综合物探方法在水资源勘察中的应用

廖文鹏， 朱 通， 黄日华， 张志磊

(长安大学 地质工程与测绘学院，西安 710064)

综合物探方法在水资源勘察中的应用

廖文鹏， 朱 通， 黄日华， 张志磊

(长安大学 地质工程与测绘学院，西安 710064)

为解决渭南市合阳县地区水资源短缺问题，选用瞬变电磁法与放射性α测量两种方法，在该地区展开找水工作。矩形大回线源瞬变电磁法在地下水勘查中具有广泛应用，采用晚期视电阻率计算存在明显的边界效应，这里利用全区视电阻率计算方法验证了矩形大回线源瞬变电磁法可以有效地压制边界效应。放射性找水方法相比于传统电法勘探具有一系列的优点，在地下水勘察中应用也越来越广泛。α射线异常可以大致圈定构造断裂，电阻率的分布特征可确定地下含水断裂位置，瞬变电磁法和放射性α测量两种方法相互验证，互为补充，提高了找水的精确性,有效降低勘探的风险。通过钻井验证单井出水量可达60 m3/h，解决了当地居民的生活及农作物的灌溉用水，为该地区水资源的勘探提供了借鉴。

瞬变电磁法； 全区视电阻率； 放射性α测量； 基岩裂隙找水

0 引言

水资源的短缺，严重制约着地区经济的发展、社会进步、生活和生态的改善[1]。传统地球物理方法在水文地质中一直得到应用[2]，梁建刚等[3]通过不同的电阻率方法和激发极化法组合使用，充分发挥不同方法的优点，取得良好效果；吴小洁等[4]通过不同物探方法相互验证圈定基岩破碎带找地热矿水；张彪等[5]通过高密度电法精细勘察浅表覆盖情况，EH4评估深部大地构造和区域性断裂发育情况两种方法互相验证互为补充，在花岗岩严重缺水去找水取得不错效果。电阻率法因其受地形影响、矿体干扰等因素，成井率较低，激发极化法补充了电阻率法的一些不足，但是其异常的形成影响因素较多，导致解释的多解性，一定程度上影响了该方法的推广[6]。近几年来，瞬变电磁技术在国、内外迅速发展[7-8]，它是利用不接地回线发射一次场，在一次场的间歇期间利用回线接收二次感应磁场，该二次电磁场是由地下良导体受激励引起的涡流所产生的非稳磁场[9]。因其具有垂向和横向分辨率高、受地质噪声影响较小、对低阻反应灵敏等特点，在地下水勘查中已经被广泛应用[ 10-11]。全区视电阻率定义的方法有两种，即利用垂直磁场定义或利用垂直磁场的时间倒数定义，白登海等[12]提出时间域瞬变电磁法中心式全程视电阻率的计算方法；熊彬[13]利用逆样条插值法计算大回线瞬变电磁法全区视电阻率；李建平等[20]利用水平电偶极子合成回线源，再利用水平电偶极子垂直磁场求取任意形状回线全区视电阻率；王华军[14]利用平移算法计算中心回线方式瞬变电磁全区视电阻率；张成范等[15]利用二分搜索算法计算矩形大定源回线瞬变电磁测深全区视电阻率；武军杰等[16]提出利用磁偶极子等效的大定源回线瞬变响应的视电阻率定义；曹昌祺[17]、汤井田[18]分别给出了电偶极子全区视电阻率的求取方法。我国用核技术方法寻找地下水的研究，从1974年开始到现在技术越来越成熟，核技术找水比传统的电法找水方法有一系列的优点：仪器装备轻便，操作简单，成本低，效率高，资料解释直观，可避免电法所受的电磁干扰和地形影响等。笔者利用矩形大回线源瞬变电磁和放射性测量综合方法找水，两种方法相互验证，互为补充，有效降低勘探的风险。

1 矩形大回线源瞬变电磁全区视电阻率定义

视电阻率包括早期、晚期和全区视电阻率，早期、晚期视电阻率计算简单，但是对中期的视电阻率求取存在较大的误差，实际应用中存在局限性，笔者利用水平电偶极子合成回线源的方法计算全区视电阻率，不分早期和晚期，与回线内测量的位置也无关，不存在“边界效应”的影响[19-20]。

水平电偶极子均匀半空间上垂直磁感应强度对时间的变化率为式(1)[21]。

(1)

矩形回线源任意位置的垂直磁感应强度对时间的导数为式(2)。

(2)

式中:li表示矩形回线源第i边的边长。

利用一维正演理论模拟，均匀半空间电阻率r=100 Ω·m，线框为400 m×400 m，点距为30 m，供电电流为10 A，图1为发射回线与测点示意图，用全区视电阻率计算与晚期视电阻率对比，得出视电阻率断面图(图2)。

图1 正演线框及测点布置示意图Fig.1 Schematic of transmitter loop and measuring point position for forward

