物探方法在地下热水勘探中的应用

张 启，杨天春，2，王齐仁，2，许德根

(1.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411201;2.湖南科技大学 页岩气资源利用湖南省重点实验室，湖南湘潭411201)

地下水资源是干旱缺水地区人们赖以生存的自然资源之一。尽管我国幅员辽阔，水资源总量居世界第六位，但人均拥有量很低，只占世界人均占有量的25%。近年来，随着我国经济的飞速发展，对水资源的需求也明显增加;同时，随着人们生活水平的提高，围绕地热资源的旅游开发项目也有显著增多，合理有效地开发和利用地下水资源是十分重要的[2]。

社会的发展和人们生活的需求为地下水的勘探提出了更高的要求，同时也为物探方法的应用提供了更广阔的舞台。物探方法具有简便、高效、成本低等特点[2，3]，它能为地下水的勘探工作提供钻探井位，避免钻探工作的盲目性，减少钻探方法的成本。本文中，作者根据自己多年来的实践[4，5]，利用工作实例介绍天然电场选频法在湖南浏阳某地温泉勘探中的应用效果，并对一个简单的地质地球物理模型进行理论推导和模拟计算，从理论上说明天然电场选频法的异常形成原因。

1 天然电场选频法原理与技术

天然电场选频物探法简称天然电场选频法或选频法。天然电磁场的频带较宽，但从目前国内现有的仪器来看，天然电场选频仪所利用的工作频率一般为14～1 500 Hz，实践中一般只选择几个固定的频率为工作频率。选频法利用大地电磁场作为工作场源，测量天然交变电磁场在地面产生的电场分量异常，以此来研究地下地电断面的电性变化状况，从而来解决地质问题。由于频率不同，电磁波的衰减程度不同，各种频率电磁波的穿透深度和勘探深度也就不同，因此，在同一测点上利于各种频率的测量结果，可达到频率测深的效果。

天然交变电场选频法的场源一方面来源于闪电、雷雨而产生的电场，其方向垂直于地球表面;另一方面来源于工业游散电流。在场源较远的地方，这种电磁场可看作平面电磁波，场的变化规律服从麦克斯韦方程组。如果不考虑磁场强度与电场强度之间的相位差，那么电磁波的穿透深度(δ)和交流视电阻率()可表达为[6]:

式中:ρ为介质的电阻率(Wm);f为工作频率(Hz);Ex为x方向的电场强度(mv/km);Hy为方向的磁场强度(γ)。

电磁法的勘探深度与电磁波的穿透深度(即趋肤深度)密切相关，就天然电场选频法而言，一般用来估计其勘探深度，由此来反演异常体的埋深。在现场实际勘探中，点距一般为1～10 m不等;实测方法有平行移动法、垂直观测法和正交观测法[7]，一般采用平行移动法，即电极M、N保持固定的间距(通常取10 m或20 m)沿测线移动，测量两电极之间的电位差，并以MN的中点O作为记录点。区域地质构造延伸展布特征，进而确立地质构造骨架及其与深部岩浆岩体的相互关系;(3)配合物探成果，确定下一步钻探井位。本次使用的物探仪器为DX-1型天然电场选频仪和WDJF-1数字幅频激电仪，共敷设物探剖面6条。

2 应用实例与效果

目前，天然电场选频法在水文地质和工程地质中都有所应用，如灾害勘查、注浆堵水中都有很成功的实例[8]。下面以实地勘探工作为例，说明天然电场选频法在湖南某地地下热水勘探中的应用效果。

2.1 测区地质概况

湖南省浏阳市某地有热水出露，该地属亚热带温湿气候区，春夏温暖多雨，秋冬寒冷干燥。降雨多集中在3～7月，多年平均降雨量为1 600 mm左右，水利资源相对充足，地表山泉常年不断，且流量大小随季节而变化，并顺山势直流而下汇于冲沟溪谷，排泄于浏阳河中。

