综合物探方法在渭北地下水勘查中的应用

白嘎力 杨帆 樊双虎

摘 要：渭北地处鄂尔多斯盆地南部，地质构造复杂，地层岩性多为第四系松散岩、泥岩、白云岩等，含水性较差，寻找低阻断裂构造是该区地下水勘探的唯一途径。由于地球物理解释存在多解性，因此，单一的物探方法很难确定含水层的位置。对此，采用瞬变电磁法进行剖面测量判定低阻异常位置，放射性α法来圈定蓄水构造，激电测深法来准确判定地下水所在的层位及埋深等综合物探法进行探测。此外，通过正演模型，从理论出发，验证了综合物探法联合找水的可行性。

关键词：瞬变电磁法;放射性α法;激电测深法;正演模拟;地下水勘查

中图分类号：P641.7 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）19-0075-04

Abstract： North of Weihe River is located in southern Ordos basin， and complicated geological structure， lithology is the fourth of loose rock， mudstone， dolomite with rather poor water -bearing property and permeability， thus to find out conductive faulted structures is the only way in groundwater exploration. Due to multiplicity geophysical interpretation， it is difficult to determine where the aquifer of the single geophysical method. In this regard， the transient electromagnetic method was used to determine the location of low resistance anomaly， the radioactive α method to delineate the water storage structure， and the IP sounding method to accurately determine the stratum and depth of groundwater. In addition， the feasibility of integrated geophysical prospecting combined with water prospecting was verified theoretically by forward modeling.

Keywords： transient electromagnetic method;radioactive α method;IP sounding method;forward modeling;groundwater exploration

傳统物探法在地下水勘查中主要采用直流电阻率法、高密度电阻率法、激发极化法等单一物探方法寻找水源，由于受地形、岩性和构造影响及体积勘探效应的限制，成井率难以提高[1]。近年来，综合物探方法找水在我国发展迅速，能有效识别地下含水层，并在断面图上有较好的反映。经过钻孔进行验证，综合物探法为机井工程成功率提供了重要保障，并克服了传统物探单一方法在找水分析理论上的片面性，抑制了单一物探方法的多解性。

1 方法简介

1.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Methods，TEM）利用不接地回线（大回线磁偶源）或接地线源（电偶源）向地下发射一次场，在场的间歇期间，地下介质的感应电磁场（二次场）电压数据随时间变化。该二次场的大小及衰减速度与地下地质体有相关性，由于二次场衰减曲线的特征，从而判断地下地质体的电性强弱、规模大小、产状等[2]。由于该方法具有横向和垂向分辨率高、对地质噪声干扰较小、对低阻反应准确且受地形干涉较小等特点，因此在地下水勘查中被广泛应用。

1.2 放射性α法

该方法主要是用测氡仪测量土壤、水及大气中氡气的浓度，然后通过研究氡气浓度的分布特征来圈定蓄水构造。在潜水面以下，很难测得深处的氡气;而在潜水面以上，氡气可以通过扩散作用、对流作用、毛细管作用等向地表迁移[3]。

氡在自然界中主要以游离原子形式沿着岩石裂隙或者孔隙中迁移，因此，构造破碎带和裂隙发育带均是氡气迁移的良好通道。在浮土覆盖中，氡气迁移率取决于其透气性好坏和孔隙度多少。向上迁移的氡气的来源主要有以下3种：①溶解和存在于地下水中的一部分氡到达潜水面后，从水中逸出向上迁移;②在潜水面附近形成的镭晕放出的氡气;③岩石和土壤中的镭（包括局部放射性不均匀体）放出的氡气[3]。

1.3 激电测深法

激电测深法是在研究目的层电阻率参数的同时并观测激电效应的变化。在单一条件下研究地质体的变化电阻率特征很容易出现失误，而经瞬变电磁法和放射性法探测到的低阻断裂层（研究目的层），再通过综合研究目的层的电阻率数据和激电数据可减小上述失误，提高测量准确性[4]。

2 模型验证

为验证瞬变电磁法与激电法综合找水的可行性，本文建立了一维正演模型（见图1），表1为模型参数。

2.1 瞬变电磁法一维正演模拟

本次选用矩形大回线源（磁偶源）来发射一次场，采用的计算方法是全区视电阻率法。该方法可消除视电阻率[ρτ]的“畸变”[5]。水平电偶极子均匀半空间上垂直磁感应强度对时间的变化率为[6]：

（1）

式中，[dl]为水平电偶极子的长度;[ρ1]为均匀半空间的电阻率;[r]为收发距;[y]为测点的纵坐标;[u]和[Φ]为：

（2）

（3）

图2为发射回线与测点位置示意图，十字为点位测点。线框边长为500m×500m;点距30m;供电电流10A，测道数为30道。经正演计算，绘制出视电阻率多测道断面图（见图3）。

2.2 激电法二维正演模拟

利用有限元方法对模型进行正演模拟，选用对称四极装置，其中[AB]=140m，[MN]=3m。根据等效电阻率公式和视极化率公式[见式（4）和式（5）]，经正演计算，绘制出视极化率曲线图（见图4）。

（4）

（5）

式中，[ρ*]为极化电阻率;[ρ]为真实电阻率;[ηs]为视极化率;[ρ*s]为视极化电阻率;[ρs]为视电阻率。

3 实例分析

3.1 测区地质、水文地质概况

3.1.1 地质概况。测区位于鄂尔多斯盆地南缘汾渭地堑中南部，构造形迹较为复杂[7]。区内构造以断裂为主，其次为褶皱和裂隙，断层多为发育良好的含水正断层，对基岩裂隙水具有控制作用。地形呈阶梯状，自西南向东北逐渐升高，系黄龙山脉南迤部分，海拔900～1 543.8m，相对高差150～250m。该区域主要是由第四系上、中、下更新统黄土及下更新统冲洪积粉质黄黏土夹粉细砂组成。

