、AB-MN、MN-B、A-MN矩形、A-MN-B、跨孔偶極)，其中，連續(xù)滾動掃描測量可在電極總數(shù)不變的情況下允許測量斷面連接至任意長，便于長剖面追蹤,使用戶得以低成本、高時效解決實際問題[10]。

(5)所有電極排列測量斷面均可任意指定斷面起測電極號，方便、靈活。

圖1 高密度電法工作流程

1.3 資料整理與解釋

數(shù)據(jù)處理采用的是全球知名瑞典的反演軟件RES2DINV。數(shù)據(jù)處理主要包括視電阻率的預(yù)處理以及轉(zhuǎn)換深度剖面的反演處理。

1.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括：

(1)檢查測量的視電阻率值，對突變點和噪聲引起的畸變數(shù)據(jù)進行剔除；

(2)對多個測量斷面組成的剖面進行拼接；

(3)把各電極所對應(yīng)的平面坐標(biāo)添加到數(shù)據(jù)文件中；

(4)對于地形起伏較大的剖面，把高程坐標(biāo)添加到數(shù)據(jù)文件中，以備反演處理時進行地形校正處理。

1.3.2 反演處理

野外采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過反演計算，轉(zhuǎn)換為深度—電阻率的關(guān)系，以獲得地下地電斷面的特征。反演處理主要包括：根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料建立初始的二維地電模型、選擇反演參數(shù)(阻尼系數(shù)、迭代次數(shù)、收斂極限)等，然后采用最小二乘法進行反演計算，查看反演結(jié)果，最后進行地形校正，獲得最終的地下地電斷面，用于地質(zhì)解釋。

2 實際工作區(qū)的應(yīng)用

高密度電法勘探依據(jù)巖層對直流導(dǎo)電時電阻率的差異，地下地層由于成因環(huán)境不同，同時受構(gòu)造運動、不同巖性的影響，從而在縱向和橫向上產(chǎn)生視電阻率的變化[11]。此外，巖層視電阻率值不僅與地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、成份、成因有關(guān)，還與其巖石的顆粒大小，密度，地下水含量等因素有關(guān)。研究這些物性特征，可以推斷地下地層的巖性分布規(guī)律、含水特征，斷裂構(gòu)造等。

在斷面上，低電阻顯示，電阻率值過低，很可能為含水地層區(qū)。電阻率大小、梯度變化可判斷內(nèi)部充水或其它介質(zhì)情況。同時，視電阻率等值線密集帶或橫向斜率突變帶，異常呈圈閉說明在該處兩側(cè)存在不同地質(zhì)體，往往也是地下含水層發(fā)育區(qū)、不同電性地質(zhì)層的分界處或斷裂帶[11]。在資料分析中，判別異常區(qū)主要是根據(jù)電阻率值變化及電阻率等值線的形態(tài)等綜合因素考慮的。

表1 工作地球物理特征

2.1 剖面解釋成果

該區(qū)4條高密度電法測量結(jié)果表明，該區(qū)域表層呈低阻或高阻反映，下部則呈中高電阻率反映，且下部電阻率絕對值較高，電阻率特征縱向分層明顯，根據(jù)電阻率反演剖面推測表層覆蓋層表現(xiàn)為低阻，覆蓋層薄或覆蓋層含水的情況下，低阻帶深度淺，很快高電阻率出現(xiàn)，基巖為花崗巖、呈高電阻率反映。含水地層普遍存在于高阻地層之上，碎石砂泥之內(nèi)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查其電阻率特征，因富水或充填泥、礫多表現(xiàn)低阻圈閉。溶蝕、斷層裂隙發(fā)育也會降低電阻率，這為直接判斷有一定規(guī)模的含水地層造成一定影響。各測線地質(zhì)解釋如下。

2.1.1 W1測線

由W1剖面(圖2)可見，整個電阻率反演剖面圖縱向上呈現(xiàn)以視電阻率高低明顯的分層，表層大部分電阻率較高，推測為風(fēng)化基巖覆蓋層，右側(cè)800 m位置電阻率明顯轉(zhuǎn)為低值，推斷此處為覆蓋層含水，主要由地表補給造成。下部為砂卵石層，橫向上電阻率存在一定變化，表明該區(qū)存在一定的裂隙或斷層發(fā)育，低阻圈閉比較非常明顯，該區(qū)存在裂隙承壓含水地層。如圖2與圖3所示，兩種裝置的反演結(jié)果形態(tài)和反演地層深度大致差不多，均能反映地下含水低阻異常體，不過溫納裝置的測量時間遠低于斯倫貝謝爾裝置，因此溫納裝置有更高的效率[9]。

