电阻率法和激发极化法在地下水勘查中的应用

梁建刚，刘黎东，高学生，苏永军，孟利山

(1.中国地质调查局 天津地质调查中心，天津 300170；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300145)

截至目前，物探方法找水除核磁共振法外都属于间接找水[1-3]，所以物探找水工作必须与水文、地质工作紧密结合。这是因为水文和地质调查可以确定勘查区的地质构造情况和区域赋水类型、赋水层位及大致深度。了解这些情况对选择物探方法组合模式、确定物探测线布置方位至关重要；同时物探数据的解译时刻离不开地质和水文信息，使单纯的物性特征能还原成地质上的层位、岩性，即以地质、水文的语言呈现其成果；最后物探找水工作的一个突出特点是验证机率比较高，通过成井后的测井工作，一方面验证物探资料解译的准确度，另一方面又可积累测区极距与深度的转换系数，可以最大限度的提高物探人员的资料解译水平。

找水工作中的物探方法选择，应该从含水层的类型和物探方法的方法特点两个方面加以考虑。实践证明,电阻率法和激发极化法的组合使用是一种最有效的工作模式。

国土资源系统北方四省抗旱找水工作，工作区位于河南省新乡市凤泉区。本次地下水勘查物探工作，采用了电阻率法和激发极化法两大类方法，其中电阻率法又有高密度电法、EH4电导率测深等方法。根据含水层的赋水类型的地球物理特征，选择一种物探方法或几种物探方法的组合进行综合水文地质定井，取得了较好效果。

1 含水层的地球物理特征

根据地下水的赋存条件、水力性质特征，工作区内含水岩组类型可分为以下三大类：

1)松散岩类孔隙含水岩组。

2)碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组。

3)碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组。

本次工作的取水目的层主要是：新近系碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组、新近系泥灰岩裂隙岩溶含水岩组和奥陶系碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组。新近系泥灰岩虽然是碳酸盐岩，但是较破碎，裂隙岩溶发育，其地球物理特征与新近系碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组基本一致。加之泥灰岩与泥岩、砂岩交互沉积，因此本次研究中将新近系碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组、新近系泥灰岩裂隙岩溶含水岩组统称为新近系含水岩组。

1.1 电阻率特征

为了更好地开展物探工作，我们搜集到工区内各类岩层的电性参数，如表1所示。

表1 河南新乡地区岩石物性表(电阻率)

1)新近系含水岩组。此类含水层主要是指砂岩、粉砂岩及泥灰岩的裂隙、岩溶等，本区内主要的隔水层为泥岩(粘土)及完整的泥灰岩，砂岩、粉砂岩和泥灰岩的裂隙、岩溶(即新近系地层中的含水层)相对泥岩(粘土)颗粒粗、孔隙度大，从而使电阻率相对较高，这样含水层相对隔水层表现为相对高阻，但是完整的泥灰岩的电阻率又高于新近系含水层，因此在新近系地层中寻找相对高阻是本区运用电阻率方法的地球物理基础，实际工作中要注意区分完整泥灰岩与泥灰岩含水层。

2)奥陶系碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组。此类含水层主要是石灰岩、白云岩中的裂隙、破碎带及岩溶含水。当完整的岩体中出现裂隙、断裂及岩溶并充水或充泥时，含水矿物质电解导电能力增强，电阻率下降，出现相对低阻[4]。所以寻找相对低阻是本区运用电阻率方法寻找碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组的地球物理基础。

1.2 激电特征

岩矿石在外部电场充电和放电过程中，由于电化学作用引起的随时间缓慢变化的附加电场现象，称为激发极化效应(IP效应)，激发极化法是以不同岩矿石的激电效应之差异为物质基础，通过观测和研究大地激电效应，以探查地下地质情况的一种物探方法。

新近系含水岩组和奥陶系碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组，在激发极化方面都表现为高极化、高半衰时，这是用激发极化法寻找地下水的地球物理前提。在激发极化找水中用得最多、最有效的是对称四极垂向测深装置。

