高密度电法在地下流体台站勘选中的应用

王彬，朱帅润，许正霖，马文来

(1.青海省地震局，青海 西宁 810001；2.成都理工大学，四川 成都 610059)

0 引 言

随着1960年代我国地震预报的研究工作的陆续开展，地下流体也正式进入了地震预报的研究工作中，大量的地下流体动态观测数据也应用到了地震监测预报中。为了解释每一次地震前不同程度的流体前兆异常，需要产出稳定且高效的地震地下流体数据(包括各项地下水、地下气等测项)，寻找稳定地下裂隙水对于各种地震地下流体观测具有重要的价值[1]。地下水的开采利用和地球物理勘查息息相关，其中高密度电法是一项具有良好经济性、适用性的新型勘查方法。高密度电法探测地下水层的物理基础在于，含水层或充泥则表现为低电阻率特征，如果是基岩则表现为高电阻率特征[2-3]。

采用数据来自西藏山南地区，山南地区地貌

类型以高原山地为主，位于冈底斯山至念青唐古拉山以南，雅鲁藏布江干流中下游地区。工作区水量丰富的含水层主要沿雅鲁藏布江及其一、二级支流下游分布，地下水赋存于这些河流漫滩及一级阶地、冲洪积扇及冰水堆积扇中，含水层主要为上更新统至全新统冲积、冲洪积及冰水堆积物等，岩性以砂卵石、砂砾石、泥质砾(卵)石和泥质砂漂石为主，磨圆度和分选性较好，结构松散，透水性较强。水量中等的含水层主要分布于大江大河宽谷一、二级湖积、冲湖积阶地，三、四级冲洪、冲洪积阶地(台地)及较大型的扇体、扇裙等区域，含水层为湖积、冲湖积、冲积、冲洪积、冰碛和部水堆积物等，岩性为砂、细砾、砂砾、卵石等，组成多韵律层。

1 高密度电法基本原理

1.1 方法原理

岩(矿)石的地球物理性质包括密度、重力、地磁、地电、放射性和弹性等，不同岩(矿)石具有不同的地球物理性质，故由不同岩(矿)石组成的不同地层及地质构造其地球物理性质就不同，因而不同物理仪器就可测量地层或地质构造的不同地球物理性质，从而可以推断地下地质结构特点。

高密度电法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，根据电阻率公式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[4-6]。高密度电阻率法是一种成本低、效率高、信息丰富、解释方便的电法勘探新方法。与常规电法相比，高密度电法具有以下优点：①电极布设一次性完成，减少了因电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差。②能有效进行多种电极排列方式的测量，从而可以获得较丰富的关于地电结构状态的信息。③数据的采集和收录全部实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快，而且避免了由于人工操作所出现的误差和错误。④可以实现资料的现场实时处理和成果解释，生产效率高[7-8]。

1.2 仪器设备

本次高密度电法勘探数据采集选用的仪器是桔灯公司最新研制的GD-10高密度电法测量系统。该仪器性能稳定，数据采集速度快、精度高。

该设备主要特点及功能：

(1)准确、高效：在保持良好重复性的前提下，测量一个断面所需时间一般60分钟。

(2)超大存储：在高密度方式I(只存储电阻率参数)，可存储不小于43 680次的测量值；在高密度方式II(存储电阻率与电流参数)，可存储不小于21 840次的测量值。掉电亦不丢失[9]。

(3)接地检查：在野外工作中，可随时方便、快捷地检查各电极接地是否良好[10]。

(4)电极排列：装置类型多达18种且可扩展。既可按固定断面(电极排列有AMNB、ABMN、AMBN、AMN、MNB、A-MN-B、自电M、自电MN、充电M、充电MN)扫描测量又可按变断面连续滚动扫描测量(电极排列有A-M、A-MN、AB-M、AB-MN、MN-B、A-MN矩形、A-MN-B、跨孔偶极)，其中，连续滚动扫描测量可在电极总数不变的情况下允许测量断面连接至任意长，便于长剖面追踪,使用户得以低成本、高时效解决实际问题[10]。

(5)所有电极排列测量断面均可任意指定断面起测电极号，方便、灵活。

图1 高密度电法工作流程

1.3 资料整理与解释

数据处理采用的是全球知名瑞典的反演软件RES2DINV。数据处理主要包括视电阻率的预处理以及转换深度剖面的反演处理。

1.3.1 数据预处理

数据预处理主要包括：

(1)检查测量的视电阻率值，对突变点和噪声引起的畸变数据进行剔除；

(2)对多个测量断面组成的剖面进行拼接；

(3)把各电极所对应的平面坐标添加到数据文件中；

(4)对于地形起伏较大的剖面，把高程坐标添加到数据文件中，以备反演处理时进行地形校正处理。

1.3.2 反演处理

野外采集的数据经过反演计算，转换为深度—电阻率的关系，以获得地下地电断面的特征。反演处理主要包括：根据地质调查资料建立初始的二维地电模型、选择反演参数(阻尼系数、迭代次数、收敛极限)等，然后采用最小二乘法进行反演计算，查看反演结果，最后进行地形校正，获得最终的地下地电断面，用于地质解释。

2 实际工作区的应用

高密度电法勘探依据岩层对直流导电时电阻率的差异，地下地层由于成因环境不同，同时受构造运动、不同岩性的影响，从而在纵向和横向上产生视电阻率的变化[11]。此外，岩层视电阻率值不仅与地层结构、构造、成份、成因有关，还与其岩石的颗粒大小，密度，地下水含量等因素有关。研究这些物性特征，可以推断地下地层的岩性分布规律、含水特征，断裂构造等。

