激发极化法在水文勘探中的应用

2024-03-07汤博

水科学与工程技术 2024年1期

汤博

（河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司，天津 300220）

早在20 世纪50 年代，国外一些物探专家就对地下含水层的激发极化效应与岩石的颗粒度、黏土含量等的关系及用来探测含水层的可能性进行了理论试验研究。在一些国家已经探测出的地下水源方法中，主要利用的参数就是激发极化法中的极化率。近些年在我国寻找地下水源的探测方法中激发极化法也得到了广泛应用，本文地下水评价的对象是浅层地下水，采用激发极化法能为水文勘探工作提供可靠依据。

1 工程概况

河北省平泉市水资源总量为3.56 亿m3，其中地表水资源总量为3.38 亿m3，地下水资源总量1.78 亿m3，人均占有水资源量为753.5 m3，仅为全国人均水资源量的1/3。河川径流主要靠大气降水补给，建有蓄水工程40 余座，年供水量1.3 亿m3。瀑河、老哈河是该市境内两条较大的重要河流，瀑河流域用水量很大，水资源量的供需矛盾极为突出；老哈河水资源量相对充沛，但利用率较低，为保证城市长远规划的水源供应，拟在老哈河建设水源地。

针对老哈河水源地水文地质勘察的要求，指导勘察孔布置，并节省勘探工作量，在水文地质勘探前布置了水文物探工作。物探方法主要采用直流激发极化法，主要目的是探测可能存在的古河道、古冲沟；砾卵石层上下界限；地下水、含水层、透水层、隔水层和承压水层的分布等。

2 地质概况及地球物理特征

2.1 地质概况

勘察区是一个两侧封闭，只有一个地下水出口的山间向斜构造。从地形来看，老哈河及其支流两侧均有明显的分水岭。从地下水系统来看，向斜构造与现状地貌完全吻合。勘察区内含水岩组可分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两种。第四系孔隙含水岩组主要分布于低山丘陵，基岩裂隙含水岩组全区均有分布，多埋藏于第四系孔隙含水岩组之下。

本区域第四纪以前地层主要岩性为角闪斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩、浅粒岩、变粒岩、花岗岩、砾岩、次安山岩等。第四纪地层分布于河（沟）谷及其两侧阶地并呈条带状，主要岩性为黏土、粉质黏土、壤土、粉细砂、中粗砂、卵砾石等。

2.2 地球物理特征

测区内土层、卵石和基岩之间存在一定的电性差异，含水岩土体比相应的不含水岩土体电阻率低、极化率高，存在一定的物性差异，这为开展激发极化法查明地下水位埋深和土石分界提供必要的地球物理前提条件。通过本次激发极化法探测，测区范围内各类岩石等目标体的电阻率如表1。

表1 物性参数

3 工作方法和基本原理

3.1 工作方法

此次工作投入使用的仪器为重庆地质仪器厂生产的DZD-6A 型多功能直流电法仪，探测采用对称四极装置。AB/2 最小电极距为1.5 m，最大为100 m，采取非接口极距装置，极距系列如表2，最大供电电压为270 V，测量电极采用氧化铅不极化电极，供电电极采用铜电极，供电时间20 s。测区计划布置物探剖面27 条，物探剖面间距500 m，物探剖面勘探点间距200 m，共布置物探点200 个。

表2 对称四极电测深极距系列单位：m

3.2 基本原理

激发极化法（或称激电法）是以岩、矿石激发效应的差异为基础，通过观测和研究大地激电效应来探查地下地质情况或解决某些水文地质问题的一类电法勘探方法。采用直流电或交流电都可以研究地下介质的激电效应，前者称为时间域激发极化法，后者称为频率域激发极化法。二者在基本原理方面一致，只是在方法技术上有较大差异，本次工作采用直流时间域激发极化法［4］。

激发极化法在供电过程中可测出I 和ΔU1，断电后可测出ΔU2和，由此可算出以下参数。

3.2.1 视极化率ηs

视极化率是时间域激发极化法的一种基本测量参数。当地下岩、矿石的极化率分布不均匀时，用某一电极装置测量得到的视极化率，是电流作用范围内地形及各种极化体激发极化效应的综合反映，其表达式为：

