高密度电阻率法在工业园区地下水勘查中的应用

长孙月雷　张选朋　穆伟　刘宽宏

关键词：高密度电阻率法;含水层;反演;解释

近年来，高密度电法在水资源和工程勘查中的应用越来越多，高密度电法作为直流电法的一种作业方式，其特点是一次布极，实现跑极和数据采集的自动化，野外工作效率高，数据可靠性高，但由于其布极密度较高，经常应用在地形比较好的地区。高密度电法的应用和发展，对于解决目前水资源调查和工程勘查，起了很大作用。

有关高密度电法在工程勘察和水资源调查中的应用，前人做了大量工作。张赓等（2013）等采用高密度电法对蓄水池渗漏点进行了研究。余金煌等（2014）等通过研究高密度电法不同装置水下抛石工程的正反演计算，发现温纳装置反演结果最佳，为水下抛石工程质量评价提供了理论基础。刘金安（2016）采用高密度电法探查水库大坝渗漏，水库库岸稳定性，海堤砌石体深度探测。黄国民等（2019）通过实例分析，总结碎屑岩地区高密度电法找水经验。康方平等（2020）等采用视电阻率联合剖面法、高密度電阻率法和激电测深法相结合的综合物探方法进行探测，可有效地查明区内赋水相对有利的断层构造等部位，从而实现间接找水的目的。综上所述，高密度电法是一类效果明显的水文地质地球物理勘查方法。其工作时效率较高，地电剖面成像准确，已经成为许多物探工作者在水资源和工程勘察中常用的一种方法。

本文结合前人研究，在充分了解工作区地质、水文和地球物理特征的前提下，采用高密度电阻率方法对工作区水资源分布情况进行调查。通过对采集数据的处理、反演和解释，研究整个研究区含水砂砾层的厚度和埋深情况，为工业井选址提供了依据。

1地质与地球物理特征

1.1地质概况

工作区处于西秦岭山地和陇西黄土高原过渡带，位于耤河河谷南岸一级阶地，天水市某工业园区内部大部分面积修建了厂房及水泥路，只有小面积的第四系黄土和砂砾、卵石出露，地势平缓，有少数植被覆盖。工作区所在地段藉河河谷两侧南北山地表黄土覆盖，只在部分坡沟有小面积的第三系泥岩出露。黄土丘陵区内黄土斜梁、斜坡与冲沟并存，沟深坡陡，地形坡度一般为10°～30°，部分地段达40°～50°，冲沟坡段达50°以上，沟谷几乎垂直藉河呈南北向发育，切割深度一般10～30 m，多为黄土冲沟，部分冲沟切割到泥岩（图1）。

天水市区位于秦岭纬向构造和祁吕贺山字型构造体系的前孤，南北两山横亘，地质构造较为复杂，地貌结构基本特征为“两山夹一川”。根据区域地质资料，无区域性深大断裂构造通过。本次工作区地质资料查明，区内地层自上而下主要为第四系冲、洪积层和新近系泥岩层。1）杂填土（Q），分布整个场地，杂色，稍湿，松散—稍密。土质不均匀，上部以粉土、碎石为主，包含有大量植物根茎，少量砖块、碳屑、生活垃圾等杂物，下部有20～40 cm厚的耕土。该层厚度0.40～1.70 m。2）砂砾石层（Q）遍布整个场地，杂色，稍湿一饱和，中密为主，局部稍密;地层不均匀，夹有中砂、砾砂、粉土、卵石粒，局部无规律相变为卵石，偶含漂石，漂石岩芯呈短柱状;骨架颗粒成分主要为石英砂岩、花岗岩和变质岩，呈微风化状;该层成因主要为河流冲积作用，经远距离搬运堆积形成;分选差，级配不良，磨圆度中等，多呈亚圆状。该层总厚度为4.70～14.60 m，是本次高密度电法探测的主要含水目的层。3）泥质粉砂岩、泥岩（N），遍布整个场地，灰绿色，密实，土质均匀，上部约1.5 m呈强风化状态，层状结构，主要矿物有高岭土、白云母、方解石、石膏等;岩石结构较完整，隐约可见水平沉积层理，岩石致密，据区域地质资料及以往在该地区的钻探实践，该层厚度大于50 m。

工作区及周边地下水的形成受地质、水文、构造及地貌等因素控制，主要为第四系松散岩类孔隙水，该类地下水依据埋藏条件和赋存特征分为2类：黄土潜水和河谷潜水。黄土潜水主要分布在工作区以南靠近南山山前部位，该类地下水赋存于黄土下部粉质黏土与灰绿色泥岩风化层中，地下水埋深较浅，上部粉质黏土透水性极差，通常不含水。该类水中泉流量小于0.001 L·s，但水质较好，矿化度小。河谷潜水是工作区主要地下水类型，主要含水层为耤河一级阶地砂砾石、圆砾层，地下潜水面埋深5～6m，含水层厚度1～19 m，最厚处19 m，区内由北向南含水层逐渐变厚;地下水补给主要来自大气降水和耤河侧向补给，向河流及下游经短距离径流排泄。

