综合地球物理方法在坦桑尼亚某电厂水文地质勘察中的应用

杨青峰，刘彦华，蒋玉坤



综合地球物理方法在坦桑尼亚某电厂水文地质勘察中的应用

杨青峰1，刘彦华1，蒋玉坤2

( 1.江苏省水文地质工程地质勘察院，江苏 淮安 223003；2.中国电力工程顾问集团 华东电力设计院有限公司，上海 200063)

EH4电阻率成像系统是将部分可控源与天然源相结合的一种大地电磁测深系统。电测井是通过测量人工或天然电场，研究钻孔剖面地层电学性质的一种方法。本文以坦桑尼亚某电厂水文地质勘察为例，说明这两种方法在查明该场区的地层结构、基岩面起伏以及覆盖层中的水文地质情况具有良好的应用效果。实践证明，大地电磁测深、钻孔电阻率测井及自然电位测井是水文地质勘察中最优的物探手段。

水文地质勘察；EH4电磁成像系统；电阻率测井；自然电位测井；坦桑尼亚

( 1.JiangsuProvinceHydrogeologyandEngineeringGeologyReconnaissanceInstitute,Huai’anJiangsu223003,China;2.EastChinaPowerDesignInstituteCo.,Ltd,ChinaPowerEngineeringConsultingGroup,Shanghai200063,China)

1 引 言

地球物理方法作为水文地质调查必不可少的手段之一，被广泛地用于寻找地下水，圈定构造，及其走向和断距，解释基底埋深，划分含水层的空间分布等方面。EH4是一种新的物探方法，在我国已成功运用在地矿、煤炭、水利、水电系统的找矿、找水等具体工程中，但在国外找水工程中的公开资料较少。本次在坦桑尼亚某电厂中运用EH4电磁成像系统，并结合钻孔视电阻率及自然电位测井手段，为电厂水文地质调查提供了可靠的物性资料。

2 场区地质条件与岩土体的地球物理特征

2.1 场区地质条件

坦桑尼亚某电厂位于坦桑尼亚东海岸，距印度洋约20 km，该场地地势有一定起伏，东低西高，地表高程在82～93 m。地貌属坦桑尼亚东部丘陵，场地中部有一东西向季节溪流贯穿场地，旱季无水，雨季有少量汇水，宽度10～20 m。场地内无人员居住及建筑物，地表分布松散灰白色砂土，灌木丛生。地层主要为以粉质黏土混粉砂为主的第四纪早期地层，厚度在50 m左右；新近纪晚期地层以砂层为主，夹黏土层，砂层泥质成分非常高，虽厚度很大，但富水性和导水性都极差。基岩主要为第三系砂泥岩和白垩系砂砾岩，在场区以西Pugu山出露，其余地区埋藏很深。

2.2 岩土体的地球物理特征

地下岩、土层由于其成分、结构、颗粒大小、组合形式的不同，不同岩、土层之间存在着电性差异，同样的或相近的岩、土层由于含水量的不同，也存在电性差异。而砂层也会因其泥质含量的不同，电阻率会发生变化。地下各种岩土体会受地质构造的影响，电性也会发生变化。地下岩、土层具有的电性差异就是本次物探评价地下水工作采用大地电磁测深、电阻率法的地球物理前提，其岩土介质的物性参数如表1所示。

3 野外工作方法

本次大地电磁测深共布置6条测线。采用手持GPS放置测点和测线[1]。后期采用GPS双频RTK系统对测点进行复测。测区及测线位置见图1。

表1 岩土介质物性参数

图1 测区及测线位置Fig.1 Measurement area and line position

3.1 EH4电磁成像系统

3.1.1 EH4电磁成像系统工作原理

EH4属于部分可控源与天然源相结合的一种大地电磁测深系统[2]。当频率在10～1 000 Hz时，可以采集天然电磁场信号；当频率在500～100 kHz时，天然场信号中高频成分比较弱，这时，使用人工电磁信号补偿天然信号的不足，实现天然信号源与人工信号源的采集和处理，可有效地穿透不同厚度的覆盖层，高精度反演地下0～1 000 m的地质体的电性结构。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[3]。

EH4野外测量采用剖面法，其野外工作装置布置如图2所示。以测线方向为x轴，垂直测线方向为y轴，在测点上沿x、y放线布置两组相互正交的高频磁探头和电极，采用“十”字形方式布极，根据地形、地物条件，各个测点的电极距为15～25 m不等，布极方向分别平行(Ex)和垂直(Ey)于测线。同样，磁传感器也分别平行(Hx)和垂直(Hy)于测线。[4]

