激发极化法在浅埋隐伏基岩区水文定井中的应用浅析

2017-03-12黄子莹王成龙

河北地质 2017年3期

黄子莹王成龙

(河北省水文工程地质勘查院石家庄 050021)

1 激发极化法及其测试参数

在常规电法勘探中，当采用某一电极排列方式向大地供电或切断电流的瞬间，在测量电极M、N之间总能观测到电位差随时间的变化。在这种类似充、放电的过程中，由于地下介质或探测对象的电化学作用所引起的随时间缓慢变化的附加电场现象，称为激发极化效应(简称激电效应)，如图1。

图1 激发极化法充、放电波形示意图

激发极化法是物探勘查的一种技术与方法，就是以岩、矿石激电效应的差异为基础，在外业采集供电电流、一次场电位差、二次场电位差，并计算求得极化率ηS(%)、衰减度Dr(%)、半衰时TH(s)、偏离度r(%)等激电参数的基础上，通过资料解译、分析对比，从而达到找矿或找水的目的。

2 激电特征与激电找水的地球物理前提

激电效应有随岩石、矿石中电子导电矿物、地下水含量的增高而增强的特性，是激发极化法成功应用于多金属矿探查、找水的物理化学基础。

当岩石存在黄铁矿、黄铜矿低矿化时，激电效应明显，极化率多为3%～10%；以黄铁矿、黄铜矿为代表的硫化物呈浸染型多金属矿化、呈块状多金属矿化、石墨矿、含碳岩石等，其极化率高达10%～50%。一般而言，低极化地层的富水层位极化率多为1%～2%左右，咸水层的极化率相对偏高一些。

对某地层而言，半衰时、衰减度幅值大，表示该极化介质二次场放电慢，衰减慢；而半衰时、衰减度幅值小，则表示该介质放电速度快，衰减快。富水地层的半衰时、衰减度幅值相对较高，即说明富水地层的激电效应衰减相对较慢。

总而言之，相对于多金属矿化岩层或岩体而言，一般富水地层的极化率明显较低为1%～2%，而半衰时、衰减度值相对较高。对同一地层如硅质砂岩、碳酸盐岩、砂卵砾石层等低极化地层，相对于贫水层位，富水层位的极化率、半衰时、衰减度均呈现高幅值异常特征，这即是激电找水的地球物理前提。

3 激电找水常用装置类型及其特点

应用于找矿普查，激发极化法多以激电中梯为主；应用于水文地质调查、贫水区找水，多在物探剖面的基础上，以激电测深对比验证。

在激发极化找水中用得最多、最有效的装置类型是对称四极垂向测深装置,即温纳装置，也称为IP测深。激电测深的供电电极AB与测量电极MN布置在通过测点O的一条直线上,通常采用温纳装置并保持MN/AB=1/3的等比关系。如图2所示，这种装置的特点是AM=NB，记录点取在MN的中点。其电阻率值ρS表达式为：

图2 对称四极激电测深装置示意图

相对于其他装置类型，该装置类型抗干扰能力强，测得的数据稳定、△V1、△V2幅值高。

因常规电法的电阻率值与电流、电压有关，而电压值为地表测量电极MN间测得，受地形起伏影响。因此，常规电法的电阻率值受地形起伏干扰较大。所以常规电法要求放线的场地尽量平缓。

水文物探中，激电测深最大的优点是衰减度、半衰时等参数受地形影响小，因此衰减度、半衰时测深曲线异常段的深度即反映富水地层的深度。不需要刻意进行深度换算。

外业工作中，由于供电时间长、测试与计算的参数较多，激电测深法外业效率相对较低；同时由于二次场较弱，及地电干扰、接地条件较差等因素，容易出现数据不稳定。所以，在激电测深外业中，需要根据实际情况，及时串联外接电池提高电压、并需改善供电极接地条件，以提前换土、浇水方式改善测量电极的接地条件，提高M、N极罐的稳定性。

4 白垩系砂岩地层水文定井

在某铁路车站找水中，了解到车站需水量不大于10 m3/h。调查可知该测区地处白垩系地层，外围村庄有水井，出水量约20 m3/h左右。该处白垩系的砂岩、泥岩多以互层形式展现，完整性一般较好，赋水性差。试验可知隐伏的泥岩、砂岩互层的电阻率值整体较低，相对富水与不富水地层电阻率并无明显的电性差异。在水文物探工作中最常使用的直流电测深法在该类区域找水效果不明显。

4.1 工作方法

鉴于该类区域基岩的电性特点，开展以激电测深法为主的水文勘探成为首选。首先在已知井井旁分别做直流电测深与激电测深，取得已知电阻率和激电参数，而后每100～200 m布置一个激电点；通过各测点曲线与已知井参数曲线的对比分析，在圈定的富水区段再布置一条十字测线，并进行适当加密测点，直到确定理想的点位为止；在拟定的井位处辅以十字激电测深，对比分析，综合确定了富水层与井深。