3.1.2 水文地质概况。根据已有的水文地质资料可知：在物探测量深度内，测区地下水分为松散沉积层孔隙水、基岩裂隙水2种类型。

孔隙水含水层为中更新统黄土状壤土、下更新统粉质黏土和砂砾石，总体上含水一般，根据以前勘查水文资料推测，单井出水量5～10m3/h，主要水源补给为雨水。

基岩裂隙水含水层为三迭系下中统纸坊群砂岩层和二迭系上统石千峰组第三段砂岩层。该区断裂较多且裂隙发育，是地下水储存和运移的有利条件，形成富水地段。根据以前勘查水文资料推测，单井出水量可达15～25m3/h，主要水源补给为雨水和孔隙潜水。

3.2 野外工作

瞬变电磁法选用的是长沙白云仪器开发有限公司生产的MSD-2瞬变电磁仪，发射线框为300m×500m的矩形回线大线框，发射线框是根据已有的井位由南向北布置，框内布置一条测线，布置方向为南北方向，点距30m，线圈接收的等效面积为1 080m2，供电电流3A，其发射频率25Hz，叠加次数为100次，延迟时间为100μs。

放射性测量使用仪器为FFA-2快速α数字闪烁辐射仪，测点与瞬变电磁测点重合。考虑到氡气衰变具有随机性，为了让测得的数据更可靠，本次单点连续测量多次（5次以上），直到数据比较稳定为止，然后每个点记录5次数据，取其总和来绘制放射性曲线图。

激电测深法选用仪器为WDJD-3A多功能数字直流激电仪，装置为等比测深装置，测点位置的布置是根据已绘制出的瞬变电磁视电阻率断面图和放射性α曲线图来确定，基本是在低阻异常且放射性高异常的附近布置激电测线。

3.3 解释及结果

图5（b）为瞬变电磁视电阻率断面图，在横向上可得出以下结论。

①深度为50～200m，整个区域呈相对高阻且阻值大致相同，电性反映为350～450Ω·m。

②深度為200～600m，整个区域呈高低阻相间形式。其中，在0～240m呈现高阻，电性反映为450～700Ω·m;在240～480m视电阻率较低，电性反映为300～350Ω·m，视电阻率曲线形态上显示向下凹陷，异常深度300m;在480～1 000m呈现高阻，电性反映为500～750Ω·m;在1 020～1 180m，视电阻率较低，电性反映为200～300Ω·m，视电阻率不连续，与两边呈现出高低阻相间形式，视电阻率曲线形态上显示向下凹陷，异常深度250m;在1 200～1 900m呈现高阻，电性反映为500～700Ω·m，在1 920～2 160m视电阻率较低，电性反映为350～450Ω·m。总体来看，在300～450m、1 050～1 140m、1 960～2 010m 3处发现低阻异常。

根据视电阻率断面图梯度带的位置、视极化率曲线图及已有的钻孔资料推测钻井地层如下。①0～100m为黄土层。②100～350m电阻率呈现为相对高阻，其岩性主要为灰褐色、深灰色灰岩，中厚层豹斑灰岩，白云质灰

岩和白云岩。③350～600m以灰色中厚层块状微细晶灰质白云岩为主，含水性较差，水位线以上基岩裂隙表现为高阻异常，水位线以下基岩裂隙表现为低阻异常，因此该段电阻率分布不均匀，推断出其存在裂隙或者断裂。根据已知井位对应的异常位置，即约为[x]=2 090m处，有明显的向下凹陷的低阻异常，由此设计井位并圈定主剖面异常位置，然后在异常处安排激电法和放射性法工作来对比、验证。

通过对异常区做激电测深和放射性工作，得出的曲线图如图5（a）和图6所示。1#和2#在深度为350m以下均显视充电率高异常且放射性α也呈现高幅值。

对比3种物探方法结果图，推测出这两处异常是由裂隙发育带所引起的，因此，建议将主剖面330、1 030m两处作为钻孔位置。经过后期的水文钻井验证，两处涌水量均已达到村民生活用水和农业用水的需求量。

4 结论

在复杂地质背景下，根据不同的地质条件和工作要求，针对性地选取多种物探方法来综合分析、解释，以提高工作质量。基于瞬变电磁法和激电法各自特征，建立了多层介质的正演模型，验证两种方法找水的可行性，符合实际，便于工程物探应用。

参考文献：

[1]张保祥，刘春华.瞬变电磁法在地下水勘查中的应用研究综述[J].地下水，2004（2）：129-133.

[2]廖文鹏，朱通，黄日华，等.综合物探方法在水资源勘察中的应用[J].物探化探计算技术，2017（6）：768-774.

[3]韩耀昭，辛至秀，韩逢明.氡气测量寻找基岩构造裂隙水的初步应用[J].勘察科学技术，1985（5）：27-30，22..

[4]梁延广，王美岭，张彦湘.综合电法在红层地区地下水勘探中的应用[J].中国煤炭地质，2008（11）：69-71.

[5]韩自强，刘涛，欧阳进，等.矩形大定源回线TEM法全区视电阻率在煤田采空区勘探中的应用[J].地球物理学进展，2015（1）：343-349.

[6]冯兵，孟小红，张斌.TEM框内回线装置发射框边界影响及消除方法[J].煤田地质与勘探，2010（5）：61-66.

[7]李貅.瞬变电磁测深的理论与应用[M].西安：陕西科学技术出版社，2002.