高密度电法与瞬变电磁法联合勘查河北承德地区基岩裂隙水

王瑞丰，温来福，程久龙，陈 志，焦俊俊，申国强

(1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083；2.河北省地质矿产勘查开发局第四地质大队，河北 承德 067000；3.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；4.河北工程大学 地球科学与工程学院，河北 邯郸 056038)

0 引 言

山区饮水困难问题普遍存在，严重影响人民群众的生活质量，制约了当地的经济发展[1]。因此，如何有效、准确以及经济地寻找地下水资源是现阶段解决山区缺水问题的有效途径。

在水文地质调查中，地球物理勘探已经成为山区找水的主要方法之一，其中包括可控源音频大地电磁法、激发极化法、瞬变电磁法(TEM)、高密度电法、电阻率测深、核磁共振等[2-13]。但由于基岩山区地形条件复杂，加上任何一种地球物理方法都有其适用条件以及局限性，单一方法的使用存在一定的困难和风险，所以采用综合地球物理方法找水，不仅可以多角度分析研究地下岩层性质和含水性，又可以相互验证方法的有效性。郑远芳利用音频大地电磁法和电阻率测深相结合的方法，在粤西山区开展了地下水勘查[14]。李国占等利用音频大地电磁法和激发极化法相结合的方式，在实际找水工作中取得了满意的效果[15]。宋希利等在侵入岩地区利用可控源音频大地电磁法和电阻率测深寻找地下水，有效地提高了定井速度和成功率[16]。孙中任等综合利用磁法勘探、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法和大地电磁法实现了深部地下水的勘查[17]。李霞等利用基于EH4连续电导率成像系统的大地电磁法和激发极化法相互验证的勘探方法，实现了河南西部基岩缺水地区的找水示范[18]。李富等针对断层破碎带提出了地球物理“多方法、多参数和多层次”找水模式，克服了单一物探方法的局限性[19]。杨秋玲等采用瞬变电磁法和激电测深综合地球物理方法开展了深层地下水富水性评价，并有效指导了井位的布置工作[20]。

本文选取河北承德地区基岩山区作为勘查区，采用高密度电法和瞬变电磁法相结合的综合地球物理方法，在分析勘查区内水文地质条件以及两种探测方法原理的基础上，开展综合地球物理方法找水研究与应用，以期为今后类似地质条件地区基岩裂隙水的勘查提供理论和实践依据。

1 勘查区地质概况及地球物理特征

勘查区位于河北承德地区东部。区内出露的地层(图1)有：元古界蓟县系铁岭组白云岩和页岩、雾迷山组白云质灰岩、洪水庄组伊利石页岩和白云岩，青白口系龙山组细粒砂岩、下马岭组页岩和泥岩；古生界寒武系上、中、下统灰岩和白云质灰岩，奥陶系下统灰岩和白云质灰岩，石炭系本溪组和太原组页岩和石英砂岩；中生界侏罗系中、下统安山岩、砂砾岩、页岩、角砾岩；新生界第四系黄土夹砂砾石层。

勘查区内地下水的主要补给来源是大气降水，同时也受地表水体渗入及上游地下径流补给。本区地下水可分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水。松散岩类孔隙水主要分布于河谷中，含水层一般富水性强，渗透性能良好，埋藏深度为3.0～6.0 m；山间沟谷孔隙水富水性相对较差，水位埋深为2.0～8.0 m。基岩裂隙水分布不均匀，受构造控制明显。区内以西部、南部的分水岭和阻水断裂(F2)为隔水边界，地下水接受周边补给后汇集于石炭系—二叠系煤系地层之下的奥陶系灰岩之中；在煤系地层局部阻水作用下，地下水以泉的形式排出地表。