EH4电磁成像系统(简称EH4)是一种国际上先进的高频大地电磁系统。其原理是通过观测相互正交的两个电场分量(Ex，Ey)和两个磁场分量(Hx，Hy)的时间序列，利用观测值求得xy，yx两个方向上的视电阻率和相位差[9]。

其计算公式如下：

(1)

(2)

式中：f为频率，Hz；ρ为电阻率，Ω·m；E为电场强度，mV/km；H为磁场强度，nT。

上述是把在大地当成均匀介质情况下推导出来的电阻率公式，但大地一般都是非均匀的，为趋肤深度内介质电阻率的综合值，通常称为视电阻率。

在电磁法理论中，将电磁场在大地中传播时，其振幅衰减到初始值1/e时的深度称为穿透深度或趋肤深度δ。趋肤深度为

(3)

由式(3)可知，趋肤深度δ将随电阻率ρ和频率f的变化而变化。根据电磁波传播的特征可知，上式三式表明，探测深度随频率的降低而增大，视电阻率增大对电磁场的衰减作用反而更小[6，7]。因此在相同的电阻率情况下可以通过采集较低频率的信号来获得更深的探测深度。在一个宽频带上观测到的电场和磁场信息可反演出不同深度介质的电阻率分布信息[8-12]。

图2 EH4电磁成像系统工作装置布置Fig.2 Arrangement of working device of EH4 electromagnetic imaging system

3.1.2 EH4电磁成像系统数据处理与分析

EH4采集的数据先进行预处理，在现场进行傅立叶变换，获得电场和磁场虚实分量和相位数据，并进行一维Bostic反演。在一维反演的基础上，室内资料处理中采用Robust估计方法处理时间序列资料，最大限度地压制了不相关噪声的影响，获得高质量的张量阻抗元素。利用EH4系统的二维成像软件进行快速自动二维电磁成像，生成dat格式的文件。将场区测线及高程代替横纵坐标，生成EH4电阻率数据。

3.2 钻孔电测井

电测井是通过测量人工或天然的电场，研究钻井剖面地层的电学性质，结合钻探取芯资料，可以对地层岩性、含水层水文地质特征等方面做出定性和定量解释，为水文地质勘察工作提供准确可靠的物探参数。

3.2.1 自然电位测井法

自然电位测井的基本方法：如图3所示，在井内放置测量电极M，地面放置测量电极N，将M电极沿井筒移动，可测出一条井内自然电位随深度变化的曲线。

测量原理：固定地面的电极N，其电位VN是一个恒定值。当测量电极M在井中移动时，电位差计所测得的电位差ΔVMN会随之发生变化，这种变化就是井下自然电位的变化，而绘制电位差随井深变化的曲线，即自然电位曲线。自然电位曲线的变化与岩性有密切关系，分析曲线中明显的异常能得出其含水层的渗透性规律，这在水文地质测井上具有非常重要的意义。

图3 电测井自然电位法原理Fig.3 Principle diagram of electric logging natural potential method

3.2.2 电阻率测井法

电阻率测井的基本方法如下：如图4所示，在井内放置电极系(底部梯度电极系)，电极系由供电电极A、测量电极M、N组成，地面放置供电电极B，将电极系沿井筒移动，可测出一条井内视电阻率随深度变化的曲线。

图4 电测井视电阻率法原理Fig.4 Principle diagram of electric logging apparent resistivity method

测量原理：电极系在井中时，由供电电极(A、B)供给的电流流过地层，另两个测量电极(M、N)测量电位差，根据测量的电位差和供电电流来确定电阻率。均匀介质的视电阻率为：

ρs=(4π·AM·AN/MN)·ΔVMN/I

(4)

令K=4π·AM·AN/MN

4 场区地球物理成果分析

4.1 水文地质条件分析

场区地下水类型主要为松散层孔隙水和基岩风化裂隙水。松散层孔隙水主要赋存于第四系地层和第三系松散层中，由于第四系地层以黏性土为主，其富水性很差；第三系松散层虽以砂层为主，但其泥质含量较高，其富水性亦很差。基岩风化裂隙水则主要赋存于基岩与松散层交界处的风化地层以及构造裂隙中，其富水性和松散层相对较好，但由于场区基岩埋藏深，而第三系主要为砂泥岩，其风化裂隙多为泥质充填，导致其富水性和导水性也很差[5]。

