综合物探在花岗岩严重缺水区地下水勘查中的应用

田蒲源，朱庆俊

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定071051)

综合物探在花岗岩严重缺水区地下水勘查中的应用

田蒲源，朱庆俊

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定071051)

通过对音频大地电磁测深法(EH4电导率成像系统)、高密度电阻率法和激发极化法的技术原理以及勘查特点的分析研究，结合花岗岩严重缺水区地下水勘查的难点，以及在北京昌平长陵镇的找水实例，提出了几种方法在组合形式、适用条件以及资料解释等方面勘查地下水的技术模式，并在实际工作中进行验证，取得了令人满意的效果。

音频大地电磁测深法;高密度电阻率法;激发极化法;地下水勘查

近年来由于自然因素和人类活动的双重影响，经济发展与水资源的矛盾日益突出，水资源问题成了制约缺水地区人民生活和社会经济发展的重要因素。花岗岩区地下水资源分布复杂，在地下水勘查及开采方面难度很大，一直以来都有“找水禁区”之称。加强花岗岩严重缺水区地下水资源合理开发利用，对于尽快改善缺水地区人民基本生活、生产条件、缓解农牧业和工业用水矛盾，改善生态环境，促进缺水地区社会经济的可持续发展，具有重要现实意义。

1 技术方法原理简介

时代的发展，科学技术的进步，人类社会正在发生日新月异的革新，地下水勘查地球物理技术方法也是如此。在二十世纪八九十年代，物探找水工作者通用的是音频大地电场法与激发极化法的组合技术模式，之后，逐渐引进并迅速掌握了核磁共振技术、高分辨率浅层地震技术、音频大地电磁测深技术、高密度电阻率技术等等。在实际工作中，针对花岗岩地区地下水的水文地质特征、地球物理特征以及开展物探的工作条件(地形地貌、干扰源等)，选取经济有效的物探技术方法组合，能取得良好的应用效果。

1.1 音频大地电磁测深技术

目前常用的音频大地电磁测深技术物探找水仪器是EH4电导率成像系统，它是由美国GEOMETRICS和EMI公司联合生产的。自从二十世纪九十年代中期引进国内以来，迅速推广，在地下水勘查领域得到广泛应用，深受地球物理工作者的喜爱。EH－4电导率成像系统属于部分可控源与天然场源相结合的一种大地电磁测深系统。其观测的基本参数为时间域正交的电场分量(Ex、Ey)和磁场分量(Hx、Hy)。通过频谱分析及一系列运算，求得不同频率的视电阻率值，通过改变频率可以达到测深的目的。卡尼亚视电阻率计算公式如下:

式中f为电磁波频率，ρ为地层视电阻率。

趋肤深度(探测深度)由下公式求得:

该系统由于配置不同而具有不同的勘探深度，其基本配置(频率为10～100 Hz)的勘探深度为几十至一千多米，低频配置(频率0.1 Hz～1 kHz)的勘探深度达3 000多米。在地下水勘查方面主要用于划分地层岩性，确定含水体埋深、厚度，查明构造规模、性质、产状及其裂隙发育程度等。

1.2 高密度电阻率法

高密度电阻率法就其本质而言，与传统的电阻率法完全相同，因此，它仍然以岩(矿)石的电性差异为基础的一类电探方法，研究在施加电场作用下，地中传导电流的分布规律，从而达到勘探地质体的目的。

高密度电阻法工作时，是将数十乃至数百根电极一次性布设完毕，每根电极既是供电电极又是测量电极。通过程控式多路电极转换器选择不同的电极组合方式和不同的极距间隔，从而完成野外数据的快速采集。对某一极距而言，其结果相当于电阻率剖面法，而对同一记录点处不同极距的观测又相当于一个电测深点;所以高密度电阻法实际上就是电阻率剖面法和电阻率测深法的结合。

