聯(lián)合剖面法與激電測深法在山區(qū)找水中的應(yīng)用

金哲洙，曲鵬志，楊京勛，董博，張博華

吉林省第六地質(zhì)調(diào)查所，吉林 延吉 133001

0 引言

勘查區(qū)位于吉林省龍井市方位角90°方向，直距12 km處。地理坐標(biāo)為東經(jīng)：129°34′21″～129°34′52″，北緯：42°45′37″～42°46′10″。本次找水工作屬龍井市東盛涌鎮(zhèn)延?xùn)|村水文勘查的子項目，延?xùn)|村為東盛涌所轄行政村，屬建檔立卡貧困村，總面積30.53 km2，轄11個村民小組、7個自然屯，耕地面積942.84 hm2，以種植玉米、水稻為主?？辈閰^(qū)內(nèi)地下水資源有益礦物質(zhì)含量較高， 達(dá)到飲用礦泉水標(biāo)準(zhǔn)，為幫扶貧困村創(chuàng)業(yè)創(chuàng)收，吉林省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局下屬單位對該地區(qū)的地下水資源進(jìn)行了調(diào)研、勘查、鉆探等工作。

物探方法解決地下一定深度內(nèi)的地質(zhì)問題具有很大的優(yōu)勢，在淺地層找水工作中，先找構(gòu)造，再判斷是否富水是最常使用的工作思路；即通常先使用聯(lián)合剖面法尋找正交點(diǎn)、再使用激電測深法獲得激發(fā)極化參數(shù)，工作效果直觀可靠。

1 工程概況

勘查區(qū)坐落于延吉盆地南部，屬于海蘭江及其支流形成的山間河谷平原及輕微切割較平緩低山，海拔標(biāo)高290～370 m,相對高差80 m。是古生代末開始形成的地塹式斷陷盆地，由第四系、白堊系沉積的碎屑巖經(jīng)長期侵蝕、剝蝕形成的，山嶺和水系呈近北西向展布，兩側(cè)高中間低，“V”字形沖溝發(fā)育，丘陵呈渾圓狀，起伏較小，坡度緩和，坡角10°～15°，坡面多墾植為農(nóng)田。

勘查區(qū)內(nèi)地層有第四系、白堊系。主要巖性為第四系粉質(zhì)黏土(Q4)，白堊系大砬子組砂巖、粉砂巖(K1dl)等。物探8、9號測線方位角12°，10、11號測線方位角25°，均橫跨溝谷，聯(lián)合剖面法點(diǎn)距10 m，MN=20 m，AO=110 m；激電測深法采用溫納裝置，在模數(shù)為6.25 cm的對數(shù)紙上，取1.5 cm的長度為極距的數(shù)值且使其均勻分布。根據(jù)8線、9線、10線和11線的測量結(jié)果，進(jìn)行聯(lián)合剖面法與激電測深法數(shù)據(jù)的綜合分析及解譯。

圖1 勘查區(qū)地質(zhì)圖及物探測線布設(shè)Fig.1 Geological map and geophysical survey line layout in the exploration area1.第四系：粉質(zhì)黏土；2.白堊系下統(tǒng)大砬子組：紫紅色礫巖、砂巖夾粉砂巖、泥灰?guī)r；3.等高線；4.水系；5.鐵路；6.村宅；7.物探9號測線；8.推斷構(gòu)造。

2 聯(lián)合剖面法

視電阻率計算公式[1]為：

(1)

在聯(lián)合剖面法中，采用比值參數(shù)λ、G來描述曲線的變化情況[2][3]。

(2)

(3)

聯(lián)合剖面法測量結(jié)果如圖2所示。

2.1 8線聯(lián)合剖面

由比值參數(shù)λ曲線可知，1 000～1 024 m區(qū)間內(nèi)λ<1，950～1 000 m區(qū)間內(nèi)λ≥1，且表現(xiàn)為陡峰異常，985 m處λ出現(xiàn)最大值1.26；由比值參數(shù)G曲線可知，G=-0.26～0.42，957～994 m區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)陡峰異常，970 m處出現(xiàn)最大值0.42。