圖2 測線W1斯倫貝謝爾裝置的電阻率反演色譜

圖3 測線W1溫納裝置的電阻率反演色譜

2.1.2 W2測線

由W2剖面(圖4)可見，整個電阻率反演剖面圖縱向上呈現(xiàn)以視電阻率高低明顯的分層，表層電阻率較低，推測為風(fēng)化覆蓋層，下部為砂土與碎卵石土。橫向上電阻率存在一定變化，表明該區(qū)存在一定的裂隙或斷層發(fā)育。在里程150～300 m、深度20～60 m左右可見明顯的低阻區(qū)存在，上測為河流沼澤地，下側(cè)為高阻層，異常區(qū)電阻率約40～50 Ω·m，推測該區(qū)存在地下水，可能充填泥或砂礫，此處地下水可推斷為地表補給包含水層，接受外界補給，可揭穿隔水頂板作為水位及水溫點。

圖4 測線W2溫納裝置的電阻率反演色譜

2.1.3 W3測線

由W3剖面(圖5)可見，整個電阻率反演剖面圖縱向上呈現(xiàn)以視電阻率高低明顯的分層，表層電阻率較低，推測為風(fēng)化砂土覆蓋層，距離840～1 020 m表層高阻推測為中密卵石層，厚度約10～25 m，下部地層為砂土與碎卵石土。橫向上電阻率存在較為明顯變化，表明該區(qū)存在一定的裂隙或斷層發(fā)育，可能存在部分裂隙承壓水。在里程370～470 m、深度50～66 m左右可見明顯的低阻區(qū)存在，上測為河流沼澤地，下側(cè)為高阻層，存在有補給于地表的地下水，異常區(qū)電阻率約1～40 Ω·m，推測該區(qū)存在地下水，可能充填泥或砂礫。

圖5 測線W3溫納裝置的電阻率反演色譜

2.1.4 W4測線

由W4剖面(圖6)可見，整個電阻率反演剖面圖縱向和橫向上呈現(xiàn)以視電阻率高低明顯的分層，表層電阻率較低，推測為風(fēng)化砂土碎石覆蓋層，下部地層為砂土與碎卵石土。橫向上電阻率存在一定變化，表明該區(qū)存在一定的裂隙或斷層發(fā)育。在里程1 120～1 350 m、深度60～123 m左右可見明顯的低阻區(qū)存在，上側(cè)為農(nóng)耕河流階地，下側(cè)為高阻層，異常區(qū)電阻率約40～100 Ω·m，推測該區(qū)存在地下水，主要接受地表補給，可能充填泥或砂礫，動態(tài)比較穩(wěn)定，不易遭受污染。

圖6 測線W4溫納裝置的電阻率反演色譜

3 結(jié)論與展望

通過本次測線段內(nèi)的含水層情況，推測了其水層的位置及規(guī)模、分布，巖層內(nèi)裂隙發(fā)育情況，根據(jù)勘探成果發(fā)現(xiàn)了有一定地震前兆學(xué)科研究價值的地下水區(qū)域，對于地震前兆流體學(xué)科的發(fā)展貢獻了一定的價值。W1含水地層規(guī)模較小，巖層傾斜明顯，低阻區(qū)含有裂隙承壓水，W2含水地層規(guī)模較大，長約200 m、厚度約30～40 m，多為地表補給包含水層，接受外界補給。W3含水層規(guī)模較小、厚度約10～20 m，W2與W3為垂直向測線。W4含水地層規(guī)模較大，長度約230 m，厚度約60 m，顯示含水地層可能應(yīng)為地表補給的上層潛水，地表有河流經(jīng)過，地下巖石發(fā)育穩(wěn)定，地下水動態(tài)比較穩(wěn)定，不易遭受污染。推測結(jié)果表明，該區(qū)域存在一定的裂隙或斷層發(fā)育富含地下裂隙水且具有穩(wěn)定補給的地下潛水，可作為前兆水位點、水氡(汞)點等地下水、地下氣的利用價值較高。