直流電法勘探在低阻屏蔽層下尋找巖溶水遇到的問題處理方法及應用效果

摘 要：新鄭地區上部存在著巨厚的第四系及新近系地層，對電法勘探來說為不利的低阻屏蔽層，通過在低阻屏蔽層下尋找巖溶水遇到的問題，結合實例介紹了電法勘探儀器參數設置方法，野外施工中遇到的導線漏電問題處理方法，觀測數據離散情況下原始數據采集處理方法，從以往電法勘探施工實例講述了勘探測線測點間距大小選區取方法，講述了電法勘探結果的多解性及需要注意的問題。從測點單支曲線特征、測線剖面上反映特征以及確定井位的方法，提出了以后在該區物探工作測點間距的建議，對電法勘探的體積效應提出了自己見解，對以后在華北地區巖溶水的分布規律有了進一步的認識，對以后在華北地區尋找巖溶水提出了建議。

關鍵詞：直流電法;低阻屏蔽層;巖溶水

DOI：10.12249/j.issn.1005-4669.2020.26.311

1 引言

新鄭卷煙廠建廠初期為了滿足煙廠供水需求，委托河南某物探隊首先進行了二維地震勘探，然后又進行了直流電法勘探、激電測深等方法，最終確定井位，施工了1#供水井，最終成井深度740m，水井出水量為30m3/h，這樣的出水量滿足不了煙廠供水需求。因此，卷煙廠又委托河南煤田地質局一隊幫著他們解決供水問題。我們接到任務后，通過卷煙廠向原物探單位獲取了地震勘探資料成果資料、直流電法勘探資料、激電測深等原始資料，通過對1#水井物探資料的分析，結合新鄭煙廠區所處水文地質條件，我們僅采用直流電法勘探方法在該區確定了2#水井井位，最終成井深度520m，水井出水量達到了400m3/h，其中水井自流流量就達到150m3/h。在同一個地區確定的井位，水井出水量怎么能有如此大差別呢？最根本問題是物探方法運用及物探資料解釋上出現了偏差等原因造成的。下面結合我們在該區運用直流電法找水實例說明電法勘探的方法和在電法勘探工作中遇到的問題及處理方法以供電法勘探工作者探討。

2 工作區地質背景、水文地質條件及構造特征

2.1 地質背景

新鄭煙廠區位于新鄭市區東南，地層分區上屬華北平原區豫東小區，該區上部全部被第四系地層覆蓋，第四系及新近系地層厚度約380m，巖性以黏土、砂質黏土為主夾粉、細砂層，下部為石炭、奧陶、寒武系地層。其中石炭系地層巖性以砂質泥巖及灰巖為主，平均厚度86m，奧陶系地層巖性以灰巖為主，平均厚度55.0m，寒武系長山組地層巖性以灰巖為主，平均厚度154m。本區第四系及新近系雖然有粉、細砂含水層，如果取該含水層水存在與地方水井相互影響的問題，并且該含水層水井單井出水量不能滿足供水需求。因此，電法勘探目的層位是深部石炭系、奧陶系、寒武系灰巖含水層，尋找灰巖巖溶水。

2.2 水文地質條件

新鄭煙廠區位于新鄭礦區東部平原區，根據區域水文地質圖，新鄭煙廠區水文地質單元上位于超化-辛店-李良店水文地質亞區的東段，該亞區地勢西高東低，南高北低。西部為低山丘陵，東部為崗地和平原。地層走向大致為北西-南東，傾向以北東為主，西部寒武、奧陶系灰巖出露較好，出露面積約30Km2，為地下水補給區，地下水補給來源主要為大氣降水，地下水流向自西向東，多沿斷裂帶逕流，較大斷裂帶是地下水的主要逕流帶。地下水自西向東逕流過程中，在地形及構造適合的地帶，以泉的形式，部分排泄于地表。