由勘查区地质特征可知，地层岩性主要有砂岩、灰岩、砾岩以及泥页岩。砾岩中的砾石以灰岩为主，也有白云质灰岩、燧石、石英等，其电性特征表现为高阻。当砾岩层中的砾石所占比例较大时，泥砂质成分少，含水性好，其电阻率在整体上较高，在横向上呈现相对高阻异常。当灰岩层中含破碎带时，含水性较好，其电阻率整体上较低，在横向上呈现相对低阻异常。砂岩本身的电阻率较高，但当裂隙发育充水时电阻率明显下降，在横向上呈现出相对低阻异常。上述特征都是本次高密度电法和瞬变电磁法联合探测的地球物理前提和基岩裂隙水勘查的解释依据。

2 联合探测方法及工作布置

2.1 高密度电法

高密度电法是基于直流电法的基本原理，集电剖面法和电测深法于一体，采用一次性列阵方式布极(二维或三维)，利用多道或分布式形式布置，可实现各类装置、不同排列极距的视电阻率观测，从而实现在剖面上一次性布极获取多种装置类型的地电断面分布信息。

高密度电法的物理前提是地下介质间的导电性差异。和常规电法一样，高密度电法通过A、B电极向地下供电流I，然后在M、N电极间测量电位差ΔUMN，从而可求得M、N电极间的视电阻率(ρs)，ρs=KΔUMN/I，如图2所示。其中，K为装置系数。根据实测的视电阻率剖面进行计算分析，可以获得地下地层中的电阻率分布情况，从而可以划分地层、判定异常等。

图2 高密度电法电极排列示意图

2.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法是在地面敷设带有一定波形电流的发射线圈，从而在周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流，断电后感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中、晚3期。早期电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期电磁场则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

2.3 联合探测基岩裂隙水的可行性和优势

基岩裂隙水通常可以分为风化裂隙水、构造裂隙水和成岩裂隙水3种类型，其中构造裂隙水是山区找水的主要对象[17]。在构造运动的作用下，岩层破坏产生裂隙，在裂隙中含水或者泥沙充填后呈现出不同的电阻率，高密度电法和瞬变电磁法就是利用这种电阻率差异来达到探测地下水的目的，因此，利用这两种方法进行联合探测是可行的。

高密度电法具有探测成本低、工作效率高以及分辨率高等优势，但是探测深度较浅，受地形影响较大，同时在测量过程中，其倒梯形收敛方式易导致测线两端深部的地电信息无法获取。虽然瞬变电磁法受地形影响较小，但该方法在工作时常采用多匝回线装置，受关断影响在浅部存在勘探盲区。上述两种方法联合探测可以取长补短，优势互补。

2.4 工作布置

河北承德地区东部测区SN向中心位置为一条山谷，地势北高南低，东、西两侧均为基岩，在测区中部存在露天泉眼，但出水量极小，约为2 000 mL·d-1。为有效探测地下基岩裂隙水情况，以此露天泉为中心，在山谷中布置一条测线(图3)，测线长940 m，分别进行高密度电法和瞬变电磁法测量。其中，高密度电法使用国产GD-10电法仪，采用温纳装置，测量点距为10 m，供电电压为450 V；由于工作区为沟谷地形，无法铺设大回线，本次瞬变电磁法使用澳大利亚Terra TEM瞬变电磁仪，采用多匝小回线装置，发射线圈和接收线圈边长均为2 m，匝数分别为60匝和40匝，测量点距为5 m，供电电流不低于5 A。

3 数据处理及异常解释

3.1 数据处理

从图3可以看出，河北承德地区东部测区内地形起伏较大，测线北高南低，这会导致观测数据发生畸变，在反演过程中可能产生虚假异常甚至会掩盖真实异常，给资料解释的准确度以及基岩裂隙水的勘查带来困难，因此，在数据处理过程中必须进行地形影响校正。现有的地形影响校正方法较多，包括比值校正、正交投影和保角变换[21]、带地形的二维或三维反演[22]等方法。

本文在高密度电法数据处理过程中，对突变点数据剔除以及圆滑之后，采用带地形的二维反演来进行地形校正处理。对于瞬变电磁法，在进行噪声剔除和曲线圆滑之后，对数据进行一维反演，最终得到探测结果。

