基于激发极化法的地下水勘探设计与分析

2014-02-18朱金彪

水利技术监督 2014年4期

关键词：激发极化水井极化

朱金彪

基于激发极化法的地下水勘探设计与分析

朱金彪

（新疆水利水电勘测设计研究院物探队，新疆昌吉 831100）

作为一种间接的找水方法，激发极化法是目前水源物探工作比较有效的勘探手段，正确地运用和掌握激发极化法测量参数，才能发挥激发极化法最大优势，准确地确定出井位。结合新疆六孚纺织工业园找水勘探的实例，分析了如何正确运用激发极化法测量参数。

激发极化法；测量参数；物探；分析

1 激发极化法概述

激发极化法的原理是根据岩石或矿石之间不同的激电效应，并以此差异性为物质基础，观测和分析大地的激电效应，勘探地下工程地质情况的一种电法勘探方法。激发极化法根据不同的勘探任务，会有不同的布极形式，常用的有对称四极测深法、三极测深、偶极测深和环形测深等方法。激发极化法是一种间接的找水方法，如要准确确定出井位和井深，除使用激发极化法外，还要掌握水文地质资料并配合其它物探手段。激发极化场具有时间和频率双重特性。

1.1 激发极化法测量参数

激发极化法需要较大的供电电流和较长的供电时间，才能获得明显的计划电位差。一般供电电流在1～2A之间，供电时间应根据地质任务和地质条件而定。一般普查找矿时，多采用2s、4s、8s等双向脉冲供电；详查研究异常时，用单向脉冲。测量电极要采用不极化电极，目的是消除电极极化电位的干扰。激发极化法测量参数主要包括四个基本方面，其他参数都是在此基础上的综合应用。

（1）视极化率(ηs)。

视极化率ηs是时间域激发极化法的一种基本测量参数。测量视极化率时需运用某种电极装置形成电流作用，在此范围内，由于地下岩层不均匀的极化率分布，会测出不同的数值，视极化率实际上就是综合反映各种地形和极化体的激发极化效应。视极化率ηs通常用百分数表示，其数值大小和分布情况会直接反映出测试范围内的极化体的存在和赋存情况，其表达式为：

其中：△U（T）为供电时间T时测得的极化场电位差；△U（t）为断电后t时刻测得的二次场电位差。

分析式子可以看出，与视极化率ηs直接有关的两个因素就是供电时间T和测量延迟时间t，每个视极化率ηs对应特定的供电时间T和测量延迟时间t 。在极限条件下，当长时供电（T→∞）和无延时（t→0）时的测量结果：

（2）视频散率（Ps）。

视频散率Ps是频率域激发化法的一种基本测量参数，其表达式为：

其中△U(fD)、△U(fG)个对应的是超低频段（n·10-2～n·102Hz）低频和高频供电电流所形成的总场电位差。从物理本质上来说，时间域激电法和频率域激电法并无区别，与视极化率ηs一样，当△U(fD)→0和△U(fG)→∞时，测量结果并无差异。

（3）衰减度（D）。

衰减度是反映激发极化场衰减快慢的一种测量参数，用百分数来表示。二次场衰减越快，其衰减度就越小。其表达式为：

式中：△U2代表供电30s、断电后0.25s时的二次场电位差；

△U2是断电后0.25s至5.25s内二次电位差的平均值。即

（4）激发极化时间特性参数。

二次场在衰减中是一个较复杂的电化学过程，不同演示成分、结构和含水层上二次衰减是不同的。

衰减时(S )：是指把断层瞬间所测得的二次场△U2定位100%，则△U2衰减到某一规定的数值时所需要的时间称为衰减时，单位为秒。S描述了二次场△U2衰减的快慢。

含水因素(Ms)：利用衰减时找水时，除直接利用衰减时S了解某深度水量相对大小情况外，为了进一步研究水层的水量大小，引出与地下水层水量有关的含水因素Ms。Ms可由S为参数的测深曲线计算取得，即以不同AB/2极距取得的S值关系曲线与横轴所包围的面积。

2 激发极化法在地下水勘探中的主要应用

激发极化法在地下水勘探中的主要应用主要包括两个方面，第一是区分水异常；第二就是寻找地下水，划分出富水地段。

2.1 用视极化率判别水异常

在岩溶区，使用激发化法找水时通常会因为地层存在低阻碳质夹层，会出现明显的低阻异常现象，这种异常现象会大大增加区分水的困难。碳质岩层有两方面的作用，在引起视电阻率的低阻异常的同时，还会导致高视极化率异常，以此作为判断依据，能正确判断出水异常。

2.2 衰减时（S）法找水

激电法找水另一个直接有效手段就是衰减时法。衰减时（S）就是在二次场中频率衰减到某一规定的百分比时所花费的时间。

3 应用实例

某工业园区内需新建一口水井，园区属于天山北坡冲洪积扇地区，附近与已建的水井揭露地层0～300m为沙壤土与细粒石、中粗砂互层。

此次物探工作在已建成水井附近进行了参数点采集，在园区工作人员指定拟建水井处进行了激电测深测试。

3.1 工作方法与技术

采用激发极化法测试，MN/2：AB/2=1：3的温纳尔装置，供电时间20s，最小AB/2=3m，最大AB/2以反映地层含水层的电性特征为准，本次测试最大AB/2=300m。野外测量方法采用单次读证测试曲线质量，对测试曲线畸变点进行重复观测，重复观测的电阻率相对数法，为保误差小于5% ，视极化率η1～η7符合线性关系。

3.2 测试成果分析

（1）路边水井旁激点测试曲线，如图1所示。参数点：电阻率曲线为H型，0～21m，电阻率为3～5Ω·m，21m以下，电阻率为80～100Ω·m；0～6m视极化率在10.3%～10.7%，6～21m视极化率在10.3%～16.8%，21～150m视极化率在16.8%～6.2%，150～300m视极化率在6.2%～12.4%；0～45m衰减度在0.13～0.35，45～300m衰减度在0.41～0.58。

（2）拟定水井位置测试曲线，如图2所示。测试点：电阻率曲线同样为H型，0～21m，电阻率为3～15Ω·m，21m以下，电阻率为80～100Ω·m；0～21m视极化率在4.5%～25.1%，21～150m视极化率在25.1%～4.3%，150～300m视极化率在4.3%～14.7%；0～9m衰减度在0.25～0.27，9～99m衰减度在0.25～0.42，99～300m衰减度在0.35～0.5。

分析路边水井旁参数点及拟建水井处测试点，其电阻率曲线类型一致，地表地层为砂壤土，理论电阻率在20～50Ω·m，测试电阻率为3～15Ω·m，从视极化率和衰减度曲线看地表3以下即见地下水，其地下水位较高，低电阻反映表层地下水矿化度较高；21m以下电阻率为80～100Ω·m，从电阻率值看其地层应为砂壤土、中粗砂及较小粒径的砂砾石互层组成，结合视极化率和衰减度曲线看，150m以下有稳定地下含水层。测试结果满足SL 26-2005《水利水电工程物探规程》的要求。