直流電阻率測深法在魯西南(中西部)高氟區找水中的應用

劉增珉

(山東省國土測繪院，山東 濟南 250013)

0 引言

魯西南(中西部)地區位于黃河下游，為黃河沖積平原區，該區域地下水中氟及礦化度含量普遍較高，也是山東省地方性氟中毒病情比較嚴重的地區[1]。據調查，區域內機民井用水多集中在淺層及中層，大部分水中氟及礦化度含量均超出飲用水標準[2-3]。區內地下水水質具有垂直分帶性，含淡水砂土層與黏土層存在一定的電阻率差異[4-5]。一般情況下，地下水中的高氟、高礦化度之間為伴生關系，高氟、高礦化度地下水多賦存于以黏土、亞黏土等細顆粒為主的松散巖類中，黏土層及高礦化度地下水均表現為低電阻率的地球物理特征[6]。

本文通過研究區內深層黏土與砂土含水層電阻率的細微變化，利用電阻率測深曲線反演、斷面圖及等值線剖面圖結合水文地質資料對區內地層在垂向上的含水性進行了綜合解釋。最終確定了各重點區鉆孔位置，并通過后期的鉆探資料驗證了物探推斷成果與實際情況基本吻合。因此利用直流電阻率測深法結合水文地質資料對該區域含水層位進行詳細識別，能夠較準確地找到含氟及礦化度相對較低的可飲用水資源。

1 區域水文地質概況

研究區屬于黃河沖積平原區，沉積有巨厚的第四紀和新近紀松散堆積物，地下水主要賦存于松散堆積物的孔隙中，受地層、古氣候及沉積環境等因素的影響，含水層的分布、水化學特征及地下水水力性質比較復雜[7]。高氟水在各含水巖組均有分布，且具有一定的分布規律。淺層地下水氟含量比較集中，地勢低洼地區和相對較低的地方易形成高氟水，氟離子含量最大為4.6mg/L；深層水氟離子分布規律比較明顯，從研究區自西往東，氟離子含量總體呈逐漸增大的趨勢，氟離子含量最高為4.0mg/L左右。

區內地下水水質具有垂直分帶性，其結構可分為：上中部為咸水—下部為淡水的雙層結構和上淡—中咸—下淡的三層結構2種類型[8]。根據含水層的水力性質、水化學及埋藏特點，將區內松散鹽類孔隙水劃分為3個不同的含水巖組：即淺層潛水含水巖組、中深層承壓含水巖組和深層承壓含水巖組[9]。其中，淺層和深層地下水是主要開采層位(圖1)。

1—礦化度界線；2—剖面線；3—地下水流向；4—研究區范圍；5—地下水富水性界線；6—淺及深層全淡水區；7—松散砂層；8—咸淡水界面；9—含水巖組代號；10—孔號/標高(m)；11—孔深(m)圖1 研究區水文地質與剖面簡圖

2 區域地球物理特征

區內第四紀松散巖層視電阻率較低，一般在6～40Ω·m。當含砂量增高時，視電阻率值隨之增大。通過收集到的附近電測井資料，區域內黏土的視電阻率值在6～16Ω·m，砂土的視電阻率值略大于黏土在16～40Ω·m之間(表1)。咸水層礦化度要高于淡水層[10]，黏土層賦含咸水，砂層賦含淡水，因此在含水層中黏土咸水層的視電阻率要小于砂層淡水層，這是劃分該區內咸淡水分界面的主要依據。電阻率與地下水礦化度關系密切，高氟又易與高礦化度伴生存在，因此，賦存高礦化度地下水的黏土層與賦存可飲用地下水砂土層電性上的差異為利用電法在該地區勘查出可飲用地下水提供了基本的物性條件[11]。

表1 含水層電阻率與礦化度的關系

區內第四系及新近系厚度均較大，在1000m左右，該次工作勘探深度并未達到基巖深度，因此，對基巖裂隙水并無反映。綜合水文地質資料進行分析，認為該次水文物探工作的主要目標層位應是新生代松散沉積地層中砂巖、砂巖與泥巖互層這一層位，可通過電阻率測深精細解釋推測出松散沉積地層中的相對高阻層，從而達到尋找砂巖、砂礫巖層相對較厚區段的目的[12]。

3 工作方法

該次電法工作所使用儀器為中裝集團重慶地質儀器廠生產的DZD-6A多功能直流電法(激電)儀，所采用裝置為對稱四極等比裝置，AM=NB，記錄點在MN的中點。其電極距序列AB/2為： 5，10，15，25，40，65，100，150，250，350，500，750，1000，1250，1500，1750，2000(m)局部地段根據實際情況增大AB距，AB/MN=5/1。

