电法勘探在塔克拉玛干沙漠找水中的应用

张本静

(安徽省水利水电勘测设计院 勘测分院，安徽蚌埠 233000)

1 工程概况

工程区位于新疆维吾尔自治区南部塔里木盆地塔克拉玛干大沙漠的西南缘，喀喇昆仑山北麓的和田地区皮山县境内，该地区年平均降雨量48.3 mm，年蒸发量2 400 mm，降雨少，蒸发量大，属于典型的温带大陆性干旱气候。该地区土地资源丰富，人口较少，但水资源缺乏，水资源是当地社会经济发展的制约瓶颈。安徽省委响应中央号召对口援建新疆，计划用十年左右的时间，在和田地区皮山县境内再造十万亩绿洲，以改善当地生态环境，涵养水源，提高人民生活水平。再造绿洲项目得以顺利实施的必要条件是要有水源地，为了寻找可持续开采的地下水源，本院在规划区阿克坦及巴什拉克区块分别为78 km2及56 km2范围内开展了物探电法找水工作(见图1)。

2 测区地质概况、水文地质条件及地电特性

2.1 地形地貌

塔里木盆地周围高山环抱，从外围向中心可分为山麓带、山前砾质洪积带、冲积细土平原带及中部的塔克拉玛干沙漠。测区位于塔里木盆西南缘，盆地地势西高东低，向北微倾，测区地面高程一般为1 360～1 490 m。盆地地形封闭，气候极端干旱，植被稀少，干燥剥蚀和风蚀、风积作用特别强烈，形成了塔克拉玛干沙漠。

2.2 地层岩性

新生代地层在盆地广为分布，第四纪沉积厚度达200～800 m，甚至更大。测区位于盆地边缘冲积细土平原带，第三系岩层以莎车坳陷和库车坳陷最为完整，厚度最大，下第三系和上新统主要为海相和滨湖相沉积，其岩性为红色砂岩、夹褐色的粘土、灰色泥岩、灰质砂岩和石灰岩、玫瑰色含石膏砂岩。

2.3 水文地质条件［1］

塔里木盆地在其特殊的气候、水文、地形地貌、地质构造条件的制约下，其地下水形成、埋藏、分布和运动规律具有独特的特征。昆仑山北麓山前戈壁砾石带是单一的潜水分布区，昆仑山前隐伏断裂以北沉积了厚度较大的第四系松散沉积物，由孔隙性较好的中、上更新统砂卵砾石组成含水层。溢出带及其下游的冲洪积平原受构造的影响，坳陷区第四系松散堆积物骤然加厚。冲积—湖积平原区，含水层呈现多层结构，上部是潜水含水层，下部埋藏一层或多层承压含水层，潜水含水层岩性以粉细砂为主，富水性各地不一。塔克拉玛干沙漠大致以北纬40°为界，南部为发源于昆仑山北坡的诸多水系形成的冲湖积细土平原，广大沙漠腹地属于南部沉积区，地下水主要接受昆仑山山前平原地下水侧向径流补给，地下水运动特征明显，地下水径流方向与地形坡度方向基本一致。

2.4 测区地电特征

阿克坦和巴什拉克两个测区地表覆盖物主要为砂砾石、风积沙土等干燥土性。由于岩土层颗粒粒径变化大，所以电阻率变化也大。阿克坦区块一般视电阻率ρs=70～500 Ω·m，少数为ρs=500～1500 Ω·m，个别达2 000 Ω·m。巴什拉克区块一般视电阻率ρs=100～500 Ω·m，低的ρs=14～30 Ω·m(推测为盐碱粉砂土)，少数为ρs=500～2 500 Ω·m，个别达3 000 Ω·m。但两测区电性特征也有一定的规律性:干砂砾石电阻率大于含水的砂砾石电阻率，含水的砂砾石电阻率大于含水的中粗砂电阻率，含水的砂砾或砂层电阻率大于泥砾石(或粉细砂夹粉土)电阻率。一般泥砾石(或粉细砂夹粉土)电阻率为ρs=200～100 Ω·m，少数为ρs=50～70 Ω·m(推测为粉土)，在测区较为稳定，是测区电性标志层。测区地电断面的组合具备了电法勘探的理论前提。

3 方法原理及测线布置

3.1 电测深法［2］

不同地层或同一地层由于成分、结构或地下水等因素的不同，而具有不同的电阻率。通过接地电极将直流电供入地下，建立稳定的人工电场，在地表观测某点垂直方向的电阻率变化，从而了解岩土介质及地下水分布或地质构造特点。电测深法主要用于解决与深度有关的地质问题，要求地下电性层次不多，具有一定的厚度，电性标志层稳定。