1.2地球物理特征

地层结构电性变化差异是开展高密度电阻率法探测方法的地球物理前提条件。此次高密度电阻率法探测的主要含水目的层为砾砂层，其含水地段相对不含水地段表现为低阻，基岩为泥质粉砂岩、泥岩，表现为相对低阻特征，根据地层以上电性特点，采用高密度电阻率法探测方法，可以探测到水量较丰富砾砂层地段及基岩起伏变化情况，故工作区场地具备开展高密度电阻率法的地球物理前提（表1）。

2工作方法技术

根据工作区的地质、水文、地形条件和研究目标，高密度电阻率法成为本次工作的首选方案。高密度电法集中了电剖面法和电测深法的优势，其原理与普通电阻率法相同，所不同的是在观测中设置了高密度的观测点，它是一种阵列勘探方法（郑智杰等，2019）。工作区场地规则，地势较为平坦，电测剖面布设方向东西向或南北向，使用GPS和皮尺确定测点位置。本次工作数据采集采用WDJD-3多功能数字直流激电仪为测控主机，配以WDZJ-3多电极转换器构成高密度电阻率测量系统，电极装置采用温纳装置。技术标准执行DZ/T0153-95《物化探工程测量规范》、DZ/T0073—93《电阻率剖面法技术规范》和DZ/T 0072-93《电阻率测深法技术规范》。

开展工作前，通过实验，选择MN为2.5 m作为本次高密度电阻率法的测量参数。本次高密度电阻率法探测工作共完成探测剖面3条（图2），长度343 m，物理点数140个。

3數据处理与解释

3.1数据处理

高密度电阻率法野外数据经过数据整理、格式转换、数据编辑、施加地形信息、设置反演参数、断面数据反演，最终形成含有地形信息的反演断面图，并结合地质、钻探资料进行解释，资料处理。

3.2资料反演和解释

资料解释遵循从已知到未知、从点到面、从简单到复杂、从局部到全区的原则（沈福斌等，2021）。充分收集区内地质、水文等资料，充分考虑各种复杂因素对观测结果的影响，认真分析电性断面参数和地质断面之间的联系。根据以上原则，通过分析本次高密度电阻率法的电阻率断面等值线异常特征，划分断面地质结构，推测区内主要含水砂砾石层埋深、厚度及空间展布形态等情况。

3.2.1 L1剖面资料反演和解释

由于L1剖面上钻孔数据丰富（图3），在开展工作之前，可以将L1剖面作为一条试验剖面，通过对数据的处理反演和解释，并结合钻孔数据印证或辅助解释，使得高密度解释成果更加可靠。这样做的目的是通过钻孔施工剖面与高密度探测剖面结果的对比，总结不同地层岩性的电阻率特征，为其他地段高密度探测断面的解释提供依据。L1剖面的反演和解释成果见图4。

反演结果（图4）与钻孔施工工程地质剖面（图3）对比可知，在地下0～5m沿水平方向电阻率等值线不连续，电阻率总体表现为中阻异常，电阻率值范围小于100Ω·m，局部夹杂低阻团块异常，对比钻孔地质资料，推测为地表第四系不均匀杂填土引起。在地下2～23 m范围内上部沿水平方向电阻率等值线较连续，电阻率总体表现为中阻，局部存在团块状高阻异常，电阻率值范围为几十到几百欧姆·米，对比钻孔地质资料，推测为第四系砂砾石层，砂砾石层顶部埋深2～5m，厚度2～15m。局部存在团块状高阻异常，可能是砂砾石层局部夹大直径圆砾引起;在该层下部沿水平方向电阻率等值线较连续，电阻率总体表现为中低阻，对比钻孔地质资料，推测第四系砂砾石层含水量较大引起。在地表约7～23 m，电阻率总体表现为低阻，电阻率值范围为几到几十欧姆·米，沿水平方向电阻率等值线连续，对比钻孔地质资料，推测为第三系砂质泥岩层引起。

3.2.2 L17剖面资料反演和解释

剖面长117.5 m，点距2.5 m，方位90°，根据试验剖面解释成果和区内地质资料，由反演视电阻率断面推测：不均匀杂填土埋深约为0～5m，第四系砂砾石层埋深约为2～21m，厚度12～15 m，泥岩顶界面埋深约为19～21 m（图5）。

4结论

1）采用高密度电阻率方法，对两条剖面进行了综合分析解释，推测出区内主要含水砂砾层埋深、厚度及空间展布形态等情况。推测南部砂砾石层较厚，埋深较大，含水情况比较有利。

2）依据工作区高密度电测深解释成果，综合区内地质、工程钻探、水文等资料，对工作区地下水含水层进行了分析，建议选择工业用水井位置2个，分别位于L1剖面52 m处，含水层砂砾石埋深3～22 m，厚约19 m;L17剖面60 m处，含水层砂砾石埋深3～21m，厚约17m。

3）在完成实验剖面后，通过钻孔验证，通过对比分析，砂砾石厚度与物探推测厚度一致，由此可见，本次高密度电阻率法结果的可靠性。