激發(fā)極化法在水文勘探中的應(yīng)用

湯 博

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院集團(tuán)有限公司，天津 300220）

早在20 世紀(jì)50 年代， 國外一些物探專家就對地下含水層的激發(fā)極化效應(yīng)與巖石的顆粒度、 黏土含量等的關(guān)系及用來探測含水層的可能性進(jìn)行了理論試驗(yàn)研究。 在一些國家已經(jīng)探測出的地下水源方法中，主要利用的參數(shù)就是激發(fā)極化法中的極化率。近些年在我國尋找地下水源的探測方法中激發(fā)極化法也得到了廣泛應(yīng)用， 本文地下水評價的對象是淺層地下水， 采用激發(fā)極化法能為水文勘探工作提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

河北省平泉市水資源總量為3.56 億m3，其中地表水資源總量為3.38 億m3，地下水資源總量1.78 億m3，人均占有水資源量為753.5 m3，僅為全國人均水資源量的1/3。河川徑流主要靠大氣降水補(bǔ)給，建有蓄水工程40 余座，年供水量1.3 億m3。瀑河、老哈河是該市境內(nèi)兩條較大的重要河流，瀑河流域用水量很大，水資源量的供需矛盾極為突出； 老哈河水資源量相對充沛，但利用率較低，為保證城市長遠(yuǎn)規(guī)劃的水源供應(yīng)，擬在老哈河建設(shè)水源地。

針對老哈河水源地水文地質(zhì)勘察的要求， 指導(dǎo)勘察孔布置，并節(jié)省勘探工作量，在水文地質(zhì)勘探前布置了水文物探工作。 物探方法主要采用直流激發(fā)極化法， 主要目的是探測可能存在的古河道、 古沖溝；礫卵石層上下界限；地下水、含水層、透水層、隔水層和承壓水層的分布等。

2 地質(zhì)概況及地球物理特征

2.1 地質(zhì)概況

勘察區(qū)是一個兩側(cè)封閉， 只有一個地下水出口的山間向斜構(gòu)造。從地形來看，老哈河及其支流兩側(cè)均有明顯的分水嶺。從地下水系統(tǒng)來看，向斜構(gòu)造與現(xiàn)狀地貌完全吻合。 勘察區(qū)內(nèi)含水巖組可分為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水兩種。 第四系孔隙含水巖組主要分布于低山丘陵， 基巖裂隙含水巖組全區(qū)均有分布，多埋藏于第四系孔隙含水巖組之下。

本區(qū)域第四紀(jì)以前地層主要巖性為角閃斜長片麻巖、黑云斜長片麻巖、淺粒巖、變粒巖、花崗巖、礫巖、次安山巖等。第四紀(jì)地層分布于河（溝）谷及其兩側(cè)階地并呈條帶狀，主要巖性為黏土、粉質(zhì)黏土、壤土、粉細(xì)砂、中粗砂、卵礫石等。

2.2 地球物理特征

測區(qū)內(nèi)土層、 卵石和基巖之間存在一定的電性差異，含水巖土體比相應(yīng)的不含水巖土體電阻率低、極化率高，存在一定的物性差異，這為開展激發(fā)極化法查明地下水位埋深和土石分界提供必要的地球物理前提條件。通過本次激發(fā)極化法探測，測區(qū)范圍內(nèi)各類巖石等目標(biāo)體的電阻率如表1。

表1 物性參數(shù)

3 工作方法和基本原理

3.1 工作方法

此次工作投入使用的儀器為重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DZD-6A 型多功能直流電法儀， 探測采用對稱四極裝置。AB/2 最小電極距為1.5 m，最大為100 m，采取非接口極距裝置，極距系列如表2，最大供電電壓為270 V，測量電極采用氧化鉛不極化電極，供電電極采用銅電極， 供電時間20 s。測區(qū)計劃布置物探剖面27 條， 物探剖面間距500 m， 物探剖面勘探點(diǎn)間距200 m， 共布置物探點(diǎn)200 個。

表2 對稱四極電測深極距系列單位：m

3.2 基本原理

激發(fā)極化法（或稱激電法）是以巖、礦石激發(fā)效應(yīng)的差異為基礎(chǔ)， 通過觀測和研究大地激電效應(yīng)來探查地下地質(zhì)情況或解決某些水文地質(zhì)問題的一類電法勘探方法。 采用直流電或交流電都可以研究地下介質(zhì)的激電效應(yīng)，前者稱為時間域激發(fā)極化法，后者稱為頻率域激發(fā)極化法。 二者在基本原理方面一致，只是在方法技術(shù)上有較大差異，本次工作采用直流時間域激發(fā)極化法［4］。

激發(fā)極化法在供電過程中可測出I 和ΔU1，斷電后可測出ΔU2和，由此可算出以下參數(shù)。

3.2.1 視極化率ηs

視極化率是時間域激發(fā)極化法的一種基本測量參數(shù)。當(dāng)?shù)叵聨r、礦石的極化率分布不均勻時，用某一電極裝置測量得到的視極化率， 是電流作用范圍內(nèi)地形及各種極化體激發(fā)極化效應(yīng)的綜合反映，其表達(dá)式為：

式中ΔU1為供電時測得的一次極化場電位差；ΔU2為斷電后瞬間測得的二次場電位差。ηs用百分?jǐn)?shù)表示，表征巖層激電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)， 其大小和分布反映了地下一定深度范圍內(nèi)極化體的存在和賦存狀況［5］。