3.2 激发极化法［3］

激发极化法是通过观测和分析大地激电效应，依据地下目的体与周边介质的人工激发极化效应的差异来探测地下介质分布情况的一种电法勘探方法。实际上是观测停止供电后二次场电位差的衰变规律，来评价地层地下水的富水程度。

3.3 仪器选择及测线布置

根据测区地层岩性及地电特点，通过野外反复试验，攻克电极接地电阻大，电流难以供入地下的难题后，选用输入阻抗≥100 MΩ 的JJ—2 型激发极化仪。测量电极采用紫铜电极，直径Φ=20 mm，长80 cm。激电测量电极采用不极化电极，供电电极采用不锈钢电极，直径Φ=22 mm，长100 cm。野外测量采用电极组，减阻液，减小接地电阻，确保建立起满足测量精度要求的人工电场。

物探测线采用垂直河流走向布设，测线及测点间距为1 km，即测网为1 km×1 km，测点呈梅花型布置，阿克坦区块布置6 条测线，68 个电测深点，实际控制面积68 km2;巴什拉克区块布置5 条测线，65 个电测深点，实际控制面积65 km2。电测深布极方向应使地形、地物对测量数据影响最小，遇有高压线，使放线方向垂直于高压线。电极接地位置，在预定跑极方向上的偏差应＜1%，在垂直跑极方向上的偏差应＜5%。

选择四极对称梯度装置，测量电极MN 与供电电极AB 之比为1∶5，最小极距AB/2=1.5 m，最大极距为AB/2=500 m，装置系数K=7.533。

4 地下水富水程度分区

4.1 地下水富水程度分区原则

将两个测区的电测深和激电测深曲线与测区附近已有机井井旁实测电测深曲线及激电测深曲线相比对，结合已有机井成井参数及实际出水量，采用定性分析与定量类比相结合的方法进行解释，确定不同程度富水地层的视电阻率ρs特征值和激电测深衰减度D 特征值。根据测区及附近部分机井实测资料确定的富水地层特征值见表1。

图1 规划区物探测区位置示意图Fig.1 Location of geophysical prospecting in planning area

表1 新疆皮山县阿克坦、巴什拉克区块井旁测深统计表Table 1 List of depths of the wells inAktan and Bashlark Blocks，Pishan County，Xinjiang

4.2 地下水富水程度平面分区

根据确定的特征值，应用不同极距等AB/2 视电阻率平面图编制不同深度地下水分布图，图2、图3 分别为阿克坦区块与巴什拉克区块500 m 以上不同深度地下水含水情况的综合图，综合反映了测区地下水分布的范围。从图2 可以看出阿克坦测区有东、西两个富水区域，该区域推测为皮山河的两条古河床。从图3 可看出巴什拉克测区东部的较大范围富水区域，该区推测为桑株河的古河床。测区地下水概况见表2。

4.3 地下水富水程度剖面分区

地下水在纵向上的分布，采用等视电阻率断面图作基础图件，根据不同富水区ρs特征值及地下水静水位编制而成，该图能比较客观地反应各条剖面含水层的空间位置、厚度及富水程度等，根据需要每一条剖面对应的增加编制等AB/2 视电阻率剖面图、电性—地质剖面图等，组成综合剖面图，其效果更好，图4 是阿克坦区块二十四线综合剖面图。

从图5 可清楚地看出，24～8、24～12、24～22 三个ρs≥300 Ω·m 的高值异常区，是现代河床(洪水通道)的反应;两个中等富水区一个在24～4—24～14 点之间，深度在40～300 m，另一个在24～22—24～24 点之间，深度在20～200 m;两个富水区均位于两个中等富水区中，一个位于24～10 点，深度95～220 m;另一个位于24～22—24～24 之间，深度40～120 m。其它剖面大同小异，不在赘述。

5 含水因素与井位设计原则

5.1 含水因素及其与管井单位出水量的关系

研究表明管井的出水量与含水层的衰减度D 密切相关，其D 值越高、幅度越大，管井的出水量就越大，根据这一理念试图应用测区及附近激电测深资料参数推导出管井单位出水量与衰减度D 的关系曲线图，但是与出水量有关的D 有两个主要因素:一是D 值的大小，二是D 曲线的异常幅度，如何把这两个因素有机地结合，建立与管井单位出水量的相关关系是成败的核心。通过大量的井旁激电测深资料对比、研究发现，含水背景值以上与衰减度D 曲线之间的面积含盖了D值大小和D 曲线异常幅度两个因素(命名为:含水因素，单位:mm2)，与管井单位出水量密切相关，可直接建立管井单位出水量与含水因素关系曲线图，阿克坦区块和巴什拉克区块地区管井单位出水量与含水因素关系曲线图见图5。根据管井单位出水量与含水因素关系曲线图可以对拟打井位置进行激电测深，设计成井深度和预测出水量，为凿井施工提供技术保证。

