高密度電法不同裝置在第四系沉積盆地找水有效性對比研究

丁廉超，李新斌，趙 浩，田 輝，韓朝輝，王郅睿，趙立磊，朱一龍，趙 超，龔文強

(中國地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，陜西 西安 710100)

近年來，高密度電法由于自身在水工環(huán)等地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域的優(yōu)勢得到了廣泛應用，利用其探測技術(shù)找水具有工作效率高、信息量大、工作成本低和測量簡便等優(yōu)點，但由于其工作裝置種類多，開工前需要在了解相關(guān)場地環(huán)境和探測精度與深度的前提下結(jié)合各種跑極方式的特點來選取最合適的裝置類型。本文主要結(jié)合調(diào)查區(qū)鉆孔資料揭露的地層情況，分析比較溫納、偶極、施倫貝謝爾這3種常用裝置在第四系沉積盆地找水應用的反演結(jié)果和鉆孔剖面解釋的吻合度，從而評價裝置的有效性。

1 高密度電阻率法概述

1.1 基本原理

高密度電法是在傳統(tǒng)的電阻率法基礎(chǔ)上，采用一次陣列布極方式，利用程控多路轉(zhuǎn)換器和微機電位儀組合方式，實現(xiàn)不同裝置類型和不同極距的視電阻率測量，是集測深和剖面法于一體的一種多裝置、多極距的電阻率層析成像法，可以有效反映覆蓋層的厚度以及巖體分布情況，達到斷面或立體勘查的目的。還可以實現(xiàn)多參數(shù)測量，同時觀測電阻率、極化率和自然電位，獲取地下豐富的地電參數(shù)，從不同電性角度對地下結(jié)構(gòu)進行刻畫。

所不同的是在觀測中設(shè)置了高密度的觀測點，工作裝置組合實現(xiàn)了密點距陳列布設(shè)電極，是一種陣列勘探方法，野外測量時只需將全部電極(幾十至上百根)置于測點上，然后利用儀器便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動采集，增加了空間供電和采樣的密度，能有效地進行多種電極排列方式的測量，從而可以獲取較豐富的關(guān)于地電結(jié)構(gòu)狀態(tài)的地質(zhì)信息，提高了縱橫向分辨能力和工作效率。

1.2 方法特點

獲取信息量大，信息分布密度大，且地質(zhì)信息比較多；一次布極可獲取多裝置和多極距的視電阻率，減少了因電極設(shè)置引起的干擾和由此帶來的測量誤差；觀測精度比較高，工作效率高，能實現(xiàn)自動測量和反演解釋。

1.3 裝置類型

電法勘探中將一定的電極排列方式稱為一種裝置，主要有二極、三極和四極等裝置類型，高密度電法以此為基礎(chǔ)，演變成十幾種裝置類型，各種裝置在探測深度、垂向和橫向分辨率、斷面數(shù)據(jù)的覆蓋范圍以及信息強度等都是不同的。因四極裝置受地形影響較小，而且不需要放置無窮遠電極，可以減少供電電壓，有利于壓制干擾，增強有效信號。本文主要介紹溫納、偶極和施倫貝謝爾裝置。

溫納裝置(α裝置)：測量時，AM=MN=NB=na(n為剖面層數(shù)，a為電極間距)，AM、MN、NB逐點增大一個電極間距，得到第一條斜測深曲線，接著A、B、M、N同時向右移動一個電極，得到另一條測深線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面，裝置符號為AMNB；

偶極裝置(β裝置)：測量時，AB=BM=MN=na(n為剖面層數(shù)，a為電極間距)，AB、BM、MN逐漸增大一個電極間距，得到第一條斜測深曲線，接著A、B、M、N同時向右移動一個電極，得到另一條測深線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面，裝置符號為ABMN；

