激電測深法在水源地普查中的應用

周運興，焦紅軍，張 晉，郝學峰，王建中

(1.河南省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質隊，河南 鄭州 450053;2.河南省地質調查院，河南 鄭州 450001)

激電測深法在水源地普查中的應用

周運興1，焦紅軍2，張 晉1，郝學峰1，王建中1

(1.河南省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質隊，河南 鄭州 450053;2.河南省地質調查院，河南 鄭州 450001)

激電測深法作為一種傳統的電法勘探手段，在水源地普查中起了重要的作用。利用對稱四極激發極化測深法，結合鉆探及測井成果，能夠查明淺層含水層的結構、含水層的分布范圍、厚度、埋深，推斷水源地的富水性、導水系數等，提高了水文普查精度，提高鉆探效果和減少了鉆探工作量。以沿黃城市后備水源地(鄭州東區)為例，介紹對稱四極激發極化法在水源地中的應用。

激電測深法;沿黃城市;水源地;普查

隨著城市規模的擴大，城市供水壓力日益加大，為城市發展規劃提供水資源依據，在沿黃地區開展水文地質調查，勘查評價地下水資源量，提供建議勘查開發的城市后備水源地。物探在水源地的勘探中，起了重要的作用。查明淺層含水層結構，各含水層的分布范圍、厚度、埋深、富水性、導水系數等，圈定地下水富水段以及淺層含水巖體的邊界條件及底板形態，配合水文地質測繪和鉆探，提高水文普查精度，提高鉆探效果和減少鉆探工作量。

1 概況

1.1 自然地理概況

鄭州東區水源地位于中牟縣東北東漳－狼城崗黃河大堤內，地形平坦，地勢整體趨勢為西高東低，微向北東傾斜，北部黃河自西向東緊鄰測區北側橫貫全區，地面標高在73～88 m之間。地貌類型主要為堆積地貌，其形態有黃河漫灘和黃泛平原。

1.2 地質概況

1.2.1 地層巖性

黃河下游平原及周邊地區的地層自太古界至新生界均有出露。現主要對平原區一定深度內分布的新近紀以來的堆積地層簡述如下:

新近系(N):出露于山前，主要為河流－湖泊相沉積。巖性為較松散或半膠結狀的砂巖、砂礫巖、泥灰巖和泥巖。平原區廣泛被第四系所覆蓋，巖性為泥巖夾各類砂層，深供水井和地熱井均揭露到該層。

第四系(Q):黃河下游廣泛分布第四系，厚度較大。開封凹陷中心厚度達400m以上。

1.2.2 地質構造

本區地跨華北臺坳的濟源 －開封坳陷、東明斷陷、濟陽坳陷及魯西臺隆的魯西隆起等構造單元。區域主要斷裂有:NNE、NE向的長垣斷裂、黃河斷裂、聊蘭斷裂、曹縣斷裂、巨野斷裂;EW、NW向的有新鄉 －商丘斷裂、鄭汴斷裂、荷澤斷裂等，均為活動性深大斷裂。

1.3 水文地質條件

黃河下游平原廣泛分布新生代新近紀和第四紀松散堆積物。松散層中夾有較多的各類砂層，這些砂層構成本區主要含水層，賦存有較豐富的地下水資源。由于各含水層埋藏深度、厚度、形成時代、成因和平面上所處位置不同，使得含水層的巖性、膠結程度、富水性，地下水的化學成份等存在很大差異，由于地下水均賦存于松散層的孔隙中，所以本區地下水含水類型均為松散巖類孔隙水。

1.4 地球物理特征

工作區主要目的層為黃河沉積的松散砂層、砂礫石層。相對埋深而言具有一定的厚度和規模，特別是淺層含水層組，分選性好，透水性強，與隔水的粘土巖類電性差異明顯，具備地球物理勘探的前提。

統計工作區的物探資料，可知各類巖性電性參數常見值(表1)。

表1 不同巖性電性參數常見值表

激電參數與松散層巖性顆粒度有關。整體上顆粒度大，導水性好，則激電參數高。顆粒細，激電參數低。另一方面，激電參數與松散層沉積條件有一定的關系。顆粒度相近的地層，深部形成時期早，砂層相對致密，激電參數高。淺部地層相對較疏松，地下水徑流量大，砂層激電參數略低。

