綜合物探在花崗巖嚴重缺水區地下水勘查中的應用

田蒲源，朱慶俊

(中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定071051)

綜合物探在花崗巖嚴重缺水區地下水勘查中的應用

田蒲源，朱慶俊

(中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定071051)

通過對音頻大地電磁測深法(EH4電導率成像系統)、高密度電阻率法和激發極化法的技術原理以及勘查特點的分析研究，結合花崗巖嚴重缺水區地下水勘查的難點，以及在北京昌平長陵鎮的找水實例，提出了幾種方法在組合形式、適用條件以及資料解釋等方面勘查地下水的技術模式，并在實際工作中進行驗證，取得了令人滿意的效果。

音頻大地電磁測深法;高密度電阻率法;激發極化法;地下水勘查

近年來由于自然因素和人類活動的雙重影響，經濟發展與水資源的矛盾日益突出，水資源問題成了制約缺水地區人民生活和社會經濟發展的重要因素。花崗巖區地下水資源分布復雜，在地下水勘查及開采方面難度很大，一直以來都有“找水禁區”之稱。加強花崗巖嚴重缺水區地下水資源合理開發利用，對于盡快改善缺水地區人民基本生活、生產條件、緩解農牧業和工業用水矛盾，改善生態環境，促進缺水地區社會經濟的可持續發展，具有重要現實意義。

1 技術方法原理簡介

時代的發展，科學技術的進步，人類社會正在發生日新月異的革新，地下水勘查地球物理技術方法也是如此。在二十世紀八九十年代，物探找水工作者通用的是音頻大地電場法與激發極化法的組合技術模式，之后，逐漸引進并迅速掌握了核磁共振技術、高分辨率淺層地震技術、音頻大地電磁測深技術、高密度電阻率技術等等。在實際工作中，針對花崗巖地區地下水的水文地質特征、地球物理特征以及開展物探的工作條件(地形地貌、干擾源等)，選取經濟有效的物探技術方法組合，能取得良好的應用效果。

1.1 音頻大地電磁測深技術

目前常用的音頻大地電磁測深技術物探找水儀器是EH4電導率成像系統，它是由美國GEOMETRICS和EMI公司聯合生產的。自從二十世紀九十年代中期引進國內以來，迅速推廣，在地下水勘查領域得到廣泛應用，深受地球物理工作者的喜愛。EH－4電導率成像系統屬于部分可控源與天然場源相結合的一種大地電磁測深系統。其觀測的基本參數為時間域正交的電場分量(Ex、Ey)和磁場分量(Hx、Hy)。通過頻譜分析及一系列運算，求得不同頻率的視電阻率值，通過改變頻率可以達到測深的目的。卡尼亞視電阻率計算公式如下:

式中f為電磁波頻率，ρ為地層視電阻率。

趨膚深度(探測深度)由下公式求得:

該系統由于配置不同而具有不同的勘探深度，其基本配置(頻率為10～100 Hz)的勘探深度為幾十至一千多米，低頻配置(頻率0.1 Hz～1 kHz)的勘探深度達3 000多米。在地下水勘查方面主要用于劃分地層巖性，確定含水體埋深、厚度，查明構造規模、性質、產狀及其裂隙發育程度等。

1.2 高密度電阻率法

高密度電阻率法就其本質而言，與傳統的電阻率法完全相同，因此，它仍然以巖(礦)石的電性差異為基礎的一類電探方法，研究在施加電場作用下，地中傳導電流的分布規律，從而達到勘探地質體的目的。

高密度電阻法工作時，是將數十乃至數百根電極一次性布設完畢，每根電極既是供電電極又是測量電極。通過程控式多路電極轉換器選擇不同的電極組合方式和不同的極距間隔，從而完成野外數據的快速采集。對某一極距而言，其結果相當于電阻率剖面法，而對同一記錄點處不同極距的觀測又相當于一個電測深點;所以高密度電阻法實際上就是電阻率剖面法和電阻率測深法的結合。

