综合物探方法在琼中地区地下水勘查中的应用

时间：2024-05-22

任磊，代涛，齐信，薛宝林，焦尚斌

(1.华北地质勘查局五一九大队，河北保定 071051；2.中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉 430205；3.中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074）

地下水资源的开发利用与社会经济发展具有密切关系[1]。物探方法是寻找地下水的重要勘查手段之一，在地下水勘查工作中起着举足轻重的作用。我国自1950年已经开始把电法勘探应用于舟山岛地下水勘查工作中[2]，后经过几十年的研究和探索实践，水文物探方法从常规的电阻率法[3-4]逐步发展到高密度电阻率法[5-6]、激发极化法[7-9]、瞬变电磁法[10-12]、可控源音频大地电磁法[13-14]等。1990年以来，水文物探技术研究的热点转移到基岩山区，为了解决勘查难度和范围较大等问题，物探找水技术有了飞速发展，主要有音频大地电磁法[15-16]、电法测井法[17]、地面核磁共振法[18-21]、浅层高分辨率地震[22]等，测量参数从单一的电阻率发展到视电阻率、自然电位、极化率、半衰时、衰减度、偏离度等综合地球物理参数[23-25]，逐步形成了一套完善的地下水勘查技术体系。

琼中县地处海南岛中部，位于热带海洋季风区北缘，境内山峦重叠，地形西南高、东北低，地势自西南向东北倾斜。受气候、地貌、地质等条件的制约，琼中县每年的缺水时间长达5个月，且地处铁、锰超标的原生劣质水分布区，季节型、水质型缺水问题突出，农村生活用水存在较大的供需矛盾；另外，还存在地下水资源开发利用率低等问题[26-27]。榕木村位于琼中县集中连片缺水地区中北部，地下水类型主要是花岗岩区基岩裂隙水，但因该地区断裂构造总体不发育，打井找水困难，是琼中县典型的缺水区。本文在了解掌握区域水文地质条件的基础上，在琼中县榕木村工作区首先采用音频大地电磁测深和高密度电阻率法查明赋水断裂构造发育特征，圈定有利富水地段，针对有利富水地段采用激电半衰时、偏离度等地球物理参数对含水层位置进行判别，经钻探验证，取得了较好的勘探效果。依据勘探成果，总结了不同物探方法的应用特点和综合物探找水经验，可为在类似地区进行地下水探测提供参考。

1 水文地质概况及地球物理特征

1.1 水文地质概况

本文研究范围为琼中县榕木村，区内地层出露较少，主要是第四系松散覆盖层；花岗岩分布广泛，且具有多期次侵入的特点，主要有三叠纪（γT）、侏罗纪（γJ）、白垩纪（γK）三期花岗岩，岩性主要为花岗斑岩、细粒黑云母二长花岗岩、粗中粒含斑黑云母正长花岗岩、细中粒斑状黑云正长花岗岩等；断裂构造分为北西向、北东向、近南北向三组（图1）。

图1 研究区地质简图Fig.1 Geological sketch map of the study area

研究区内地下水类型主要为基岩构造裂隙水，地下水赋存介质主要为花岗岩含水岩组，具有埋藏深、富水性好的特征，其富水性除补给条件外，主要取决于断裂带的力学性质及规模，尤其是北西向断裂为该区主要控水断裂，也是本次地下水勘查工作的主要探测对象。

1.2 地球物理特征与物探方法选择

区内第四系覆盖层主要表现为低阻特征，视电阻率值在100～1000 Ω•m之间；结构完整的花岗岩因其富水性较差，主要表现为高阻特征，视电阻率值大于10000 Ω•m；断裂破碎带则常因裂隙发育、赋水而表现为低阻异常特征，视电阻率值在100～5000 Ω•m之间[28]。这些不同地质体的物性差异，为研究区实施物探找水工作提供了条件。

采用不同物探方法组合以及多参数的综合判定，能够有效地克服单一物探方法本身固有的局限，更准确地确定钻井孔位。考虑到基岩构造裂隙水是本区的主要探测目标，结合含水层结构、埋藏深度以及不同物探方法的优缺点，确定工作思路和物探方法组合。当断裂构造含水时，相应深度岩石电性参数会发生改变，视电阻率数值会明显不同于相同深度围岩的正常值，因此，本次研究首先采用音频大地电磁测深和高密度电阻率法两种物探方法，开展联合物探剖面组合探测，相互补充和验证，查明不同深度范围的断裂构造发育特征，结合水文地质条件，初步圈定有利富水地段；其次，在有利富水地段，结合电阻率特征，采用半衰时和偏离度的对应关系，精确判别含水层的埋藏深度。