2.2 9線聯(lián)合剖面

由比值參數(shù)λ曲線可知，895～940 m區(qū)段兩側(cè)λ<1，895～940 m區(qū)間內(nèi)λ≥1，且表現(xiàn)為雙峰異常，925 m處λ出現(xiàn)最大值1.09；由比值參數(shù)G曲線可知，G=-0.10～0.20，920 m出現(xiàn)最小值-0.10，930 m處出現(xiàn)最大值0.20。

2.3 10線聯(lián)合剖面

由比值參數(shù)λ曲線可知，λ值整體上均大于1，1 085 m處λ出現(xiàn)最大值1.19；由比值參數(shù)G曲線可知，G=-0.12～0.39，1 130 m出現(xiàn)最小值-0.12，1 150 m處出現(xiàn)最大值0.39。

圖2 聯(lián)剖視電阻率曲線圖、比值參數(shù)λ曲線圖、比值參數(shù)G曲線圖Fig.2 The graph of AMN-MNB measurement, λ of ratio value, G of ratio value

2.4 11線聯(lián)合剖面

由比值參數(shù)λ曲線可知，998～1 047 m區(qū)段兩側(cè)λ<1，998～1 047 m區(qū)間內(nèi)λ≥1，且表現(xiàn)為雙峰異常，1 005 m處λ出現(xiàn)最大值1.14；由比值參數(shù)G曲線可知，G=-0.16～0.16，990 m出現(xiàn)最小值-0.16，1 000 m處出現(xiàn)最大值0.16。

推斷F1-1、F1-2為構(gòu)造F1，F(xiàn)2-1、F2-2為構(gòu)造F2，見圖1；為進(jìn)一步驗證聯(lián)合剖面結(jié)果，于F1-1、F1-2、F2-1、F2-2處進(jìn)行了激電測深工作。

3 激電測深法

采用激電測深法對地層的富水性進(jìn)行探測，獲取電性參數(shù)為視電阻率ρs、視極化率ηs、半衰時St、偏離度r。

在工作當(dāng)中，采用二次場電位差除以總場電位差來表示視極化率，計算公式為：

(4)

極化二次場由斷電后的最大值衰減到某一百分值時所需要的時間為衰減時S，而將衰減到一半所需要的時間稱之為半衰時St。在找水工作中，經(jīng)常使用半衰時這個參數(shù)[5]，是因為地層富水性越好，二次場的衰減時間越長，半衰時就越大。

偏離度r是指實(shí)測放電曲線與“理想”直線方程的擬合誤差[6]，使用均方相對誤差公式進(jìn)行計算：

(5)

當(dāng)?shù)貙拥母凰暂^好時，偏離度就較小，且偏離度曲線和視極化率曲線之間呈現(xiàn)一種近似鏡像的關(guān)系[7]。

激電測深采用溫納裝置，取用AB/2為1.2 m、3 m、6 m、9 m、15 m、21 m、30 m、45 m、66 m、90 m、120 m和180 m。激電測深各參數(shù)曲線如圖3所示。

3.1 8線激電測深

視電阻率ρs曲線呈2層G型曲線，在測量深度區(qū)間,ρs=10.7～22.7 Ω·m。當(dāng)AB/2<9 m時，曲線呈上升趨勢，ρs<21.4 Ω·m；當(dāng)AB/2=9～180 m時，曲線整體較平穩(wěn)，ρs=18.4～22.7 Ω·m。

視極化率ηs曲線在AB/2<30 m時整體較平穩(wěn)，ηs=1.26～1.55%；AB/2=30～180 m時，ηs呈逐漸上升趨勢，上升段直線斜率約為30°，AB/2=180 m處為最大值，ηs=2.73%。

半衰時St曲線在AB/2<90 m時呈逐漸上升趨勢，在AB/2=90 m時達(dá)到極大值2 870 ms；當(dāng)AB/2=90～180 m時，半衰時呈急劇下降后又上升趨勢，在AB/2=120 m時達(dá)到極小值2 180 ms，在AB/2=180 m時達(dá)到測量深度內(nèi)最大值2 970 ms。