2.3 構造特征

新鄭煙廠區構造位置上位于新密復向斜的東段，新密復向斜為一西窄東寬，軸向近東西，西端仰起，東端傾伏的復式向斜構造，向斜東段發育有滹沱背斜，煙廠區就位于滹沱背斜的東北翼，大隗正斷層的下盤。大隗斷層走向東西，傾向北，為一南升北降的正斷層，落差西大東小，落差400-1000m，斷層帶厚，擠壓破碎嚴重，具強導水性。新鄭煙廠附近還發育北西向斷層，這些斷層破碎帶及斷裂帶受力破壞位置形成地下水主要通道。在新鄭礦區的東部發育有軸向為北東-南西走向的八千背斜，八千背斜對地下水的逕流又起了阻擋作用，改變了地下水的流向，由于構造影響及含水層賦存特征，該區巖溶水含水層為承壓水含水層，使得該區西部以往施工的勘探鉆孔時有涌水情況的發生，施工的水井也有自流井，許多地方地下水以泉的形式排泄。

3 直流電法勘探工作方法

3.1 地層地球物理特征

新鄭煙廠區上部為第四系及新近系地層，巖性主要為黏土層，砂質黏土層，粉細砂層等，根據在該區的測井資料，該區上部地層中黏土層電祖率較低，一般10-40Ω·m，粉砂電祖率一般40-50Ω·m，細砂電祖率一般在50-80Ω·m，下部為石炭系泥巖及砂質泥巖，電阻率一般在80-120Ω·m，石炭系灰巖電祖率值一般大于500Ω·m，一般在200-800Ω·m，石灰巖電阻率變化較大，這與灰巖含水性密切相關，灰巖含水，電祖率值明顯變低。本區上部第四系及新近系的黏土及砂質黏土層視電阻率值較低，在直流電法勘探中，對電法勘探起到了不利的屏蔽作用，隨著勘探深度的增加，測得的電位差值很小，往往1mv以下，即使提高供電電壓，增加供電電流，效果也不是很明顯。本區的下部灰巖與上部砂泥巖地層電阻率差異，以及含水灰巖與不含水灰巖電性差異是本區電法勘探的理論基礎，直流電法勘探找水就是利用這個電性特性差，電性異常判斷地層富水型特征。在下部高阻的灰巖中尋找低阻地段，是尋找巖溶水最主要的方法。瞬變電磁勘探方法，尋找巖溶水也是利用高阻中找低阻，尋找巖溶水。

3.2 物探方法選擇及測量儀器參數設置

直流電測深法是以地下巖（礦）石的電性差異為基礎，人工建立地下穩定直流電場或脈動電場，通過逐次加大供電（或發送）與測量（或接收）電極極距，觀測與研究同一測點下垂直方向不同深度范圍巖（礦）層電阻率的變化規律.以查明礦產資源或解決與深度有關的各類地質問題的一組直流電法勘查方法。通過分析電測深曲線來了解測點下部垂向變化的地質情況。其原理已經很成熟，測量裝置一般采用對稱四極裝置或三極裝置，有一對供電電極，一對測量電極，布極方法根據地形、地質構造條件選擇布置，一般垂直構造走向布置，在此不在贅述。

新鄭卷煙廠位于新鄭市區，地形較平坦，但地面建筑物較多，依據地形及地物條件，決定采用直流電法，采用三極電測深裝置。

電法勘探工作使用TD-3型數字直流電法儀，供電及測量電極均使用銅電極，測線垂直地層及斷層走向，沿近南北方向布置，無窮遠極垂直測線方向，布置在西部，無窮遠極距離取供電最大供電極距OA的5倍，布置的位置距測點5000m。為了提高地下異常的探測精度及靈敏度，供電和測量極具AB/MN采用10/1，根據新鄭煙廠區目的層深度埋深特征，最小供電極距OA采用100m，最大供電極距OA 1000m。采樣點采用八階等比極距。供電電源使用直流干電池組，最大供電電壓達600V。