施倫貝謝爾裝置(剖面)：測量時，AM=NB為一個電極間距，AB、MN逐漸增大一個電極間距，得到第一條斜測深曲線，接著A、B、M、N同時向右移動一個電極，得到另一條測深線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面，裝置符號為AMNB。該裝置包括常規(guī)施倫貝謝爾裝置和溫施裝置，施倫貝謝爾裝置MN是固定不變的，溫施裝置的MN按隔離系數(shù)等比例增加。

2 調(diào)查區(qū)水文地質(zhì)基本特征

漢中盆地受第四系沉積環(huán)境的影響，東仰西俯造成盆地沉積地層東薄西厚，盆地以漢江為主導，地形均微向漢江傾斜，第四系松散巖層的孔隙為地下水的儲存創(chuàng)造了良好的空間，松散巖層的巖性、厚度大小、堆積結(jié)構(gòu)及膠結(jié)物等不同造成富水性差異也不同。該區(qū)域第四系沉積物以沖積、沖湖積成因類型為主，主要巖性有粘土、砂質(zhì)粘土、粉土、中細粒砂、卵石、粉砂、中粗砂等。沉積物顆粒由西向東逐漸變小，盆地上部含水層以卵礫石、砂礫石為主，中部以砂礫石、粗砂為主，下部以細砂、粉砂為主，含水層類型分為潛水、承壓水兩種類型。根據(jù)前人工作所獲取的物性資料可知，調(diào)查區(qū)粘土、卵石、粉土、粉砂因含水性不同，電阻率也存在明顯差異，具備開展高密度電法工作的地球物理前提。卵石電阻率值較高，與砂層具有顯著差異，粉砂具有相對較高的電阻率值，粉土、細砂具有相對較低的電阻率值，中砂、粗砂、粘土電阻率值相對較低。

盆地內(nèi)第四系潛水廣泛分布，含水層主要為全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)沖洪積和中下更新統(tǒng)沖湖積砂卵(礫)石組成，厚度約55～75 m。漢江漫灘及一、二級階地中夾有1-5層粘性土。漢江支流水系沿岸主要由中細、中粗砂等組成，從盆地邊緣至中部富水性不斷增強，水位埋深逐漸變小。高漫灘及一級階地為強富水地段，上覆蓋層為粉砂質(zhì)粘土或砂層，易接受降水滲入補給；二級階地屬于中等富水地段；三級階地及山前坡地洪積平原，地下水一般不易直接接受降水滲入補給，而以接受山區(qū)地下側(cè)向徑流及溝谷內(nèi)地表水的補給為主。潛水埋深：高漫灘為3～6 m；一級階地為7～13 m；二級階地為14～20 m；三級以上階地為20～35 m。

該區(qū)域第四系含水巖層(組)集中分布于150 m深度以內(nèi)，潛水含水層一般埋深65～80 m深度以上，隔水層厚度一般5 m，以下為承壓水層，200 m深度承壓水含水巖層減少并呈薄層分布。

3 數(shù)據(jù)處理與對比分析

3.1 測線布置

為研究高密度電法不同裝置在第四系找水的有效性，采用以上三種裝置對漢中盆地同一過已知鉆孔(地層巖性特征和電阻率異常表現(xiàn)形式如表1所示)的地質(zhì)剖面進行試驗，電極系統(tǒng)布設(shè)和供電條件相同，點距5 m，電極數(shù)為100，層數(shù)30，電極排列為分布式。該測線位于漢中市勉縣溫泉鎮(zhèn)漢江南岸高漫灘至一級階地，已知鉆孔位于測線288 m處，覆蓋層為第四系松散堆積物，布線區(qū)地勢平坦，地形起伏微弱，數(shù)據(jù)處理時無需進行地形校正。