4 牡丹區沙土集重點區

牡丹區沙土集鎮重點區位于聊考斷裂以東，菏澤斷裂以南，菏澤凸起區塊內。區內第四系及新近系厚度1000m左右。地貌屬于古河床高地邊緣地帶。巖性主要由黏土層、粉砂質黏土、黏土質粉砂及粉、細砂層組成，其中砂層為主要儲水層位。

4.1 測線布置

測線垂直于古河床高地和緩平坡地接觸帶布置，測線方位角90°，線距500m，點距250m，共布設5條測線，每條測線測點數20個，測線長4750m，5條測線共100個測點。以研究區西南角為起始點，即線號為100，點號為1。

4.2 電測深曲線特征

通過野外實測，將電測深曲線進行了室內整理并確定曲線類型，發現測區內電測深視電阻率曲線較為復雜，但大多為表層曲線形態的變化，為表層地層電性不均勻影響，曲線從整體上呈四層地電模型曲線[13]。

從測深單點曲線圖(圖2)可以看出，該區為表層低阻，第二層相對高阻，第三層低阻，底層高阻的四層地電模型特征，電測深曲線類型為KH型[14]，曲線變化段中點分別出現在AB/2=15m，150m，1250m左右。從圖2上可以看出，曲線首支視電阻率反映的為地表不均勻電性層，在15m10Ω·m)[15]。整條曲線視電阻率最大不超過35Ω·m，均為新生代松散沉積地層電性特征反應，勘探未達到基巖深度。

圖2 沙土集重點區100線20號點電測深曲線圖

4.3 電測深曲線反演

采用中國地調局物化探研究所開發的電法處理軟件電法工作站2.0對測深曲線資料進行反演(圖3)，選取層狀介質模型的反演結果(表2)來確定每層深度、厚度。對照反演結果表，結合區域地質、水文地質特征和電性特征，該區分為四層：表層ρs = 13.02Ω·m，為第四紀含砂礫壤土層的反映；第二層 ρs =32.01Ω·m，為第四紀砂礫石層的反映；第三層ρs =3.56Ω·m，為第四紀黏土層的反映；第四層ρs =11.48Ω·m，為砂層與黏土互層，砂層為主的反映。

圖3 沙土集重點區300線18號點測深曲線層狀介質反演圖

表2 沙土集重點區300線18號點層狀介質反演結果

4.4 測深資料綜合解釋

從測深曲線類型圖(圖4)可以看出，區內測深曲線類型大體相同，大多為四層KH型。且曲線特征點及分層拐點位置也大致一樣。從視電阻率斷面等值線圖(圖5)可以看出，地電斷面的四層結構，表現為在AB/2<15m區間低阻，在15m1250m區間高阻的四層地電結構，與以上所述一致。結合該區的地質資料分析，該區內第四系及新近系較厚，可達1000m，主要由黏土層、砂層及其互層組成。砂層賦存淡水，黏土層一般含水礦化度較高。因此，綜合區內地質及水文地質資料，對測深曲線的細微變化進行了精細的定性、定量綜合解釋[16-20]：在h<20m的低阻層為表層土壤的電性反應，在20m250m，巖性為砂層與黏土互層，以砂層為主。因此，推測深層咸淡水分界面為h=250m。

圖4 沙土集重點區300線視電阻率曲線類型圖

圖5 沙土集重點區300線視電阻率斷面圖

圖6 牡丹沙土集重點區視電阻率測深AB/2=1250mρs等值線平面圖

根據牡丹區沙土集重點區視電阻率測深AB/2=1250m等值線平面圖(圖6)可以看出，在推斷的砂層平面分布上， 300號測線12號點附近深部砂層賦存情況較好，因此選取鉆孔孔位在300號線12號點附近。據后期ZK-1電測井資料及水文鉆孔揭露巖性資料顯示，鉆孔243.25m以上視電阻率曲線平滑且幅值較低，天然伽馬曲線幅值也低，巖性以黏土和砂質黏土為主，其富水性較差。243.25m以下視電阻率曲線幅值較上部略高，砂層和砂質黏土交替出現，砂層富水性好，與電測深推斷解釋結果吻合。后期經與周圍機民井水質對比,該鉆孔深層水所含氟化物及礦化度均有明顯下降，明顯改善了當地居民的飲水條件。

5 曹縣常樂集重點區

曹縣常樂集重點區位于聊考斷裂以東，魚臺斷裂以南，菏澤凸起區塊內。區內第四系及新近系厚度1000m左右。地貌屬于古河床決扇口邊緣地帶。巖性主要由黏土層、粉砂質黏土、黏土質粉砂及粉、細砂層組成，其中砂層為主要儲水層位。根據收集以往地下水水化學垂向分布特征資料顯示，該區為上淡—中咸—下淡的三元地下水分布結構。

5.1 測線布置

曹縣常樂集地區位于聊考斷裂以東的古河床絕扇口和緩平坡地接觸帶附近。接觸帶走向近SN向。因此，布置測線方位角90°，線距500m，點距250m，線距500m，點距250m，共布設5條測線，每條測線測點數20個，測線長4750m，5條測線共100個測點。以研究區西南角為起始點：即線號為100，點號為1。