在断面上，低电阻显示，电阻率值过低，很可能为含水地层区。电阻率大小、梯度变化可判断内部充水或其它介质情况。同时，视电阻率等值线密集带或横向斜率突变带，异常呈圈闭说明在该处两侧存在不同地质体，往往也是地下含水层发育区、不同电性地质层的分界处或断裂带[11]。在资料分析中，判别异常区主要是根据电阻率值变化及电阻率等值线的形态等综合因素考虑的。

表1 工作地球物理特征

2.1 剖面解释成果

该区4条高密度电法测量结果表明，该区域表层呈低阻或高阻反映，下部则呈中高电阻率反映，且下部电阻率绝对值较高，电阻率特征纵向分层明显，根据电阻率反演剖面推测表层覆盖层表现为低阻，覆盖层薄或覆盖层含水的情况下，低阻带深度浅，很快高电阻率出现，基岩为花岗岩、呈高电阻率反映。含水地层普遍存在于高阻地层之上，碎石砂泥之内，结合现场调查其电阻率特征，因富水或充填泥、砾多表现低阻圈闭。溶蚀、断层裂隙发育也会降低电阻率，这为直接判断有一定规模的含水地层造成一定影响。各测线地质解释如下。

2.1.1 W1测线

由W1剖面(图2)可见，整个电阻率反演剖面图纵向上呈现以视电阻率高低明显的分层，表层大部分电阻率较高，推测为风化基岩覆盖层，右侧800 m位置电阻率明显转为低值，推断此处为覆盖层含水，主要由地表补给造成。下部为砂卵石层，横向上电阻率存在一定变化，表明该区存在一定的裂隙或断层发育，低阻圈闭比较非常明显，该区存在裂隙承压含水地层。如图2与图3所示，两种装置的反演结果形态和反演地层深度大致差不多，均能反映地下含水低阻异常体，不过温纳装置的测量时间远低于斯伦贝谢尔装置，因此温纳装置有更高的效率[9]。

图2 测线W1斯伦贝谢尔装置的电阻率反演色谱

图3 测线W1温纳装置的电阻率反演色谱

2.1.2 W2测线

由W2剖面(图4)可见，整个电阻率反演剖面图纵向上呈现以视电阻率高低明显的分层，表层电阻率较低，推测为风化覆盖层，下部为砂土与碎卵石土。横向上电阻率存在一定变化，表明该区存在一定的裂隙或断层发育。在里程150～300 m、深度20～60 m左右可见明显的低阻区存在，上测为河流沼泽地，下侧为高阻层，异常区电阻率约40～50 Ω·m，推测该区存在地下水，可能充填泥或砂砾，此处地下水可推断为地表补给包含水层，接受外界补给，可揭穿隔水顶板作为水位及水温点。

图4 测线W2温纳装置的电阻率反演色谱

2.1.3 W3测线

由W3剖面(图5)可见，整个电阻率反演剖面图纵向上呈现以视电阻率高低明显的分层，表层电阻率较低，推测为风化砂土覆盖层，距离840～1 020 m表层高阻推测为中密卵石层，厚度约10～25 m，下部地层为砂土与碎卵石土。横向上电阻率存在较为明显变化，表明该区存在一定的裂隙或断层发育，可能存在部分裂隙承压水。在里程370～470 m、深度50～66 m左右可见明显的低阻区存在，上测为河流沼泽地，下侧为高阻层，存在有补给于地表的地下水，异常区电阻率约1～40 Ω·m，推测该区存在地下水，可能充填泥或砂砾。

图5 测线W3温纳装置的电阻率反演色谱

2.1.4 W4测线

由W4剖面(图6)可见，整个电阻率反演剖面图纵向和横向上呈现以视电阻率高低明显的分层，表层电阻率较低，推测为风化砂土碎石覆盖层，下部地层为砂土与碎卵石土。横向上电阻率存在一定变化，表明该区存在一定的裂隙或断层发育。在里程1 120～1 350 m、深度60～123 m左右可见明显的低阻区存在，上侧为农耕河流阶地，下侧为高阻层，异常区电阻率约40～100 Ω·m，推测该区存在地下水，主要接受地表补给，可能充填泥或砂砾，动态比较稳定，不易遭受污染。

图6 测线W4温纳装置的电阻率反演色谱

3 结论与展望

通过本次测线段内的含水层情况，推测了其水层的位置及规模、分布，岩层内裂隙发育情况，根据勘探成果发现了有一定地震前兆学科研究价值的地下水区域，对于地震前兆流体学科的发展贡献了一定的价值。W1含水地层规模较小，岩层倾斜明显，低阻区含有裂隙承压水，W2含水地层规模较大，长约200 m、厚度约30～40 m，多为地表补给包含水层，接受外界补给。W3含水层规模较小、厚度约10～20 m，W2与W3为垂直向测线。W4含水地层规模较大，长度约230 m，厚度约60 m，显示含水地层可能应为地表补给的上层潜水，地表有河流经过，地下岩石发育稳定，地下水动态比较稳定，不易遭受污染。推测结果表明，该区域存在一定的裂隙或断层发育富含地下裂隙水且具有稳定补给的地下潜水，可作为前兆水位点、水氡(汞)点等地下水、地下气的利用价值较高。