高密度电法在花岗岩地区找水的应用

王晓龙，王 鑫，周博武

(1.广西壮族自治区二七二地质队，广西南宁530031；2.中交远洲交通科技集团有限公司华南广西分公司，广西南宁530012)

0 前言

高密度电法是以岩土的导电性差异为基础，通过观测地电介质的电阻率变化，分析电阻率变化趋势，从而解决各类地质问题[1]。常用的测量装置有偶极-偶极装置(ABMN)，三极装置(AMN或MNB)和施伦贝尔装置(AMNB)；联合剖面法装置是由正三极装置(AMN)和反三极装置(MNB)组合而成。不同测量装置其测量原理和测量效果不尽相同，有关装置的效果及优缺点很多学者都做了大量研究。罗延中[2]等人研究认为在斜坡地形下探测陡立低阻板状体电阻率法电极装置的探测分辨率偶极-偶极装置最强。柳建新[3]等人研究认为偶极装置纵向分辨率最好，施伦贝尔装置在横向不均匀地质体上反映灵敏。对于高密度电法装置大部分人认为偶极-偶极装置的分辨率最高，施伦贝尔装置信号最强[1-3]；在不同地质体的勘查任务都能取得较好的效果。本文介绍在花岗岩地区进行地下水勘查的中常用测量装置数据的反演结果，并结合联合剖面法确定井位的探讨。

1 常用装置的测量原理

1.1 偶极-偶极装置(ABMN)

测量时，AB=MN为固定电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到第一条剖面线；接着BM增大一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到另一条剖面线；这样不断扫描测量下去，得到倒梯形(或倒三角形)断面，跑极方式见图1。

图1 偶极-偶极装置跑极示意图

1.2 三极装置

正三极装置(AMN)中供电电极B为无穷远极；在测量时供电A不动，M、N逐点同时向右移动，得到一条滚动线；接着A、M、N同时向右移动一个电极，供电A不动，M、N逐点同时向右移动，得到另一条滚动线；这样不断滚动测量下去，得到平行四边形(或倒三角形)断面，跑极方式见图2。

图2 三极装置跑极示意图

反三极装置(MNB)测量方式与AMN装置相似，此时的供电电极A为无穷远极。

1.3 施伦贝尔装置(AMNB)

测量时，电极间距AM =NB，MN电极间距固定；A、B、M、N逐点同时向右移动，得到第一条剖面线；接着AM、NB增大一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到另一条剖面线；这样不断扫描测量下去，得到倒梯形(或倒三角形)断面，跑极方式见图3。

图3 施伦贝尔装置跑极示意图

1.4 联合剖面法装置

联合剖面法装置是由正三极装置(AMN)和反三极组装置(MNB)合而成。实测中，分别观测正-反三极装置，视电阻率值分别记为ρsa、ρsb，提取相同供电电极距AB/2值对应的视电阻率值数据绘制剖面图；以横轴表示测点位置、纵轴表示ρs值，则在同一测线上得到ρsa和ρsb两条视电阻率曲线。在有效勘探范围内，通常在低阻异常体上方附近ρsa和ρsb曲线有一交点，即低阻交点(正交点)[1]。

2 地电模型及效果分析

花岗岩地区浅层地形水的主要类型有：风化裂隙含水、构造裂隙水。风化裂隙水的埋藏和分布与地形关系密切。在地形平缓的丘陵地区，花岗岩风化带往往较发育，地形对风化带保存有利，风化带厚度较大，给地下水的储存提供较大的空间。风化裂隙水一般埋藏较浅，补给主要靠大气降水，地形平缓的地区有利于大气降水的渗入补给，因而在丘陵地区，花岗岩风化裂隙水普遍分布，通常富水性较好。风化裂隙水主要分布在汇水的低洼地带。构造裂隙水主要是在构造作用下，岩石相对破碎，岩石风化裂隙往往沿着构造裂隙发展起来。在断裂构造发育的地段，岩石风化裂隙发育的强度和深度都比较大；沿断裂构造裂隙所形成的风化裂隙带是地下水相对富集的地段。

根据浅层花岗岩地区地下水分布特点，可类似于由一个简单的二层(地表低阻覆盖层、深部为高阻基岩)断面加一个低阻板状体模型的组合，图4模型为低阻覆盖层下的基岩介质中存在一个低阻直立薄板体。模型中地表低阻覆盖层电阻率为100 Ω·m、厚度为10 m；基岩电阻率为2000 Ω·m；直立薄板低阻体宽为5 m、顶部埋深10 m、向下延伸30 m，电阻率为10 Ω·m。对模型经正演计算偶极-偶极装置、正三极装置、施伦贝尔装置视电阻率后，进行电阻率二维反演，得图5所示的不同装置反演电阻率断面，其中实线所示为低阻板状体模型的位置，反演结果与正演的拟合误差小于2.5%。

