綜合物探方法在渭北地下水勘查中的應用

白嘎力 楊帆 樊雙虎

摘 要：渭北地處鄂爾多斯盆地南部，地質構造復雜，地層巖性多為第四系松散巖、泥巖、白云巖等，含水性較差，尋找低阻斷裂構造是該區地下水勘探的唯一途徑。由于地球物理解釋存在多解性，因此，單一的物探方法很難確定含水層的位置。對此，采用瞬變電磁法進行剖面測量判定低阻異常位置，放射性α法來圈定蓄水構造，激電測深法來準確判定地下水所在的層位及埋深等綜合物探法進行探測。此外，通過正演模型，從理論出發，驗證了綜合物探法聯合找水的可行性。

關鍵詞：瞬變電磁法;放射性α法;激電測深法;正演模擬;地下水勘查

中圖分類號：P641.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）19-0075-04

Abstract： North of Weihe River is located in southern Ordos basin， and complicated geological structure， lithology is the fourth of loose rock， mudstone， dolomite with rather poor water -bearing property and permeability， thus to find out conductive faulted structures is the only way in groundwater exploration. Due to multiplicity geophysical interpretation， it is difficult to determine where the aquifer of the single geophysical method. In this regard， the transient electromagnetic method was used to determine the location of low resistance anomaly， the radioactive α method to delineate the water storage structure， and the IP sounding method to accurately determine the stratum and depth of groundwater. In addition， the feasibility of integrated geophysical prospecting combined with water prospecting was verified theoretically by forward modeling.

Keywords： transient electromagnetic method;radioactive α method;IP sounding method;forward modeling;groundwater exploration

傳統物探法在地下水勘查中主要采用直流電阻率法、高密度電阻率法、激發極化法等單一物探方法尋找水源，由于受地形、巖性和構造影響及體積勘探效應的限制，成井率難以提高[1]。近年來，綜合物探方法找水在我國發展迅速，能有效識別地下含水層，并在斷面圖上有較好的反映。經過鉆孔進行驗證，綜合物探法為機井工程成功率提供了重要保障，并克服了傳統物探單一方法在找水分析理論上的片面性，抑制了單一物探方法的多解性。

1 方法簡介

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Methods，TEM）利用不接地回線（大回線磁偶源）或接地線源（電偶源）向地下發射一次場，在場的間歇期間，地下介質的感應電磁場（二次場）電壓數據隨時間變化。該二次場的大小及衰減速度與地下地質體有相關性，由于二次場衰減曲線的特征，從而判斷地下地質體的電性強弱、規模大小、產狀等[2]。由于該方法具有橫向和垂向分辨率高、對地質噪聲干擾較小、對低阻反應準確且受地形干涉較小等特點，因此在地下水勘查中被廣泛應用。

1.2 放射性α法

該方法主要是用測氡儀測量土壤、水及大氣中氡氣的濃度，然后通過研究氡氣濃度的分布特征來圈定蓄水構造。在潛水面以下，很難測得深處的氡氣;而在潛水面以上，氡氣可以通過擴散作用、對流作用、毛細管作用等向地表遷移[3]。

氡在自然界中主要以游離原子形式沿著巖石裂隙或者孔隙中遷移，因此，構造破碎帶和裂隙發育帶均是氡氣遷移的良好通道。在浮土覆蓋中，氡氣遷移率取決于其透氣性好壞和孔隙度多少。向上遷移的氡氣的來源主要有以下3種：①溶解和存在于地下水中的一部分氡到達潛水面后，從水中逸出向上遷移;②在潛水面附近形成的鐳暈放出的氡氣;③巖石和土壤中的鐳（包括局部放射性不均勻體）放出的氡氣[3]。

1.3 激電測深法

激電測深法是在研究目的層電阻率參數的同時并觀測激電效應的變化。在單一條件下研究地質體的變化電阻率特征很容易出現失誤，而經瞬變電磁法和放射性法探測到的低阻斷裂層（研究目的層），再通過綜合研究目的層的電阻率數據和激電數據可減小上述失誤，提高測量準確性[4]。

2 模型驗證

為驗證瞬變電磁法與激電法綜合找水的可行性，本文建立了一維正演模型（見圖1），表1為模型參數。

2.1 瞬變電磁法一維正演模擬

本次選用矩形大回線源（磁偶源）來發射一次場，采用的計算方法是全區視電阻率法。該方法可消除視電阻率[ρτ]的“畸變”[5]。水平電偶極子均勻半空間上垂直磁感應強度對時間的變化率為[6]：

（1）

式中，[dl]為水平電偶極子的長度;[ρ1]為均勻半空間的電阻率;[r]為收發距;[y]為測點的縱坐標;[u]和[Φ]為：

（2）

（3）

圖2為發射回線與測點位置示意圖，十字為點位測點。線框邊長為500m×500m;點距30m;供電電流10A，測道數為30道。經正演計算，繪制出視電阻率多測道斷面圖（見圖3）。

2.2 激電法二維正演模擬

利用有限元方法對模型進行正演模擬，選用對稱四極裝置，其中[AB]=140m，[MN]=3m。根據等效電阻率公式和視極化率公式[見式（4）和式（5）]，經正演計算，繪制出視極化率曲線圖（見圖4）。

