電阻率法和激發極化法在地下水勘查中的應用

梁建剛，劉黎東，高學生，蘇永軍，孟利山

(1.中國地質調查局 天津地質調查中心，天津 300170；2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300145)

截至目前，物探方法找水除核磁共振法外都屬于間接找水[1-3]，所以物探找水工作必須與水文、地質工作緊密結合。這是因為水文和地質調查可以確定勘查區的地質構造情況和區域賦水類型、賦水層位及大致深度。了解這些情況對選擇物探方法組合模式、確定物探測線布置方位至關重要；同時物探數據的解譯時刻離不開地質和水文信息，使單純的物性特征能還原成地質上的層位、巖性，即以地質、水文的語言呈現其成果；最后物探找水工作的一個突出特點是驗證機率比較高，通過成井后的測井工作，一方面驗證物探資料解譯的準確度，另一方面又可積累測區極距與深度的轉換系數，可以最大限度的提高物探人員的資料解譯水平。

找水工作中的物探方法選擇，應該從含水層的類型和物探方法的方法特點兩個方面加以考慮。實踐證明,電阻率法和激發極化法的組合使用是一種最有效的工作模式。

國土資源系統北方四省抗旱找水工作，工作區位于河南省新鄉市鳳泉區。本次地下水勘查物探工作，采用了電阻率法和激發極化法兩大類方法，其中電阻率法又有高密度電法、EH4電導率測深等方法。根據含水層的賦水類型的地球物理特征，選擇一種物探方法或幾種物探方法的組合進行綜合水文地質定井，取得了較好效果。

1 含水層的地球物理特征

根據地下水的賦存條件、水力性質特征，工作區內含水巖組類型可分為以下三大類：

1)松散巖類孔隙含水巖組。

2)碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組。

3)碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組。

本次工作的取水目的層主要是：新近系碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組、新近系泥灰巖裂隙巖溶含水巖組和奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組。新近系泥灰巖雖然是碳酸鹽巖，但是較破碎，裂隙巖溶發育，其地球物理特征與新近系碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組基本一致。加之泥灰巖與泥巖、砂巖交互沉積，因此本次研究中將新近系碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組、新近系泥灰巖裂隙巖溶含水巖組統稱為新近系含水巖組。

1.1 電阻率特征

為了更好地開展物探工作，我們搜集到工區內各類巖層的電性參數，如表1所示。

表1 河南新鄉地區巖石物性表(電阻率)

1)新近系含水巖組。此類含水層主要是指砂巖、粉砂巖及泥灰巖的裂隙、巖溶等，本區內主要的隔水層為泥巖(粘土)及完整的泥灰巖，砂巖、粉砂巖和泥灰巖的裂隙、巖溶(即新近系地層中的含水層)相對泥巖(粘土)顆粒粗、孔隙度大，從而使電阻率相對較高，這樣含水層相對隔水層表現為相對高阻，但是完整的泥灰巖的電阻率又高于新近系含水層，因此在新近系地層中尋找相對高阻是本區運用電阻率方法的地球物理基礎，實際工作中要注意區分完整泥灰巖與泥灰巖含水層。

2)奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組。此類含水層主要是石灰巖、白云巖中的裂隙、破碎帶及巖溶含水。當完整的巖體中出現裂隙、斷裂及巖溶并充水或充泥時，含水礦物質電解導電能力增強，電阻率下降，出現相對低阻[4]。所以尋找相對低阻是本區運用電阻率方法尋找碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組的地球物理基礎。

1.2 激電特征

巖礦石在外部電場充電和放電過程中，由于電化學作用引起的隨時間緩慢變化的附加電場現象，稱為激發極化效應(IP效應)，激發極化法是以不同巖礦石的激電效應之差異為物質基礎，通過觀測和研究大地激電效應，以探查地下地質情況的一種物探方法。

新近系含水巖組和奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組，在激發極化方面都表現為高極化、高半衰時，這是用激發極化法尋找地下水的地球物理前提。在激發極化找水中用得最多、最有效的是對稱四極垂向測深裝置。