该测区位于北东向的长(沙)平(江)断裂带的中段南侧，受区域大断裂影响，附近次一级断层及隐伏含水构造裂隙发育，且关系复杂，变化相对较大，大多为冷水断裂，只有个别发育深度相对较大的深部断裂为热水导水断裂。

区内出露地层主要为冷家溪群(Ptln2)土黄色千枚状板岩，烟灰色弱硅化绢云母粉砂质板岩和青灰色强硅化板岩，板状构造，板理清晰，局部裂隙节理发育，并见有石英呈脉状充填。温泉探查区外围西北约3 km及东侧约十公里左右地段，分别见有燕山早期黑云母花岗岩体和加里东期黑云母花岗岩体侵入;探测区西南侧约1 km有闪长斑岩和花岗斑岩露头分布。预测探测区及其附近有花岗岩体，推测深度在n×100～1 000 m之间有花岗岩基存在，为地下深部热水温泉的形成，提供了主要热源条件。

湖南省地矿局402队曾于2007年在该地区开展过初步地质勘察工作，并布设物探直流电法联合剖面5条，测量点距为20 m，同时在小范围内开展地质调查工作，最后完成2个钻孔的水文地质钻探勘察工作，最大孔深91.5 m，但未钻到好的热水构造带。

2.2 物探成果与分析

针对该测区的实际地形地貌和周围村民住房分别情况，本次物探工作主要采用三极激电测深法和天然电场选频法，旨在查明深部含水层位置。同时，对温泉周边区域约20 km2做较为详细地质调研工作，其目的在于:(1)确立花岗岩体在空间上的分布规律与侵入接触变化带特征;(2)进一步查明

图1 测线2的(a)视电阻率和(b)视极化率拟断面图

图1为测线2上三极电测深拟断面图，其中图1(a)和图1(b)分别为视电阻率 ρs(Wm)和视极化率 ηs(%)拟断面图。由于现场工作区位于狭长的山沟中，两侧树木茂密，且周围分布很多民房，做三极激电测深时，电缆线的敷设受到一定的限制，因而探测深度有限。另外，由于地下地质体的体积效应和电法探测深度的有限性(探测目标体的最大垂向分辨能力，即对二度体而言深径比不超过7:1)，所以，三极激电测深难以达到预期的效果。拟断面图中，除了在该剖面43 m的下部存在相对高阻区、剖面55m下部存在低相对低极化现象外，在剖面中未发现很明显的低阻高极化异常体。因此，单从激电测深的结果很难布置钻探孔位。

在已知水井旁布置了1条勘探线，得出相对应热水异常曲线样板图，见图2，这样可以提高此次物探工作的可靠性。由图可知在38 m位置处存在低电位异常，由于含水引起低电位，这样为后续物探工作提供了参考。

图3为测线2上天然电场选频法探测结果，为了便于区分各频率档的异常，分别采用两个坐标系进行绘制，即图3(a)和图3(b)。根据图3中的探测结果可知，由于14.6 Hz档的实测信号十分微弱，电位值在每一测点上都几乎接近零，所以图3中未绘制该档的探测结果，该剖面上明显的相对低电位异常主要出现在该测线43 m、70 m和86 m附近。由于该测区范围内地表水十分丰富，而本次勘探的目的是寻找来源于深部的热水，而测线43 m与70 m附近的异常主要出现在频率相对偏高的高频(即262 Hz和327 Hz)上，而86 m附近的异常主要出现在71.8 Hz频率上，从而可以推断43 m和70 m附近含水异常体的埋深比86 m附近的要小，且测线43 m处本身就位于地表的山沟位置，推测该两处的异常可能主要是冷水所致，根据经验公式，推测43 m和70 m两处的异常体埋深＜100 m。86 m附近的异常埋藏较深，推测异常体埋深在200 m左右，同时，根据262 Hz、327 Hz和783 Hz频率档在该测线84 m处出现明显相对低电位异常的性质，推测86 m附近含水破碎带的产状是向剖面的大号方向倾斜，且产状较陡，推测其倾角约为87°。结合地质调查情况(地质上推测的F1断层构造可能经过的区域)和其它剖面上的物探探测成果，最终在86 m位置布设勘查孔ZK1。