高密度電阻率法可以根據不同的勘探對象和地質條件選擇不同的裝置形式或組合，其常見的電極裝置有溫納四極、偶極、施倫貝格、三極、二極裝置。

1.3 激發極化法

激發極化法找水通常被人們認為是一種直接找水方法，其基本原理是:利用人工場(稱之為一次場)，激發地質體，產生極化場(稱之為二次場)，通過測量反映二次場振幅大小及衰減快慢的視電阻率、半衰時、極化率、綜合參數等物理參數，來判斷含水體富水性。

2 技術組合模式和質量保障措施

針對花崗巖區特殊的水文地質條件，張性構造裂隙是主要的地下水賦存空間。因此，確定構造裂隙地下水為勘查工作的主要找水目標。結合工作區域獨特的地形、地貌條件以及其他干擾因素，選取確實有效的物探工作方法，開展地下水的勘查工作。

2.1 組合原則

工作中，物探方法選擇視地質條件、地形條件以及電磁干擾程度不同而有所不同:

(1)在電磁干擾少、第四系覆蓋層較薄的花崗巖、閃長巖山區，以查明斷裂破碎帶的空間形態和富水狀況為目的工作，可選擇EH－4法、激發極化法的組合模式。

(2)在電磁干擾大、工作場地較寬廣的花崗巖、閃長巖山區，以查明斷裂破碎帶的空間形態、風化殼厚度和其富水狀況為目的工作，可選擇高密度電法和激發極化法的組合模式。

2.2 質量保障措施

2.2.1 音頻大地電磁測深法

在野外工作中頻率域電磁測深法在開工前后均進行平行試驗，在數據采集時增加疊加次數、選擇好的勘測地點、盡量選擇好的工作時段、采集過程中對時序文件實時監測、重復測量等方法來確保數據質量。在原始資料預處理階段，首先對照野外原始記錄檢查各個測點的坐標及電極距的正確性;其次，重新回放每個測點的原始時序文件，對整條測線逐點、逐屏的對時序進行挑選，剔除存在著明顯干擾的時序信號，減少隨機干擾對數據質量的影響。

2.2.2 高密度電阻率法

高密度電阻率法野外工作中常見的問題為極化補償問題、供電時間問題以及接地電阻問題。

目前應用的SuperSting高密度電阻率儀具備自電補償能力，在電阻率測量過程中可完全消除穩定的或線性變化的自然電位;同時，由于高密度電法數據采集快，供電電極供完電后，馬上又轉換成測量電極，極化電位會給測量帶來較大的誤差。針對這一情況，野外工作中，我們適當選擇電偶極距以及供電時間，盡量避免由電極極化造成的電位差測量誤差。

盡管SuperSting高密度電阻率儀的輸入電阻可高達20 MΩ，但由于當接地電阻較大時，造成極化補償困難。野外工作中，在數據測量之前，對接地電極進行了測試，對于接地電阻大的電極，采用深埋或澆水方法來減小接地電阻。

2.2.3 激發極化法

在野外工作開工前首先對儀器進行硬件測試，儀器測試正常后再開展工作。不極化電極在工作前使用飽和鹽水浸泡，工作過程中保證其埋入濕土中。測量過程中保證測量電流值位于較大的水平，當電流值較小時采用加大供電量，增加電極數，在電極旁澆水等手段。

3 應用實例

花崗巖含水構造通常為富水斷層，多為燕山期或新構造運動形成或復活小型張性斷裂。寬幾米至幾十米;發育深度一般小于500 m，張開的透水性好的裂隙，深度一般不超過200 m;傾角較大，通常為70°～85°。北莊村地處北京市昌平區長陵鎮東北邊界，地處燕山、太行山支脈的結合地帶，屬低山丘陵地貌。第四系覆蓋很薄，沉積地層發育很不完全，主要巖性為中生代巖漿巖。村莊位于近東西向溝谷中，溝內找年有水，旱季流量較小。村莊飲水水源為溝谷內的兩口大口井，井深5～6 m。據村民反映，水的口感差，有腥味，且認為近年來村內癌癥發病率高與飲用水源有關系。村西主溝南側山坡發育近南北向支溝，溝谷平直，延伸較遠。溝西側為二長花崗巖，東側為正長巖，判斷沿支溝發育斷層。若南北向斷層存在，且支溝的匯水面積較大，具備一定厚度的風化殼，可以淺部風化帶孔隙裂隙水結合深部的構造裂隙水作為供水目標層。本次采用上述勘查技術模式在村西主溝南側山坡進行野外勘查，取得了成功。

