激发极化法寻找地下水源的探讨和研究

吴翔飞

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 激发极化法找水机理

1.1 离子导体激发极化效应产生机制探讨

当一次场电流通过宽窄不同的岩石孔隙时，由于窄孔隙（即正离子选择带或薄膜）中正离子迁移率正负离子大于负离子迁移率，而宽孔隙中（即非选择带）正负离子等于负离子迁移率，结果在窄孔隙的电流流出端形成正离子的堆积；而在电流流入端正离子较少。与此同时，由于负离子在宽孔隙中的迁移率高于在窄孔隙中的迁移率，因而在正离子造成堆积或不足的地方，同样造成负离子的堆积或不足，这样便形成离子浓度沿孔隙的变化。所形成的离子浓度梯度将阻碍离子的流动，直至达到平衡为止。当外电流截断后，由于离子扩散作用，离子浓度梯度将逐渐消失，恢复到原来状态。与此同时，形成扩散电位，这就是在离子导体上观测到的激发极化电位。

1.2 影响激发极化效应因素探讨

均质黏土激发极化效应非常小。当黏土与沙、岩石碎屑、砂卵石等不同物质混合时，形成了粗细不同的薄膜，在一次电场作用下，产生了离子浓度梯度，因此可以观测到极化效应产生的二次场。

虽然激发极化效应的关键因素是水，但二次电场的大小与各种岩性及所含的矿物成分、岩石的破碎程度，水溶液的温度、矿化度，供电时间、布极方向、供电及测量电极材料等相关。一般来讲，岩石中含有金属离子时，激发极化效应会变大，会对找水形成干扰。岩石越破碎、水溶液温度越高、矿化度越高、供电时间越长，激发极化效应越大，这些对于找水是非常有利的。

2 表征激发极化效应的综合参数J

2.1 极化率η

对于二次场强度，国内外均采用极化率η表示：

式中：n——极化率；

ΔV1——供电时一次场电位差；

ΔV2——停止供电时二次场电位差。

2.2 衰减度D

对于二次场衰减速度，国内外是用某两个时刻二次场电位差之比，但在时间点的选择上不尽一致，所采用的数学公式表述也各有不同。通过大量实践认为：衰减度在找水方面选用0.25～5.25 s间的5 s内进行平均，是比较合适的。

从衰减度D的物理意义可以看出，D永远是小于1的一个数值。如果野外测试过程中发现D大于1，可能是干扰造成的，要引起足够注意。

2.3 激发比J

将极化率和衰减度乘积定义为激发比，由于含水层的η和D都较高，故激发比J能更好地反映含水层的含水状况。根据找水方面的研究，激发比不大于2%。因此，在实际工作过程中，一定要对测区的岩石矿物成分进行分析，避免由于金属离子产生的激发极化效应，而误导对地层含水情况的判断。

3 激发极化法找水应用

耿镇位于山西省五台县境内清水河岸边，距离五台县城约30 km，东西为丘陵山区，中部是清水河冲积平原。为解决旱季缺水问题，在该村不同方位布置了激发极化电测深点。工作区下伏太古界火成岩和变质岩地层，上覆古生界下寒武统鲕状灰岩和紫红色页岩地层。河床堆积物为第四系黏土和卵砾石。6号点位于村外两条田间小道的交叉处，解释成果见表1，实测曲线分别见图1和图2。

表1 山西省五台县耿镇6号点成果表

图1 山西省五台县耿镇6号点视电阻率曲线图

图2 山西省五台县耿镇6号点激发比曲线图

根据电测深曲线可以推断出：视电阻率曲线为标准的“KH”型，曲线的前支和中支的大“K”型，在冲洪积的平川区往往是较大河流古河道的反映。从地面开始往下 4.2～11.6 m，电阻率为 799.2～853.9 Ωm，激发比为0.2%～1%，推断地层为不含水的砾石；11.6～29.4 m，电阻率为 338.3～430.9 Ωm，激发比为 0.3%～0.35%，推断地层岩性为不含水的砂砾石；29.4～67.1 m，电阻率为 124.2～247.6 Ωm，激发比为 0.7%～1.1%，推断地层为含水的砂砾石；67.1～103.9 m，电阻率为 90.5～114 Ωm，激发比为1.1%～1.4%，推断为风化破碎的含水基岩；103.9～194.4 m，电阻率为 349.8～420.1 Ωm，激发比为1.95%～3.05%，推断地层岩性为裂隙发育的含水层反映。

从上述来看，一是可以利用反演后的真电阻率划分地层岩性。因为地层含水与否虽然对电阻率值影响较大，但不起主导作用。从电阻率值方面，可以将4.2～103.9 m划分为第四纪砂砾卵石层；103.9～194.4 m划分为基础地层。由于真电阻率不高，因此推断基岩地层比较破碎。二是利用激发比确定地层含水情况。从激电参数来看，在深度3~103.9 m范围内激发比小于2%，属于离子导体的正常场，推断为第四系砂砾石层；在深度103.9~210 m范围内激发比大于2%，已接近或超过离子导体的正常场，推断基岩中含有金属离子。

通过以上资料分析，6号测点推断为古河道，深度0~103.9 m为覆盖层；深度103.9~210 m范围内电阻率均较低，推断基岩较破碎。建议井深220 m，预计枯水季节每天涌水量600～800 t。

本次测试完成后，在6号点进行打井。钻探揭露的基岩面深度为100 m，这与物探推断解释基本一致。从打井取出的岩芯来看，在100～220 m范围内岩石比较破碎。从抽水试验来看，每小时40多吨水，一天出水量为1000 t左右。

4 结论

利用激发极化法可以有效寻找地下水源。激发比作为激发极化的一个重要参数，对寻找地下水源会起到有益帮助，但完全依赖激发比的大小判断是否有水，是不可行的。根据对含水地层离子导体激发比的研究，在没有金属矿电子导体的干扰下含水地层的激发比一般小于2%；当发现激发比大于2%时，应分析工区内岩石矿物成份是否含有金属离子。如果岩石矿物成份含有金属离子，就不能利用激发比大小判断地层含水情况，而需根据电阻率的大小和地质情况来判断地层的破碎情况，从而判断含水情况。