天然电场三频法在毕节市找水打井应用总结

2016-09-18白新碧

西部探矿工程 2016年7期

关键词：成井隔水层岩组

白新碧

（贵州省有色金属和核工业地质勘查局五总队，贵州安顺561000）

·地质与矿业工程·

天然电场三频法在毕节市找水打井应用总结

白新碧*

（贵州省有色金属和核工业地质勘查局五总队，贵州安顺561000）

2012年贵州省找水打井一期工程已经结束，通过对天然电场三频法在毕节市找水打井项目中的应用，基本查明了该区已成井的不同岩性地层三频背景值变化范围及其地下水主径流带异常值范围，对该区物探工作进行了总结。同时，针对天然电场三频法多解性因素提出处理方法，并对该区未来找水打井提出了参考性建议。

找水打井；水文地质；地貌；岩组；含水性；天然电场三频法；背景值；异常

1　工程概况

近年来极端气候频繁出现，引发了贵州省内大范围的干旱缺水，继省委省政府下达了全省大规模农村饮水安全地下水勘查找水打井及抗旱找水打井任务之后，2012年下达了“新增机井800口”的任务。“毕节市找水打井”属于该任务的部分内容。

2　水文地质概况

工作区海拔约1400～1800m之间，处于黔西高原境内第二级阶梯上，属长江流域六冲河水系汇水范围。绝大多数地区都是岩溶地貌和侵蚀地貌相互交错出露，以岩溶溶蚀槽谷、缓坡、峰丛、洼地地貌为主，侵蚀、风化剥蚀地貌次之。三叠系、二叠系的地层分布最广，侏罗系和寒武系的地层次之。

三叠系中统关岭组、下统永宁镇组和二叠系上统长兴组大隆组及寒武系中上统娄山关群，为含水层与隔水层（相对隔水层）互层产出，总体上属不纯碳酸盐岩含水岩组。主要含碳酸盐岩裂隙—溶洞水，含水介质为溶蚀裂隙及溶孔，含水性相对均匀，富水性较强；二叠系中统茅口组属纯碳酸盐岩含水岩组，含碳酸盐岩溶洞—裂隙水，含水介质为溶蚀裂隙及溶洞，含水性不均匀，富水性强。

3　天然电场三频法

该方法是利用大地电磁场作为工作场源，以地下岩（矿）石电阻率差异为基础，在地面上测量大地电磁场产生的几个不同频率的电场分量的变化规律来研究地下地电断面的电性变化，达到解决地质问题的一种交流电勘探方法。

3.1工作原理

在距离场源很远的地面所分布的场可视为一平面波，其方向近似垂直于地面，场的变化规律服从麦克斯韦方程组。通过对波动方程求解，导出其波阻抗与介质交流电阻率的关系［1］：

式中：Ex——电场分量；

Hy——磁场分量；

f——频率；

ρs——电阻率。

公式（1）中，不考虑Ex、Hy相位差，且在同一地区小范围内磁场分量Hy基本稳定，可视为一常数。当f一定时：，由于E=ΔV/MN，因而ρs∝ΔV。

根据电磁波在地层中传播时的衰减特征，电磁波在介质中穿透深度δ为［2］：

从公式（2）看出，电磁波的穿透深度（δ）与频率（f）和电阻率（ρ）有关。当频率值确定后，则δ∝ρ；当电阻率确定后，则（即趋肤效应）。在实际工作中，通过改变工作频率即可达到改变探测深度的目的。

3.2工作方法

通过水文地质踏勘，在具备成水条件下，垂直于地下水径流方向布设不少于3条勘探线剖面，采用罗盘定向，皮尺测距。测量方法采用平行移动法，测线点距20m，以MN中点（O）作为记录点。选用25Hz、67Hz、170Hz三个频率进行ΔV测量。综合三频ΔV低异常值作为寻找地下水主径流带或地下含水岩溶通道走向的依据。