4.2 EH4大地电磁测深资料解释

拟建电厂位于整个场地的东南角。根据前期钻孔资料以及业主要求，本次EH4大地电磁测深共布置测线6条，其中3条主测线长度约1 000 m，3条次测线布置在拟建电厂区域，长度约500 m。各测线编号分别为：L1、L2、L3、L4、L5、L6，其中南北向测线为L1、L3、L6，东西向测线为L2、L4、L5，线距不等，点距均为25 m。

首先测量的为L1、L2、L3主测线，计划在主测线成果中找出低阻带，结合地质资料分析低阻带中富水性较好的区域，然后在拟建电厂区域布置次测线，计划在该区域加密测量并布置水文钻孔，进一步研究富水性。

图5为L1测线视电阻率断面图，测线位于测区中部，自西而东测量，长1 030 m。图中0～250 m、450～750 m均为视电阻率高阻区域；上部高程至55 m的视电阻率呈似层状低阻电性特征，推断为粉质黏土混粉砂为主的覆盖层，而高程55 m以下区域视电阻率梯度变化大，推断为颗粒较粗或固结程度较高的砂层(砂砾岩)，结合水文资料分析，这两段的富水性及导水性都较差。图中250～450 m、750～1 030 m视电阻率整体数值低；推断上部高程至55 m为粉质黏土混粉砂为主的低阻地层；高程在55～-400 m视电阻率整体较低，推断为泥质含量较高的砂层(砂砾岩)，故其富水性较差。综合分析L1测线，在250～350 m虽处于拟建电厂位置之外， 但视电阻率高低阻接触带，可做进一步研究。

图5 L1测线视电阻率等值线断面Fig.5 L1 survey line apparent resistivity contour map

图6为L3测线视电阻率断面图，测线位于测区中偏南部，自西而东测量，长1 015 m。图中0～500 m为视电阻率高阻区域；上部高程至55 m视电阻率呈似层状低阻电性特征，推断为粉质黏土混粉砂为主的地层，高程55 m以下区域视电阻率梯度变化大，推断为颗粒较粗或固结程度较高的砂层(砂砾岩)，结合水文资料分析，其富水性及导水性都较差。图中500～1 015 m为视电阻率整体较低，推断上部高程至55 m为粉质黏土混粉砂为主的地层；高程在55 m以下由于其泥质含量较高，视电阻率较低但富水性较差。综合分析L2测线，推断300～600 m下部为颗粒较粗或固结程度较高的砂层(砂砾岩)，结合水文资料分析，其富水性及导水性都较差。而在450～500 m虽属于拟建电厂之外但视电阻率高低阻地层接触带，可做进一步研究。

依据相同的解释方法，对L2测线进行解释，并在拟建电厂区域增加三条次测线L4、L5、L6，计划寻找富水带。图7为L4测线视电阻率断面图，测线位于测区中偏东部，自南向北测量，长度为570 m。L4测线的布置主要依据L1、 L3两测s线在拟建电厂位置上的低阻带，尽量贴近两测线视电阻率高低阻的接触带。综合分析L4测线，视电阻率数值整体较低，仅在250～400 m、420～500 m两处上部视电阻率较高。结合水文地质条件，推断该断面上部为粉质黏土混粉砂为主的地层，而下部地层主要以砂层为主，但砂层中泥质含量较高，故富水性及导水性较差。

图6 L3测线视电阻率等值线断面Fig.6 L3 survey line apparent resistivity contour map

图7 L4测线视电阻率等值线断面Fig.7 L4 survey line apparent resistivity contour map

另外还布置了L5、L7测线，但大地电磁测深效果一般，未能发现明显的富水带。综合大地电磁测深的结果，结合拟建电厂工程实际情况，在L3与L4测线中可能性较大的富水带进行钻孔验证。

4.3 电测井资料解释

钻孔电位测井和电阻率测井的资料，可为含水层、隔水层位置提供分析依据，并定性了解含水层泥质含量，为指导成井、确定过滤器位置提供主要的依据。钻孔电测井资料解释的方法主要是通过视电阻率(ρs)、自然电位(ΔV)两条曲线分析钻孔地层的岩性、透水性和富水性，分析含水层位置。