高密度电阻率法可以根据不同的勘探对象和地质条件选择不同的装置形式或组合，其常见的电极装置有温纳四极、偶极、施伦贝格、三极、二极装置。

1.3 激发极化法

激发极化法找水通常被人们认为是一种直接找水方法，其基本原理是:利用人工场(称之为一次场)，激发地质体，产生极化场(称之为二次场)，通过测量反映二次场振幅大小及衰减快慢的视电阻率、半衰时、极化率、综合参数等物理参数，来判断含水体富水性。

2 技术组合模式和质量保障措施

针对花岗岩区特殊的水文地质条件，张性构造裂隙是主要的地下水赋存空间。因此，确定构造裂隙地下水为勘查工作的主要找水目标。结合工作区域独特的地形、地貌条件以及其他干扰因素，选取确实有效的物探工作方法，开展地下水的勘查工作。

2.1 组合原则

工作中，物探方法选择视地质条件、地形条件以及电磁干扰程度不同而有所不同:

(1)在电磁干扰少、第四系覆盖层较薄的花岗岩、闪长岩山区，以查明断裂破碎带的空间形态和富水状况为目的工作，可选择EH－4法、激发极化法的组合模式。

(2)在电磁干扰大、工作场地较宽广的花岗岩、闪长岩山区，以查明断裂破碎带的空间形态、风化壳厚度和其富水状况为目的工作，可选择高密度电法和激发极化法的组合模式。

2.2 质量保障措施

2.2.1 音频大地电磁测深法

在野外工作中频率域电磁测深法在开工前后均进行平行试验，在数据采集时增加叠加次数、选择好的勘测地点、尽量选择好的工作时段、采集过程中对时序文件实时监测、重复测量等方法来确保数据质量。在原始资料预处理阶段，首先对照野外原始记录检查各个测点的坐标及电极距的正确性;其次，重新回放每个测点的原始时序文件，对整条测线逐点、逐屏的对时序进行挑选，剔除存在着明显干扰的时序信号，减少随机干扰对数据质量的影响。

2.2.2 高密度电阻率法

高密度电阻率法野外工作中常见的问题为极化补偿问题、供电时间问题以及接地电阻问题。

目前应用的SuperSting高密度电阻率仪具备自电补偿能力，在电阻率测量过程中可完全消除稳定的或线性变化的自然电位;同时，由于高密度电法数据采集快，供电电极供完电后，马上又转换成测量电极，极化电位会给测量带来较大的误差。针对这一情况，野外工作中，我们适当选择电偶极距以及供电时间，尽量避免由电极极化造成的电位差测量误差。

尽管SuperSting高密度电阻率仪的输入电阻可高达20 MΩ，但由于当接地电阻较大时，造成极化补偿困难。野外工作中，在数据测量之前，对接地电极进行了测试，对于接地电阻大的电极，采用深埋或浇水方法来减小接地电阻。

2.2.3 激发极化法

在野外工作开工前首先对仪器进行硬件测试，仪器测试正常后再开展工作。不极化电极在工作前使用饱和盐水浸泡，工作过程中保证其埋入湿土中。测量过程中保证测量电流值位于较大的水平，当电流值较小时采用加大供电量，增加电极数，在电极旁浇水等手段。

3 应用实例

花岗岩含水构造通常为富水断层，多为燕山期或新构造运动形成或复活小型张性断裂。宽几米至几十米;发育深度一般小于500 m，张开的透水性好的裂隙，深度一般不超过200 m;倾角较大，通常为70°～85°。北庄村地处北京市昌平区长陵镇东北边界，地处燕山、太行山支脉的结合地带，属低山丘陵地貌。第四系覆盖很薄，沉积地层发育很不完全，主要岩性为中生代岩浆岩。村庄位于近东西向沟谷中，沟内找年有水，旱季流量较小。村庄饮水水源为沟谷内的两口大口井，井深5～6 m。据村民反映，水的口感差，有腥味，且认为近年来村内癌症发病率高与饮用水源有关系。村西主沟南侧山坡发育近南北向支沟，沟谷平直，延伸较远。沟西侧为二长花岗岩，东侧为正长岩，判断沿支沟发育断层。若南北向断层存在，且支沟的汇水面积较大，具备一定厚度的风化壳，可以浅部风化带孔隙裂隙水结合深部的构造裂隙水作为供水目标层。本次采用上述勘查技术模式在村西主沟南侧山坡进行野外勘查，取得了成功。