2 物探方法适用范围及特点

2.1 高密度电法

高密度电法是一种以地下介质体的电阻率差异为基础[5]，用直流电阻率法的阵列形式，进行二、三维地电断面测量的电阻率方法。自二十世纪七十年代末期高密度电法的最初模式的提出至今已经30多年，该方法成本低、效率高、信息丰富、解释方便，被广泛应用在水、工、环物探工作中。

2.2 EH4电导率测深

EH4电导率测深系统设计原理是大地电磁测深法，是利用交变电磁场研究地球电性结构的一种地球物理勘探方法。

该方法的优点是受场地限制较小，易于开展工作；发射装置轻便，便于野外多次移动，保证发射信号质量；多次迭加采集数据，能有效地压制干扰；时间域观测，频谱丰富，能提供更多的地质信息，高频探头一般探测深度为1 500 m，低频探头探测深度可达数公里；实时数据分析，确保观测质量；现场给出连续剖面的拟二维反演结果，结果直观。缺点主要是当工业游散电流干较强时，难以开展工作；当地表局部电性不均时，易产生静态效应[3]。

2.3 激发极化法

激发极化法是根据岩(矿)石的激发极化效应来寻找金属和解决水文地质、工程地质等问题的一种电法勘探方法。激发极化效应则是在人工电流场一次场或激发场作用下，具有不同电化学性质的岩石或矿石，由于电化学作用将产生随时间变化的二次电场(激发极化场)。地层中赋水后也会产生上述激发极化效应，这是激发极化法找水的地球物理前提。

相对于电阻率法而言，激发极化法找水最大的特点是受地形影响较小[1，3]，对岩溶裂隙水的水位埋深和相对富水带反映都比较直观。目前成功应用的激电参数较多，如表征岩石激发极化的极化率和充电率参数，表征岩石激发极化放电快慢的半衰时和衰减度参数，还有激发比和相对衰减时等综合参数，这些参数的选取与不同地质体和不同的仪器有关。实践表明，极化率(η)、半衰时(TH)、衰减度(D)的测量与判定在地下水勘查中效果明显。

3 物探工作及应用效果

在工作区内物探方法找水一般采用电阻率法和激发极化法相结合的模式，并根据探测深度的不同选择不同的电阻率方法，即200 m深度以浅一般采用高密度电法，200 m以深采用EH4电导率测深。

3.1 地层简单区

东鲁堡沉积环境相对稳定，水文条件相对简单。根据对村中已有水井开展的水文调查，确定了含水层深度。地球物理勘查主要是区分含水层和阻水层，达到定井目的，所以仅做了高密度电法。在高密度电法反演拟断面图上确定剖面范围内最佳的汇水位置，提高涌水量。

3.2 地层复杂区

王门村处于太行山山前断裂，对附近水井开展的水文地质调查中发现几个水井的含水层位、类型不同，为防止预选井干井或涌水量过低，我们在该处地球物理勘查中采取了高密度电法和激发极化法对称四极测深的方法组合[6-7]。

根据高密度电法剖面反演拟断面图(图1)，并结合物性资料，初步认为10 Ω·m以下为粘土(泥岩)、10 Ω·m ～20 Ω·m为含水砂岩，20 Ω·m及以上为泥灰岩或砾石层。据此完成该剖面的地质解释，考虑到剖面上的成井条件及施工工艺的因素，选择440点作为预选井位，推断含水段为30 m～130 m。

为进一步确定440点的赋水条件开展了激发极化法对称四极测深。最大AB/2=500 m，AB极布设方向沿高密度电法剖面方向(313°)，记录视电阻率、视极化率(η)、半衰时(TH)、衰减度(D)四个参数。

