综合物探在日喀则地区水文地质调查中的应用

郝红兵，谢小国，刘康林，章旭



综合物探在日喀则地区水文地质调查中的应用

郝红兵1，谢小国2,3，刘康林1，章旭1

（1. 中国地质科学院探矿工艺研究所，成都 611734；2. 四川省华地建设工程有限责任公司，成都 610031；3. 成都理工大学，成都 610059）

为查明日喀则地区地下水含水层结构和特征，评价水文地质参数，以区域地质及地球物理科学为基础，分别对大地电磁测深法、高密度电阻率法的原理、工作方法及应用效果进行综合分析，解释推断了该地区地层、覆盖层厚度、含水层结构等。同时建立了单孔水文地质参数测井模型，对含水层的深度、厚度、渗透系数、孔隙度、地下水矿化度等进行了估算，对涌水量等进行了推测。应用结果表明，测井解释与实验结果吻合度较高，综合物探技术在水文地质调查中具有较好的适用性。

水文地质；综合物探；测井；日喀则

日喀则市为西藏第二大城市、后藏粮仓和重要的矿产资源储备基地，因降水贫乏，季节性、工程性缺水较为突出，局部由于干旱缺水引发草地退化、土地沙化等环境地质问题[1]，因此开展水文地质调查工作意义重大。

作为水文地质调查不可缺少的方法之一，地球物理方法被广泛用于寻找地下水，查明含水层厚度和结构，推断基岩埋藏及起伏形态，圈定富水构造，分析水文地质参数[2]。基于“青藏高原冈底斯成矿带东段1∶25万水文地质调查”项目，日喀则地区运用了大地电磁测深、高密度电阻率和水文测井等物探方法，为研究工区水文地质特征提供了可靠的地球物理数据。

1 工区地质及地球物理特征

日喀则地区位于印度河-雅鲁藏布江结合带与狮泉河-阿索-九子拉-嘉黎结合带之间，跨中冈底斯-念青唐古拉板块和喜马拉雅板块的范围，及雅鲁藏布江缝合带[3-5]。含水岩组类型主要为松散岩类孔隙水含水岩组、碎屑岩类孔隙裂隙水含水岩组、碳酸盐岩类及碳酸盐岩夹碎屑岩类岩溶裂隙含水岩组、岩浆岩类裂隙水含水岩组和变质岩类裂隙含水岩组等5种类型[6-7]，以“一江两河”中部流域为代表[8]。第四系松散岩类孔隙水含水岩组含水层主要为砂质砾石、砂卵砾石、卵砾石夹少量砂层，个别地段夹有不等厚的亚砂土、亚粘土，质地纯净、富水性好，厚度大。

据工区以往物探及本次电法、测井数据分析，卵石、角砾等覆盖层的电阻率值为300Ω.m～1 200Ω.m，粘土为10Ω.m～15Ω.m，板岩为80Ω.m～430Ω.m，粉砂岩、砂岩为200Ω.m～800Ω.m，花岗岩为20Ω.m～500Ω.m，砂为10Ω.m～100Ω.m，其电性差异明显，为开展电法勘探和测井提供了较理想的电性依据。

2 工作方法及原理

2.1 大地电磁测深

大地电磁测深法是基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组导出的卡尼亚视电阻率方程[9-11]，电场（E）、磁场（H）与视电阻率（）的关系式如下：

由（1）式可知，只要在地面上观测到两个正交的水平电磁场（E、H）就可以获得卡尼亚电阻率。根据电磁波的趋肤效应，趋肤深度公式如下：

式中为探测深度，m；为地表电阻率，Ωm；为频率，Hz。

大地电磁测深方法使用仪器为美国劳雷工业有限公司生产的EH4连续电导率剖面仪。EH4是一种用来测量地下电阻率的电法仪器，它既可以接收天然场源的大地电磁信号，又可以接收人工场源的电磁信号，探测深度从几米至一千米不等。工区天然场信号较强且丰富，所获得的电阻率曲线连续，满足野外原始数据采集对信号的要求。

2.2 高密度电法

高密度电法基是以地层岩性的电阻率差异为基础，通过电极向地下供电，形成人工电场，并测量该电场。利用电场的分布与地下岩土介质的相关关系，根据公式=KU/求得地下不同位置介质的视电阻率，获得地下介质视电阻率的分布规律，并根据该规律推断解释地下地质结构[12-13]。