在地势较低、场地较宽阔的地段布设高密度测线一条，采用施伦贝格采集装置。图1为勘查结果生成的电阻率剖面图，由图可见剖面中部两个低阻异常带(140 m处和200 m处)被中部高阻分隔，二者倾角较陡，倾向相向。剖面140 m处低阻为正长斑岩岩脉反映(地表出露)，岩脉节理发育，呈碎块状。从低阻带与围岩的电性差异推测，正长斑岩岩脉或富水或有矿物侵入。

在离高密度测线垂直距离约30 m处布置一条EH－4电导率成像系统勘查测线，其方向与高密度测线大致相同。图2为EH－4采集数据经随机附带的反演软件进行拟反演后的结果。勘查结果同样揭示了测线上两个低阻异常带的存在(对应于剖面55 m处和160 m处)。

图1 北庄高密度勘查结果

图2 北庄EH4勘查结果

两条测线揭示出两条断层的走向为北东10°左右。为了判断断层的富水性，选取EH－4测线57 m处开展激电测深工作，结果见图3。

图3 北庄激发极化法勘查结果

从激电参数分析，在AB/2为40～60 m范围内，视电阻率，极化率以及半衰时出现小幅高值异常，综合三个激电参数高值异常分析，推测断层富水性较好。综合分析三种物探成果，在EH－4测线57 m位置布置1个孔位设计井深120 m。钻探结果表明第四系覆盖小于1 m，0～10 m为风化层，以下均为中生代花岗岩，在约55 m处为主要破碎出水段，出水量约120，解决了该村居民人畜饮水困难问题。

4 结语

通过理论和实践表明，在花岗岩严重缺水区，音频大地电磁测深法、高密度电阻率法与激发极化法组合勘查地下水的技术模式是一种可行有效的技术手段。

当电磁干扰严重，电磁法类手段无法开展工作时，宜采用高密度电法(直流电法)勘查。此时高密度电法采用多种装置开展工作。资料解释时可求同存异，以提高资料解释的精度。由于受场地大小限制，高密度电法的勘查深度有限;当工区地形条件较好时，则可与激电测深法相结合。激电测深法的勘探深度大于高密度电法，可以弥补高密度法勘探深度不足的缺陷;同时，可根据高密度勘查结果，结合激电测深结果和地质调查结果，分析断层的发育规模，预测断层的发育深度，有效确定井位和设计井深。

高密度电法对浅部分辨率高，反演结果受静态影响小;而EH－4法勘探深度大，可弥补高密度法的不足，同时，EH－4法由浅部不均匀体引起的静态效应较强，对断层反映易形成从浅至深的纵向低阻条带，与实际结果有所偏差，可通过高密度结果和EH－4结果的共同解释有效分析断层的空间发育特征，结合水位埋深和断层规模，较准确地设计井位。

激电测深结果不仅反映地层结构，其二次场参数与地层富水性息息相关，在花岗岩区亦可指示由岩石矿化或矿物侵入引起的水质问题，是花岗岩区工作不可或缺的技术手段。

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P631.3

B

1004－1184(2012)03－0125－03

2012－03－12

中国地质调查局地质调查项目(1212011121149)，华北地方病严重区地下水勘察及供水安全示范(1212011121149)

田蒲源(1983－)，男，河北保定人，助理工程师，硕士研究生，主要从事物探技术应用及地下水勘查。