综合物探方法在应急抗旱找水中的应用

张 晋，翁爱华，赵建粮，张秋冬，郑栋材

(1.吉林大学，吉林长春130026;2.河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，河南郑州450053)

2011年2月，河南省遭遇了严重的秋冬春连旱，应急抗旱找水打井工作迅速启动。我院迅速投入物探钻探仪器设备开展在鹤壁地区展开找水打井工作。面对任务重，时间紧，地质环条件复杂的情况，在进行了大面积区域地质调查的同时，采用了多种物探方法:重力勘探、激发极化测深法、高密度电法、AMT的有机结合与互补。对于不同缺水地区采用不同的物探勘查方法，进行对比和研究，取得较好效果。总结出山丘区抗旱打井水文地质勘查的有效找水技术方法。

1 概况

1.1 自然地理概况

鹤壁地区位于河南省北部，安阳与新乡之间。京广铁路、京珠高速公路和107国道纵贯南北，鹤濮高速横穿东西。本区地处太行山东南麓与华北平原西缘的接壤部位，总地势西高东低，西部为低山丘陵地形。东部为山前倾斜平原及黄河冲积平原。

1.2 地质条件及地球物理特征

1.2.1 地层岩性

西部山区有寒武系毛庄组(∈2m)灰岩、奥陶系下统(O1)白云质灰岩;东部为黄河下游平原，部分地区有寒武系中统(∈2)灰岩和太古界(Ar)片麻岩出露。新近系(N):出露于山前，主要为河流—湖泊相沉积。岩性为较松散或半胶结状的砂岩、砂砾岩、泥灰岩和泥岩。第四系(Q):黄河下游广泛分布第四系，厚度较大，分布不均(图1区域地质图)。

图1 区域地质图

1.2.2 地质构造

工作区隶属中朝准地台山西台隆和华北坳陷，自西向东分别为太行山隆起、汤阴断陷和内黄隆起。由于经历了长期、多次构造运动，构造形迹以断裂为主，褶皱不发育。

1.2.3 地球物理特征

工作区西部山区主要目的层为灰岩构造裂隙，相对完整基岩，构造裂隙含水基岩电阻率明显偏低;东部为黄河沉积的松散砂层、砂砾石层。相对埋深而言具有一定的厚度和规模，与隔水岩类电性差异明显。同时，基底岩性与上覆地层密度具有明显差异。以上条件为电法、电磁法及重力勘探提高了地球物理勘探的前提。

2 工作方法

2.1 物探方法的选择

针对鹤壁浚县浅层为第四系粉质粘土和砂层为主，部分地区基岩出露，主要选用对称四极激发极化测深法和高密度电法。对地层有基本了解之后，在对称四极激发极化测深法的基础上，选取条件较好位置进行高密度电法加密，来更加详尽了解地下含水层厚度和地下裂隙及岩溶的发育情况。

淇滨区地表大部基岩直接出露的地层特点，主要以对EH4音频大地电磁测深法和称四极激发极化测深法为主。在对淇滨区进行地质调查后，选取构造发育地段布设EH4音频大地电磁测深勘探线，来确定断层产状。对EH4剖面上有异常的位置布设对称四极激发极化测深点，以确定地层富水情况。

对于东部松散覆盖层地区，收集本区区域重力资料，解译并推断基岩埋深剖面，对整个区域基岩埋深进行控制，以减少激电测深及高密度电法等物探工作的工作量，加快找水定井速度。

2.2 对称四极激电测深

对称四极激发极化测深法采用固定装置排列，最小供电极距AB/2=3m，最小测量极距MN/2=1 m，最大供电极距AB/2=500 m，最大测量极距MN距120m。其工作原理是在同一侧点处两侧逐渐扩大供电电极距，使探测深度逐渐加大，这样便可得到观测点处沿垂直方向由浅变深的视电阻率变化情况。通过室内解译，计算出地层电阻率，由地层电阻率预测地层岩性，达到探测目的。大极距测深的工作特点是需向测点两侧长距离布设测线(见图2)。

图2 对称四极电阻率测深原理示意图

野外工作采用重庆地质仪器厂生产的DZD－6A型多功能直流电法仪。直接测取视电阻率ρs和视激发极化率ηs，依据衰减曲线计算出综合参数ZP、半衰时TH、衰减度D。结合本次地质情况，为保证曲线首枝达到渐近线及满足探测深度要求，选择最小供电电极距3米，最大500米。