高密度电法采用重庆奔腾数控技术研究所生产的高密度电阻率法测量系统，该系统探测效率高，剖面覆盖面积和探测深度大，信噪比高，可有效探测地质体及其结构特征。

2.3 水文测井

测井曲线具有连续性好、精度高，包含丰富的地质信息等特点。结合水文地质勘查的需要，水文测井一般要解决的地质问题包括划分地层，确定含水层与隔水层的层位和厚度；划分咸淡水界面、估计地下水的矿化度；估算含水层的孔隙率、渗透系数及涌水量等[14-17]。日喀则地区水文测井采用PSJ-2型数字测井仪测井，测井曲线包括自然伽马、自然电位、电阻率、声波时差、井温等参数。不同地层具有不同的测井响应特征，综合分析各测井信息，能有效地分析井内水文地质参数[18]。

水文测井研究的重点是含水层。利用自然伽马、视电阻率能很好地识别出含水层与隔水层[19]。日喀则地区第四系松散地层以孔隙水为主，主要的富水层位为砂卵砾石层，主要的隔水层为泥质含量高的粘土层。分析可知，工区测试的地下水矿化度与测井电阻率的对数值具有较好的相关性[20~22]：

C=-874×ln（lg）+709.22=0.626 （3）

式中：C为地层水矿化度，mg/L。为相关系数。

利用声波时差计算地层的孔隙度[23]：

式中：t、t、t、t分别为声波时差测井曲线值、岩石骨架声波时差值、泥岩段声波时差值和流体声波时差值，ms/m；C为压实校正系数；为孔隙度值，%。V为泥质含量，%。

渗透系数与孔隙度的相关关系：

=10-5×0.663× R2=0.988 （5）

利用裘布依公式计算单井涌水量[24-28]：

式中：为单井涌水量，m3/d；为渗透系数，m.d-1；为含水层累计厚度，m；为抽水井水位降深，m；为影响半径，m；为抽水井半径，m。

3 成果解释与推断

3.1 大地电磁测深解释

工区共完成3条大地电磁测深剖面，其中拉孜县测线1条，剖面长度2 260m；昂仁县测线2条，剖面长度2 340m。实测数据采用IMAGEM处理软件进行实时处理、预处理、反演及地形校正处理。

以昂仁测线为例，该区地层电阻率呈现层状分布，浅表为第四系冲、洪积砂、砂土，电阻率为60～110Ω.m；中部为湖积不均匀砂、砂砾、卵石，电阻率为200～500Ω.m；深部为白垩系昂仁组一段粉砂岩，电阻率为700～1 000Ω.m不等，且随深度增加而增大；基底线沿山顶向湖岸呈向下趋势，垂直于两山谷呈倒“U”型。80测点附近为观测井，揭露显示0～22m 为全新统冲积砂土；22～90m为全新统冲积砂砾卵石粘土及粗砂；90m以下为粉砂岩。砂土为弱含水层，厚22.0m；砂砾卵石、粗砂为强含水层，厚60.0m；粘土为隔水层，厚度为10m。

3.2 高密度电阻率探测解释

日喀则地区共完成7条高密度电阻率测线，测量点1 700个。实测原始资料经预处理后，结合相关地质资料对高密度电阻率剖面进行综合分析，建立正演地质模型，利用RES2DINV高密度电法反演软件进行反演拟合计算，得到二维反演图。

图1 日喀则地区昂仁区内大地电磁测深二维演断面图

图2 日喀则地区昂仁区内高密度电阻率剖面图

以昂仁县亚木乡的W6测线为例，W6线横穿河流，地势有一定的起伏，长900m。结合露头剖面、ZK08钻孔资料及地表地形情况，W6线岩性主要为含粘土卵砾石和凝灰岩，其中含粘土卵砾石电阻率为89.1Ω.m～501.2Ω.m，平均值为177.8Ω.m；凝灰岩电阻率17.8Ω.m～89.1Ω.m，平均值为56.2Ω.m，因此在电阻率突变段推断为覆盖层的底界。

水文测井解释成果数据表

孔号ZK01ZK02ZK04ZK05ZK06ZK07ZK08ZK09ZK10 试验测试矿化度/mg.L～122818014640226084730160346 涌水量/m3.d～1584654974724425958384188158516 渗透系数/m.d～1150.438.113.231.10.71.93.016.74.2 影响半径/m625617362492351989833186 测井数据视电阻率/Ω.m2884562288100163947 自然伽马/API56708863702307444149 声波时差/ms.m～1299289277284260235266297279 含水层厚度/m38.3109.496.481.013.979.975.414.795.6 测井分析矿化度/mg.L～1386137221452128103547303260 孔隙度/%24.622.520.021.516.511.417.824.220.5 渗透系数/m.d～1150.138.17.419.20.71.54.010.76.0 涌水量/m3.d～143353152574120912103291184508

结合ZK08号钻孔的水文地质资料，含水层段均在W6线的低阻区域内，与W6线的推断富水异常区域相吻合。

3.3 水文测井解释

基于水文测井解释模型，对工区水文钻孔的矿化度、渗透系数、涌水量等进行分析预测（表1）。从表可以看出，测井解释矿化度与水样测试矿化度比较接近，误差在±200mg/L间；渗透系数平均误差为2.4m/d；钻孔测井解释涌水量与抽水试验确定的涌水量基本在同一个数量级范围内。

