电阻率测深法在柴达木盆地地下水调查评价中的应用

冀显坤，白 运，郭伟立

(中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054)

电阻率测深法在柴达木盆地地下水调查评价中的应用

冀显坤，白 运，郭伟立

(中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054)

都兰县地处柴达木盆地，为高原大陆性气候， 以干旱为主要特点，自然景观为干旱荒漠，主要土类为盐化荒漠土和石膏荒漠土。随着矿产资源与农业经济的飞速发展，对水资源的需求愈发突出，为此开展柴达木盆地水文地质调查工作，其中地球物理勘探的目的是探查富水区及流域剖面上第四系含水层的水文地质结构和空间变化特征。主要确定第四系含水介质的岩性、厚度、埋藏深度及基底形态。电阻率测深法是地下水勘探中重要的技术手段，本文介绍了其中的对称四极测深法在柴达木盆地地下水调查中的应用，在山前地下水埋深较浅地区，通过向地下供电，建立人工电场，测量电场地下介质的分布。所取得野外实测数据是地下地质构造体分布及电性特征的综合反映，消除或压制这些干扰因素的影响，最大程度得到反映地电断面真实信息的信号。在定性分析的基础上进行定量反演计算剖面电性结构特征，划分含水层，确定基岩面，最后取得了良好的应用效果。

电阻率测深；地下水；对称四极

丰富的矿产和农牧业资源是促进都兰县经济社会建设的重要推力，由于都兰县地处干旱盆地，县域内降水稀少，生态环境脆弱，水资源勘查研究程度低，现有水文地质资料难以满足新经济形式下的矿产资源开发及农业园区扩大建设对地下水资源需求，为此开展了柴达木盆地水文地质调查任务，为了查明第四系厚度，划分含水层范围，采用地球物理勘探方法技术，本文所述电阻率测深法则是其中的内容。

1 电阻率测深法工作原理

电阻率法属于传导类电法勘探方法。建立在地壳中各种岩矿石具有各种导电性差异的基础上，通过观察和研究与这些差异有关的天然电场或人工电场的分布规律，从而达到查明下构造的目的。在地层岩性电阻率的实际测定工作中，所测得的电阻率并不等于某一岩层的真电阻率，也不是各地层电阻率的平均值，而是该电场分布范围内，各种岩层电阻率综合影响的结果，称之为视电阻率，用符号ρs表示。其表达式为：

(1)

式中：ρs的单位为Ω·m，K 为与电极排列有关的装置系数，单位为m。 ΔUMN为MN测量电极的电位差，I为供电电流。

更确切地说，电阻率法应称作视电阻率法，它是根据所观测视电阻率值的变化特点和规律去发现和了解地下电性不均匀体，根据不同地电断面揭示地下地层情况，从而达到探测地质构造、储水构造、寻找地下矿物和地下水的目的。

电阻率测深法简称电测深法，它是研究垂向地质构造的重要物探方法。其实质是在每个电测深点上，用改变供电极距的方法来控制不同的勘探深度，由浅入深地了解测深点地下介质垂向电阻率的变化。综合每条测线的测量结果，通过定性分析和定量解释，获得每条测线的地电断面资料；综合工区各测线的测量结果，来获得地下岩石、含水岩层沿水平方向和垂直方向变化的资料，以达到立体填图的效果。常用

装置为对称四极法。对称四极的装置如图1。

图1 对称四极装置图

供电电极 AB 和测量电极 MN 对称分布在测点 o 两侧，并沿一直线排列，一般 AB 长度选择遵循以下公式。

AB=(4～6)H

(2)

式中：H为目标体深度。

MN=(1/3—1/5)AB

(3)

式中：MN 应等于 1～2 倍的点距。装置系数计算公式为：

(4)

2 工作装置及极距的选择

本文激电测深装置采用对称四极装置，按照最大极距估算公式AB≈(3～5)×H 可初步估算出最大供电极距，综合考虑信号衰减和地形因素，初步确定一个发射极距。根据试验，本次测深工作最大AB/2取500 m，最大MN/2取100 m，采用等比装置，其比值为1/5。测深极距布设参见表1。

表1 激电测深极距表

时间制式参数选择

用大功率直流电法仪时,其延时一般取200 ms、采样宽度、二次场采样块数、迭加次数均是由仪器本身固有设定的，这里不再另行设置。

供电周期预设为16 s，供电时间为T=4 s。

测量视极化率(ηs)、视电阻率(ρs)和自然电位(ΔV)三项参数。其中视极化率(ηs)取4块积分面积，即测量记录ηs1、ηs2、ηs3、ηs4，以便数据分析处理和成图时，选取稳定可靠的视极化率进行。在重点测深点的重点深度异常部位，测量记录ηs1～ηs4等多个参数，为分析异常属性提供二次场“衰减曲线”。

3 工作区地质概况

3.1 水文地质

依据地质、地貌和地下水埋藏条件与水力性质等，柴达木盆地含水层系统可划分为松散岩类孔隙含水层系统、碎屑岩类孔隙裂隙含水层系统、碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层系统、岩浆岩类孔隙裂隙含水层系统、变质岩类裂隙含水层系统、多年冻结层含水层系统六种类型。具有集中供水价值的是第四系松散岩类孔隙地下水。

第四系松散岩类孔隙含水层系统的结构及主要特征：

分布于柴达木盆地广大的平原区及山区沟谷地带。含水介质主要由第四系松散堆积物组成。松散岩类孔隙含水层系统的结构特征、地下水富水性及水质等，从山前—盆地中心，总体上具有环带状或半环带状分布规律。水文地质剖面见图2。

