电法勘探在黄河高阶地地区水文地质勘察中的应用研究

杨生彬, 王延辉, 李仁海

(中国电力工程顾问集团 西北电力设计院有限公司,陕西 西安 710032)

青海某换流站工程位于黄河Ⅳ级阶地地貌上,为满足该工程的用水需求,需要在建设项目区域进行水文及水文地质调查,因引用地表水水资源的投资巨大,故开展了本工程的水文地质勘察工作,目的是为了查明区域水文地质条件,推荐能够满足变电站需水要求的富水地段[1],评价地下水资源并确定供水井的位置及结构。经调查发现项目建设区域地下水资源开发利用程度极低,基本无可利用的水文地质资料,因此本次工作首先利用地球物理勘探方法进行了探查。

地球物理勘探方法简称为物探,主要是指通过对地球物理的科学合理利用,在按照各个岩层之间的一些物理性质,通过选用不相同的物探仪器和物理勘探方法,对工程区的地球物理场的实际变化情况进行有效的测量,最终确保解决地质问题[2]。物探是水文地质勘察工作的一种重要手段,特别是在环境条件复杂、水文资料极其匮乏的地区,利用自然电场或者人工电场、磁场或电化学场进行测量,通过分析被测对象的磁性、电性、介电性和电化学分布规律判别地质情况[3],能够充分发挥物探工作的优势,缩短野外工作时间,提高工作效率。

1 工区地质及地球物理特征

1.1 场地工区水文地质概况

建设项目地处共和盆地,东临黄河,共和盆地是中国西北地区比较典型的一个中、新生代断陷盆地,盆地地处昆仑、祁连两大山系的交汇处,四周为群山环抱,中间为低洼的盆地,呈西窄东宽的葫芦形[4],盆地长约250 km,最宽达90 km,海拔一般在3 000～3 500 m之间。

根据区域水文地质资料,共和盆地在第四纪早—中更新世内陆沉积环境中,以河湖相沉积为主,堆积了厚达300～1 000 m的松散堆积物,下部为一套早更新统砂土质地层,表部覆盖了上更新统砂土层,为盆地第四系孔隙水的赋存运移创造了良好空间[5]。但由于该地下水分布不均匀且埋深较大,加之地广人稀,导致地下水开发利用程度极低。

大气降水在盆地四周的山区形成地表水和地下水,是盆地地下水的主要补给来源。山区是地下水的补给区,山区沟谷是盆地地下水的补给通道,山前倾斜平原和盆地中央是地下水的径流区,由于黄河深切,使共和盆地成为外泄盆地,黄河谷地成为地下水的排泄区,在黄河谷地至盆地区间就形成了黄河Ⅰ-Ⅶ级阶地,从低阶地至高阶地,地下水水位埋深逐渐增大。

1.2 工区地球物理特征

建设项目场地堆积了大厚度的河湖相砂卵砾石层堆积物,根据建设项目东侧约30 km处在黄河三级阶地上规划的其他建设项目的可行性研究阶段地质勘测资料,揭露的50 m勘探深度范围内,主要为第四系、上第三系(中、上新统)粉砂、细砂、圆砾、卵石层,未发现地下水。根据地层岩性资料,上层地层松散,下部密实度逐渐增大,通过定性分析,表层地层由于较为干燥,含水量较低,因此视电阻率数值应该偏高,而随着深度和含水量的增加视电阻率下降,遇到裂隙水地层,该数值明显减低,因此通过测区内电性层的分布及其与地层结构的关系,可以大致判断与实际采集的视电阻率数据相吻合,呈现数据先下降再上升再下降的KHK型曲线特征,根据低阻下降区域可判断是因为含水量大幅增加引起的,从而确定地下水位界面。进而通过量板方法进行定量解释,借助于二层和辅助量板可以对数据的电测深曲线进行解释,则可获得电性层的埋深及厚度。

2 工作方法及原理

本次工作根据当地经验并结合现场实际条件,地面物探采用电阻率测深法,对称四极温纳装置。电阻率测深法是利用岩土的导电性差异,分析电性不同的岩层沿垂向分布情况的一种物探方法。具体在实际工作中是在同一测点上逐次扩大供电极距,使探测深度逐渐加大,同时相应测量观测点电压和供电电流,从而得到观测点处视电阻率沿垂直方向上的变化情况(见图1)。

图1 野外观测装置示意图Fig.1 Schematic diagram of field observation device

根据区域地质资料,选择该工程最小供电极距(AB/2)min为1.5 m,以保证其实测曲线的前支部分有明显的渐近线,最大供电极距(AB/2)max为750 m,满足本次探测深度的要求。相邻供电极距之间的比例满足1.3ABi+1/ABi1.8的关系,测量极距与供电极距之比为1∶3,并满足关系AB/3≥MN≥AB/30;AB/2在对数坐标系下均匀近等距分布,并保证一定的密度,满足测量精度。

3 测线布置及工作量

项目场地地表在滩地草原,地形平坦,地势开阔,根据工作任务特点和测区地质条件,电法勘探测线由北向南布置6条,测线号从北往南由小到大,线距约60～80 m,点距95～350 m,共25个电测深测点,测线布置平面见图2。

图2 电法勘探测点测线平面布置图Fig.2 Plane layout of surveying points and lines in electrical prospecting