式中ΔU1为供电时测得的一次极化场电位差；ΔU2为断电后瞬间测得的二次场电位差。ηs用百分数表示，表征岩层激电效应强弱的参数，其大小和分布反映了地下一定深度范围内极化体的存在和赋存状况［5］。

3.2.2 视衰减度Ds

衰减度是反映激发极化场衰减快慢的一种测量参数，用百分数来表示，表征岩层激电效应衰减特性。二次场衰减越快，其衰减度就越小，其表达式为：

式中ΔU2为供电30 s、断电后0.25 s 时的二次场电位差；为断电后0.25～5.25 s 内二次电位差的平均值，即：

3.2.3 视激发比Js

视激发比是一个综合参数，在数值上等于极化率与衰减度的乘积，表征岩层激电效应衰减快慢的电参数，其表达式为：

4 成果分析

对全部原始资料进行校核，剔除突变点。由于外业探测现场存在工业干扰电流，供电电极的接地条件差，氧化铅不极化电极补偿不稳定等因素，导致个别数据出现明显的失真“畸变点”，对这些“畸变点”进行剔除。对激发极化测深处理后的数据，在双对数坐标纸上绘制视电阻率及极化率等曲线图。

然后利用外业记录的地形地貌和岩性等描述进行定性分析，确定视电阻率对应的地质层位，视电阻率曲线的定性解释主要是通过对比曲线类型，确定电性层与地层岩性之间的对应关系及其特征。

测区内视电阻率曲线类型主要有H 型、KH 型。H 型曲线首支对应为较高阻的干燥表层壤土或杂填土，中间低阻层对应为角砾或全风化基岩，尾支高阻层对应为强风化基岩。KH 型曲线首支对应为低阻的壤土或砂卵石，然后高阻层对应为卵石，低阻层对应为全风化基岩，尾支高阻层对应为强风化或弱风化基岩。

在定性分析和定量解释以后，将解释成果定量化并绘制成物探成果图。

H 型曲线主要分布于河道两侧山脚附近，覆盖层主要为壤土，厚约1.1～19 m，电阻率值为20～320 Ω·m，下伏基岩大部分为砾岩，电阻率值为80～1200 Ω·m，仅WT1～WT3 剖面为闪长岩，电阻率值为180～1500 Ω·m。

KH 型曲线主要分布于河道及河漫滩处，覆盖层主要为壤土或砂卵石，卵石层厚约2.0～8.2 m，电阻率值为100～2200 Ω·m，激电参数Js为0.64%～1.22%，Ds为33.5%～69.9%，ηs为1.32%～2.65%；下伏基岩大部分为全风化砾岩，电阻率值为80～300 Ω·m。

依据已知物性参数及钻孔资料，从1～27 号剖面各测点视电阻率及极化率曲线解释可得地下水的埋深，分别利用各测点处的高程换算出地下潜水面的高程值，推测出测区内潜水面水位西高东低，水位高程范围为653.7～687.9 m。由于篇幅有限，仅展示17号剖面成果，如图1，蓝色虚线表示探测的水位线，基本与钻探地质勘察的稳定水位相符。

图1 17 号剖面物探成果

其中WT16-3、WT17-3、WT18-5、WT19-4 4 个物探点连线大致与现状河道平行，视电阻率曲线均为KH 型曲线，且解释出的卵石层下界限较深，约11～12 m，由此推测可能存在的古河道。其中WT17-3 测点（曲线如图2～图3）视电阻率最大值为296.4 Ω·m，且AB/2 在3～20 m 为K 型曲线上升段，推测为古河道反应，地下水埋深3.9 m，激电曲线从4 m 开始上升，AB/2 到10 m 时达到峰值，Js为1.34%，Ds为55.2%，ηs为2.44%。据钻孔验证，揭露岩性为0～4.7 m壤土，4.7～10.7 m 卵石，10.7～13.0 m 强风化砾岩，13.0～17.0 m 弱风化砾岩（柱状图如图4）。