基于激發極化法的地下水勘探設計與分析

朱金彪

基于激發極化法的地下水勘探設計與分析

朱金彪

（新疆水利水電勘測設計研究院物探隊，新疆 昌吉 831100）

作為一種間接的找水方法，激發極化法是目前水源物探工作比較有效的勘探手段，正確地運用和掌握激發極化法測量參數，才能發揮激發極化法最大優勢，準確地確定出井位。結合新疆六孚紡織工業園找水勘探的實例，分析了如何正確運用激發極化法測量參數。

激發極化法；測量參數；物探；分析

1 激發極化法概述

激發極化法的原理是根據巖石或礦石之間不同的激電效應，并以此差異性為物質基礎，觀測和分析大地的激電效應，勘探地下工程地質情況的一種電法勘探方法。激發極化法根據不同的勘探任務，會有不同的布極形式，常用的有對稱四極測深法、三極測深、偶極測深和環形測深等方法。激發極化法是一種間接的找水方法，如要準確確定出井位和井深，除使用激發極化法外，還要掌握水文地質資料并配合其它物探手段。激發極化場具有時間和頻率雙重特性。

1.1 激發極化法測量參數

激發極化法需要較大的供電電流和較長的供電時間，才能獲得明顯的計劃電位差。一般供電電流在1～2A之間，供電時間應根據地質任務和地質條件而定。一般普查找礦時，多采用2s、4s、8s等雙向脈沖供電；詳查研究異常時，用單向脈沖。測量電極要采用不極化電極，目的是消除電極極化電位的干擾。激發極化法測量參數主要包括四個基本方面，其他參數都是在此基礎上的綜合應用。

（1）視極化率(ηs)。

視極化率ηs是時間域激發極化法的一種基本測量參數。測量視極化率時需運用某種電極裝置形成電流作用，在此范圍內，由于地下巖層不均勻的極化率分布，會測出不同的數值，視極化率實際上就是綜合反映各種地形和極化體的激發極化效應。視極化率ηs通常用百分數表示，其數值大小和分布情況會直接反映出測試范圍內的極化體的存在和賦存情況，其表達式為：

其中：△U（T）為供電時間T時測得的極化場電位差；△U（t）為斷電后t時刻測得的二次場電位差。

分析式子可以看出，與視極化率ηs直接有關的兩個因素就是供電時間T和測量延遲時間t，每個視極化率ηs對應特定的供電時間T和測量延遲時間t 。在極限條件下，當長時供電（T→∞）和無延時（t→0）時的測量結果：

（2）視頻散率（Ps）。

視頻散率Ps是頻率域激發化法的一種基本測量參數，其表達式為：

其中△U(fD)、△U(fG)個對應的是超低頻段（n·10-2～n·102Hz）低頻和高頻供電電流所形成的總場電位差。從物理本質上來說，時間域激電法和頻率域激電法并無區別，與視極化率ηs一樣，當△U(fD)→0和△U(fG)→∞時，測量結果并無差異。

（3）衰減度（D）。

衰減度是反映激發極化場衰減快慢的一種測量參數，用百分數來表示。二次場衰減越快，其衰減度就越小。其表達式為：

式中：△U2代表供電30s、斷電后0.25s時的二次場電位差；

△U2是斷電后0.25s至5.25s內二次電位差的平均值。即

（4）激發極化時間特性參數。

二次場在衰減中是一個較復雜的電化學過程，不同演示成分、結構和含水層上二次衰減是不同的。

衰減時(S )：是指把斷層瞬間所測得的二次場△U2定位100%，則△U2衰減到某一規定的數值時所需要的時間稱為衰減時，單位為秒。S描述了二次場△U2衰減的快慢。

含水因素(Ms)：利用衰減時找水時，除直接利用衰減時S了解某深度水量相對大小情況外，為了進一步研究水層的水量大小，引出與地下水層水量有關的含水因素Ms。Ms可由S為參數的測深曲線計算取得，即以不同AB/2極距取得的S值關系曲線與橫軸所包圍的面積。

