综合物探方法在水文地质勘查中的应用——以东宁市浙江工业园勘查为例

贾立国，张 帆，蔡 贺，李 霄

中国地调查局沈阳地质调查中心，辽宁沈阳110034

综合物探方法在水文地质勘查中的应用
——以东宁市浙江工业园勘查为例

贾立国，张 帆，蔡 贺，李 霄

中国地调查局沈阳地质调查中心，辽宁沈阳110034

针对东宁市浙江工业园急需查找后备水源地的现状，利用高密度电阻率法与激发极化法组合，在对已知井观测研究基础上，建立勘查区地球物理找水模型.进一步对相关区域勘查，结合水文地质资料和成井条件圈定井位，经钻井施工验证，成井率100%.通过多种物探方法在该地区应用的实际效果分析，高密度电阻率法与激发极化法组合模式在区域相似的水文地质条件下，在地下水勘查的应用中能提高其找水和成井的准确性.

激发极化法；高密度电法；物探方法组合；多参数测量；地下水勘查

0 前言

水文地质物探是获取深部水文地质资料的一种辅助勘查技术手段.物探方法能应用于探测地表松散介质的厚度、地下水的埋深、断层的位置、基岩的深度等方面［1］.在水文地质勘查中，水源地勘查是一项重要工作.直接用钻探找水具有很大的盲目性，且成本高、风险大.采用综合物探方法找水具有方便、快捷、准确的优点，是最经济、有效的手段.在黑龙江省东宁市浙江工业园区采用找水常用的激发极化法与高密度电阻率法组合方式，查清了测区的水文地质构造情况，确定了地下岩溶裂隙发育区的位置及埋深.经钻孔成井，效果良好.

1 研究区地质特征

1.1 基础地质

研究区区域上地层简单，主要为第四系覆盖及下伏新近系土门子组的沉积变质岩.第四系沿山坡和沟谷分布，厚度一般小于10 m，成分为洪冲积亚黏土、杂色砂岩、砂砾岩.新近系土门子组（N1t）基岩为含砾粗砂岩、粗砂岩、粉砂岩及泥岩.中、粗砂岩是裂隙水的主要含水层，是本次勘查的目标层.

1.2 水文地质

测区位于东宁盆地边缘山坡.按地下水含水介质的岩性、赋存条件及水动力特征，本区地下水类型可划分为松散岩类孔隙水和基岩风化裂隙水两大类.测区松散岩类孔隙水有冲洪积层孔隙水和残坡积、坡洪积层孔隙水等.主要分布于山前及沟谷地带，含水层多为砂砾石层、砂或碎石夹黏土层，厚度较小，富水性较差.基岩风化裂隙水，由于地貌部位、风化程度、埋藏条件、构造裂隙发育程度的不同，富水性极不均匀.根据已有机井和收集的水文资料分析，该区域水量在3 t/h，局部水量偏大.

2 方法选择及工作布置

根据测区情况和工作任务，我们选择激发极化法和高密度电阻率法.测线布置见图1.

图1 工区测线布置简图Fig.1 Layout of survey lines in the work area

激发极化效应是在人工电流场一次场或激发场作用下，具有不同电化学性质的岩石或矿石，由于电化学作用而产生随时间变化的二次电场（激发极化场）［2］.地层中赋水后也会产生上述激发极化效应，这是激发极化法找水的地球物理前提.激发极化法优点是受地形影响小，对岩溶、裂隙水的水位埋深和相对富水带反映得比较直观.目前激发极化法找水应用的激电参数较多，如表征岩石激发极化的极化率和充电率参数，表征岩石激发极化放电快慢的半衰时和衰减度参数，还有激发比和相对衰减时等综合参数，这些参数的选取与不同地质体和不同仪器有关.本次使用国产DZD－6A型直流激电仪，具有测量多参数的功能.激法极化法采用等比对称四极装置，装置系数AB/MN＝5∶1.

高密度电阻率法较常规电阻率法具有电极一次布设、多种装置选择对比、数据采集自动化、数据地质信息丰富、解释方便等特点［3-4］.应用该种方法可以清晰地划分出第四系、新近系基岩地层及地层内的含水层、隔水层、断层等.本次测量采用美国 AGI公司SUPERSTRING/R8电法仪，极距10 m，采用Wenner、Dipole-Gradinet装置，一次布设电极60～120根.

3 成果解释

3.1 成果解释分析方法

物探成果的解释主要遵循从已知到未知和物探解释与地质推断相结合的原则.根据反演成果图像显示的剖面电性特征，结合区域水文地质资料和本次工作调查及收集的资料，推断地层岩性特征和基岩裂隙带，并选择推荐合理的取水层（带）.

