高密度电阻率法在潍坊抗旱找水中的应用研究

2013-09-04梁开华朱裕振沈礼峰

地下水 2013年4期

梁开华，朱裕振，沈礼峰

(山东省煤田地质规划勘察研究院，山东泰安 271000)

常规的电阻率法由于其观测方式的限制，不仅测点密度较稀，而且也很难从电极排列的某种组合上去研究地电断面的结构与分布。因此，其所提供的关于地电断面结构特征的地质信息较为贫乏，无法对其结果进行统计处理和对比解释。在工程与环境地质调查中，常规电阻率法已难以满足实际工作的要求。高密度电阻率法与常规电法相比具有直观、高效、高分辨率、高精度等特点，目前在地球物理探查中得到了广泛的应用，特别是在地下水资源勘察，重大场地的工程地质调查，坝基及桥墩选址，采空区及地裂缝探测，矿井水害防治等众多工程勘察领域均取得了明显的地质效果和显著的社会经济效益。以潍坊市某村地下水勘查为例，介绍高密度电阻率法在抗旱打井勘查找水中的应用。

1 研究区地质概况

潍坊区域上位于鲁西地层分区V410沂水—潍坊地层小区(V410－3)和华北平原地层分区 V48东营—德州地区小区(V48－1)的过渡带，调查区位于五井大断裂以东、鄌郚—葛沟断层以西。五井断层破碎带较宽，几米至几十米，由多条平行或近于平行的小断层组成，根据该断层两盘岩性判断，为一阻水断层。鄌郚—葛沟断层走向 NNE10°～25°，倾向 W，倾角60°～85°，属逆断层，局部为正断层。昌乐白石岭与龟山之间，其走向为 NNE25°，西侧为泰山群片麻岩，东侧为古生界灰岩与页岩，均被挤压而直立。

研究区内主要有松散岩类孔隙水含水岩组、基岩裂隙水。根据钻孔资料，拟定井位附近地区地处平原地带，含水层为K2，地下水储存于基岩裂隙中。钻孔单井出水量一般200 m3/d左右，该含水岩组是研究区勘查的主要目的层之一。研究区地层主要为第四系(Q)、中生界王氏组(Kw)，地层、地质构造简单。

2 工作方法与原理

高密度电阻率法是在常规电法基础上发展起来的新型物探方法，其工作原理与常规电法一致，以岩土介质的导电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律从而来解决地下地质问题。与常规电法相比，高密度电法通过多道电极转换开关自动转换测量电极，一次性测量，具有直观、高效、高分辨率、高精度等特点。通过地面观测人工建立的稳定电流场的变化研究地下介质的电性变化，经分析判断地下障碍物的埋深、性质和形状等。数据采集方法在常规高密度电阻率法采集模式下进行改进，装置类型更加丰富。综合利用多通道、自动化和智能化技术大大提高了数据采集质量，使高密度电阻率法勘探精度更高，观测方式更全面，对目标体覆盖次数更多。

3 技术参数及资料处理

根据研究区场地的实际条件及抗旱打井的要求，勘查首先采用高密度电阻率法圈定低阻异常位置，再利用电测深法进一步确定含水层的空间位置。

在资料处理过程中为保证最大限度地保留有效信息，提高信噪比，将地电信息转换为可视的有效图件，在高密度电阻率法的资料处理中，着重进行了以下工作:

3.1 突变点的剔除

在数据采集过程中，由于某一电极接地不好或受采集现场干扰因素的影响，会出现一些数据突变点，为了不造成对解释结果的影响，对数据突变点进行了剔除。

3.2 地形校正

由于高密度电阻率法是基于静电场理论的物理勘探方法，具有体积勘探效应。根据静电场理论，地形起伏会影响勘探结果。在凸地形处测得的数据偏小，在凹地形处测得的数据偏大，测得的数据实际是地电模型和地形影响的综合反映。研究区内地形平坦，因此未作地形校正。