4　天然电场三频法在毕节市找水打井应用

与其它物探方法一样，天然电场三频法受地形、工作环境的限制，本次工作还受到了施工地域的限制。同时，资料解释具有多解性。

4.1不同岩性地层上三频测量效果

4.1.1三叠系中统关岭组第三段（T2g3）

灰色中厚层状白云岩夹泥质白云岩及粘土岩，属含水层与隔水层（相对隔水层）相间岩组，含水性较均匀。三频测量背景值ΔV＜20mV，主径流带上三频ΔV＜5.0mV。所定4孔均出水成井，水量较大。在毕节岔河镇一带，关岭组底部与永宁镇组接触段为近100m厚的泥质粘土岩，属隔水层，含水贫乏。若测线上各点的三频测量值均过大时（100～400mV），可断定下部为厚层泥质粘土岩。本次工作中已成功避开2处在厚层泥质粘土岩上开孔。

4.1.2三叠系下统永宁镇组（T1yn）

灰—深灰色中厚层状白云岩、泥质白云岩及白云质灰岩局部夹薄层状泥质粘土岩，属含水层与隔水层（相对隔水层）相间岩组，含水性较均匀。三频测量背景值ΔV＜25mV，主径流带上三频ΔV＜5.0mV。当三频测量值有明显异常低值出现时，方可作为定孔依据。所定2孔中，具有相同水文地质条件及特征，施工结果完全相反。KH2012406井点具有较好的三频低异常值，而孔号KH2012407因受地域限制（不能跨村界），在无明显的三频低异常值出现的情况下草率定孔位（详见图1），导致该孔出水量不足，教训深刻。

图1　孔406与孔407三频对比图

4.1.3二叠系上统长兴组大隆组（P3c+P3d）：

该地层岩性较复杂，泥、页岩、砂岩、灰岩、泥灰岩及劣煤层，属含水层与隔水层相间岩组，含水性较均匀。三频测量背景值ΔV＜5mV，主径流带上三频ΔV＜2.0mV。该地层定孔1口出水成井。

4.1.4峨嵋山玄武岩（Pβ）：

灰绿—深灰色块状玄武岩，属相对隔水层。通过三频测量背景值ΔV＜3.0mV，主径流带上三频ΔV＜1.0mV。结合地质剖面法确定三频异处峨嵋山玄武岩厚度不大，其下部与茅口组灰岩接触部位有存在地下的可能。KH2012054于该层位上开孔，经水文钻探验证在72.00m处揭穿峨嵋山玄武岩出水成井。

4.1.5二叠系中统茅口组（P2m）

灰—浅灰色灰岩、白云质灰岩，属纯碳酸盐岩含水岩组，岩溶及岩溶管道强发育，含水极不均匀。据了解，该层位上极易造成干孔，若根据径流区地表溶孔及溶蚀裂隙发育程度或根据物探方法测量低异常值均不能作定孔依据，原因是该层厚度大且少有隔水层（相对隔水层）存在，导致岩溶及岩溶管道在空间上发育不受限制。空岩溶、塑状粘土充填岩溶或裂隙、含水岩溶或管道相互交错，导致三频测量背景值范围变化大（10～300mV之间），三频异常值ΔV＜7.0mV。在水文地质条件满足的条件下，必须加大物探工作量的投入，对资料进行反复对比和筛选，才能较准确地对地下含水岩溶管道进行定位。本层位共定3孔（见图2），结果2孔成井、1孔废井。

4.1.6寒武系中上统娄山关群（∈2-3Ls）

深灰—浅灰色中—厚层状白云岩、泥质白云岩及粉砂质白云岩，属含水层与相对隔水层相间岩组，含水性较均匀。三频测量背景值ΔV＜20.0mV，主径流带上三频ΔV＜3.0mV。该层位上定孔1孔出水成井。