图2 两种计算方式正演深度视电阻率断面图Fig.2 Profile of apparent resistivity(a)晚期视电阻率计算；(b)全区视电阻率计算

从图2(a)看出，存在很强的“边界效应”，视电阻率曲线向下弯曲，出现局部高阻，早期道出现电阻率的假高值，反观全区视电阻率断面图2(b)，不存在晚期视电阻率的“边界效应”，且早期道未出现电阻率假高值，能够较好的反映模型地电特征。

2 放射性测量方法寻找地下水原理

氡气测量法是使用测氡仪测量土壤、水及大气中氡气浓度，并通过研究氡气浓度的分布特征解决某些地质问题的一种放射性测量方法。氡(Rn)属于惰性气体，它能以游离原子形式沿着岩石孔隙或裂隙迁移，因此构造破碎带和裂隙发育带是氡气迁移的良好通道，一般来说，放射性异常产生的原因分为三类：①不同岩石中的放射性矿物含量不同；②构造活动使岩石破碎或产生断裂、裂隙，在破碎带及裂隙处，岩石的射气系数迁移能力较强，使射气更易于达到地表，产生异常；③由于地下水的地球化学作用，使岩石土壤中的某些放射性元素发生变化，产生异常[22]。地下水分为土壤水、层间水、裂隙水和岩溶水。后两种都与风化裂隙带、成岩裂隙、构造裂隙等关系密切，造裂隙带是地下水储存和运移最丰富、最强烈的地带[23]。

3 综合方法找水实例

3.1 工区地质概况

区域上合阳县位于鄂尔多斯盆地南缘及汾渭地堑中部边缘，地质构造比较复杂。以往勘察资料推测，区域上发育有合阳(F9)、桥头河(F7)、杨家庄(F6)、仙宫河(F5)、孟村沟南(F4)、孟村沟北(F3)等多条北东，北东东向高角度正断层。本次勘查范围内发育有F3、F4、F5、F6断层，其断距F4、F6较大、达几十米，而F3、F5较小，仅几米至十余米。以上断层多为含水断层，对基岩裂隙水多具有控制作用(图3)。

图3 勘查区断层分布图Fig.3 Fault exploration area map

3.2 工区水文地质概况

勘查区地下水在物探测量深度内可分为松散沉积层孔隙水即孔隙裂隙水、基岩裂隙水两种类型。

3.2.1 松散沉积层孔隙水即孔隙裂隙水

1)下中更新统黄土状土及冲洪积砂、砂砾石潜水含水岩组。分布于二级黄土塬，其岩性为中更新统黄土状土夹古壤及下更新统粉质粘土、局部夹有砂砾石层。水位埋藏深度变化为30 m～90 m，南北两端浅，中间深。含水层厚度变化为30 m～60 m，其厚度与基岩面高低相关。

2)下中更新统洪积砂砾石及黄土状土潜水含水岩组。分布于勘查区北部洪积裙区，其岩性上部为黄土状土夹古土壤及钙核层，下部为砂砾石及粉土、粉质粘土。休里村、佃头村测区裙体较完整，有利于地下水的赋存，水位埋深较浅，一般在40 m～60 m之间，富水性较好。

3)上新统砂砾石承压水含水岩组。仅分布于勘查区南部康家坡村一带，其岩性上部为粉土夹薄层粉细砂，含水性差，下部为砂砾石，是该含水岩组主要含水层，富水性较强。

松散沉积层孔隙水、孔隙裂隙水，水化学类型均属重碳酸钙镁型，矿化度小于0.5g/L。

3.2.2 基岩裂隙水

1)三迭系下中统纸坊群砂岩裂隙水含水岩组。分布于勘查区北部麻阳村～休里村测区，主要由砂岩与泥岩组成，下伏石千峰组第四段厚层泥岩，是良好隔水底板；勘查区断裂较多，裂隙发育，二者成为该含水岩组地下水赋存和运移的有利条件，形成相对富水地段。但因受基底起伏影响，各测区该含水岩组的厚度变化较大，涌水量也区别较大。

2)二迭系上统石千峰组第三段砂岩裂隙水含水岩组。分布于北伍中村测区，埋藏于麻阳村～休里村测区深部，主要由砂岩夹泥岩组成，砂岩占90%以上，以往勘察资料推测，该含水岩组应属富水性较好的含水岩组。

基岩裂隙水，水化学类型均属重碳酸型。按上述的两个含水岩组的次序由北而南分别为HCO3-Ca·Na·Mg型，矿化度小于0.3 g/L；HCO3-Ca·Na·Mg或HCO3-Na·Mg型，矿化度小于0.5 g/L。

应指出的是，基岩裂隙水赋存虽具相对成层性，也具有明显的不均一性，在断层和向斜轴部附近、裂隙密集发育带以及基岩顶面低洼处的砂岩中地下水往往比较丰富。同时，含水基岩风化层、含水裂隙发育段多位于基岩面以下40 m～90 m。

3.3 野外工作

本次地面瞬变电磁法勘探，选用长沙白云仪器开发有限公司生产的MSD-1脉冲瞬变电磁仪，发射线框为1 000 m×600 m的矩形回线大线框，在线框内布设两条测线，一条为主测线，一条为参考测线，北偏西45°方向布置，点距为30 m，线距为200 m，接收线圈的等效面积为2 200 m2，供电电流为2 A，发射频率为8.3 Hz，叠加次数以256次为主，放射性测量使用的是FFA-2快速α数字闪烁辐射仪，测点与瞬变电磁测点重合，参考测线(1线)在左端加入一个点，右端加入两个点，主测线(2线)则在两端各延长十个点。