从图2可以看到ηa异常自AB/2=30 m起逐步升高，在AB/2=100 m时已经高于1%，随后迅速升高，至AB/2=150 m～200 m范围达到峰值，最大值为5.1%，AB/2=200 m之后又迅速下降，说明AB/2=200 m以深含水条件变差；ρa曲线上可以看到，在AB/2=15 m时出现一个高阻，与高密度电法反演拟断面图对应，为砾石层的反应，AB/2=20 m～AB/2=200 m范围，视电阻率均在10 Ω·m ～20 Ω·m ，尾支上升，代表向下电阻率升高的趋势。TH(半衰时)曲线、D(衰减度)曲线相关度较好，对应ηa异常深度出现D>0.4的异常。综上所述孔位定在440 m处，设计井深140 m。

实际上，钻探揭露含水段为35.64 m～59.70 m、71.70 m～ 83.74 m、89.73 m～101.77 m、125.79 m～134.85 m四层，与高密度电法吻合程度很高，甚至第一含水层和第二含水层之间的粘土层在高密度断面中都有反应。涌水量70 m3/h，地球物理综合方法定井成效明显。

3.3 基岩区

分将池村赋水类型为奥陶系碳酸盐岩裂隙岩溶含水。含水层位较深，超出高密度电法工作测量探测极限，我们初步设计采用EH4电导率测深加激发激化法对称四极测深的组合，寻找跟赋水相关的低阻异常的位置[8-9]。

分将池村现有抽水水井与本次工作预选1号水井，分属贯穿整个村庄的大冲沟的两侧，地质上推断大冲沟本身就是一个大断层，根据断层含水的机理，预选井位定在断层的上盘。

EH4剖面点距10 m，21个点，剖面总长为200 m，方位角为114°。从图3反演电阻率拟断面图可以看到，电阻率横向上，西边(小号端)电阻率低，东边(大号端)电阻率高，解释为西边为冲沟，东边为灰岩岩体。纵向上基本上随着深度的增加电阻率逐渐增加。

仅从测深曲线上看，在AB/2=500 m范围内，赋水有利深度在50 m～100 m之间(后来认识到供电极A极在此范围内正好在冲沟范围内)。

在EH4剖面反演拟断面图上，150 m～170 m处发现有低阻反应，钻探过程中在该深度范围发现断层泥，解释为压型断层。比照在已有井位的EH4剖面测量结果，赋水部位在电阻率变化的梯级带上，继续施工在355 m～360 m范围出水， EH4反演拟断面图上对应有明显的低阻反映。据钻孔岩性确定为奥陶系馒头组的层位含水。401 m终孔，出水量15 m3/h。尽管钻孔出水了但并未物探勘查工作的成果，地球物理综合方法定井成效不佳。为此，进一步开展预选2号井的地球物理勘查工作。

图1 王门村高密度反演电阻率拟断面图Fig．1 Pseudo resistivity section of high-density electrical method in wingmen village

图2 王门村预选井激电测深ηs、ρa、TH、D曲线Fig．2 ηs、ρa、TH、D curve of IP sounding at wingmen village preselected well

图3 分将池EH4反演电阻率拟断面图Fig．3 Pseudo resistivity section of EH4 sounding in fenjiangchi village

图4 分将池预选1号井激电测深ηs、ρa、TH、D曲线Fig．4 ηs、ρa、TH、D curve of IP sounding at fenjiangchi village preselected No.1 well

首先在测区内施测一条东南—西北向的联合剖面测量剖面，AO=BO=200 m，MN=40 m。该剖面测量成果图见图5。

图5 分将池预选2号井视电阻率联合剖面测量成果曲线图Fig．5 Curve of joint-profile resistivity sounding at fenjiangchi village preselected No.2 well

从图5中可以看出，ρsA曲线和ρsB曲线在100号点附近出现同步低凹点，因此推断在剖面上100号点附近有一条断裂构造通过。

在100号点布置了一个视电阻率对称四极电测深点，以探测垂向上视电阻率的变化情况，判断富水层位。电测深点成果曲线图见图6：

图6 100号点(分将池预选2号井)直流电阻率测深曲线Fig．6 Curve of station 100 resistivity sounding at preselected No.2 wel ofl fenjiangchi village