通常在含水层的具有 ρs低、ηs高、St高、D 高、r低、ZP高、J高特征.ηs曲线对含水层都有反映，但异常宽大、幅度小、边界模糊［6］.其中极化比J为ηs与D的乘积，在含水层上值均高.极化比J参数使异常放大反映更明显，并且该参数对含碳地层的影响能较好地压制［5］.综合参数 ZP为 ηs×St，St曲线对含水层顶部具有明显的反映，但对底界面反映不清.含碳地层极化率较高，但半衰时衰减较快，使得综合参数（ZP）与含水层相比变小，从而可以排除碳质地层干扰.结合水文地质资料对比分析多参数曲线，排除单一参数的多解性，可保证解释的可靠性.

高密度电法资料的分析和解释以经过处理的高密度电法剖面反演图像为基础，结合工作区区域地质资料，根据黏性土层、含水砂层表现出来的不同视电阻率高低，对图像特征进行分析、解释.

3.2 已知井高密度剖面

已知井含水层为新近系含砾粗砂岩、中粗砂岩，深110 m，涌水量3 t/h.遵循从已知到未知研究思路，首先经过已知井位布设A－A′高密度电法剖面，长1150 m，极距10 m，116个电极.从高密度电阻率反演断面（图2）中可以看出，整条剖面分为3层4个子区.第一层（Ⅰ区）为黏土、亚黏土、基岩强风化物，厚度不均（1～13 m），属弱含水层；第二层（Ⅱ区）电阻率大于100 Ωm，推断为新近系基岩粉砂岩；第三层（Ⅲ－Ⅳ区）电阻率 10～100 Ωm，推断为粉砂岩、泥岩、中（粗）砂岩基岩互层组成，其中低阻带（Ⅲ）推断为含裂隙水的基岩与泥岩互层组成.已知井位于51与52号电极间，它位于50～57点间的低阻带.结合水井资料，该低阻带推测为泥岩或砂岩含水层互层组成.

3.3 已知井位激发极化综合参数特征

为进一步了解高密度电法剖面异常，在已知井位点布置了测深点.从该处测深综合曲线（图3）来看，在AB/2＝65、100 m 处具有 ρs相对低、ηs高、St高、D 高、ZP高、J高特征，ηs、ZP、J同时呈现高值，说明该处泥岩含碳质低或不含碳.在东北地区含水层深度（h）与电测深极距（AB/2）相当［7-9］，根据曲线特征推测埋深 65～100 m段为相对“富水”地段.推测结果与收集的已知井的资料吻合，验证了推测内容.

根据上面两种不同勘查方法异常特征和水文地质条件的分析，同时得到含裂隙水的基岩与泥岩互层的组合电阻特征低于纯泥岩与其他不含水基岩互层的电阻率.可以据比建立该区域找水地球物理模型，在该区直接通过低电阻率（1～20 Ωm）特征圈定含水区域，预选井位.

3.4 实验定井

根据工业园未来规划的厂房Ⅰ区用水需求，布设测深点及“十”字高密度电法剖面组合方法，确定实验井位.

1）B－B′线成果解释

B－B′高密度电法剖面长590 m，极距10 m，60个电极.整条剖面（图4）分为3层5个子区.第一层（Ⅰ区）为黏土、亚黏土、基岩强风化物，厚度1～15 m；第二层（Ⅱ区）电阻率大于100 Ωm，厚度30 m左右，推断为新近系基岩粉砂岩，该层位产出不连续；第三层（Ⅲ－Ⅴ区）电阻率 10～100 Ωm，推断为泥岩、中粗砂岩基岩组成.其中17～45号电极间低阻异常（Ⅲ区）占第三层的2/3面积，埋深35～110 m，结合水文地质资料该异常为含裂隙水的基岩与泥岩互层引起.中高阻层（Ⅳ区）推测为泥岩与弱含水砂岩互层在上下伏基岩粉砂岩共同引起.高阻层（Ⅴ区），推测为下伏基岩粉砂岩引起.

2）C－C′线成果解释

C－C′高密度电法剖面长590 m，极距10 m，60个电极.整条剖面（图5）分为3层4个子区.第一层（Ⅰ区）为黏土、亚黏土、基岩强风化物，厚度不均（1～15 m）；第二层（Ⅱ区）电阻率大于100 Ωm，推断为新近系基岩粉砂岩，该层位产出不连续；第三层（Ⅲ－Ⅳ区）电阻率10～100 Ωm，推断为泥岩、中粗砂岩基岩组成.在10～25号电极之间埋深25～60 m 段，25～32号电极间埋深15～124 m段和37～55号电极间埋深40～110 m段分别存有低阻层（Ⅲ区），其中低阻带推断为含裂隙水的基岩与泥岩组成.左部中高阻层（Ⅳ区）为基岩粉砂岩引起，右部中低阻层（IV区）推测为粉砂岩与泥岩互层引起.