綜上所述，在本區采用激電測深法勘探，工作設計得當，并注意剔除干擾，是能夠解決所要查明的地質問題的。

2 工作方法

野外采用對稱四級激電測深法。結合實際地質情況，為保證曲線首枝達到漸近線及滿足探測深度要求，選擇最小供電電極距3 m，最大400 m。

布設勘探線4條，總長約51 km。其中垂直黃河走向3條，線距為 5 000 m，點距 500 m;平行黃河走向 1條，點距1 000 m。總測深點74個(圖1)。

圖1 物探工作部署圖

野外工作采用重慶儀器廠生產的DZD－6A型多功能直流電法儀。直接測取視電阻率 ρs和視激發極化率 ηs，依據衰減曲線計算出綜合參數ZP、半衰時TH、衰減度D。

野外定點用GPS衛星定位儀結合1:5萬地形圖定點。野外工作嚴格按照《直流電法工作規范》要求執行。每天出工前均對儀器、線架及電池進行漏電檢查，對不極化電極進行極差測定。保證一次場電壓大于10 mv，供電電源采用干電池組，最大供電電壓600 v。隨著極距的增加，增多供電電極，減少接電電阻來增大供電電流。一次場電壓較小時，進行多次重復讀數來壓制干擾。

為保證第一手資料的準確性，根據規范要求，全區共布設質量檢查點4個，全區均方相對差2.6%，最大3.9%，最小1.5%，誤差小于規范要求的5%，表明野外資料可靠，精確度較高。

3 成果及解釋

3.1 解釋方法

3.1.1 定性分析

為了確保地面物探資料的準確、可靠，在對所有野外資料數據進行全部復核后，對部分曲線進行了適當的圓滑處理。電測深曲線類型取決于地電斷面的性質。曲線類型的變化可以反映地下巖性的變化特點。分析研究工作區電測深曲線類型可知:該區曲線類型大部分為K型曲線，極少部分為HK型。HK型曲線主要在大堤或磚廠附近，淺表層為碎石磚塊充填。而K型曲線則恰好反映了測區大部分地段的淺部含水層顆粒粗、分選性好及深部砂與粘土互層的電性特征。

為反映測線通過的垂直斷面中視電阻率的變化情況，以便清晰直觀地反映出含水層顆粒厚度總的變化趨勢，繪制了ρs等值斷面圖。

ρs等值斷面圖:以測線的各測深點為橫軸，以logAB/2為縱軸，然后將不同的logAB/2值所測得的值標在相應測點的縱坐標上，用內插法繪出ρs等值線。

3.1.2 定量解釋

對電測深資料初步分析認為選取 T函數擬合法(圖2)、K反射系數法和井旁測深曲線類比法。三種方法主要根據測深曲線的變化形態、幅值、上升(下降)角度等地電參數，充分利用計算機技術及現代數學地質方法，來準確地劃分地層剖面、區分不同巖性，并與已知井的井旁測深曲線進行擬合分析達到由已知到未知的解釋目的。

圖2 T函數一維反演模型圖

由于三種解釋方法從不同角度對曲線進行解釋，因而運用三種結果進行分析、對比，可以較好剔除干擾造成的假異常，盡可能地進行物探資料－地層剖面的轉化。

水文地質參數求取:工作區含水層為第四系砂層，為高阻巖性，隔水層為粘土巖類，為低阻。視電阻率測深曲線的高低，直接反映含水層顆粒的粗細與厚薄，反映地層的賦水性與導水性。視電阻率測深曲線與橫坐標圍成面積與對應深度范圍的地層導水系數密切相關。由地質條件相類似，已知地層導水系數對應視電阻率測深曲線積分作一元線性相關分析，一元線性回歸方程為:

其中T為(100m以上地層)導水系數，R為 AB/2=9m至AB/2=120m視電阻率數值積分，本區 a、b常見值為 a=0.34，b=40m/d。

3.2 解釋成果

3.2.1 地層劃分

為了直觀地反映所測剖面上地地電特征及所反映的地層情況。依據前述ρs等值斷面圖及定量解釋結果，分別對各剖面線做了推斷地質剖面圖，以Ⅲ－Ⅲ'剖面為例說明(圖3)。

Ⅲ－Ⅲ'剖面。垂直于黃河走向，剖面方向9o，南起中牟縣狼城崗鎮瓦坡村，北至韋灘村北黃河邊，地面標高79～88 m。斷面淺部為低阻閉合或半閉合圈，反映為粉質粘土和粘土的電性特征。中深部為高阻閉合或半閉合圈，尤其靠北部，閉合圈阻值達50Ω·m和60Ω·m，表明斷面中段顆粒含水層的典型特征，并且由南向北顆粒逐漸增大。深部ρs值逐漸下降，反映下伏粉質粘土、粘土地層地電性特征。

3.2.2 富水性評價

綜合全區地面物探結合測井及鉆探資料可知，底板埋深120～130 m以上的中深層含水段，其巖性粒徑較大，基本不含泥質或泥質含量低，滲透性好，屬強富水段，水質好，是地下水開采的主要層段。其下部巖性粒徑變小，泥質含量增高，部分含水巖組泥質膠結，滲透性變差，富水性相對變弱，該含水段，屬較深部相對弱地下水開采段。

圖3 Ⅲ－Ⅲ＇測線等ρs斷面及推測地質剖面圖

利用前述的相關分析方法，對測區內全部測深點進行了數據處理，得出了各點的導水系數(根據本水源地的地質條件及本次供水勘探的要求，T值計算均為100 m以上含水層值)依據計算結果，可以看出，導水系數分布差異不大，規律明顯，接近黃河河道大堤以北，導水系數較大平均為1 700 m2/d，向南逐漸變小。沿測區由西向東，導水系數逐漸減小(圖4)。

3.2.4 推測古河道位置

根據古河道沉積顆粒較粗，視電阻率會相對較高的電性特征，我們采用面積積分的解釋方法，對測區內所測電阻率參數進行了處理，依據處理后的數據，以電性差異變化明顯處為界，圈定了古河道的位置和范圍(圖4)。

由視電阻率處理后的數據可以看出，經過處理后的數據在平面上呈現一條近東西走向的條帶狀高值異常區。從推測地質剖面圖上看，異常區均有淺部含水層底板相對稍深的

3.2.3 水文地質參數分區趨勢，因而推測為古河道位置。

圖4 導水系數及推斷古河道位置圖

圖5 淺層含水層底板埋深等值線圖

3.2.5 淺層含水層地板埋深

利用本區激電測深K型曲線的T函數反演法確定的淺層含水層底板，結合本區鉆探及測井資料，生成了淺層含水層底板埋深等值平面圖(圖5)。可以看出，從南向北，從西向東，淺層含水層底板埋深逐漸減小，最深達96 m，最淺62 m。

4 結論

通過物探勘查，查明了淺層含水層結構，各含水層的分布范圍、厚度、埋深、富水性、導水系數等，圈定地下水富水段以及淺層含水巖體的邊界條件及底板形態，配合水文地質測繪和鉆探，提高水文普查精度，提高鉆探效果和減少鉆探工作量。總之，在水源地勘查中，對稱四極激發極化測深法作為傳統的物探方法效果好，效率較高，成本較低，是一種切實可行、置信度較高的方法。

［1］付良魁等.電法勘探教程.地質出版社.1983.

［2］趙云章等.黃河下游影響帶地下水資源評價及可持續開發利用.中國大地出版社.2002.

［3］趙建糧，陳天振.MT法在開封凹陷地熱資源調查中的應用［J］.物探與化探，2010，34(2).

［4］李保群，王喜軍.河南省鄭州北郊水源地供水水文地質地球物理勘探報告［R］.河南省鄭州地質工程勘察院，1995.

TV211

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1004－1184(2012)01－0104－03

2011－08－26

周運興(1963－)，男，河南鞏義人，工程師，主要從事水文地質及工程地質工作。