图4 浅层花岗岩地区地下水电阻率模型

(a)偶极-偶极装置

根据反演结果看(见图5)，各种装置对基底界面埋深反映均较好。偶极-偶极装置(图5(a))对直立低阻板状体的位置及形态反映较准确，水平分辨率高。正三极装置(图5(b))对异常体有响应，但异常体形态向测量电极方向倾斜，导致无法异常体形态变形。施伦贝尔装置(图5(c))对直立低阻板状体反应不明显。

在探测低阻板状异常体时，三极装置反演的异常形态发生变形，为准确判断异常体倾向，通常结合联合剖面法判断异常体倾向(见图6)，即利用不同电极距低阻交点(正交点)[1]位置变化进行判断。图6(a)、图6(b)在145 m～150 m之间均出现低阻交点，不同的供电电极AB/2对应着不同勘探深度，出现低阻交点的位置基本相同，因而可以判断异常体倾向近似直立。

(a)AB/2=17.5 m

综合以上认识，偶极-偶极装置能有效地识别出低阻板状异常体的位置，且水平分辨率高；正三极装置次之，施伦贝尔装置最弱。三极装置的反演电阻率异常形态存在变形，通常要结合联合剖面法使用才能准确的分辨异常体的形态。因此，采用偶极-偶极装置、联合剖面法进行探测，能有效地识别直立薄板状低阻体。

3 应用实测效果分析

实例工区位于湖北省梅川镇。该工区出露的岩性为多期侵入的“杂岩体”，主要岩性为二长花岗岩；地势低洼的沟谷主要分布为砂质、砾质粘性土或含粘性土砾砂的第四系全新统冲积层，厚度0～10 m不等。由于受多次构造活动的影响，测区内侵入岩脉发育，脉宽2 m～8 m不等，走向呈NS向居多，在岩脉旁常发育有与岩脉走向基本平行的节理(裂隙)，这些节理(裂隙)易风化，往往形成有较厚的风化壳。测区地属贫水区或弱含水区，地表水以径流为主，地下水不发育，地下水主要汇集于低山丘陵间的小型沟谷、盆地。综合水文地质条件看，选择合适的工作方法在低洼处是有可能寻找到规模较大的构造裂隙水。本次勘查水源采用上述高密度电法装置组合在地势较低、地形起伏不大的低洼处开展工作，寻找构造裂隙水取得了成功。图7与图8为同一条测线上不同观测方法的测量结果，其中图7为高密度电法不同装置数据使用RES2DINV软件反演的二维断面，图8为取AB/2=37.5 m、62.5 m值绘制的联合剖面曲线图。

(a)偶极-偶极装置

从图7上看，除施伦贝尔装置外，其余装置断面在横向上都出现了明显的近似直立低阻异常带：偶极-偶极装置集中在230 m～250 m附近(图7(a))；正三极装置集中在230 m～255 m、380 m～400 m、420 m～435 m附近(图7(b))，偶极-偶极装置的异常位置与正三极装置对应较好。联合剖面法曲线上分别在图8(a)的235 m、图8(b)的240 m附近出现低阻正交点，不同极距的交点位置偏移不大，预示低阻异常体倾角较陡。综合所有的物探信息，推断剖面在235 m～245 m处存在有较好的富水构造带。因此，在240 m处布置钻孔，钻探结果表明：0 m～8 m为全风化层，8 m～22 m为裂隙发育带，22 m～30 m为破碎的花岗岩，终孔50 m，出水量达168 m3/d，水量丰富，有效地解决了水源问题。

(a)AB/2=37.5 m 联剖曲线图

4 结语

通过本文实例的高密度电法装置观测结果可知：

(1)不同装置在识别倾角较陡的低阻板状体时分辨率存在明显的差异，分辨率从高到低的排序为：偶极-偶极装置，三极装置，施伦贝尔装置；

(2)在识别基岩的起伏界面上，偶极-偶极装置数据更为精细；

(3)在实测数据中，三极装置的反演断面可能会出现假异常，结合联合剖面法曲线分析可获得可靠的异常；

(4)在花岗岩地区高密度电阻率法找水，选择偶极-偶极装置和联合剖面法装置进行探测是行之有效的组合；在条件允许的情况下，可考虑选择三种以上方法组合综合地质解译。