表1 鉆孔地層巖性特征

3.2 數(shù)據(jù)處理

按照溫納(α裝置)、偶極(β裝置)、施倫貝謝爾(剖面)三種裝置不同的跑極方式分別采集數(shù)據(jù)，將存儲在儀器內(nèi)的測量數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換軟件傳輸?shù)接嬎銠C，運用Res2sinv軟件將實際測量時地表干擾和數(shù)據(jù)畸變異常點數(shù)據(jù)進行剔除，并對有效數(shù)據(jù)進行預處理，以保證數(shù)據(jù)反演質(zhì)量，最后結(jié)合地質(zhì)和鉆孔情況，對處理數(shù)據(jù)進行二維反演解釋，得到三種裝置的反演模型視電阻率斷面圖如圖1所示，其中橫坐標表示距離，單位為m；縱坐標表示深度，單位為m，下側(cè)的刻度為視電阻率，單位為Ω·m。

圖1 三種裝置的反演模型視電阻率斷面圖

3.3 對比分析

從上圖可以看出，在同日期同剖面同電極距同供電條件下，同樣觀測30層，在各個裝置探測深度范圍內(nèi)，反演結(jié)果均能有較為全面的反映，強度、形態(tài)特征清晰，異常位置、規(guī)模、厚度、空間展布形態(tài)基本相似，視電阻率異常變化比較一致，均能詳細揭露地下巖土體的垂向分層規(guī)律，呈現(xiàn)垂向典型結(jié)構(gòu)特征，即相對低阻-高阻-低阻-相對高阻的電性組合，綜合各裝置反演圖電阻率變化范圍，剖面淺部0～3 m電阻率以中低阻為主，3～15 m以高阻為主，15～60 m以低阻為主，距首電極80～420 m間電阻率值沿垂向先降低后升高然后再降低，呈層狀分布，兩側(cè)電阻率梯度變化平緩，剖面深部以中高阻為主。

以上三種裝置在勘探深度、分辨能力、勘探效果、施工效率和擬合誤差等方面還存在差異。(1)溫納裝置為經(jīng)過5次迭代后的視電阻率反演斷面圖，數(shù)據(jù)擬合誤差為3.9%，偶極裝置迭代次數(shù)為5次，擬合誤差為4.9%，施倫貝謝爾裝置迭代次數(shù)為6次，擬合誤差為10.3%，可見溫納裝置數(shù)據(jù)擬合好，其他兩種裝置數(shù)據(jù)擬合不好，反演數(shù)據(jù)可信度不高。(2)采用同樣電極數(shù)和電極距，同樣觀測30層，溫納裝置的數(shù)據(jù)點有1 593個，測量時間最短，偶極裝置有1 605個，施倫貝謝爾有2 040個，所需時間最長。(3)溫納裝置反演深度最深，可達78 m，電阻率最低值位于地下40 m處，其他兩種裝置反演深度僅到60 m，反映含水層埋深與溫納裝置相比也較淺。(4)溫納裝置縱向分辨率高，抗干擾能力強，垂向地層分界線明顯，異常沿垂直方向的分辨率一般高于水平方向的分辨率；施倫貝謝爾裝置橫向分辨率高，異常形態(tài)較細化，第四系覆蓋層的電阻率呈現(xiàn)不均勻的高阻暈團，含水層則呈現(xiàn)5處相對獨立的低阻異常區(qū)，且形態(tài)、規(guī)模各異，具離散特征，反映了橫向分層的地電結(jié)構(gòu)特征，這可能與地下巖土體破碎程度以及蓄水條件密切相關(guān)。與其他兩個裝置相比，偶極裝置對垂向電性差異的地質(zhì)體分辨明顯，縱向分辨率較好，但深部反演結(jié)果具有明顯的體積效應，抗干擾能力稍弱，不能較全面反映地下深部情況。(5)溫納裝置電阻率斷面與鉆孔數(shù)據(jù)有很好的對應關(guān)系，更能綜合展現(xiàn)地下含水層的空間分布特征及巖土體的電性結(jié)構(gòu)特征，含水層主要富水區(qū)埋深也基本吻合，大致范圍推斷為地下15～42 m，偶極裝置和施倫貝謝爾裝置雖能反映層狀低電阻異常，但含水層頂部和底部埋深與鉆孔剖面對應不明顯。