在地勢較低、場地較寬闊的地段布設高密度測線一條，采用施倫貝格采集裝置。圖1為勘查結果生成的電阻率剖面圖，由圖可見剖面中部兩個低阻異常帶(140 m處和200 m處)被中部高阻分隔，二者傾角較陡，傾向相向。剖面140 m處低阻為正長斑巖巖脈反映(地表出露)，巖脈節理發育，呈碎塊狀。從低阻帶與圍巖的電性差異推測，正長斑巖巖脈或富水或有礦物侵入。

在離高密度測線垂直距離約30 m處布置一條EH－4電導率成像系統勘查測線，其方向與高密度測線大致相同。圖2為EH－4采集數據經隨機附帶的反演軟件進行擬反演后的結果。勘查結果同樣揭示了測線上兩個低阻異常帶的存在(對應于剖面55 m處和160 m處)。

圖1 北莊高密度勘查結果

圖2 北莊EH4勘查結果

兩條測線揭示出兩條斷層的走向為北東10°左右。為了判斷斷層的富水性，選取EH－4測線57 m處開展激電測深工作，結果見圖3。

圖3 北莊激發極化法勘查結果

從激電參數分析，在AB/2為40～60 m范圍內，視電阻率，極化率以及半衰時出現小幅高值異常，綜合三個激電參數高值異常分析，推測斷層富水性較好。綜合分析三種物探成果，在EH－4測線57 m位置布置1個孔位設計井深120 m。鉆探結果表明第四系覆蓋小于1 m，0～10 m為風化層，以下均為中生代花崗巖，在約55 m處為主要破碎出水段，出水量約120，解決了該村居民人畜飲水困難問題。

4 結語

通過理論和實踐表明，在花崗巖嚴重缺水區，音頻大地電磁測深法、高密度電阻率法與激發極化法組合勘查地下水的技術模式是一種可行有效的技術手段。

當電磁干擾嚴重，電磁法類手段無法開展工作時，宜采用高密度電法(直流電法)勘查。此時高密度電法采用多種裝置開展工作。資料解釋時可求同存異，以提高資料解釋的精度。由于受場地大小限制，高密度電法的勘查深度有限;當工區地形條件較好時，則可與激電測深法相結合。激電測深法的勘探深度大于高密度電法，可以彌補高密度法勘探深度不足的缺陷;同時，可根據高密度勘查結果，結合激電測深結果和地質調查結果，分析斷層的發育規模，預測斷層的發育深度，有效確定井位和設計井深。

高密度電法對淺部分辨率高，反演結果受靜態影響小;而EH－4法勘探深度大，可彌補高密度法的不足，同時，EH－4法由淺部不均勻體引起的靜態效應較強，對斷層反映易形成從淺至深的縱向低阻條帶，與實際結果有所偏差，可通過高密度結果和EH－4結果的共同解釋有效分析斷層的空間發育特征，結合水位埋深和斷層規模，較準確地設計井位。

激電測深結果不僅反映地層結構，其二次場參數與地層富水性息息相關，在花崗巖區亦可指示由巖石礦化或礦物侵入引起的水質問題，是花崗巖區工作不可或缺的技術手段。

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P631.3

B

1004－1184(2012)03－0125－03

2012－03－12

中國地質調查局地質調查項目(1212011121149)，華北地方病嚴重區地下水勘察及供水安全示范(1212011121149)

田蒲源(1983－)，男，河北保定人，助理工程師，碩士研究生，主要從事物探技術應用及地下水勘查。