以日喀则地区昂仁县亚木乡ZK08号钻孔为例，该孔孔深80m，测井深度77m，抽水试验确定其影响半径为98m，渗透系数为3.0m/d，涌水量为188m3/d，水样测试矿化度为730mg/L。其中0～21.60m、29.15～78m为砂卵砾石和粘土质砾石，为含水层段，自然伽马为48~98API，平均为70API；由于地下水矿化度较高，导致电阻率较低，地层电阻率一般为13.9~22.1Ω.m，平均为19.8Ω.m；声波时差为265~329ms/m，平均为284ms/m。测井解释孔隙度平均为17.8%，渗透系数为4.0m/d，涌水量为291m3/d；地下水矿化度平均为547mg/L。对比分析，测井解释结果与实验结果吻合度较高。21.60～29.15m为细砂，相对上下岩石自然伽马（105API）、声波时差（370ms/m）较高，电阻率低（8.8Ω.m），含水性和透水性均较差，为隔水层。78～80m为安山质岩屑凝灰岩，中等风化，裂隙发育，含水性一般，透水性中等。

4 讨论

日喀则地区昂仁区内水文地质调查采用了大地电磁测深和高密度电阻率两种电法，结合前人研究结果[29～32]以及实际应用表明，两种方法在水文地质勘探中各有优势与差异。

1）大地电磁测深法和高密度电阻率法均是以地下介质的导电性差异为地球物理基础，适用于地表湿润，电极接地电阻导性能良好，且具有显著电性差异的地区。

2）大地电磁测深方法勘探深度较高密度深，一般对1 000m以浅的构造带等地质异常体具有良好的识别效果[33]。大地电磁测深法适用于无电磁干扰，地下为高阻介质且电性差异明显的地区。该方法使用方便、操作灵活，观测效率高，且不受高阻覆盖层的影响等优点。但对工区的环境要求高，浅层地质构造解释精度不够，具有多解性。

3）高密度电阻法勘探深度较浅，一般对200m以浅的地质异常体具有较为准确的判断[34]，可以清晰地划分出第四系、基岩地层，以及地层的富水构造、断层。该方法具有数据密度大、点距小，应用直观、高效、分辨率高等优点，主要适用于地面平坦地区。

图3 日喀则地区ZK08号孔水文测井解释成果图

5 结论

1）日喀则地区含水层段主要为砂卵砾石等松散岩类，以孔隙水为主，富水性好，厚度大，隔水层主要为粘土、粉土等。各岩土电性差异明显，为开展电法和测井工作提供了依据。

2）大地电磁测深法和高密度电阻率法均对覆盖层的厚度、岩性、结构等情况进行了分析，其中大地电磁测深法对深部地质构造体具有较高的识别能力，高密度电阻率法对浅层地质异常辨别精度高。含水层所测井响应特征表现为中高电阻率、低自然伽马、中低声波时差，与隔水层具有明显的差异。基于测试数据建立的测井水文地质参数解释模型，能准有效地估算地下水矿化度、渗透系数、孔隙度、涌水量等水文地质参数。

3）综合物探手段能有效提高地质解释精度和效率，达到水文地质综合研究的目的。

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The Application of Comprehensive Geophysical Method to the Hydrogeological Survey in the Xigazê Region

HAO Hong-bin1XIE Xiao-guo2,3LIU Kang-lin1ZHANG Xu1

(1-Institute of Exploration Technology, Chinese Academy of Geological Sciences, Chengdu 611743; 2- Sichuan Huadi Construction Engineering Co. Ltd, Chengdu, Sichuan 610081; 3- Chengdu University of Technology, Chengdu, 610059)

This paper interprets and infers the thickness of strata and cover as well as aquifer structure by means of telluric electronmagnetic sounding and high-density resistivity method based on regional geological and geophysical data in order to find out the structure and characteristics of groundwater aquifer, and evaluation of hydrogeological parameters in Xigazê area, and establishes hydrogeological parameter logging model of single hole in order to estimate the depth, thickness, permeability coefficient, porosity and mineralization of aquifer as well as water inflow. The results show that logging interpretation and experimental results are highly consistent.

telluric electronmagnetic sounding; highdensity resistivity method; logging; hydrogeological survey; Xigazê area

2017-05-09

中国地质调查局“青藏高原冈底斯成矿带东段1∶25万水文地质调查”项目（项目编码：DD20160297）资助。

郝红兵（1975-），男，硕士，高级工程师，主要从事水工环地质相关工作

P631.3；P641.7

A

1006-0995（2019）01-0143-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.033