5.2 开采井位设计原则

为了使地下水长期、有效、稳定、有序的开发利用，利用最少的投资达到最大的收益，就必须科学、合理地开发地下水，对测区开采地下水提出以下原则:

(1)富水区、中等富水区、弱富水区的划分是根据视电阻率值的大小范围与出水量关系确定的，但是在同一个区域范围(如富水区)其出水量差别很大，因此，在利用地下水分布图设计井位的时候尽可能地将井位选布在高电阻率区(必须是在区域地下水位以下)，施工同样的井深可以开采最大的出水量。

(2)在进行群井开采地下水时，设计井位要考虑抽水影响半径(成井后抽水试验确定)，井间距要大于两倍影响半径，以免抽水时相互影响，不能发挥单井的最大效益。

(3)由于本次物探勘察测网是1 km×1 km，所以凿井施工时，应在选定的井位采用激电测深方法进行核定，以防万一地层有变化造成损失，并确定成井深度和预测成井的出水量，在井孔打好后应做水文地质测井，以便指导井管配置，做到既节约经费，又能达到开采最大出水量。

图2 阿克坦区块500 m 以上地下水分布图Fig.2 Distribution of more than 500 meters underground water in Aktan Block

图3 巴什拉克区块500 m 以上地下水分布图Fig.3 Distribution of more than 500 meters underground water in Bashlark Block

表2 阿克坦区块与巴什拉克区块地下水富水状态探测结果一览表Table 2 Detection results of water-rich state of underground water in Aktan and Bashlark Blocks

图4 阿克坦区块二十四线综合剖面图Fig.4 Twenty-four line compositive profile in Aktan Block

图5 阿克坦区块和巴什拉克区块地区管井单位出水量与含水因素关系曲线图Fig.5 Curve showing the relationship between specific water yield of tube well and water factors

(4)皮山河、桑株河同属于冰川融雪补给型内陆水系河流，消失于沙漠之中，而塔克拉玛干大沙漠为海相沉积地层，沙漠腹地地下水为高矿化度咸水，两个测区均在缓倾斜冲积细土平原，紧靠沙漠腹地咸水区，因此，再造绿洲大面积开发地下水，要注意观察地下水位及水质的变化，特别是每年的3－5月份，正是大量抽取地下水的季节，又没有融雪补给地下水，一旦发现水质变咸要及时调整开采量，使地下水位稳定在一个合理的高程。

6 结语［4］

(1)戈壁沙漠地区应用电法探测地下水，如何减小电极接地电阻，将电流供入地下，建立稳定的人工电场，获得地下岩土介质地电信息，这是能否成功的关键。本次物探工作在解决接地电阻方面的研究取得了突破性进展，实测效果良好，在地下水埋深h≥100 m的条件下，AB/2 极距达到500 m 时，测试的电位差V1≥100 mV，保证了激发极化法参数的测试精度，为全面开展电测深法普查地下水提供了技术保障。

(2)流入沙漠的河流大多进入沙漠后河床明流消失进入地下，而沙漠找水往往是在沙漠的边沿地带，因此在选择测区的时候，一定要考虑是否有河流进入该区?并尽可能将测线垂直河床布置，以获取较好古河床的信息。

(3)在沙漠边沿地区地形坡度大，加之在古河床部位下伏地层为强透水的砂砾石层，电测深曲线一般表现为KQ 型，其K 型的极高值段往往误判为比较好的含水层，真正的含水层是在曲线缓倾角下降的Q 型段，其原因是地下水位较深，巨厚的砂砾石层处在地下水位上、下电性差异造成的，因此，在设计井深时一定要查清地下水位的深度，慎重考虑这一因素。

(4)找水工作的最终目的是找到水源丰富的地下淡水体，但是在沙漠地区找水时，当工作区向沙漠腹地推进时，要关注电阻率的剧烈变小，当ρs≤10 Ω·m时，这往往是水质变咸的反应，一旦出现这种情况，要及时调整测区范围，避开咸水区域。

［1］新疆维吾尔自治区地下水开发利用初步规划报告［R］.乌鲁木齐:新疆水文水资源局，2007.

［2］SL326—2005，水利水电工程物探规程［S］.

［3］钟新淮，陈居和.找水新法——激发极化法［M］.北京:水利电力出版社，1987.

［4］GB50027—2001，供水水文地质勘察规范［S］.