4 电阻率测深法资料解译

电测深资料解释工作有定性和定量解释:定性解释工作主要是分析电测深曲线的类型、ρs等值线平面图、ρs等值线断面图,从中发现视电阻率特征与地层的对应关系,以及与地下水富集规律的关系,在定性解释的基础上,先对曲线比较完整、电性层反映较明显的电测点进行解释,先点后线,并结合地质测绘资料,以经验系数法、特征点等方法进行计算,力求解释结果符合实际地质情况[6]。电测深资料的定量解释工作主要是使用反演软件对测深数据进行自动反演,并与实际数据拟合比较,再修改地层模型,经多次反复调整修改直至曲线拟合较好时,就可得到由野外的视电阻率曲线对应的地电模型。但由于地层电性的复杂性,使得物探数据解释具有多解性,很难给出一个较为客观的地电模型,所以物探数据解释以定性解释为主,定量解释为辅。

4.1 电测深曲线类型及分析解释

测区内电测深曲线基本一致,初步判断测区地层空间分布、厚度、埋深变化不大,曲线类型以KHK型为主,只有个别(DS119)为KH型曲线,故以主要曲线类型KHK型五层曲线进行分析,测区典型KHK曲线类型分布图见图3。

结合区域地质资料根据曲线反应的特性,初步判断第一层为风积粉细砂层,透水性好,表层一般厚度较薄,电阻率较高,一般为80.0～480.0 Ω·m,构成K型曲线的首枝;第二层为冲洪积圆砾、卵石,透水性好,电阻率较上层更高,一般为360.0～960.0 Ω·m,构成K型曲线的中间段;第三层岩性以圆砾、卵石为主,充填粉土或粉细砂,推测受下层地下水的毛细水或地表水下渗潮湿层的影响,电阻率出现下降趋势,一般为100.0～300.0 Ω·m,而且在下降趋势最低处电阻率一般为100.0 Ω·m左右,对应为H型曲线的中间段,推测该段为地下水位位置;第四层岩性以圆砾、卵石为主,充填粉土或粉细砂,电阻率出现升高,电阻率一般为150.0～300.0 Ω·m,构成H型曲线的后枝;第五层电阻率出现下降趋势,结合区域地质资料推测是第四系底层向第三系过渡带,且受到第三系泥岩的影响造成电阻率下降,富水性差,该层电阻率一般<200.0 Ω·m,构成第二个K型曲线的后枝。结合区域地质资料及周边调查结果分析认为,上部两层为包气带层,第三层底部以下可能存在地下水含水层。

图3 测区典型KHK型五层曲线Fig.3 Typical KHK-type five-layer curve in survey area

图4 典型不同极距视电阻率平面等值线图(图中ρs单位为Ω·m)Fig.4 Typical isoline map of apparent resistivity plane with different polar distances

4.2 ρs不规范等值线平面图分析解释

不同极距的ρs平面等值线图反映不同深度地层在平面上的电性分布情况,分析不同深度的ρs平面等值线图的分布特征可推测对应深度的地层电性的分布情况。本次工作选择了测区各电测深测点在AB/2=10 m、40 m、100 m、150 m、250 m、400 m、500 m、650 m、750 m极距的数据,绘制了ρs平面等值线图(见图4)。AB/2=10 m视电阻率平面等值线图较为清晰的反映表层情况;AB/2=40 m视电阻率平面等值线图较为清晰的反映浅层情况;AB/2=100 m、150 m视电阻率平面等值线图推测反映的中深层情况;AB/2=250 m、400 m视电阻率平面等值线图反映深层情况;AB/2=500 m、650 m、750 m视电阻率平面等值线图反映受第三系地层的影响情况。区域地层主要为黄河冲洪积形成的粉土、砂卵石层为主,区域等值线分布较为均匀表明区域地层岩性差异变化较小,无断裂带存在。综合推测AB/2=100 m、150 m的视电阻率平面等值线图反映的是地下水分布的情况,随着电测深极距的增大,工作区电阻率值差距逐渐缩小,反映深层地层趋于一致。

4.3 ρs等值线断面图分析解释

视电阻率等值线断面图是根据同一剖面上不同测深点和不同极距的视电阻率值绘制的,通过分析视电阻率等值线断面图,可以了解剖面上不同深度地电断面的特征和规律,可以粗略地判断不同电性的岩层接触面、大致产状及厚度等。通过不同测线的视电阻率等值线断面图分析,断面图分层与曲线类型吻合很好,推测地面以下105～120 m潜在含水层,地层以砂卵砾石层为主,细颗粒填充,受填充密实度的影响,含水层涌水量需进一步结合水文地质钻探成果来判断。不同测线的等值线断面图详见图5。

5 结论及建议

通过电法勘探对测区的水文地质条件、地层构造等有了初步认识,提供了完整的水文地质物探勘测资料,对后来的水文地质勘查工作具有指导意义。

图5 典型视电阻率等值线断面图(图中ρs单位为Ω·m)Fig.5 Typical apparent resistivity isoline profile

(1) 在测区开展电阻率测深法工作具有较好的物探前提,已取得了阶段性成果。

(2) 受条件所限,电法勘测未能全面清晰地查明地下水特征,尤其是含水层的涌水量情况。

(3) 根据追踪回访,后期开展的水文地质勘查工作表明区域地下水位埋深约118 m,充分印证了前期电法勘探成果的准确性。

(4) 电阻率测深法成本低、效率高,在水文地质工作中可避免盲目钻探施工,起到降低成本和提高工作效率的作用。