由图6可以看到，在曲线的前枝即0 m～90 m为奥陶灰岩较完整层，视电阻率值随极距的增大而45°左右上升；90 m～120 m曲线呈下降趋势，表明此段寒武系灰岩岩石开始破碎；180 m～210 m曲线为视电阻率陡降最凹区段，表明该深度范围岩石断裂破碎程度较高，且该层位在地下水潜水面以下，富水性较好；230 m～250 m段曲线平缓略升，表明该区段为又一岩石破碎富水区段；250 m～300 m段电阻率值继续向上升，曲线向上抬起，但角度不大，因此判断该区段为深部一般富水区段，可综合利用。最终选择在该点布设钻孔。孔深321.5 m，涌水量31.3 m3/h。

从成井后的测井结果看，自然伽玛曲线上有两段高值，解释为裂隙。一段为160 m～177 m处，自然电位没有明显变化，说明尽管有裂隙但是渗透性不好，应该是断层泥的表现。另一段为272.4 m～ 291.55 m处，伴随有自然电位高值(渗透性)异常，所以判断此区段为该井的主要出水位置

4 结论

综合上述成功与失败案例，我们可以得出以下结论：

分将池村预选1号井地球物理勘查失败的原因:

1)激发激化法受地形影响较小是相对于电阻率法而言的，即对无极化率异常区域，地形本身不会产生极化率异常，但在有极化率异常区域，地形可以改变极化率异常的形态。对于采用对称四极装置的激发极化法测深始终还要受到体积效应的影响，也就是说测得的极化率等参数应该是供电极AB范围内所有地质体的综合反映，当AB布设方向跨越构造时受周围地质体影响更大。地球物理测线布设一般尽量垂直走向，这样如果为确定井位布设多个测深点，测点布设及AB极布设方向均垂直走向，无可厚非。但若只布设一个测深点，AB极布设应尽量避开垂直走向方向，以尽可能减少AB范围跨越的地质体数量。预选1号井激电测深赋水有利深度在50 m～100 m之间，实际上供电极A极在此范围内正好在冲沟范围内。从地形上讲，山脊地形产生了假的电阻率低异常，A极冲沟(季节性径流)与B极完整石灰岩巨大的电性差异使极化率、衰减度在此范围更多的偏向于含水特征。

2)EH4电导率测深同一般电磁法测深一样，相对传统的几何测深而言，用频率与深度的关系代替了极矩与深度的关系，属频率域电磁法。其抗干扰能力较传统直流几何测深弱，在工业电干扰下易产生假的低阻异常，使得在寻找以低阻异常为目标的勘查中受干扰极强，这也是在预选1号井和2号井井地球物理勘查中，EH4效果比直流电测深差的原因。由此在深度较大地下水勘查中更多的推荐电磁法测深，但必须保证相应的工作环境，在居民区如果对生产生活影响较小的情况下，建议协调停电观测，以取得真实可靠的数据。

3)构造含水如水源为地层(承压)水，应该考虑承压的因素，而在分将池预选井位附近的水井水文调查中仅注意到静水位。这样给地球物理工作提供了错误的预设深度。这样当在错误的预设含水深度出现极化率测深因周围冲沟等引起的高极化率异常及平面位置上的低阻异常(不完全是假异常，但含有干扰成分)时，物探方法组合在这个预选井位的勘查中失效了。

张型断层与压型断层含水特征的不同。张型断层较压型断层破碎，理论上表现为较低的电阻率，但这种差异往往被体积效应掩盖，而这种差异可以在自然电位测井中体现出来。

根据本次找水工作的效果可以发现，采用电阻率方法和激发极化法的组合是正确的，组合方法的运用能弥补单一方法的不足与缺陷，能充分发挥各种方法自身的优点，为本次地下水勘查井位的布置提供了进一步的佐证，取得了良好的效果。当然物探方法也有不足之处，如地面电法工作都存在体积效应，在纵向分辨率上与地球物理测井无法比拟，这就使得在测井中反映的细微分层，在地面电法剖面上无法加以区别，而只反映了这些层位的综合效应。另外电阻率法虽然可以较正确地判定断层的位置和规模，却无法判定断层的性质。

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