高密度电法不同装置在第四系沉积盆地找水有效性对比研究

丁廉超，李新斌，赵 浩，田 辉，韩朝辉，王郅睿，赵立磊，朱一龙，赵 超，龚文强

(中国地质调查局西安矿产资源调查中心，陕西 西安 710100)

近年来，高密度电法由于自身在水工环等地质调查领域的优势得到了广泛应用，利用其探测技术找水具有工作效率高、信息量大、工作成本低和测量简便等优点，但由于其工作装置种类多，开工前需要在了解相关场地环境和探测精度与深度的前提下结合各种跑极方式的特点来选取最合适的装置类型。本文主要结合调查区钻孔资料揭露的地层情况，分析比较温纳、偶极、施伦贝谢尔这3种常用装置在第四系沉积盆地找水应用的反演结果和钻孔剖面解释的吻合度，从而评价装置的有效性。

1 高密度电阻率法概述

1.1 基本原理

高密度电法是在传统的电阻率法基础上，采用一次阵列布极方式，利用程控多路转换器和微机电位仪组合方式，实现不同装置类型和不同极距的视电阻率测量，是集测深和剖面法于一体的一种多装置、多极距的电阻率层析成像法，可以有效反映覆盖层的厚度以及岩体分布情况，达到断面或立体勘查的目的。还可以实现多参数测量，同时观测电阻率、极化率和自然电位，获取地下丰富的地电参数，从不同电性角度对地下结构进行刻画。

所不同的是在观测中设置了高密度的观测点，工作装置组合实现了密点距陈列布设电极，是一种阵列勘探方法，野外测量时只需将全部电极(几十至上百根)置于测点上，然后利用仪器便可实现数据的快速和自动采集，增加了空间供电和采样的密度，能有效地进行多种电极排列方式的测量，从而可以获取较丰富的关于地电结构状态的地质信息，提高了纵横向分辨能力和工作效率。

1.2 方法特点

获取信息量大，信息分布密度大，且地质信息比较多；一次布极可获取多装置和多极距的视电阻率，减少了因电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差；观测精度比较高，工作效率高，能实现自动测量和反演解释。

1.3 装置类型

电法勘探中将一定的电极排列方式称为一种装置，主要有二极、三极和四极等装置类型，高密度电法以此为基础，演变成十几种装置类型，各种装置在探测深度、垂向和横向分辨率、断面数据的覆盖范围以及信息强度等都是不同的。因四极装置受地形影响较小，而且不需要放置无穷远电极，可以减少供电电压，有利于压制干扰，增强有效信号。本文主要介绍温纳、偶极和施伦贝谢尔装置。

温纳装置(α装置)：测量时，AM=MN=NB=na(n为剖面层数，a为电极间距)，AM、MN、NB逐点增大一个电极间距，得到第一条斜测深曲线，接着A、B、M、N同时向右移动一个电极，得到另一条测深线；这样不断扫描测量下去，得到倒梯形断面，装置符号为AMNB；

偶极装置(β装置)：测量时，AB=BM=MN=na(n为剖面层数，a为电极间距)，AB、BM、MN逐渐增大一个电极间距，得到第一条斜测深曲线，接着A、B、M、N同时向右移动一个电极，得到另一条测深线；这样不断扫描测量下去，得到倒梯形断面，装置符号为ABMN；

施伦贝谢尔装置(剖面)：测量时，AM=NB为一个电极间距，AB、MN逐渐增大一个电极间距，得到第一条斜测深曲线，接着A、B、M、N同时向右移动一个电极，得到另一条测深线；这样不断扫描测量下去，得到倒梯形断面，装置符号为AMNB。该装置包括常规施伦贝谢尔装置和温施装置，施伦贝谢尔装置MN是固定不变的，温施装置的MN按隔离系数等比例增加。

2 调查区水文地质基本特征

汉中盆地受第四系沉积环境的影响，东仰西俯造成盆地沉积地层东薄西厚，盆地以汉江为主导，地形均微向汉江倾斜，第四系松散岩层的孔隙为地下水的储存创造了良好的空间，松散岩层的岩性、厚度大小、堆积结构及胶结物等不同造成富水性差异也不同。该区域第四系沉积物以冲积、冲湖积成因类型为主，主要岩性有粘土、砂质粘土、粉土、中细粒砂、卵石、粉砂、中粗砂等。沉积物颗粒由西向东逐渐变小，盆地上部含水层以卵砾石、砂砾石为主，中部以砂砾石、粗砂为主，下部以细砂、粉砂为主，含水层类型分为潜水、承压水两种类型。根据前人工作所获取的物性资料可知，调查区粘土、卵石、粉土、粉砂因含水性不同，电阻率也存在明显差异，具备开展高密度电法工作的地球物理前提。卵石电阻率值较高，与砂层具有显著差异，粉砂具有相对较高的电阻率值，粉土、细砂具有相对较低的电阻率值，中砂、粗砂、粘土电阻率值相对较低。