5.2 電測深曲線特征

通過野外實測，將電測深曲線進行了室內整理并確定曲線類型，發現測區內電測深視電阻率曲線較為復雜，但從整體上體呈五層地電模型曲線。從測深單點曲線圖來看，300線3號點(圖7)為五層KHK型曲線。但后者除了尾支(AB/2>1000m)視電阻率略有下降外，曲線整體形態，特征點，拐點位置與三層曲線類型圖一致，對于曲線淺部形態，因表層土壤電性不均勻引起視電阻率起伏差異而導致的曲線形態變化，因對深層巖層賦水性情況并無影響，在此不做討論。從曲線整體圖上看，去掉首尾支，地電斷面基本表現為三層結構，因此，選取三層地電斷面對曲線做特征點劃分。曲線拐點分別出現在AB/2=40m，400m左右。在AB/2<40m區間，為表層高阻(10Ω·m<ρs<30Ω·m)；在40m400m區間，為底層高阻(10Ω·m <ρs<20Ω·m)。從整條曲線電阻率值大小可以看出，地層視電阻率最大不超過30Ω·m，均為第四系及新近系電性特征反應，勘探未達到基巖深度。

圖7 常樂集重點區300線3號點電測深曲線圖

5.3 電測深曲線反演

該區視電阻率測深曲線表現為五層地電介質模型，但根據前期收集附近鉆孔資料顯示，地電斷面實際模型大體可劃為七層結構。因此，選取七層層狀介質模型對測深曲線反演(圖8)。對照反演結果表，結合區域地質、水文地質特征和電性特征，該區分為以下七層：表層ρs=10.62Ω·m，為第四系含砂礫壤土層的反映；第二層ρs =27.23Ω·m，為第四系砂礫石層的反映；第三層ρs=4.12Ω·m，為第四系黏土層的反映；第四層ρs=21.93Ω·m，為砂層與黏土互層，砂層為主的反映；第五層ρs=8.30Ω·m，為砂層與黏土互層，黏土層為主的反映；第六層ρs=20.04Ω·m，為砂層與黏土互層，砂層為主的反映；第七層ρs=7.19Ω·m，為黏土、砂質黏土的反映。其中第四、五、六層均為砂層與黏土互層的反應，也可以歸為一層，這與測深單點曲線的五層結構是基本吻合的，區內其他測深曲線大體和此測深曲線類型相似。

圖8 常樂集重點區300線3號點測深曲線層狀介質反演圖

表3 常樂集重點區300線3號點層狀介質反演結果

5.4 測深資料綜合解釋

從測深曲線類型圖(圖9)可以看出，區內視電阻率測深曲線類型比較復雜，但曲線特征點及拐點位置卻基本一致。特別是對于中層低阻層和底層高阻層分界面基本一致，從視電阻率等值線斷面圖(圖10)上可以較好地看出此點。結合該區的地質資料綜合分析，第四系及新近系較厚大于1000m，主要由黏土層、砂層及其互層組成。砂層賦存淡水，黏土層一般含水且礦化度較高。因此推斷：在h<5m的低阻層為表層土壤的電性反應，在5m550m，巖性以黏土為主。因此，推測深層咸淡水大致分界面為h=300m。根據視電阻率測深AB/2=500m等值線平面圖(圖11)可以看出，在推斷的砂層平面分布上， 200號測線13號點附近深部砂層賦存情況較好，因此選取鉆孔孔位在200號線13號點附近。據后期ZK-5鉆孔電測井資料及水文鉆探揭露巖性資料顯示，該鉆孔揭露309.47m以上巖性以黏土和砂質黏土為主，309.47m以下巖性砂層和砂質黏土交替出現，砂層富水性較好，與電測深推斷結果吻合。

圖9 常樂集重點區300線視電阻率曲線類型圖

圖10 常樂集重點區300線視電阻率斷面圖

圖11 常樂集重點區視電阻率測深AB/2=500mρs等值線平面圖

6 結論

通過研究重點區內深層黏土與砂土含水層視電阻率的細微變化，綜合地質、水文地質資料及物探成果在牡丹區沙土集及曹縣常樂集重點區分別施工了ZK-1及ZK-5兩個鉆孔，終孔深度分別為407m與405m，綜合單井涌水量分別為1209.33m3/d及1625.66m3/d，所出水質相較周邊有明顯的改善，氟化物及礦化度含量均明顯降低。

雖然本次工作受到了一些因素的制約，但工作過程中，充分發揮了常規電測深法經濟、高效的特點，還是較好的完成了在高氟、高礦化度地區尋找理想淡水資源的任務，也為今后在相似區域開展相關工作提供了基礎參考。