電法勘探中采用的電法勘探儀器測量參數設置直接影響到測量結果，選擇合適的采樣參數能夠真實的反映地下異常。實際工作中，電法勘探測量時儀器采樣參數設置如下： TIME-發射和張弛時間800ms，V-DELY-為一次場第一個點采樣延遲時間取200ms，M-DELY-二次場第一個采樣延遲時間取250ms，M-END-二次場第一最后一個采樣點時間取300ms，M2-END-二次場最后一個采樣點時間取350ms。（各參數意義指示的意義見圖1。）

3.3 電法勘探野外施工及資料處理過程中幾個關鍵問題及處理方法

3.3.1 導線漏電問題

直流電測深法遇到的首要問題是供電導線及測量導線的漏電問題，無論是采用單根背覆線還是采用多股供電電纜，施工過程中供電導線及測量導線出現漏電，相當于供電增加了供電點，測量電極增加了測量電極，實際上是供電極距和測量極距都已經不是設計的電極距了。這樣就改變了電法勘探的模型，電法勘探是基于地下半球體空間而建立的一個勘探模型，漏電改變了原勘探模型中的電流分布形態，造成實際測量的地下半球體模型和理想的電法勘探模型的差距，因此造成測量結果的偏差，甚至完全錯誤，導致測點曲線畸形，影響測量結果的真實性。

3.3.2 供電或測量極距錯誤的問題

在施工過程中供電極距或測量極距錯誤問題非常普遍，極距錯誤造成探測結果的錯誤，測深曲線出現畸變，直接影響資料解釋的的偏差。這個問題在施工過程中很容易發現，每個極距測量完畢，及時回放測深曲線，看測量成果曲線是否光滑，漸變，測量值是否有突變，如果有異常，及時與放線布極人員核對極距是否錯誤。以便獲得真正的勘探成果野外資料。

3.3.3 野外觀測數據離散情況下數據取舍方法

新鄭煙廠區第四系及新近系覆蓋層厚度達380m，地下水位較淺，上部形成低阻屏蔽層，是直流電測深勘探的不利因素，再加上工業離散電流的干擾，測量電位差往往比較低，在1mv以下，這樣就導致測量數據比較離散。測量結果取值直接偏差直接造成導致成果解釋資料的誤差，甚至錯誤。在這種情況下如何正確獲得真實可靠的測量成果資料是直流電法勘探最終解釋成果正確與否的關鍵。在實際工作中僅測量一兩次是不行的，需要采取多次觀測，對每次觀測結果采用數理統計的方法，取測量結果出現頻數最高的值作為觀測值，因為真實的數據即使在離散狀態下，也必然符合正態分布的原則，取集中度最高的數值作為觀測結果，確保了數據的真實性。確保電法勘探的總精度，無位均方相對誤差m控制在±1.5以內。

3.3.4 測點間距選擇問題及電法勘探體積效應

電法勘探找水，勘探布置往往都是布置幾條勘探測線，最終形成勘探網。而每條勘探測線上勘探點距的大小直接影響著最終勘測成果。一般采取先疏后密，最后重點加密的方法。在實際工作中，根據我們的實際測量經驗，測點布置最開始布置為間距100m，在測量結果有異常地段進行加密測量點，首先加密至50m間距，再增加到25m間距，最終井位確定時觀測點間距達到12.5m。

3.3.5 電測深資料多解性處理

電測深觀測數據資料是地下半球體空間的綜合反映，具有多解性，如何去偽存真是資料解釋的基礎，物探資料解釋的關鍵是要與地質相結合。新鄭卷煙廠1#井出水量小的問題，就是忽視了資料的多解性，從原始測深資料及激電測深資料看，原測深資料最大極距為750m，從單點測深曲線看，尾部曲線沒有起來，也就是說深度不夠，最后測深極距需要增加，確保單點測深曲線解釋成果有對比標志。從激電測深曲線上看，所獲得的激電資料確實比較好，所測得極化率，激發比較高，僅憑這些就判斷該測深點是富水是比較武斷的，沒有結合區域地質資料，沒考慮到電法勘探資料畢竟是間接勘探，勘探資料具有多解性，新鄭地區下部存在石炭系地層，石炭系地層的泥巖中含較多的硫鐵礦物質，硫鐵礦物質會影響激電測深的激電參數，激化率和激發比，誤把硫鐵礦對極化率的影響當作是地下水的反映，造成最終成井出水量不理想的結果。