偏離度r曲線在AB/2<21 m時整體呈下降趨勢，在AB/2=21～180 m時呈跳躍形態(tài)，極值點(diǎn)也較多，這是因為偏離度在計算過程中使用了放電曲線中的所有取樣點(diǎn)，抗干擾能力也較高[8]，在AB/2=120 m時出現(xiàn)最小值1.43%，在AB/2=90 m時呈現(xiàn)的低偏離度高半衰時特征表明該深度處地層具有一定的含水性。

3.2 9線激電測深

視電阻率ρs曲線呈3層K型曲線，在測量深度區(qū)間,ρs=17.5～27.6 Ω·m。當(dāng)AB/2<6 m時，曲線呈上升趨勢，ρs<27.6 Ω·m；當(dāng)AB/2=6～180 m時，ρs=17.5～27.6 Ω·m，深部的低視電阻率值表明具有較好的富水特征。

視極化率ηs曲線在AB/2<21 m時整體較平穩(wěn)，ηs=1.19%～1.35%；當(dāng)AB/2=21～45 m時，視極化率值呈下降趨勢，該范圍極小值也是整個測量范圍的最小值在AB/2=45 m處，ηs=1.14%；當(dāng)AB/2=45～180 m時， 視極化率值呈現(xiàn)先陡增后降低的趨勢，陡增段直線斜率約為45°，該范圍極大值也是整個測量深度內(nèi)的最大值在AB/2=120 m處，ηs=3.12%，對應(yīng)的視電阻率呈降低趨勢，這種低電阻高極化特征對找水工作較為有利。

圖3 激電測深曲線圖Fig.3 The graph of IP sounding

半衰時St曲線在AB/2<21 m時呈逐漸上升趨勢，在AB/2=21 m時達(dá)到該范圍極值1 620 ms；AB/2=21～45 m時，半衰時呈現(xiàn)下降趨勢，該范圍極小值對應(yīng)極化率的極小值在AB/2=45 m處，St=1 420 ms；當(dāng)AB/2=45～180 m時，半衰時呈現(xiàn)先增大后減小又增大的突變特征，該范圍極大值也是整個測量深度內(nèi)的最大值在AB/2=90 m處，St=4 520 ms，表明對應(yīng)深度處的富水特征明顯。

偏離度r曲線在AB/2<15 m時呈下降趨勢，在AB/2=15～180 m時呈跳躍形態(tài)，深部AB/2=66 m和AB/2=90 m處同時出現(xiàn)兩個連續(xù)的極小值；偏離度r曲線不僅和視極化率ηs曲線在整體上呈現(xiàn)某種同步的升降趨勢，在本次工作中，其形態(tài)特征和半衰時St曲線呈現(xiàn)出幾乎完全對稱的鏡像關(guān)系。最小值在AB/2=90 m處，r=0.41%，該點(diǎn)“幾乎”處在了“理想”直線上；且該點(diǎn)對應(yīng)St最大值，St=4 520 ms，說明該深度處富水性非常好。

3.3 10線激電測深

視電阻率ρs曲線呈2層G型曲線，在測量深度區(qū)間,ρs=8.45～21.1 Ω·m。當(dāng)AB/2<6 m時，曲線呈逐漸上升趨勢，ρs<17.1 Ω·m；當(dāng)AB/2=6～180 m時，曲線整體較平穩(wěn)，ρs=17.1～21.1 Ω·m。

視極化率ηs曲線在AB/2<6 m時呈整體較平穩(wěn)，ηs=0.52%～0.6%；AB/2=6～180 m時，ηs呈逐漸上升趨勢，上升段直線斜率約為30°，AB/2=180 m處為最大值，ηs=2.24%。

半衰時St曲線在AB/2<120 m時整體呈逐漸上升趨勢，在AB/2=120 m時達(dá)到極大值也是測量深度內(nèi)的最大值2 120 ms；當(dāng)AB/2=120～180 m時，半衰時呈下降趨勢。

偏離度r曲線整體呈下降趨勢，在AB/2=45 m時出現(xiàn)極大值4.51%，在AB/2=90 m時出現(xiàn)極小值也是測量深度內(nèi)的最小值1.28%，在AB/2=90～120 m區(qū)間呈現(xiàn)的低偏離度高半衰時特征表明該深度處地層具一定的含水性。