盆地内第四系潜水广泛分布，含水层主要为全新统、上更新统冲洪积和中下更新统冲湖积砂卵(砾)石组成，厚度约55～75 m。汉江漫滩及一、二级阶地中夹有1-5层粘性土。汉江支流水系沿岸主要由中细、中粗砂等组成，从盆地边缘至中部富水性不断增强，水位埋深逐渐变小。高漫滩及一级阶地为强富水地段，上覆盖层为粉砂质粘土或砂层，易接受降水渗入补给；二级阶地属于中等富水地段；三级阶地及山前坡地洪积平原，地下水一般不易直接接受降水渗入补给，而以接受山区地下侧向径流及沟谷内地表水的补给为主。潜水埋深：高漫滩为3～6 m；一级阶地为7～13 m；二级阶地为14～20 m；三级以上阶地为20～35 m。

该区域第四系含水岩层(组)集中分布于150 m深度以内，潜水含水层一般埋深65～80 m深度以上，隔水层厚度一般5 m，以下为承压水层，200 m深度承压水含水岩层减少并呈薄层分布。

3 数据处理与对比分析

3.1 测线布置

为研究高密度电法不同装置在第四系找水的有效性，采用以上三种装置对汉中盆地同一过已知钻孔(地层岩性特征和电阻率异常表现形式如表1所示)的地质剖面进行试验，电极系统布设和供电条件相同，点距5 m，电极数为100，层数30，电极排列为分布式。该测线位于汉中市勉县温泉镇汉江南岸高漫滩至一级阶地，已知钻孔位于测线288 m处，覆盖层为第四系松散堆积物，布线区地势平坦，地形起伏微弱，数据处理时无需进行地形校正。

表1 钻孔地层岩性特征

3.2 数据处理

按照温纳(α装置)、偶极(β装置)、施伦贝谢尔(剖面)三种装置不同的跑极方式分别采集数据，将存储在仪器内的测量数据通过转换软件传输到计算机，运用Res2sinv软件将实际测量时地表干扰和数据畸变异常点数据进行剔除，并对有效数据进行预处理，以保证数据反演质量，最后结合地质和钻孔情况，对处理数据进行二维反演解释，得到三种装置的反演模型视电阻率断面图如图1所示，其中横坐标表示距离，单位为m；纵坐标表示深度，单位为m，下侧的刻度为视电阻率，单位为Ω·m。

图1 三种装置的反演模型视电阻率断面图

3.3 对比分析

从上图可以看出，在同日期同剖面同电极距同供电条件下，同样观测30层，在各个装置探测深度范围内，反演结果均能有较为全面的反映，强度、形态特征清晰，异常位置、规模、厚度、空间展布形态基本相似，视电阻率异常变化比较一致，均能详细揭露地下岩土体的垂向分层规律，呈现垂向典型结构特征，即相对低阻-高阻-低阻-相对高阻的电性组合，综合各装置反演图电阻率变化范围，剖面浅部0～3 m电阻率以中低阻为主，3～15 m以高阻为主，15～60 m以低阻为主，距首电极80～420 m间电阻率值沿垂向先降低后升高然后再降低，呈层状分布，两侧电阻率梯度变化平缓，剖面深部以中高阻为主。