钻孔视电阻率(ρs)测井可以反映钻孔中地层的导电性以及砂层中颗粒的粗细；而钻孔自然电位(ΔV)测井则反映了地层的渗透、过滤性以及透水性。根据场区的地球物理特征，并综合电测井资料，可以得到该场区中黏性土和泥岩的电阻率数值最小，而砂层电阻率较高。而砂层中颗粒大小、含泥量的不同，电阻率也发生对应的变化。一般来讲：砂层中颗粒越粗，电阻率越高；泥质含量越高，电阻率越低；不含水的砂层要比含水砂层电阻率高。通过视电阻率(ρs)曲线可以分析地层的岩性、颗粒粗细，通过自然电位(ΔV)曲线可分析地层的透水性和砂层的泥质含量。在资料处理中，黏土层或泥岩井段的自然电位曲线比较平直，解释中通常将黏土层或泥岩井段的自然电位曲线值作为基线，来分析含水层的自然电位异常。

通常来讲，同一钻孔的自然电位曲线和电阻率曲线是可以相互对应的。电阻率高的地层对应的自然电位越低，则该地层渗透性较好，是很好的含水层。而电阻率低的地层对应的自然电位无明显异常，则该地层的隔水性较高。

图8为验证钻孔的钻探分层资料和对应的电测井曲线。该钻孔56m以浅的地层以粉质黏土混粉砂为主；56～135 m主要为粉细砂但泥质含量高，此段电阻率数值最大仅达到11 Ω·m，自然电位曲线差别也小，反映地层渗透性差；135～200 m主要为粉细砂、中细砂、细砂为主，夹黏土层，其电阻率最大为18 Ω·m。根据一般经验，砂层的电阻率应该在30～40 Ω·m，故135～200 m段含泥量相对较高。综合两条曲线，135～142 m、146～149 m、167～176 m、180～182 m、189～195 m这五段视电阻率相对较高，推断砂层中泥质含量较高，水量较小；但这五段自然电位差别小，说明地层渗透性差，即地下水补给差。

图8 钻孔电测井曲线Fig.8 Borehole electric logging curve graph

5 结 论

本次坦桑尼亚某电厂水文地质勘察中通过采用EH4电测成像系统和钻孔电阻率及自然电位的测井方法，为电厂选定了比较合适的水文钻孔。可以得到以下结论：

1)水文地质条件和地球物理条件，是开展EH4电磁成像工作和电阻率及自然电位测井的前提基础。物探工作之前必须了解覆盖层的厚度、地层情况以及断裂发育情况，重点在富水区及汇水区布置物探工作，以指导后续资料解释工作。

2)EH4电磁成像系统能对地层进行分析，先将场地进行划分区域，然后在视电阻率高低阻接触带上增加物探测线，进一步研究地层的富水带。

3)钻孔中电阻率测井和自然电位测井两种方法相互结合，可分析出黏土层、砂层对应的富水性及渗透性。隔水层主要为黏土层，其视电阻率较低，而电位变化小。含水层主要为砂层，其视电阻率较高，且电位变化大。

4)运用EH4电磁成像系统和钻孔电阻率及自然电位测井的方法，可以相互验证、相互补充，不仅能圈定场地中低阻区域，还可以对低阻区的地层性质进行分析。新老方法结合，是水文地质调查中必不可少的物探手段，既节省了成本，也达到了预期目标。

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The Application of Integrated Geophysical Methods to Hydrogeological Surveying in the Tanzania Power Plant

Yang Qingfeng1,Liu Yanhua1,Jiang Yukun2

EH4 electromagnetic image systemis a kind of magnetotelluric sounding system controlled source with the combination of natural sources. Electric logging is measured by artificial or natural electric field. It is a kind of method to research the electrical properties of borehole sections.In Tanzania, hydrogeological exploration of a certain power plant as an example, shows that the two methods in identification of the stratigraphic structure and the bedrock surface fluctuation and the hydrological geology layer has a good application effect.Practice has proved that EH4 electromagnetic image system, drilling resistivity logging and spontaneous potential logging are the optimal means of geophysical prospecting in the hydrogeological exploration.

hydrogeological investigation; EH4 electromagnetic image system; resistivity log; self-potential log; Tanzania

1672—7940(2016)05—0659—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.05.017

国家自然科学基金(编号：41274123)

杨青峰(1964-)，男，高级工程师，主要从事资源及工程物探的生产与研究工作。E-mail：23744106@qq.com

P631

A

2016-03-30