图2 A－A′剖面高密度反演电阻率断面图Fig.2 High density resistivity inversion of A-A′profile

图3 已知井激电测深综合曲线Fig.3 Composite IP sounding curves of existing well

图4 B－B′剖面高密度反演电阻率断面图Fig.4 High density resistivity inversion of B-B′profile

3）A＃井位激发极化综合参数特征

从该处测深综合曲线（图6）来看，AB/2＝25、65、100 m 处显示 ρs相对低、ηs高、St高、D 高、ZP高、J高特征，ηs、ZP、J同时呈现高值，说明该处泥岩含碳质低或不含碳.综合多参数曲线异常直观反映，25～100 m地层为“富”水层.

图5 C－C′剖面高密度反演电阻率断面图Fig.5 High density resistivity inversion of C-C′profile

图6 A＃井激电测深综合曲线Fig.6 Composite IP sounding curves of A＃well

4 钻井验证

通过高密度电阻率剖面异常特征及A＃井激发极化综合参数曲线特征分析，深25～100 m低阻异常为有利“富”水地段.在预定井位区域共布设两个井位（见图7），分别为出水井A＃与观测井B＃.建议钻井井深110 m，出水井与观测井相隔10 m.钻探验证，成井井深A＃100 m，B＃100 m.A＃井的主要出水层位为25～35、50～60、65～70、80～100 m，证实了物探解释的准确性.抽水测得A＃静水位测深18.7 m，动水位埋深62.5 m，水位降深43.8 m，稳定出水量可达200 t/d以上.

图7 富水区域井位布置图Fig.7 Layout of wells in water-rich area

5 结语

通过水资源勘查实例，证实在该区域应用高密度电阻率法与激发极化法组合寻找地下水是行之有效的.

1）纯泥岩中极化率较小，而含水砂岩极化率较大，通过激发极化法能排除泥岩层的干扰，激发极化法多参数找水能够直接划分出富水地段.高密度电阻率法具有采集丰富地质信息的特点，两者组合可以降低多解性，提高找水成功率，充分发挥各种方法的优势，可以产生较好的经济效果.

2）不同类型含水层具有不同的物探特征，因此在利用物探方法进行地下水勘查定井位时，要针对各含水层特点选择不同的物探方法组合，弥补单一方法的多解性，充分发挥各种物探方法的本身优势并合理应用，能提高定井效率和定井成功率.

［1］徐智彬，朱朝霞，裴灵.水文地质勘查方法［M］.武汉：中国地质大学出版社，2013.

［2］李金铭.激发极化法方法技术指南［M］.北京：地质出版社，2004.

［3］贾立国，吴继红.高密度电法测量的应用及其在森林区的优势［J］.地质与资源，2014，23（2）：181－183.

［4］邓帅奇，岳建华，刘志新，等.高密度电阻率法在基岩勘察中的应用［J］.煤田地质与勘探，2012，40（2）：78－85.

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［6］陕西地质局第一物探大队.激发极化法文集［M］.北京：地质出版社，1975.

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APPLICATION OF COMPREHENSIVE GEOPHYSICAL METHODS IN HYDROGEOLOGICAL EXPLORATION：A Case Study of Zhejiang Industrial Park in Dongning City

JIA Li-guo，ZHANG Fan，CAI He，LI Xiao
Shenyang Institute of Geology and Mineral Resources，CGS，Shenyang 110034，China

To meet the urgent need of potential water sources for the Zhejiang Industrial Park in Dongning City，on the basis of observation and study of existing wells，the methods of high density resistivity and induced polarization are combined to establish a geophysical model for water resources exploration.With further prospecting in related areas，combining the hydrogeological data and well completion conditions to delineate well locations，the success rate of drilling is up to 100%by verification.Analysis on the actual application effect of multiple geophysical methods in the area shows that the combination of high density resistivity and induced polarization methods can improve the accuracy of water exploration and well completion in groundwater prospecting application with similar hydrogeological conditions.

induced polarization method；high density resistivity method；geophysical method combination；multiparametersurvey；groundwaterexploration

1671-1947（2017）05-0515-06

P641.72

A

2017－02－27；

2017－03－25.编辑：张哲.

中国地质调查局项目“中俄蒙经济走廊哈大齐和绥芬河-同江地区地质环境综合调查”（编码121201007000150007）.

贾立国（1981—），男，硕士，工程师，从事地球物理研究工作，通信地址辽宁省沈阳市皇姑区黄河北大街280号，E-mail//278256304@qq.com