3.4 11線激電測深

視電阻率ρs曲線呈2層G型曲線，在測量深度區(qū)間,ρs=9.51～20.8 Ω·m。當(dāng)AB/2<9 m時，曲線呈上升趨勢，ρs<20.7 Ω·m；當(dāng)AB/2=9～180 m時，曲線整體較平穩(wěn)，ρs=17.1～20.8 Ω·m。

視極化率ηs曲線在AB/2<30 m時變化幅值不大，ηs=1.2～1.64%；AB/2=30～180 m時，ηs呈先降低又上升后急劇下降的趨勢，AB/2=120 m處為最大值，ηs=2.49%。

半衰時St曲線在AB/2<30 m時呈整體上升趨勢，在AB/2=30～180 m時呈跳躍形態(tài)，極值點(diǎn)也較多，在AB/2=120 m時，達(dá)到最大值2 930 ms。

偏離度r曲線在AB/2<30 m時整體呈下降趨勢，在AB/2=30～180 m時呈跳躍形態(tài)，極值點(diǎn)也較多，并與半衰時St曲線呈鏡像對稱關(guān)系，表明該范圍地層之間呈韻律分布，或分布多條富水構(gòu)造；在AB/2=120 m時出現(xiàn)最小值1.6%，該深度對應(yīng)半衰時的最大值St=2 930 ms，表明該深度處地層具有一定的含水性。

4 綜合解譯與驗證

根據(jù)聯(lián)剖視電阻率曲線可知，8線和10線ρs曲線的梯度較陡，表明平面電性多變化且不連續(xù)；而9線和11線ρs曲線的梯度較緩，表明平面電性變化較小且較均勻。

綜合四處測深曲線，8線F1-1、11線F2-2的St、r曲線呈跳躍形態(tài)，極值點(diǎn)也較多，表明豎直方向上電性多變化且不連續(xù)；9線F1-2、10線F2-1的St、r曲線相對來說跳躍程度較少，極值點(diǎn)也較少，表明豎直方向上電性相對來說變化較少。

9線F1-2的AB/2=90 m附近呈現(xiàn)出低電阻高極化、高半衰時低偏離度的激發(fā)極化特征，半衰時達(dá)到勘查區(qū)內(nèi)的最大值St=4 520 ms，偏離度達(dá)到勘查區(qū)內(nèi)的最小值r=0.41%，且高半衰時低偏離度的幅值區(qū)也較寬，推斷為富水層位，富水條件非常好；半衰時和偏離度在AB/2=90 m后呈現(xiàn)的同步突變的增減對稱關(guān)系，推斷是由于下方還存在一個富水層所致。

根據(jù)地區(qū)工作經(jīng)驗，推斷激電測深法經(jīng)驗深度Hs=AB/4～AB/6，富水層位在30～45 m深度區(qū)間，建議鉆探深度不低于45 m，視情況而定是否繼續(xù)驗證第二個富水層位。

根據(jù)物探結(jié)果，鉆探點(diǎn)位布置于9線925 m處，設(shè)計孔深60 m，鉆探至35 m時，遇含水層位，涌水量Q=192 m3/d。

5 結(jié)論

本次找水工作中，9線F1-2在平面和豎直方向上電性相對來說變化不多，且正交點(diǎn)附近比值參數(shù)λ、G同時出現(xiàn)明顯的峰值異常；激電測深呈現(xiàn)出低電阻高極化、高半衰時低偏離度的激發(fā)極化特征，且高半衰時低偏離度的幅值區(qū)也較寬，曲線形態(tài)富水特征明顯，層位劃分明確，鉆探有效驗證了推斷解譯。

地層電性的變化和不均勻，會造成比值參數(shù)和激電測深的極值點(diǎn)較多，對確定富水性和解譯會造成一定的干擾。

綜合使用聯(lián)合剖面法與激電測深法進(jìn)行找水工作，合理推斷解譯，能準(zhǔn)確確定構(gòu)造位置、富水層位及其富水性。

致謝文中的鉆探外業(yè)工作由吉林省第六地質(zhì)探礦大隊組織實(shí)施，作者在此表示衷心感謝！