4 直流電測深在新鄭煙廠供水中具體應用

4.1 直流電測深測點單支曲線繪制及分析方法

直流電測深工作首先獲得的是單個測點某個極距的視電祖率值，然后以極距為橫坐標，祖率值為縱坐標，將所測得的視電阻率值繪制在雙對數坐標紙上，各極距視電阻率值連線即為測點單支測深曲線，根據該區地質資料，新鄭煙廠區目的層位是石炭系、奧陶系、寒武系石灰巖，其埋藏深度在380m以下，從單支測深曲線上就去尋找目的深度范圍內所對應的曲線斜率最小的測點，對新鄭煙廠區來說最主要關注的是421.17～750.00極距段曲線斜率。斜率低，說明這段電祖率低，應該是富水反應。下部不含水段單支曲線尾支近45度上升。

4.2 測線視電阻率剖面繪制及分析方法

為了便于分析對比，以各測點間距為橫坐標，各極距為橫坐標，將各測點相應的極距視電阻率值標在相對位置上，然后把等值的視電阻率值進行連線，得到視電阻率剖面，如圖3為新鄭煙廠供水井位所在測線的視電阻率剖面。測點基本間距50m，在視電阻率變化異常處進行了加密，測點間距12.5-25m之間。從剖面上看（圖2）大體上以316.23極距為中心剖面分上下兩部分，煙廠區基巖界面深度在380m左右，根據電法勘探深度理論，對應的極距大約在421.71極距，而750m極距以下視電阻率曲線比較平緩，沒有太大變化，目的層位對應的極距在421.71-750m極距之間，視電阻率值較低的位置在測點5-8點之間，而變化較大的位置分別在測點5和測點7/8，綜合分析單點測深曲線斜率，最終井位確定在7/8測點位置。該點單點測深曲線目的層位置斜率較低，剖面上視電阻率異常，綜合分析，該處應該是本區的巖溶發育位置，導水通道。

4.3 鉆探驗證及測井

井位確定后進行鉆探施工，在鉆探過程中，見基巖后取芯，巖溶比較發育，其間鉆探過程中還有幾次掉鉆現象。鉆探結束后進行了測井工作，利用數字測井測了視電阻率、短源距、長源距，自然電位、井徑等曲線，最終測井成果，在420m左右見基巖，巖性為石灰巖。石灰巖視電阻率不含水時比較高，因巖溶發育，電阻率曲線呈鋸齒狀，長源距密度曲線也有反應，幾個巖溶發育位置反應明顯，相應位置井徑曲線也有井徑變大的反應。測井曲線上反映自420-490m段巖溶比較發育，巖溶發育位置與鉆探過程中掉鉆位置相吻合。

5 結語

直流電法勘探理論比較成熟，在實際工作中應充分了解所用儀器性能，合理設置測量參數，在施工過程中需要在數據采集時需要把好質量關，確保是地質體的真實反映，在資料處理時需要緊密與地質相結合，這樣才能提高資料解釋正確的概率，減少因多解性造成的錯誤。在華北巖溶地區物探勘探施工時需要重視巖溶發育及分布規律，破除華北巖溶均是成層分布的誤解，以為只要打到層位就可以打到巖溶的錯位認知，華北地區巖溶通道也多屬于管道型，對電法勘探體積效應有了進一步認識。隨著科學技術的發展，出現了很多新的勘探方法，如瞬變電磁法，EH4音頻大地電磁測深法等，在物探找水方面都有很好的效果，需要考慮地質條件和經濟條件，合理選擇好的方法進行施工，才能取得良好的效果，以上觀點供業內同行參考佐證。

參考文獻

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