2 物探方法適用范圍及特點

2.1 高密度電法

高密度電法是一種以地下介質體的電阻率差異為基礎[5]，用直流電阻率法的陣列形式，進行二、三維地電斷面測量的電阻率方法。自二十世紀七十年代末期高密度電法的最初模式的提出至今已經30多年，該方法成本低、效率高、信息豐富、解釋方便，被廣泛應用在水、工、環物探工作中。

2.2 EH4電導率測深

EH4電導率測深系統設計原理是大地電磁測深法，是利用交變電磁場研究地球電性結構的一種地球物理勘探方法。

該方法的優點是受場地限制較小，易于開展工作；發射裝置輕便，便于野外多次移動，保證發射信號質量；多次迭加采集數據，能有效地壓制干擾；時間域觀測，頻譜豐富，能提供更多的地質信息，高頻探頭一般探測深度為1 500 m，低頻探頭探測深度可達數公里；實時數據分析，確保觀測質量；現場給出連續剖面的擬二維反演結果，結果直觀。缺點主要是當工業游散電流干較強時，難以開展工作；當地表局部電性不均時，易產生靜態效應[3]。

2.3 激發極化法

激發極化法是根據巖(礦)石的激發極化效應來尋找金屬和解決水文地質、工程地質等問題的一種電法勘探方法。激發極化效應則是在人工電流場一次場或激發場作用下，具有不同電化學性質的巖石或礦石，由于電化學作用將產生隨時間變化的二次電場(激發極化場)。地層中賦水后也會產生上述激發極化效應，這是激發極化法找水的地球物理前提。

相對于電阻率法而言，激發極化法找水最大的特點是受地形影響較小[1，3]，對巖溶裂隙水的水位埋深和相對富水帶反映都比較直觀。目前成功應用的激電參數較多，如表征巖石激發極化的極化率和充電率參數，表征巖石激發極化放電快慢的半衰時和衰減度參數，還有激發比和相對衰減時等綜合參數，這些參數的選取與不同地質體和不同的儀器有關。實踐表明，極化率(η)、半衰時(TH)、衰減度(D)的測量與判定在地下水勘查中效果明顯。

3 物探工作及應用效果

在工作區內物探方法找水一般采用電阻率法和激發極化法相結合的模式，并根據探測深度的不同選擇不同的電阻率方法，即200 m深度以淺一般采用高密度電法，200 m以深采用EH4電導率測深。

3.1 地層簡單區

東魯堡沉積環境相對穩定，水文條件相對簡單。根據對村中已有水井開展的水文調查，確定了含水層深度。地球物理勘查主要是區分含水層和阻水層，達到定井目的，所以僅做了高密度電法。在高密度電法反演擬斷面圖上確定剖面范圍內最佳的匯水位置，提高涌水量。

3.2 地層復雜區

王門村處于太行山山前斷裂，對附近水井開展的水文地質調查中發現幾個水井的含水層位、類型不同，為防止預選井干井或涌水量過低，我們在該處地球物理勘查中采取了高密度電法和激發極化法對稱四極測深的方法組合[6-7]。

根據高密度電法剖面反演擬斷面圖(圖1)，并結合物性資料，初步認為10 Ω·m以下為粘土(泥巖)、10 Ω·m ～20 Ω·m為含水砂巖，20 Ω·m及以上為泥灰巖或礫石層。據此完成該剖面的地質解釋，考慮到剖面上的成井條件及施工工藝的因素，選擇440點作為預選井位，推斷含水段為30 m～130 m。

為進一步確定440點的賦水條件開展了激發極化法對稱四極測深。最大AB/2=500 m，AB極布設方向沿高密度電法剖面方向(313°)，記錄視電阻率、視極化率(η)、半衰時(TH)、衰減度(D)四個參數。

從圖2可以看到ηa異常自AB/2=30 m起逐步升高，在AB/2=100 m時已經高于1%，隨后迅速升高，至AB/2=150 m～200 m范圍達到峰值，最大值為5.1%，AB/2=200 m之后又迅速下降，說明AB/2=200 m以深含水條件變差；ρa曲線上可以看到，在AB/2=15 m時出現一個高阻，與高密度電法反演擬斷面圖對應，為礫石層的反應，AB/2=20 m～AB/2=200 m范圍，視電阻率均在10 Ω·m ～20 Ω·m ，尾支上升，代表向下電阻率升高的趨勢。TH(半衰時)曲線、D(衰減度)曲線相關度較好，對應ηa異常深度出現D>0.4的異常。綜上所述孔位定在440 m處，設計井深140 m。