图2 都兰县察汗乌苏河谷水文地质剖面图(张戈等)

3.2 地球物理前提

第四系松散沉积、冲积物，其电阻率与孔隙度和富水性的关系就较之岩石的复杂多了。不含水的干砂砾石，其电阻率高达几百至几千Ω·m，饱水的砂砾石其电阻率显著下降。而在同样饱水的情况下，粗颗粒的砂砾石电阻率比细颗粒的细砂、粉砂高。总之，在第四系地层中潜水位以下的高阻层反映为粗颗粒的含水层，当然，在这些高阻层中，随着粗颗粒松散层的粒径不同，电阻率相对也有一定变化。作为隔水层的粘土类的电阻率远比含水层低。上述的地电特点，为地面电电阻率法和电测井法寻找和划分含水层与隔水层并判断其富水性提供了充分的理论依据。

工区物性资料显示，砂砾石层视电阻率为100～120 Ω·M；中粗砂层的视电阻率为80～100Ω·M；中细砂层的视电阻率为60～90 Ω·M；亚砂土的视电阻率为40～60 Ω·M；亚粘土的视电阻率为30～50 Ω·M；粘土的视电阻率为20～40 Ω·M。

本地区第四系覆盖层主要为冲洪积粗砂石和砂砾卵石，冰水堆积含泥砂、砾卵石、粗砂，冰川堆积泥质砾石、砂及粘土，少量芒硝、石膏，含水后电阻率呈现低阻电性特征，含少量水或者不含水属于中阻的电性特征。盆地基地为岩浆岩属于高阻，与第四系覆盖层电性差异大，具有电阻率法勘探的物性前提。

4 数据处理

野外实测数据是地下地质构造体分布及电性特征的综合反映，包含了自然界本身存在的各种不同的干扰(噪音)成分。资料预处理就是要消除或压制这些干扰因素的影响，最大程度得到反映地电断面真实信息的信号。在定性分析的基础上进行一、二维定量反演计算。根据视电阻率直方图(图3)结果，根据物性资料可知，可划分对应为含水的中粗砂层，以及浅层的含水层，下部的基岩三个层次，呈现典型的三层结构。

图3 视电阻率分布图

图4 工作布置图

激电异常体埋深计算

异常埋深计算采用桂林工学院的2.5维电法正反演解释软件，本软件适合于目前高密度电法、常规电法不同装置的双频仪实测数据(视电阻率和视幅频率)反演解释。也适用于水平地形和起伏地形下的数据解释，且不需要对地形影响进行校正。本反演算法是基于电阻率/幅频率数据2.5维有限元正演模拟和基于光滑模型约束最小二乘反演算法。在正演计算中，采用了三角单元剖分，能很好的模拟起伏地形，单元内的电性参数设置为连续变化。在反演的目标函数中，加入了最简单模型和背景场等先验信息，减少了解的多解性。

5 推断解释

测线位于都兰县城北部，横穿察汗乌苏河测线两端均处于山前。工作部署如图4。

从电性结构分析，呈现三层电性结构，上部为第四系冲积含水层，电阻率较低，中间为隔水层，电阻率较高，最下层为基岩，电阻率较高，基底起伏形态清晰连贯，如图5。

图5 推断解释

6 结语

向地下建立人工电场，测量地下半空间介质的电场分布，结合水文地质、地球物理资料，根据统计分析结果，可以快速的定性划分地下水文地质结构，了解地下特征。根据已知资料，对测深曲线进行二维正反演，根据剖面的地球物理特征，可定量确定所测地质断面的水文地质特征，确定和层位在剖面上的埋深以及空间的展布。为布置钻孔提供技术支撑。通过在柴达木盆地的应用表明：电阻率测深法具有施工简便，抗干扰强，解释简单快速等特点，可有效的圈定含水层，查明地下水文地质构造，在地下水勘探中具有良好的应用效果。

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Application of Resistivity Sounding Method in Investigation and Evaluation of Groundwater in Qaidam Basin

JI Xian-kun, BAI Yun, GUO Wei-li

(Xi'an Geological Survey Center of China Geological Survey, Shaanxi Xi’an 710054)

Dulan Country is located in the Qaidam Basin, which is the continental climate of the plateau and the main features is drought. The natural landscape is arid desert, and the main soil is salinized desert soil and gypsum desert soil. With the rapid development of mineral resources and agricultural economy, the demand for water resources is becoming more and more prominent, to this end, the hydrogeological investigation work of Qaidam Basin is carried out. The purpose of geophysical exploration is to explore the hydrogeological structure and spatial variation characteristics of the Quaternary aquifer in the rich and regional watersheds. The lithology, thickness, burial depth and basement morphology of the Quaternary aquifer are mainly determined. The resistivity sounding method is an important technical means in groundwater exploration. This paper introduces the application of the symmetrical quadrupole sounding method in the groundwater survey of Qaidam Basin. In the shallow groundwater field, by supplying electric for underground can establish man-made electric field and measure the distribution of underground media in electric field. The obtained data is the comprehensive reflection of the distribution and electrical characteristics of the underground geological structure, the elimination or suppression of the influence of these disturbances can get the signal of the true information of the electrical section at the largest degree. On the basis of qualitative analysis, the quantitative structure of the profile is calculated by quantitative inversion, the aquifer is divided, the bedrock surface is determined, and finally the good application effect is achieved.

resistivity sounding; groundwater; the symmetrical quadrupole sounding method

2017-03-24

东昆仑铜镍多金属资源基地调查(121201011000150005)

冀显坤(1980-)，男，陕西商洛人，工程师，主要从事电磁法勘探研究工作。

P641.8

B

1004-1184(2017)04-0013-03