2 工作方法原理及技术

2.1 音频大地电磁测深

音频大地电磁测深是通过观测地层电性参数在纵向及横向上的变化规律来研究地层岩性结构、破碎带位置的一种先进的频率域电磁法勘查技术，其主要特点是探测深度大，分辨率高。该探测深度是指在均匀半空间中的趋肤深度，它以表达电磁波随频率变化衰减的特性而定，其趋肤深度公式（1）如下：

式中，频率f的单位是Hz，电阻率ρ的单位是Ω•m。

由式（1）可知，趋肤深度会随着电阻率和频率变化而变化，所获取的测量数据信息是在地下研究深度相对应的某一个频率上进行的。即频率越高趋肤深度越浅，反之，频率越低趋肤深度越深。由音频大地电磁测深的工作原理以及研究区目标层的深度，本次工作频率为10～100000 Hz，主要是研究地下500 m范围的电性特征。

资料处理上主要是通过傅里叶变换来获得电场和磁场实虚分量数据，进而计算对应频率的电阻率和相位数据。在对原始数据进行解编、剔非值、去噪等预处理编辑的基础上进行一维BOSTICK反演和带测点高程的快速松弛二维反演。本次使用的设备是美国劳雷公司研制的连续电导率仪（EH-4），它是通过测量不同岩石的电阻率值来获取地下深部的电性资料，数据流程和仪器野外工作布置见图2。

图2 工作流程图和野外工作布置示意图Fig.2 Work flow diagram and fieldwork layout diagram

2.2 高密度电阻率法

本次使用的高密度设备是重庆奔腾数控技术研究所研发的WDA-1超级数字直流电法仪。高密度电阻率法的基本工作原理与常规电阻率法大体相同（图3），是以岩土体的电性差异为基础的一种探测方法，根据在施加电场作用下地层传导电流的分布规律，推断地下具有不同电阻率的地质体的赋存情况。

图3 高密度电阻率法工作原理和流程图Fig.3 Working principle and flow chart of high density resistivity method

高密度电阻率法的物理前提是地下介质间的导电性差异。和常规电阻率法一样，通过A、B电极向地下供电流I，然后在M、N极间测量电位差ΔV，从而可求得该点(M、N之间)的视电阻率值，计算公式如下：

根据实测的视电阻率剖面，进行计算、分析，便可获得地层中的电阻率分布情况，从而可以划分地层，判定异常等。在本次工作中主要研究浅部50 m深度范围内的电性特征。

2.3 激电测深半衰时参数

激电半衰时测深是电法勘探的一个重要分支（图4），受地形起伏和围岩电阻率不均匀性的影响较小，对相对富水带及其埋深反映较直观。

图4 激电二次电位衰减曲线及半衰时Fig.4 Decay curve and half decay time of IP secondary potential

半衰时参数是断电后二次场ΔV2第一个取样值衰减到一半时所反应的时间。这一参数是根据实践经验总结出来且行之有效的参数，目前已广泛应用于找水勘查工作。半衰时大，表示极化介质二次场放电慢；而半衰时小，则表示放电速度快。在含水岩体上，其半衰时（Th）通常都以高值异常形式出现。

偏离度参数是实测衰减曲线与直线方程的拟合程度，用均方相对偏差r表示，并称其为“偏离度”。综合研究表明，偏离度（r）与含水量有负相关关系，即含水量增加时偏离度减小，含水层的偏离度（r）表现为低值。因此，通过激发极化法测量（电阻率）所反映二次场振幅大小及衰减快慢的半衰时、偏离度等参数，可判断含水体位置及富水性情况。

3 工作部署

本次在榕木村附近共计布设EH4音频大地电磁测深40个物理点，布设高密度电阻率法剖面长度400 m以及激电半衰时测深（测量地球物理参数包括:视电阻率、半衰时、偏离度）2个物理点（图5、表1）。

表1 研究区测线布置情况表Table 1 Statement of Survey line layout in the study area

高密度电阻率法和EH4音频大地电磁法完全重合布设，激电半衰时测深在剖面解译异常的中部布设2个测点，用以确定深部的含水层位置（图5）。

图5 研究区工作部署图（榕木村）Fig.5 Survey line positon of the study area (Rongmu village)

经现场试验调试，EH4使用单点张量测量的采集方式，采集低频-中频-高频段的数据，叠加次数20次，个别测点根据实际情况进行调整，工频滤波选择50 Hz陷波器，通过该方法获得了详细的深部电性特征。

为获得更精准的浅部垂向分辨率，高密度电阻率法采用施伦贝谢尔a2装置，采集层数30层，获得了较为理想的勘探数据。

激电半衰时测深使用WDA-1超级数字直流电法仪，直接读取半衰时（Th），偏离度（r）等地球物理参数。选用装置型式为等比对称四极装置，最大极距AB/2=500 m；MN=AB/10，供电电流IP为50～600 mA，观测电位>100 mV。