4.2天然电场三频法多解性因素及处理方法

4.2.1地形干扰

三频地电测量结果与地形起伏呈负相关，即山顶低值、山脚高值，工作时尽量避免在起伏较大的地形上测量。

图2　茅口组地层三频异常曲线图

4.2.2地貌干扰

在较宽广的U形槽谷地貌中，三频测量数值可靠，而在狭窄的V形沟谷地貌中三频测量数值不可靠。如图2茅口组地层KH2012070、KH2012071两孔为在较宽广的U形槽谷地貌中测量结果可靠。而KH2012052号孔为在狭窄的V形沟谷地貌中测量结果不可靠，表现在三频背景值低，且25频线多次跳动穿插67频线及170频线，使解释结果复杂化。采用综合物探方法，才是在V形沟谷地貌上提高成井率的有效方法。

4.2.3假异常

找地下水靶区内有由塑状粘土充填的张性断裂、隐伏裂隙，或压扭性阻水断裂、褶曲构造的存在，都会使产生假异常。如图2中KH2012052孔位处于缓坡V型沟谷处，其南东面数百米处为高差约300m的V型深切沟谷存在，成水条件并不很充分。经水文地质钻探在27～28m段验证了由塑状粘土充填裂隙产生的假异常，直至 153.08m仍未见水，决定终止钻进；KH2012070孔位于岩溶溶蚀洼地中，经水文地质钻探验证，12.50～21.10m处由塑状粘土充填裂隙产生假异常，由于67频ΔV异常明显，钻进至116.10m处见水，加深至184.36m成井；图1中KH2012407孔位不仅处于V形沟谷中，而且位于孔位北西向不到20m处发育一褶曲构造，岩石受到挤压封闭了地下水运移空间，导致出水量不足，150.30m终止钻进。

5　成井情况

天然电场三频法在该区共布设孔位12口，通过水文地质钻探验证及抽水试验结果：成井10口（出水量≥100t/d），干井1口，废井1口（出水量＜100t/d）（详见表1）。

6　天然电场三频法定井总结

通过对毕节市2012年阶段性打井工作，天然电场三频法定孔总结如下：

（1）三叠系中统关岭组及下统永宁镇组、二叠系上统长兴组大隆组、寒武系中上统娄山关群均属含水层与隔水层（相对隔水层）相间岩组，含水性相对均匀。采用天然电场三频法容易找到地下水主径流带；二叠系中统茅口组属岩溶及管道强发育的纯碳酸盐岩，须加大物探工作量的投入方可找到地下含水管道。

（2）基本查明了该区已成井的不同地层上三频背景值变化范围及其地下水主径流带异常值范围。含水层与隔水层（相对隔水层）相间岩组地层三频背景值ΔV＜25mV，主径流带上三频ΔV＜5.0mV；纯碳酸盐岩（茅口组）三频背景值ΔV变化范围大（10～300mV之间），三频异常值ΔV＜7.0mV。

（3）天然电场三频法能有效避免在厚层泥质粘土岩上开孔，厚层泥质粘土岩上三频背景值ΔV＞100mV，表明其厚度大且含水极贫乏；相对隔水层峨嵋山玄武岩与下伏地层碳酸盐岩（茅口灰岩）接触带是良好的成水部位，而天然电场三频法在硫铁矿化的峨嵋山玄武岩上测量的三频背景值低（＜3.0mV），难以判断其厚度，须结合地质剖面法大致判断其厚度，再结合三频低异常值（＜1.0mV）方可确定地下水主径流带位置。

（4）在宏观水文地质条件满足条件下，也要注意微观不利条件的存在。天然电场三频法适宜在较宽广的U形槽谷地貌而不适宜在狭窄的V形沟谷地貌中进行测量。有由塑状粘土充填的张性断裂、隐伏裂隙，或压扭性阻水断裂、褶曲的存在，都会使天然电场三频法产生假异常。

（5）若水文地质钻探一但验证了地下假异常体的存在，须密切注意岩芯完整度、溶蚀发育程度及出水情况，为水文地质钻探提供明确的施工目标。