3.2.2 視衰減度Ds

衰減度是反映激發(fā)極化場衰減快慢的一種測量參數(shù)，用百分?jǐn)?shù)來表示，表征巖層激電效應(yīng)衰減特性。二次場衰減越快，其衰減度就越小，其表達(dá)式為：

式中ΔU2為供電30 s、 斷電后0.25 s 時的二次場電位差；為斷電后0.25～5.25 s 內(nèi)二次電位差的平均值，即：

3.2.3 視激發(fā)比Js

視激發(fā)比是一個綜合參數(shù)， 在數(shù)值上等于極化率與衰減度的乘積， 表征巖層激電效應(yīng)衰減快慢的電參數(shù)，其表達(dá)式為：

4 成果分析

對全部原始資料進(jìn)行校核，剔除突變點(diǎn)。由于外業(yè)探測現(xiàn)場存在工業(yè)干擾電流， 供電電極的接地條件差，氧化鉛不極化電極補(bǔ)償不穩(wěn)定等因素，導(dǎo)致個別數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯的失真“畸變點(diǎn)”，對這些“畸變點(diǎn)”進(jìn)行剔除。對激發(fā)極化測深處理后的數(shù)據(jù)，在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上繪制視電阻率及極化率等曲線圖。

然后利用外業(yè)記錄的地形地貌和巖性等描述進(jìn)行定性分析，確定視電阻率對應(yīng)的地質(zhì)層位，視電阻率曲線的定性解釋主要是通過對比曲線類型， 確定電性層與地層巖性之間的對應(yīng)關(guān)系及其特征。

測區(qū)內(nèi)視電阻率曲線類型主要有H 型、KH 型。H 型曲線首支對應(yīng)為較高阻的干燥表層壤土或雜填土，中間低阻層對應(yīng)為角礫或全風(fēng)化基巖，尾支高阻層對應(yīng)為強(qiáng)風(fēng)化基巖。KH 型曲線首支對應(yīng)為低阻的壤土或砂卵石，然后高阻層對應(yīng)為卵石，低阻層對應(yīng)為全風(fēng)化基巖， 尾支高阻層對應(yīng)為強(qiáng)風(fēng)化或弱風(fēng)化基巖。

在定性分析和定量解釋以后， 將解釋成果定量化并繪制成物探成果圖。

H 型曲線主要分布于河道兩側(cè)山腳附近，覆蓋層主要為壤土，厚約1.1～19 m，電阻率值為20～320 Ω·m，下伏基巖大部分為礫巖，電阻率值為80～1200 Ω·m，僅WT1～WT3 剖面為閃長巖，電阻率值為180～1500 Ω·m。

KH 型曲線主要分布于河道及河漫灘處，覆蓋層主要為壤土或砂卵石，卵石層厚約2.0～8.2 m，電阻率值為100～2200 Ω·m， 激電參數(shù)Js為0.64%～1.22%，Ds為33.5%～69.9%，ηs為1.32%～2.65%；下伏基巖大部分為全風(fēng)化礫巖，電阻率值為80～300 Ω·m。

依據(jù)已知物性參數(shù)及鉆孔資料，從1～27 號剖面各測點(diǎn)視電阻率及極化率曲線解釋可得地下水的埋深， 分別利用各測點(diǎn)處的高程換算出地下潛水面的高程值，推測出測區(qū)內(nèi)潛水面水位西高東低，水位高程范圍為653.7～687.9 m。由于篇幅有限，僅展示17號剖面成果，如圖1，藍(lán)色虛線表示探測的水位線，基本與鉆探地質(zhì)勘察的穩(wěn)定水位相符。

圖1 17 號剖面物探成果

其中WT16-3、WT17-3、WT18-5、WT19-4 4 個物探點(diǎn)連線大致與現(xiàn)狀河道平行， 視電阻率曲線均為KH 型曲線，且解釋出的卵石層下界限較深，約11～12 m，由此推測可能存在的古河道。其中WT17-3 測點(diǎn)（曲線如圖2～圖3）視電阻率最大值為296.4 Ω·m，且AB/2 在3～20 m 為K 型曲線上升段， 推測為古河道反應(yīng)，地下水埋深3.9 m，激電曲線從4 m 開始上升，AB/2 到10 m 時達(dá)到峰值，Js為1.34%，Ds為55.2%，ηs為2.44%。據(jù)鉆孔驗(yàn)證，揭露巖性為0～4.7 m壤土，4.7～10.7 m 卵石，10.7～13.0 m 強(qiáng)風(fēng)化礫巖，13.0～17.0 m 弱風(fēng)化礫巖（柱狀圖如圖4）。

圖2 測點(diǎn)WT17-3 視電阻率曲線

圖3 測點(diǎn)WT17-3 視極化率、衰減度曲線

圖4 測點(diǎn)WT17-3 鉆孔柱狀圖

5 結(jié)語

通過運(yùn)用激發(fā)極化法， 對水文地質(zhì)勘探中可能存在的古河道及礫卵石層上下界限、 地下水位埋深進(jìn)行探測，達(dá)到預(yù)期工作目的，為地質(zhì)勘探提供可靠依據(jù)。根據(jù)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)驗(yàn)證，激發(fā)極化法對淺層地下水水位的探測較為準(zhǔn)確，具有一定的可行性，并具有較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。