以上三种装置在勘探深度、分辨能力、勘探效果、施工效率和拟合误差等方面还存在差异。(1)温纳装置为经过5次迭代后的视电阻率反演断面图，数据拟合误差为3.9%，偶极装置迭代次数为5次，拟合误差为4.9%，施伦贝谢尔装置迭代次数为6次，拟合误差为10.3%，可见温纳装置数据拟合好，其他两种装置数据拟合不好，反演数据可信度不高。(2)采用同样电极数和电极距，同样观测30层，温纳装置的数据点有1 593个，测量时间最短，偶极装置有1 605个，施伦贝谢尔有2 040个，所需时间最长。(3)温纳装置反演深度最深，可达78 m，电阻率最低值位于地下40 m处，其他两种装置反演深度仅到60 m，反映含水层埋深与温纳装置相比也较浅。(4)温纳装置纵向分辨率高，抗干扰能力强，垂向地层分界线明显，异常沿垂直方向的分辨率一般高于水平方向的分辨率；施伦贝谢尔装置横向分辨率高，异常形态较细化，第四系覆盖层的电阻率呈现不均匀的高阻晕团，含水层则呈现5处相对独立的低阻异常区，且形态、规模各异，具离散特征，反映了横向分层的地电结构特征，这可能与地下岩土体破碎程度以及蓄水条件密切相关。与其他两个装置相比，偶极装置对垂向电性差异的地质体分辨明显，纵向分辨率较好，但深部反演结果具有明显的体积效应，抗干扰能力稍弱，不能较全面反映地下深部情况。(5)温纳装置电阻率断面与钻孔数据有很好的对应关系，更能综合展现地下含水层的空间分布特征及岩土体的电性结构特征，含水层主要富水区埋深也基本吻合，大致范围推断为地下15～42 m，偶极装置和施伦贝谢尔装置虽能反映层状低电阻异常，但含水层顶部和底部埋深与钻孔剖面对应不明显。

3.4 综合研究解释

结合已知钻孔地层岩性，以温纳装置电阻率断面图进行推断，0～3 m相对低阻区为粉质粘土，浅表层受降雨和灌溉影响，对应钻孔剖面0～2.15 m；3～15 m高阻区为大小不一、磨圆度不同的卵石层，电阻率升高至300 Ω·m以上，孔隙度大，渗透率高，为透水层，对应剖面2.15～7.26 m；15～42 m层状低阻区为砂砾粘土层，电阻率值沿垂向依次降低，范围在5～30 Ω·m之间，砂砾层孔隙度较大，且充填粘土，粘土层土质均匀，吸水、持水性好，但透水性和给水能力极差，利于滞水，推断为潜水含水层主要富水区，对应剖面7.26～47.14 m；42～60 m低阻区为砂砾层，电阻率值逐渐增大，范围在10～30 Ω·m，砂砾稍致密，透水性差，为弱含水层，对应剖面47.14～58.31 m；60～77.2 m相对高阻区为粉细砂层，电阻率值由上往下依次增加，电阻率范围在30～120 Ω·m，孔隙度较小，通水性差，对应剖面58.31～90.45 m。

4 结语

由于各装置测量排列方式的不同，装置系数的不同，导致在相同测量条件下对同一断面的测量效果不一样。

(1)这3种装置对在第四系沉积盆地找水方面，均可取得比较理想的数据，能清晰地反映地下情况，并且各种装置地电模型反演和拟断面图所显示的异常体电阻率都与实际地下结构基本相似。不过从以上的试验数据可以看出，3个装置在反映异常体上均有差异和优劣，温纳装置采集数据快，数据拟合好，获取信号强，纵向分辨率好，分层比较明显，在测深方面具有明显优势；施伦贝谢尔装置横向分辨率高，能比较清楚地反应横向地电结构特征，但抗干扰能力差、异常规模易扩大，采集数据点数多、耗时长，反演拟合误差最大；而偶极装置对垂向电性差异的地质体分辨明显，在纵向不均匀地质体上反映灵敏，不管是高阻或是低阻、还是各种形状的异常体，均能体现，电阻率差异也较明显，缺点是深部反演结果具有明显的体积效应，探测深度小、抗干扰能力稍弱。综合考虑施工效率、分辨率、探测深度和反演拟合差情况，温纳装置与钻孔揭露情况具有较好的对应性，说明利用高密度电法温纳装置在第四系沉积盆地找水应用中效果明显。

(2)在正式工作前，应根据探测深度、勘探精度、地形地质条件等对工作参数及装置类型做出合理的选择，实现勘测效果的最优化。针对复杂地形地质条件，建议数据的采集最好采用两种或两种以上的装置类型，以便于资料的对比和室内解释，提高异常探测精度。

(3)通过高密度电法，借助第四系沉积层岩性与水介质的物性差异，结合地质资料和钻孔数据，可有效圈定潜水含水层储水位置和范围，一般存在于较低电阻率数值范围内，且由于异常扩展效应影响，各种装置反演结果显示电阻率异常范围往往大于实际目标体尺寸。