實際上，鉆探揭露含水段為35.64 m～59.70 m、71.70 m～ 83.74 m、89.73 m～101.77 m、125.79 m～134.85 m四層，與高密度電法吻合程度很高，甚至第一含水層和第二含水層之間的粘土層在高密度斷面中都有反應。涌水量70 m3/h，地球物理綜合方法定井成效明顯。

3.3 基巖區

分將池村賦水類型為奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶含水。含水層位較深，超出高密度電法工作測量探測極限，我們初步設計采用EH4電導率測深加激發激化法對稱四極測深的組合，尋找跟賦水相關的低阻異常的位置[8-9]。

分將池村現有抽水水井與本次工作預選1號水井，分屬貫穿整個村莊的大沖溝的兩側，地質上推斷大沖溝本身就是一個大斷層，根據斷層含水的機理，預選井位定在斷層的上盤。

EH4剖面點距10 m，21個點，剖面總長為200 m，方位角為114°。從圖3反演電阻率擬斷面圖可以看到，電阻率橫向上，西邊(小號端)電阻率低，東邊(大號端)電阻率高，解釋為西邊為沖溝，東邊為灰巖巖體?？v向上基本上隨著深度的增加電阻率逐漸增加。

僅從測深曲線上看，在AB/2=500 m范圍內，賦水有利深度在50 m～100 m之間(后來認識到供電極A極在此范圍內正好在沖溝范圍內)。

在EH4剖面反演擬斷面圖上，150 m～170 m處發現有低阻反應，鉆探過程中在該深度范圍發現斷層泥，解釋為壓型斷層。比照在已有井位的EH4剖面測量結果，賦水部位在電阻率變化的梯級帶上，繼續施工在355 m～360 m范圍出水， EH4反演擬斷面圖上對應有明顯的低阻反映。據鉆孔巖性確定為奧陶系饅頭組的層位含水。401 m終孔，出水量15 m3/h。盡管鉆孔出水了但并未物探勘查工作的成果，地球物理綜合方法定井成效不佳。為此，進一步開展預選2號井的地球物理勘查工作。

圖1 王門村高密度反演電阻率擬斷面圖Fig．1 Pseudo resistivity section of high-density electrical method in wingmen village

圖2 王門村預選井激電測深ηs、ρa、TH、D曲線Fig．2 ηs、ρa、TH、D curve of IP sounding at wingmen village preselected well

圖3 分將池EH4反演電阻率擬斷面圖Fig．3 Pseudo resistivity section of EH4 sounding in fenjiangchi village

圖4 分將池預選1號井激電測深ηs、ρa、TH、D曲線Fig．4 ηs、ρa、TH、D curve of IP sounding at fenjiangchi village preselected No.1 well

首先在測區內施測一條東南—西北向的聯合剖面測量剖面，AO=BO=200 m，MN=40 m。該剖面測量成果圖見圖5。

圖5 分將池預選2號井視電阻率聯合剖面測量成果曲線圖Fig．5 Curve of joint-profile resistivity sounding at fenjiangchi village preselected No.2 well

從圖5中可以看出，ρsA曲線和ρsB曲線在100號點附近出現同步低凹點，因此推斷在剖面上100號點附近有一條斷裂構造通過。

在100號點布置了一個視電阻率對稱四極電測深點，以探測垂向上視電阻率的變化情況，判斷富水層位。電測深點成果曲線圖見圖6：

圖6 100號點(分將池預選2號井)直流電阻率測深曲線Fig．6 Curve of station 100 resistivity sounding at preselected No.2 wel ofl fenjiangchi village