3.3 数据的光滑平均

在数据采集过程中，有时会受到一些随机噪声的影响，为了消除这些随机噪声，采用了光滑平均的方法进行了处理，但平滑幅度不能过大，以免平滑掉有用信息，降低分辨率。

3.4 反演地电模型

野外采集到的实测数据不是地下介质的真电阻率，而是视电阻率，具有很大的体积勘探效应，以视电阻率进行资料解释具有非常低的分辨率，很多细微异常被淹没在强大的背景之中，很难从中识别出地下目标体的异常反映。为了提高电法勘探的分辨率，减小电法勘探的体积效应，突出细微地质异常，应当从实测的视电阻率出发，反演地下介质的真电阻率，建立地下介质的地电模型。初始模型的构制采用实测数据，在水平和垂向均依非均匀尺度划分，即中央部位采用6×6 m，在水平方向向两侧相继以1.7倍逐步加大网格尺寸，在垂向方向底部相继依1.5倍逐步增大，另外为了使迭代不失真，迭代次数选择为3～6次。

3.5 正演视电阻率

从建立的地电模型出发，根据静电场理论正演视电阻率，与实测的视电阻率进行比较，判断建立起的地电模型的可靠性。

3.6 层析成像

在满足精度的地电模型基础之上，利用绘图软件绘出每条测线的电阻率色谱断面图，完成数据处理全过程。

4 成果解释

根据地球物理特征和电法勘探原理，当基岩破碎或基岩中有断裂构造或存在裂隙水时，其电阻率值相对较低，反映在电阻率等值线断面图上，等值线弯曲呈“V”或“U”字形低阻异常带。首先，选择水文地质条件相似的干水井和出水井旁分别布置Ⅰ、Ⅱ线高密度剖面，进行井位对比试验，再根据试验结果，结合地质资料，布置物探工作，并详细解释物探资料，在有前景的靶区布置Ⅲ线高密度剖面，查明基岩破碎和顶板埋深情况，确定富水区域。

4.1 井位对比试验

图1为该村I线高密度剖面电阻率断面图。从图中可见，该线电阻率整体表现平稳，上部电阻率小于80Ω·m，推测为第四系覆盖层;中部电阻率为130～200 Ω·m，底部电阻率比较大，电阻率整体等值线平稳，没有明显的异常，推断岩性致密，富水性较弱。

图1 I线高密度剖面电阻率断面图

为重新确定井位，选择在该村正在使用的水井处布设Ⅱ线高密度剖面，该井井深110 m，涌水量约400 m3/d，目前为该村主要的生活水井。图2给出了该线高密度剖面反演电阻率断面，图中显示，Ⅱ线高密度剖面的电阻率剖面明显与 I线不同，在0－520号点和550－800号点处电阻率表现较平稳，但在520－550号点处存在一明显的低阻异常，推断为基岩破碎带，富水性较好。

图2 Ⅱ线高密度剖面电阻率断面图

4.2 确定井位

根据水井试验，并对该村水文地质资料进行分析，在该村有前景的靶区布设了Ⅲ线高密度剖面，图3即为该线高密度剖面反演电阻率断面图。图中可见，测线整体电阻率为30～400Ω·m。在0～20 m深度之间，电阻率值较高，大于150 Ω·m，推断为干燥的第四系覆盖层。在20 m以下深度，电阻率值横向差异较大，大号点和小号点位置电阻率值较大，中间部分250－330号点处存在一明显的低阻异常，推断为基岩破碎带，富水性较好，为此在Ⅲ线290号点布置电测深工作，以进一步确定含水层的空间位置，图4即是该点的电阻率测深曲线。从图中可见，在AB/2=10～80 m之间，曲线直线上升，根据地质资料和曲线特征推断此处岩层比较完整，富水性较弱;在 AB/2=80～300 m之间，曲线出现下降段和平缓段，且在AB/2=100 m处曲线开口较大，推测此处基岩比较破碎，富水性较好。结合以上资料综合对比分析在Ⅲ线290号点所在位置布置井位的把握较大。后经钻井验证，出水量达到500 m3/d以上。