（4）

（5）

式中，[ρ*]為極化電阻率;[ρ]為真實電阻率;[ηs]為視極化率;[ρ*s]為視極化電阻率;[ρs]為視電阻率。

3 實例分析

3.1 測區地質、水文地質概況

3.1.1 地質概況。測區位于鄂爾多斯盆地南緣汾渭地塹中南部，構造形跡較為復雜[7]。區內構造以斷裂為主，其次為褶皺和裂隙，斷層多為發育良好的含水正斷層，對基巖裂隙水具有控制作用。地形呈階梯狀，自西南向東北逐漸升高，系黃龍山脈南迤部分，海拔900～1 543.8m，相對高差150～250m。該區域主要是由第四系上、中、下更新統黃土及下更新統沖洪積粉質黃黏土夾粉細砂組成。

3.1.2 水文地質概況。根據已有的水文地質資料可知：在物探測量深度內，測區地下水分為松散沉積層孔隙水、基巖裂隙水2種類型。

孔隙水含水層為中更新統黃土狀壤土、下更新統粉質黏土和砂礫石，總體上含水一般，根據以前勘查水文資料推測，單井出水量5～10m3/h，主要水源補給為雨水。

基巖裂隙水含水層為三迭系下中統紙坊群砂巖層和二迭系上統石千峰組第三段砂巖層。該區斷裂較多且裂隙發育，是地下水儲存和運移的有利條件，形成富水地段。根據以前勘查水文資料推測，單井出水量可達15～25m3/h，主要水源補給為雨水和孔隙潛水。

3.2 野外工作

瞬變電磁法選用的是長沙白云儀器開發有限公司生產的MSD-2瞬變電磁儀，發射線框為300m×500m的矩形回線大線框，發射線框是根據已有的井位由南向北布置，框內布置一條測線，布置方向為南北方向，點距30m，線圈接收的等效面積為1 080m2，供電電流3A，其發射頻率25Hz，疊加次數為100次，延遲時間為100μs。

放射性測量使用儀器為FFA-2快速α數字閃爍輻射儀，測點與瞬變電磁測點重合。考慮到氡氣衰變具有隨機性，為了讓測得的數據更可靠，本次單點連續測量多次（5次以上），直到數據比較穩定為止，然后每個點記錄5次數據，取其總和來繪制放射性曲線圖。

激電測深法選用儀器為WDJD-3A多功能數字直流激電儀，裝置為等比測深裝置，測點位置的布置是根據已繪制出的瞬變電磁視電阻率斷面圖和放射性α曲線圖來確定，基本是在低阻異常且放射性高異常的附近布置激電測線。

3.3 解釋及結果

圖5（b）為瞬變電磁視電阻率斷面圖，在橫向上可得出以下結論。

①深度為50～200m，整個區域呈相對高阻且阻值大致相同，電性反映為350～450Ω·m。

②深度為200～600m，整個區域呈高低阻相間形式。其中，在0～240m呈現高阻，電性反映為450～700Ω·m;在240～480m視電阻率較低，電性反映為300～350Ω·m，視電阻率曲線形態上顯示向下凹陷，異常深度300m;在480～1 000m呈現高阻，電性反映為500～750Ω·m;在1 020～1 180m，視電阻率較低，電性反映為200～300Ω·m，視電阻率不連續，與兩邊呈現出高低阻相間形式，視電阻率曲線形態上顯示向下凹陷，異常深度250m;在1 200～1 900m呈現高阻，電性反映為500～700Ω·m，在1 920～2 160m視電阻率較低，電性反映為350～450Ω·m。總體來看，在300～450m、1 050～1 140m、1 960～2 010m 3處發現低阻異常。

根據視電阻率斷面圖梯度帶的位置、視極化率曲線圖及已有的鉆孔資料推測鉆井地層如下。①0～100m為黃土層。②100～350m電阻率呈現為相對高阻，其巖性主要為灰褐色、深灰色灰巖，中厚層豹斑灰巖，白云質灰

巖和白云巖。③350～600m以灰色中厚層塊狀微細晶灰質白云巖為主，含水性較差，水位線以上基巖裂隙表現為高阻異常，水位線以下基巖裂隙表現為低阻異常，因此該段電阻率分布不均勻，推斷出其存在裂隙或者斷裂。根據已知井位對應的異常位置，即約為[x]=2 090m處，有明顯的向下凹陷的低阻異常，由此設計井位并圈定主剖面異常位置，然后在異常處安排激電法和放射性法工作來對比、驗證。

通過對異常區做激電測深和放射性工作，得出的曲線圖如圖5（a）和圖6所示。1#和2#在深度為350m以下均顯視充電率高異常且放射性α也呈現高幅值。

對比3種物探方法結果圖，推測出這兩處異常是由裂隙發育帶所引起的，因此，建議將主剖面330、1 030m兩處作為鉆孔位置。經過后期的水文鉆井驗證，兩處涌水量均已達到村民生活用水和農業用水的需求量。

4 結論

在復雜地質背景下，根據不同的地質條件和工作要求，針對性地選取多種物探方法來綜合分析、解釋，以提高工作質量。基于瞬變電磁法和激電法各自特征，建立了多層介質的正演模型，驗證兩種方法找水的可行性，符合實際，便于工程物探應用。

參考文獻：

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[2]廖文鵬，朱通，黃日華，等.綜合物探方法在水資源勘察中的應用[J].物探化探計算技術，2017（6）：768-774.

[3]韓耀昭，辛至秀，韓逢明.氡氣測量尋找基巖構造裂隙水的初步應用[J].勘察科學技術，1985（5）：27-30，22..

[4]梁延廣，王美嶺，張彥湘.綜合電法在紅層地區地下水勘探中的應用[J].中國煤炭地質，2008（11）：69-71.

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[7]李貅.瞬變電磁測深的理論與應用[M].西安：陜西科學技術出版社，2002.