图2 已知钻孔异常样板曲线

图3 测线2的选频法探测结果

2.3 钻探验证情况

勘查孔ZK1目前终孔孔深为250.1 m，揭露的地层情况为:深度0～1.4 m为第四系全新统(Qh)粉质粘土(其中0～0.5 m为种植土，含植物根系);1.4～29.2 m为强风化砂质板岩;29.2～215.5 m为中 -微风化砂质板岩;215.5～250.1 m为中-微风化绢云母砂质板岩。同时，共揭露8处主要含水层。含水层Ⅰ:70.1～73.8 m;含水层Ⅱ:155.2～157.7 m;含水层Ⅲ:176.3～179.0 m;含水层Ⅳ:181.0～182.0 m;含水层Ⅴ:194.0～195.0 m;含水层Ⅵ:196.0～196.9 m;含水层Ⅶ:213.5～214.5 m;含水层Ⅷ:218.2～226.0 m。

经过抽水试验可知:含水层Ⅰ的水温为26.5℃，水量约为2 000 t/d;对含水层Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ和Ⅷ进行混合抽水，抽水稳定后达到31℃，水中含H2S气体;对含水层Ⅶ和Ⅷ进行单独抽水试验，水温最终稳定为45℃，水量约800 t/d。由于工程之外的一些原因，ZK1未继续往下钻进，预计在深部可能还存在含水裂隙，水温肯定也会继续升高。

从钻孔验证的情况来看，天然电场选频法的探测成果和反演结果是可靠的，其中，频率71.8 Hz在该处的异常可能是由Ⅶ、Ⅷ两含水破碎带所致。

3 结语

通过对上述事例分析和笔者多年的实践可知，天然电场选频法在地下水勘探中具有其自身优势，它轻便高效、信息直观、地形影响小，并且适用于地形起伏较大、植被发育、场地狭小等复杂场地情况，实用性较强。在实践应用中，在确定钻孔位置时，除了利用上述电位曲线的特征外，同时还要利用天然场的动态特征。因为天然场是一个动态场，地下低阻异常体相应的感应电场在时间上也是一个非稳定场，在地下含水构造的上方进行实测时，读数指针会发生明显的摆动。根据经验可知，含水体埋藏越浅或者是异常体含水量越大，则仪器的指针摆动幅度越大、频率也越高。

根据最近的理论研究可知[9]，平面电磁波场中的良导体(如良导球体、良导圆柱体)的感应二次场曲线与野外实测曲线具有相同的特征，说明天然电场选频法的异常可能主要是由感应二次场所致，这从理论上说明了实测异常的成因机理。但在今后的工作中应进一步加强对该方法的正反演研究工作，以便今后能利用理论知识更好地指导实践。

[1]雷静，张琳，邓宇杰，等.长江流域地下水资源开发利用与保护研究.人民长江.2012，43(3):48-51.

[2]刘伟，李泽坤.饮水困难区地下水勘察新技术的应用.地质与勘探.2010，46(1):147-152.

[3]宋洪伟，张翼龙，刘国辉，等.综合电法在太行山区地下水勘查实例解析.水文地质工程地质.2012，39(2):23-29.

[4]匡文龙，杨冲，曹运江，等.观文矿区地下暗河中天然电场选频法的探测研究.湖南科技大学学报(自然科学版).2011，26(3):17-21.

[5]李高翔，杨天春.天然电场选频法在灰岩区找水中的应用.西部探矿工程.2007，(9):123-125.

[6]李好，杨天春，王齐仁.天然电场选频法在地下水勘探工程中的应用.西部探矿工程.2009，(10):114-116.

[7]张瑜麟.天然电场选频法在工程地质勘察快速评价中的应用.地质与勘探.2003，39(3):67-71.

[8]王齐仁.地下水开采引起的地表变形调查方法.自然灾害学报.2007，16(3):154-159.

[9]杨天春，张辉.岩溶体的天然电场选频法异常成因研究.水文地质工程地质.2013，40(5):22-28.