2 激發極化法在地下水勘探中的主要應用

激發極化法在地下水勘探中的主要應用主要包括兩個方面，第一是區分水異常；第二就是尋找地下水，劃分出富水地段。

2.1 用視極化率判別水異常

在巖溶區，使用激發化法找水時通常會因為地層存在低阻碳質夾層，會出現明顯的低阻異?，F象，這種異?，F象會大大增加區分水的困難。碳質巖層有兩方面的作用，在引起視電阻率的低阻異常的同時，還會導致高視極化率異常，以此作為判斷依據，能正確判斷出水異常。

2.2 衰減時（S）法找水

激電法找水另一個直接有效手段就是衰減時法。衰減時（S）就是在二次場中頻率衰減到某一規定的百分比時所花費的時間。

3 應用實例

某工業園區內需新建一口水井，園區屬于天山北坡沖洪積扇地區，附近與已建的水井揭露地層0～300m為沙壤土與細粒石、中粗砂互層。

此次物探工作在已建成水井附近進行了參數點采集，在園區工作人員指定擬建水井處進行了激電測深測試。

3.1 工作方法與技術

采用激發極化法測試，MN/2：AB/2=1：3的溫納爾裝置，供電時間20s，最小AB/2=3m，最大AB/2以反映地層含水層的電性特征為準，本次測試最大AB/2=300m。野外測量方法采用單次讀證測試曲線質量，對測試曲線畸變點進行重復觀測，重復觀測的電阻率相對數法，為保誤差小于5% ，視極化率η1～η7符合線性關系。

3.2 測試成果分析

（1）路邊水井旁激點測試曲線，如圖1所示。參數點：電阻率曲線為H型，0～21m，電阻率為3～5Ω·m，21m以下，電阻率為80～100Ω·m；0～6m視極化率在10.3%～10.7%，6～21m視極化率在10.3%～16.8%，21～150m視極化率在16.8%～6.2%，150～300m視極化率在6.2%～12.4%；0～45m衰減度在0.13～0.35，45～300m衰減度在0.41～0.58。

（2）擬定水井位置測試曲線，如圖2所示。測試點：電阻率曲線同樣為H型，0～21m，電阻率為3～15Ω·m，21m以下，電阻率為80～100Ω·m；0～21m視極化率在4.5%～25.1%，21～150m視極化率在25.1%～4.3%，150～300m視極化率在4.3%～14.7%；0～9m衰減度在0.25～0.27，9～99m衰減度在0.25～0.42，99～300m衰減度在0.35～0.5。

分析路邊水井旁參數點及擬建水井處測試點，其電阻率曲線類型一致，地表地層為砂壤土，理論電阻率在20～50Ω·m，測試電阻率為3～15Ω·m，從視極化率和衰減度曲線看地表3以下即見地下水，其地下水位較高，低電阻反映表層地下水礦化度較高；21m以下電阻率為80～100Ω·m，從電阻率值看其地層應為砂壤土、中粗砂及較小粒徑的砂礫石互層組成，結合視極化率和衰減度曲線看，150m以下有穩定地下含水層。測試結果滿足SL 26-2005《水利水電工程物探規程》的要求。

圖1 路邊水井旁激點測試曲線

圖2 擬定水井位置測試曲線

4 結 語

近年來，激發極化法在水利水電勘探方面的應用得到了長足的發展，但其仍是一種間接使用手段，并不能作為獨立的方法應用于水利勘探。就目前而言，最經濟、最高效的勘探方法還是常規直流電阻法。雖然此方法還存在很多的不足，但將兩方法有效地結合在一起，發揮出各自的優勢，對提高確定井位的可靠性還是有幫助的。

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10.3969/j.issn.1008-1305.2014.04.015

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1008-1305（2014）04-0044-03

朱金彪（1980年-），男，工程師。