由圖6可以看到，在曲線的前枝即0 m～90 m為奧陶灰巖較完整層，視電阻率值隨極距的增大而45°左右上升；90 m～120 m曲線呈下降趨勢，表明此段寒武系灰巖巖石開始破碎；180 m～210 m曲線為視電阻率陡降最凹區段，表明該深度范圍巖石斷裂破碎程度較高，且該層位在地下水潛水面以下，富水性較好；230 m～250 m段曲線平緩略升，表明該區段為又一巖石破碎富水區段；250 m～300 m段電阻率值繼續向上升，曲線向上抬起，但角度不大，因此判斷該區段為深部一般富水區段，可綜合利用。最終選擇在該點布設鉆孔?？咨?21.5 m，涌水量31.3 m3/h。

從成井后的測井結果看，自然伽瑪曲線上有兩段高值，解釋為裂隙。一段為160 m～177 m處，自然電位沒有明顯變化，說明盡管有裂隙但是滲透性不好，應該是斷層泥的表現。另一段為272.4 m～ 291.55 m處，伴隨有自然電位高值(滲透性)異常，所以判斷此區段為該井的主要出水位置

4 結論

綜合上述成功與失敗案例，我們可以得出以下結論：

分將池村預選1號井地球物理勘查失敗的原因:

1)激發激化法受地形影響較小是相對于電阻率法而言的，即對無極化率異常區域，地形本身不會產生極化率異常，但在有極化率異常區域，地形可以改變極化率異常的形態。對于采用對稱四極裝置的激發極化法測深始終還要受到體積效應的影響，也就是說測得的極化率等參數應該是供電極AB范圍內所有地質體的綜合反映，當AB布設方向跨越構造時受周圍地質體影響更大。地球物理測線布設一般盡量垂直走向，這樣如果為確定井位布設多個測深點，測點布設及AB極布設方向均垂直走向，無可厚非。但若只布設一個測深點，AB極布設應盡量避開垂直走向方向，以盡可能減少AB范圍跨越的地質體數量。預選1號井激電測深賦水有利深度在50 m～100 m之間，實際上供電極A極在此范圍內正好在沖溝范圍內。從地形上講，山脊地形產生了假的電阻率低異常，A極沖溝(季節性徑流)與B極完整石灰巖巨大的電性差異使極化率、衰減度在此范圍更多的偏向于含水特征。

2)EH4電導率測深同一般電磁法測深一樣，相對傳統的幾何測深而言，用頻率與深度的關系代替了極矩與深度的關系，屬頻率域電磁法。其抗干擾能力較傳統直流幾何測深弱，在工業電干擾下易產生假的低阻異常，使得在尋找以低阻異常為目標的勘查中受干擾極強，這也是在預選1號井和2號井井地球物理勘查中，EH4效果比直流電測深差的原因。由此在深度較大地下水勘查中更多的推薦電磁法測深，但必須保證相應的工作環境，在居民區如果對生產生活影響較小的情況下，建議協調停電觀測，以取得真實可靠的數據。

3)構造含水如水源為地層(承壓)水，應該考慮承壓的因素，而在分將池預選井位附近的水井水文調查中僅注意到靜水位。這樣給地球物理工作提供了錯誤的預設深度。這樣當在錯誤的預設含水深度出現極化率測深因周圍沖溝等引起的高極化率異常及平面位置上的低阻異常(不完全是假異常，但含有干擾成分)時，物探方法組合在這個預選井位的勘查中失效了。

張型斷層與壓型斷層含水特征的不同。張型斷層較壓型斷層破碎，理論上表現為較低的電阻率，但這種差異往往被體積效應掩蓋，而這種差異可以在自然電位測井中體現出來。

根據本次找水工作的效果可以發現，采用電阻率方法和激發極化法的組合是正確的，組合方法的運用能彌補單一方法的不足與缺陷，能充分發揮各種方法自身的優點，為本次地下水勘查井位的布置提供了進一步的佐證，取得了良好的效果。當然物探方法也有不足之處，如地面電法工作都存在體積效應，在縱向分辨率上與地球物理測井無法比擬，這就使得在測井中反映的細微分層，在地面電法剖面上無法加以區別，而只反映了這些層位的綜合效應。另外電阻率法雖然可以較正確地判定斷層的位置和規模，卻無法判定斷層的性質。

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