2.3 高密度电法

高密度电法工作方法采用温纳四极测深装置形式，剖面均为120道测量，测量层数为1～39层，点距5米。其温纳测深装置方式(WN)装置形式(见图3)。电极排列规律是:A，M，N，B(其中 A，B是供电电极，M，N是测量电极)，AM=MN=NB为一个电极间距，随着间隔系数n由n(MIN)逐渐增大到n(MAX)，四个电极之间的间距也均匀拉开。该装置用于固定断面扫描测量，其特点是测量断面为倒梯形。

图3 温纳四极测深装置方式图

2.4 EH4音频大地电磁测深

EH4电导率剖面仪通过发射和接收地面电磁波来达到电阻率或电导率的测探。连续的测深点阵组成地下二维电阻率剖面，甚至三维立体电阻率成像。根据以MaxWell方程组为核心的大地电磁理论若将地表天然电场与磁场分量的比值定义为地表波阻抗，那么在均匀大地背景下，此阻抗与入射场极化无关，只与大地电阻率以及电磁场的频率有关。由勘探趋肤深度公式:

可知穿透深度(δ)仅仅取决于大地电阻率(ρ)和使用的信号频率(f)。随着电阻率的减小或频率增高，穿透深度变浅反之，随着电阻率增大或频率降低，穿透深度加大。如大地电阻率结构一定时，改变信号频率便可以得到连续的垂直测深。根据上式，结合EH4的工作频率10Hz～100KHz，则EH4的有效勘探深度为10m～800m即通常所说的的有效勘探深度为几十米到一千米左右。其具体情况与当地的不同地质情况有关。

3 应用实例

3.1 重力勘探的应用

对区域重力资料进行分析后，在浚县一带1/10区域重力等值线图的基础上，对部分点进行验证后，在工作区范围内做了重力剖面(Z1－Z1ˊ)反演计算图，此处以浚县白寺乡—浚县城区为例(见图4)。

图4 浚县白寺－浚县城区重力剖面正演计算图

根据本区布格重力异常与主要构造的对应关系和深部基岩面的形态分析，测区内部布格重力异常总体反反应了沉积盖层的厚度变化和基地的起伏形态。测区重力值最高点在浚县县城区域，最大值为－23ΔG(10－5MS－2)左右，重力最低值在小河乡，大致值为－40ΔG(10－5MS－2)左右。最高最低值相差－17ΔG(10－5MS－2)左右。所以重力值的巨大差异表明区内灰岩基地起伏变化较大。整体形态，北浅南深。根据重力剖面推断本区域的基岩埋深分布情况，确定使用何种其他物探方法和仪器，为具体的找水定井工作提供基本依据。

3.2 激电测深与高密度电法的应用

此处以浚县水厂附近对称四极激发极化测深法和高密度为例进行说明，浚县水厂位于浚县西北部，该处曾经为一个石灰岩采石场，采石坑废弃后用碎石砂土填埋，下部为灰岩。以采石场为中心布设高密度电法剖面，方向垂直采石场走向。在对所有野外资料数据进行全部复核无误后，采用RES2DINV软件进行反演，生成反演电阻率等值剖面(见图5)。图中红色区域高阻部分为灰岩的电型反应，但基岩面下部有低阻异常，推测该低阻异常由灰岩破碎形成的岩溶充水引起。

为进一步验证岩溶的发育赋水情况，在剖面260 m处布设激发激化测深点一个。该曲线首支电阻率较低，约30Ω·m，是碎石砂土的电性反应，推测该层厚度约为30米:中段电阻率曲线45度角抬升，是完整基岩的电性反应，但尾支，在AB/2=90m后，视电阻率下降，且视极化率值明显升高，最大ηs值达到2%，推测为灰岩岩溶充水的电性反应。岩溶埋深60米左右，破碎带走向与高密度布极方向垂直(见图6)。

图5 浚县水厂高密度视电阻率等值线图

图6 浚县水厂激电测深ρs及ηs曲线图

在该位置施工水井(1#)100米深，约50米深度时遇灰岩岩溶，成井水量50 T/h，水位降深2.5m。

3.3 激电测深与AMT法的应用

鹤壁市淇滨区大河涧乡位于鹤壁市西部，大部分地区基岩出露，因此以寻找基岩裂隙水为主。采用EH4音频大地电磁测深法结合激电测深法进行找水定井。进行野外踏勘后，选择构造发育区域，布设EH4音频大地电磁测深剖面线。此处以大河涧乡牟巫山山下养牛厂处为例进行说明。