4.2 参数分析与成井效果

从测试成果看，该区各测点的视电阻率曲线类型近似，即AKH与HKH型，即中深部的视电阻率曲线走势均相似，与已知井差异不明显。仅从视电阻率曲线特征比较，推荐井位的难度较大。从各测点的视极化率曲线特征与幅值分析，各测点中深部的视极化率约介于0.4%～0.9%间，局部高值达1.5%未出现明显的高极化特征(图3)。

图3 已知井激电测深各参数曲线

从上面的已知井旁曲线可以看出，电测深曲线的AB(max)/2=500 m，而激电参数的AB(max)/2=250 m。AB/2=50 m以深，衰减度与半衰时两参数均呈现明显的高值异常，且AB/2=50 m与AB/2=160 m处衰减度与半衰时均出现峰值，Dr≥0.3，而半衰时TH约介于0.7～0.9间(图4)。

图4 推荐井位激电测深各参数曲线

从上面的推荐井位曲线看，AB/2=75～160 m间，衰减度与半衰时两参数均呈现明显的高值异常，且AB/2= 160 m处衰减度与半衰时均出现峰值，Dr≥0.3，而半衰时TH=0.8。

比较已知井和DS-4激发极化参数(半衰时、衰减度)曲线，以上两测点AB/2=50 m以深电性特征相似，且DS-4点与已知井的半衰时、衰减度幅值近似，由此推断DS-4的含水情况应与参数井的出水量近似，建议井深180 m。实际出水量15 m3/h，满足了供水需求。

5 隐伏白云岩区水文定井

5.1 外业工作方法

工点位于官厅水库东岸，冲沟发育，地形起伏大，电法放线受限严重。上覆厚层黄土与砾石土，调查推测基岩顶板埋深40～80 m左右，潜水面在基岩顶板附近的上侧。推测下伏基岩应为蓟县系雾迷山组白云岩等。

在前期物探工作中，通过音频大地电磁法即EH-4剖面测量，初步查明了土石界线的埋深与基岩裂隙发育带；根据预选的靶区，结合地形特点在沟底或土梁处开展了多处激电测深法，视电阻率曲线类型多为QH型。

5.2 参数分析与测试效果

在IP-3测点，可知AB/2=50 m时衰减度Dr≥0.3，基本对应已知水位；AB/2=110 m处衰减度Dr=0.34，而两极距的半衰时介于0.77～1.05间，即衰减度与半衰时均呈现明显的高值异常；推测应为基岩顶板附近溶蚀裂隙发育，相对富水。后经钻探成井验证，证实白云岩裂隙发育，成井深度约110 m。初测出水量40 m3/h(图5)。

图5 基岩顶板富水的激电曲线特征

6 白云岩区十字激电测深法水文定井

在太行山区，石灰岩、白云岩、大理岩等碳酸盐岩地层发育，探测溶蚀发育带、断层带成为间接找水的有效途径。但在有些测区，因地表第四系覆盖，缺乏已知的构造、地层资料，或者已知井位缺乏或水量不理想，或者电阻率曲线特征近似或富水异常特征不明显，单单凭借电法的电阻率曲线特征推荐井位风险较大，或难于推荐井位。而这时若场地适宜，在重点区布设少量的激电测深点进行对比分析，可能会有意想不到的探测效果。

如在某新建大型水泥厂水文定井时，根据场地条件，选用了外业效率较高的电测深法开展工作。通过对称四极电测深法剖面测量，发现各测点视电阻率曲线类型多为HA或AA型，各测点的深部基岩的电性差异不明显，且斜率较大，未能确定井位。后改用激电测深法，在采集视电阻率参数的同时分别采集了极化率、半衰时与衰减度等。通过激电综合参数对比分析，达到了预想的效果(图6)。

图6 各激电测深的视电阻率曲线特征对比

6.1 外业工作方法

从调查发现，该工点周边基岩埋深10～20 m左右，潜水面在基岩顶板，但水量小且随季节变化明显。钻探遇下伏基岩为白云岩。在厂南侧已有两处机井干眼，另有村里一眼水井出水量达30～40 m3/h，并分别作了井旁电测深。

6.2 参数分析与成井效果

在ZS4-1测点处发现AB/2=80 m以深衰减度值明显偏高；又经十字测深后发现，在深部电阻率差异不大的同时衰减度差异明显，即东西向放线时的衰减度明显呈现高值异常，而半衰时介于0.78～1.0间，推测应为东西向的溶蚀裂隙发育。后经钻探成井验证，在90 m附近见溶洞，成井深度约100 m。4吋泵连续抽水而降深不明显。但初始抽水时出水红色混浊，推测溶洞内底部有泥质充填(图7)。