3.4 綜合研究解釋

結(jié)合已知鉆孔地層巖性，以溫納裝置電阻率斷面圖進行推斷，0～3 m相對低阻區(qū)為粉質(zhì)粘土，淺表層受降雨和灌溉影響，對應鉆孔剖面0～2.15 m；3～15 m高阻區(qū)為大小不一、磨圓度不同的卵石層，電阻率升高至300 Ω·m以上，孔隙度大，滲透率高，為透水層，對應剖面2.15～7.26 m；15～42 m層狀低阻區(qū)為砂礫粘土層，電阻率值沿垂向依次降低，范圍在5～30 Ω·m之間，砂礫層孔隙度較大，且充填粘土，粘土層土質(zhì)均勻，吸水、持水性好，但透水性和給水能力極差，利于滯水，推斷為潛水含水層主要富水區(qū)，對應剖面7.26～47.14 m；42～60 m低阻區(qū)為砂礫層，電阻率值逐漸增大，范圍在10～30 Ω·m，砂礫稍致密，透水性差，為弱含水層，對應剖面47.14～58.31 m；60～77.2 m相對高阻區(qū)為粉細砂層，電阻率值由上往下依次增加，電阻率范圍在30～120 Ω·m，孔隙度較小，通水性差，對應剖面58.31～90.45 m。

4 結(jié)語

由于各裝置測量排列方式的不同，裝置系數(shù)的不同，導致在相同測量條件下對同一斷面的測量效果不一樣。

(1)這3種裝置對在第四系沉積盆地找水方面，均可取得比較理想的數(shù)據(jù)，能清晰地反映地下情況，并且各種裝置地電模型反演和擬斷面圖所顯示的異常體電阻率都與實際地下結(jié)構(gòu)基本相似。不過從以上的試驗數(shù)據(jù)可以看出，3個裝置在反映異常體上均有差異和優(yōu)劣，溫納裝置采集數(shù)據(jù)快，數(shù)據(jù)擬合好，獲取信號強，縱向分辨率好，分層比較明顯，在測深方面具有明顯優(yōu)勢；施倫貝謝爾裝置橫向分辨率高，能比較清楚地反應橫向地電結(jié)構(gòu)特征，但抗干擾能力差、異常規(guī)模易擴大，采集數(shù)據(jù)點數(shù)多、耗時長，反演擬合誤差最大；而偶極裝置對垂向電性差異的地質(zhì)體分辨明顯，在縱向不均勻地質(zhì)體上反映靈敏，不管是高阻或是低阻、還是各種形狀的異常體，均能體現(xiàn)，電阻率差異也較明顯，缺點是深部反演結(jié)果具有明顯的體積效應，探測深度小、抗干擾能力稍弱。綜合考慮施工效率、分辨率、探測深度和反演擬合差情況，溫納裝置與鉆孔揭露情況具有較好的對應性，說明利用高密度電法溫納裝置在第四系沉積盆地找水應用中效果明顯。

(2)在正式工作前，應根據(jù)探測深度、勘探精度、地形地質(zhì)條件等對工作參數(shù)及裝置類型做出合理的選擇，實現(xiàn)勘測效果的最優(yōu)化。針對復雜地形地質(zhì)條件，建議數(shù)據(jù)的采集最好采用兩種或兩種以上的裝置類型，以便于資料的對比和室內(nèi)解釋，提高異常探測精度。

(3)通過高密度電法，借助第四系沉積層巖性與水介質(zhì)的物性差異，結(jié)合地質(zhì)資料和鉆孔數(shù)據(jù)，可有效圈定潛水含水層儲水位置和范圍，一般存在于較低電阻率數(shù)值范圍內(nèi)，且由于異常擴展效應影響，各種裝置反演結(jié)果顯示電阻率異常范圍往往大于實際目標體尺寸。