3.4 资料解释

通过对勘察数据经过一系列的处理，对比两条测线的视电阻率断面图(图4)，1线纵向上，在0 m～140 m之间，电阻率值比较高，电性反映为140 Ω·m～240 Ω·m；在140 m～250 m之间，电阻率先减小再增大，存在一个局部的低阻异常；在250 m～500 m之间，电阻率先增大后减小，电性反映为120 Ω·m～180 Ω·m，局部相对高阻；在500 m～800 m之间，电阻率变化较大，高低组相间。横向上，在0 m～300 m之间，电阻率变化较为连续，无明显的高低阻相间；在300 m～800 m之间，电阻率高低阻相间比较明显，并且在40至58号点，形态上表现为向上弯曲的局部低阻异常，异常深度大致为400 m左右，电性反映为80 Ω·m～130 Ω·m之间的相对低阻。通过分析2(图5)线具有相似的电阻率特征。

根据视电阻率断面图梯度带的位置及已有的钻孔资料推测，0 m～140 m整体呈现相对高阻，根据已有的地质资料，该层为黄土层，黄土层的含水性较差，基岩面深度大概为140 m左右，在140 m～450 m之间，电阻率表现为相对高阻，其岩性主要为灰褐色，深灰色灰岩，中厚层豹斑灰岩，白云质灰岩和白云岩，含水性较差，在水位线以上，基岩裂隙表现为高阻，水位线以下，基岩裂隙表现为低阻异常，因此在该段电阻率分布不均匀，其存在裂隙或者断裂。在450 m以下，岩性主要为灰、深灰色厚层灰质白云岩、灰岩，其位于水位线以下，因此岩石裂隙在电性上表现为相对低阻异常。通过分析比较1线、2线的视电阻率断面的结果，2线具有较好的典型条件，再对比测量曲线，40号～46号点位有向上的异常，综合瞬变电磁和放射性剖面分析，推测这一段的异常引起的原因为裂隙发育带，因此建议井位布置在2线44号点处，实施钻井验证。经过后期工作的钻井验证，在离设计井位(450 m)60 m处地方布设钻井深度约为700 m，出水量可达到60 m3/h，缓解了当地居民的生活用水问题以及农作物的灌溉需求。

图4 1线瞬变电磁视电阻率断面图及放射性曲线Fig.4 The first line of transient electromagnetic apparent resistivity profile and radioactive α curve(a)1线视电阻率断面图；(b)1线放射性α曲线

图5 2线瞬变电磁视电阻率断面图、放射性曲线及井位布置图Fig.5 The second line of transient electromagnetic apparent resistivity profile and radioactive a curve with the location arrangement of well(a)2线视电阻率断面图；(b)2线放射性α曲线

4 结论

1)一维瞬变电磁正演理论模拟结果表明，全区视电阻率不存在晚期视电阻率表现出来的边界效应，且没有早期道的假高值，更能反映模型的地电情况，有利于大定源回线的处理解释工作，对提高物探资料解释的精准性具有重要意义。

2)以已有水文地质资料为基础，瞬变电磁法与放射性测量发挥各自的优点，达到相互验证，互为补充，抑制了解释的多解性的目的，提高了工作效率。

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Theapplicationofcomprehensivegeophysicalprospectingmethodinwaterexploration

LIAO Wenpeng， ZHU Tong， HUANG Rihua， ZHANG Zhilei

(School of Geology Engineering and Geomatics，Changan University，Xi'an 710064，China)

In order to solve the problem of water shortage in HeYang of Wei Nan city, we select the transient electromagnetic method and radioactive method to search for underground water in this area. The rectangle large loop source transient electromagnetic method was widely used in the exploration of the groundwater. There was obvious boundary effective when we use terminal of the apparent resistivity to calculate, but when we select all-time apparent resistivity to calculate it that can effectively suppress the boundary effect，and it is showed in article. Structure faulting is beneficial to radioactive gas migration to the surface, then we can measured the radioactive abnormal. Radioactive method has a series of advantages compared with the traditional electrical method. It also be widely used in the exploration of groundwater. Radioactive abnormal can be broadly framed structure facture, and the distribution features of the resistivity can be framed the position of underground water-bearing fracture. It was mutual authentication and complement each other between two method, and it improves the accuracy of the water, reducing the risk of exploration effectively, too. Drilling verification single well water yield can be up to 60 m3/h, it solve the problem of he lives of local residents and crop irrigation water, and providing an important technical basis for water exploration in the future.

transient electromagnetic； all-time apparent resistivity； radioactive α measurement； find water in the bedrock fissure

2016-11-03 改回日期： 2016-11-29

廖文鹏(1993-)，男，硕士，主要研究方向为电法勘探，E-mail：512597947@qq.com。

1001-1749(2017)06-0768-07

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.06.09