对野外数据进行室内整理后，用软件sufer8.0绘制出音频大地电磁测深等值线图(见图7)。

从图中易看出，测线方向0～600米和1 000～1 600米处，表层视电阻率值较低，是地表粉质粘土覆盖层的电性反应，600～1 000米，视电阻率值较高，该处基岩出露，与实际地貌相符合。

随着深度增加，视电阻率值逐渐增加，但在测线700～800米，深度400米处，视电阻率值急剧下降，是基岩破碎充水的电性反应，因此推测该处存在一个断层，且从电阻率值分布上来看，破碎带左侧高值部分在深度上高于右侧，结合低视电阻率的分布情况，推测该处断层为逆断层，编号为F1。同样，认为在该剖面1 200米处也存在着一个逆断层，编号为F2。

图7 音频大地电磁测深视电阻率等值线图

为了验证EH4音频大地电磁测深的准确性和对打井位置断层埋深情况做进一步的了解，我们在F2断层拟定井位处布设对称四极激发极化电测深点一个。

从视电阻率曲线图上可以看出(见图8)，F1号断层在该处埋深约200米，F2号断层埋深约300米，推测结果与EH4音频大地电磁测深推测结果相同。后在F2断层上盘钻井(2#)过程中所揭露地层及构造与推测结果基本相符，且成井后出水量满足设计要求。

图8 F2号断层处对称四极激发极化视电阻率曲线图

3.4 激电测深在确定咸淡水位置中的应用

鹤壁市浚县东部主要以松散层为主，有部分区域地下浅层含水层矿化度较高，通过收集资料和孔旁电测深曲线点算解释电阻率值与测井解释矿化度对比情况:通过对比，归纳推算出电阻率与矿化度的关系如图9。

图9 视电阻率与矿化度关系图

图10 黎阳镇水峪新村激电测深ρs及ηs曲线图

将视电阻率与极化率结合起来后，能明显验证含水砂层矿化度的高低问题。

此处以浚县黎阳镇水峪新村3#井位的推断为例来进行解释说明。视电阻率曲线图见图10，利用吉林大学电法反演软件，生成函数反演见图11。

以此两项为主要依据，准确的划分出了鹤壁市浚县部分区域的咸水区域和咸水层，为抗旱找好水和成井提供有力的依据。

根据曲线形态建立反演模型，该位置地层分为四层。第一层厚度约0.5米，视电阻率值较高，是表层粉质粘土较干引起，第二层阻值下降，且极化率较低，是粉质粘土的电性反应，厚度为35米左右，第三层视电阻率继续下降，最低达8.9Ω·m，但极化率值有所升高，判定为含水砂层，但矿化度较高，厚度约29米。第四层视电阻率值和极化率值都有所抬升，是淡水含水砂层的电性反应，因此，建议该井应该注意考虑65米以上，咸水层的封井工作。

该井(3#)最终成孔200米，止水位置70米，水量50T/h，水质达到国家饮用水标准。

图11 黎阳镇水峪新村激电测深ρsT函数反演结果图

4 结语

通过多种物探方法与仪器的应用，对鹤壁应急抗旱工作的顺利完成起到了重要的作用，取得了良好效果。结论如下:

(1)在应急抗旱找水打井物探工作中，打破了传统找水定井的局限性，对于不同地区不同地层进行选择不同的物探方法，采用了重力勘探、激电测深、高密度直流电法、音频(EH4)大地电磁测深等多种方法，使单一的电法勘探变得多样化，提高了工作效率，保障了工作质量。

(2)根据各区的电性特征进行了电性—地质分层，结合布格重力异常和已有资料，将区域重力法与不同的电法相结合，以区域重力控制整个工作区的基岩面，并找出主要断层异常，再以有地层针对性的电法加密详查，极大的提高了定井的速度，且节约了项目经费。

(3)根据咸水层和淡水层在视电阻率和极化率上的不同电性反应，运用激电测深区分咸淡水，指导后期成井，取得了良好的效果。

［1］赵云章等.黄河下游影响带地下水资源评价及可持续开发利用.中国大地出版社.2002.

［2］赵建粮，陈天振.MT法在开封凹陷地热资源调查中的应用［J］.物探与化探，2010，34(2).

［3］李保群，王喜军.河南省郑州北郊水源地供水水文地质地球物理勘探报告［R］.河南省郑州地质工程勘察院，1995.

［4］赵建粮，张笑笑.综合物探方法在鹤壁抗旱找水打井中的应用与研究［R］.河南省地矿局水文二队，2011.