3.2 校正结果分析及解释

3.2.1 高密度电法结果解释

图4和图5分别是地形校正前、后的高密度电法反演电阻率断面。通过对比可以发现：经过地形校正后，反演电阻率总体有所降低，但在测线640～940 m内电阻率有所升高；测线0～480 m内低阻异常范围明显变小，且反演得到的电阻率细节更加明显；同时，相对于地形校正前，校正后的低阻异常中心(测线250、300和400 m处)向南侧发生轻微偏移，说明地形对于高密度电法影响较大。

迭代次数为5;最小均方根误差为3.7%;单位电极距为10.0 m

根据地形校正后反演结果反映的异常情况，结合野外记录的干扰进行综合解释(图5)。从横向上看，断面浅部(0～10 m)电阻率呈高低相间分布。由于测线布设在沟谷，其中测线0～460和760～940 m内地表有积水，所以在断面上地表附近表现为低阻特征；测线其他区段有基岩出露，表现为高阻特征。断面深部等值线波动较大，在测线190～460和760～920 m内有相对低阻异常反映(图5中红色实线框圈出区域)。其中，在测线190～460 m内有3处封闭的低阻异常区，其电阻率低于30 Ω·m，根据本区地层情况，推断其为基岩裂隙含水区。而测线480～760 m内高阻区推测为相对完整的基岩。

迭代次数为5;最小均方根误差为2.8%;单位电极距为10.0 m

3.2.2 瞬变电磁法结果解释

由于瞬变电磁法在浅部存在盲区，所以浅部的地电信息可靠性较差。考虑野外干扰情况，对瞬变电磁法反演结果进行综合解释，如图6所示。在深度60～100 m处，测线120～490和700～830 m内有相对低阻异常反映(图6中黄色实线框圈出区域)，根据本区地层情况，推断其为相对含水区。测线500～700 m内表现为高阻特征，推测为相对完整的基岩。

图6 瞬变电磁法反演电阻率断面

3.3 综合解释及钻探验证

综合高密度电法和瞬变电磁法的解释结果(图5、6)可见，从横向上看，两种探测方法电阻率变化规律基本一致，均呈现为高低相间的分布。从低阻异常分布特征来看，测线190～460 m内高密度电法反演结果显示为3处封闭的低阻异常，且异常中心明显；而瞬变电磁法反演结果显示为片状低阻异常，没有明显的异常中心。综合两种探测方法的反演结果，推断在测线230～260、280～330以及370～430 m内为基岩裂隙含水区。

根据上述综合解释成果，最终选择在测线245、412 m处布置#1和#2钻孔进行验证，钻孔位置如图3所示。其中，#1钻孔地层上部为第四系黄土和黏土，下部为侏罗系后城组凝灰质砂砾岩；#2钻孔地层浅部为第四系碎石土层、侏罗系后城组凝灰质砂砾岩，下部为粗安岩(图7)。经验证，两个钻孔都揭露了含水层。其中，#1钻孔在15 m深度遇裂隙层，但出水量较小，未进行抽水试验；#2钻孔分别在18.0、59.8和74.3 m深度遇裂隙层，经过抽水试验，单孔出水量为56 m3·d-1。上述结果验证了高密度电法和瞬变电磁法综合地球物理技术在基岩山区找水是有效的。

图7 #2钻孔柱状图

4 结 语

(1)从数据处理角度来看，高密度电法受地形起伏影响较大，且无法在有限测线长度的情况下得到测线两端深部的地电信息，而瞬变电磁法可以弥补高密度电法的这一缺点，但是其在浅部存在勘探盲区，二者组合可以起到优势互补的作用。

(2)从探测效果而言，两种方法对测区地下水的勘查均有效果，但不同方法圈定的低阻异常范围和剖面特征有所差别，因此，需要综合对比不同方法圈定的低阻异常区，找到对应一致的异常位置推断其为裂隙含水区，并作为找水定井的依据。本次联合勘查结果以及钻孔验证情况表明高密度电法和瞬变电磁法相结合的综合地球物理技术在严重缺水的基岩山区找水是可行且有效的。