4 物探资料分析和解释

从高密度电阻率法和音频大地电磁测深物探综合剖面图（图6）可见，两条综合剖面电阻率能清晰地显示含水断裂构造位置，其主要表现为在浅部电阻率相对较低，深部为中高阻的电性特征，总体呈现为从浅部到深部电阻率从低到高的变化规律。

图6 高密度电阻率法和音频大地电磁测深剖面及地质推断解译图Fig.6 Profile of high-density resistivity method and audio-frequency magnetotelluric sounding and geological interpretation map

结合野外水文地质调查资料，两条剖面电性特征勘查结果基本吻合，其中音频大地电磁测深在垂向分辨率和细节上更为清晰地刻画了深部电性特征的变化情况。两条剖面在180～200号点附近、深度200 m以内视电阻率呈现出低阻特征，视电阻率值在100～5000 Ω•m之间变化，低于两侧地层视电阻率的数值，且向深部有一定的延伸，呈“凹槽”状或“条带”状，推测为断裂破碎带的反映。该断裂倾向南西，倾角85度，近似直立，为正断层。两种物探方法参数的断面图皆能够比较明显地反应出断裂破碎带位置。

针对剖面的180～200 m附近解译的断裂破碎带位置开展了激电半衰时测深工作，对视电阻率（ρs）、激电半衰时（Th）和偏离度（r）三个地球物理参数进行了解译（图7）。

图7 激电测深半衰时（Th）、偏离度（r）和视电阻率（ρs）曲线综合图Fig.7 Integrated diagram of IP sounding half-life, deviation and apparent resistivity curve

激电测深半衰时Th曲线的首支在660～790 ms之间变化且呈上升趋势，推测为第四系覆盖层的反映；中部在860～920 ms之间变化，推测为花岗岩上部风化层含水引起。当AB/2为350 m时，Th出现峰值，为940 ms；另一含水参数偏离度r值在此处亦有异常反应，r值下降至5.4%，据此推测该深度有含水层存在。根据电阻率曲线综合分析，在AB/2=15～40 m和AB/2=200～350 m两段的视电阻率曲线形态趋于平缓，视电阻率值分别在790～913 Ω•m，而与之相关的半衰时曲线呈上升趋势、偏离度曲线则逐级降低，进而判定含水层的深度在AB/2=15～40 m和AB/2=200～350 m位置两个主要区段；在AB/2=400 m之后视电阻率曲线呈上升趋势，以及其它两参数的半衰时Th反向下降和偏离度r反向上升的表现形式，认为深部基岩相对完整。

通过对研究区电性特征的综合研究分析认为，在对剖面成果解译出的断裂破碎带位置的基础上，再以视电阻率（ρs）、激电半衰时（Th）和偏离度（r）三个参数相结合的方式能更为直观清晰地判定含水层的深度位置等信息。

5 钻孔验证与探测效果分析

5.1 钻孔LMSSK07验证情况

经过综合分析，最终井位定于剖面180～200号点处，设计深度170 m。钻孔LMSSK07在11 m深处穿过第四系覆盖层进入花岗岩，花岗岩体裂隙较发育；至145 m深度钻穿断裂破碎带，进入较完整花岗岩，至168 m深终孔（图8）。抽水试验结果分析，单孔涌水量为160～175 m3/d，主要出水地段位于50～120 m深度的断裂破碎带。

图8 LMSSK07钻孔岩性与视电阻率曲线图Fig 8 Lithology and apparent resistivity curve of LMSSK07 Borehole

5.2 不同物探方法的探测效果分析

在对研究区物探成果资料和钻孔LMSSK07资料分析的基础上，对不同物探方法的优势和劣势进行了分析总结（表2）。

表2 榕木村花岗岩区不同地球物理方法探测效果Table 2 Summary of exploration eあects of diあerent geophysical methods implemented in the Rongmu granite area

根据钻孔揭露数据以及不同物探方法在深度几米至几百米范围内获取的电性信息结果表明，音频大地电磁测深法施工方便，效率高，探测深度大，在本次工作中最大反演深度可达1000 m，能够详细探测深部断裂破碎带和有效划分岩性界线，但施工受自然、人为电磁干扰较大，垂向分辨率较低，勘探精度为5-10 m；高密度电阻率法施工效率高，勘探深度在0-200 m之间，施工受自然、人为干扰较小，勘探精度2-5 m，适用于探测浅部断裂破碎带；激电半衰时测深的偏离度（r）和半衰时（Th）综合物理参数工作效率较低，勘探深度受AB极距控制，本次工作中勘探深度最大为300 m，但在判定含水层位置及埋深方面有更为精确的效果。