電法勘探在塔克拉瑪干沙漠找水中的應用

張本靜

(安徽省水利水電勘測設(shè)計院 勘測分院，安徽蚌埠 233000)

1 工程概況

工程區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)南部塔里木盆地塔克拉瑪干大沙漠的西南緣，喀喇昆侖山北麓的和田地區(qū)皮山縣境內(nèi)，該地區(qū)年平均降雨量48.3 mm，年蒸發(fā)量2 400 mm，降雨少，蒸發(fā)量大，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候。該地區(qū)土地資源豐富，人口較少，但水資源缺乏，水資源是當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展的制約瓶頸。安徽省委響應中央號召對口援建新疆，計劃用十年左右的時間，在和田地區(qū)皮山縣境內(nèi)再造十萬畝綠洲，以改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，涵養(yǎng)水源，提高人民生活水平。再造綠洲項目得以順利實施的必要條件是要有水源地，為了尋找可持續(xù)開采的地下水源，本院在規(guī)劃區(qū)阿克坦及巴什拉克區(qū)塊分別為78 km2及56 km2范圍內(nèi)開展了物探電法找水工作(見圖1)。

2 測區(qū)地質(zhì)概況、水文地質(zhì)條件及地電特性

2.1 地形地貌

塔里木盆地周圍高山環(huán)抱，從外圍向中心可分為山麓帶、山前礫質(zhì)洪積帶、沖積細土平原帶及中部的塔克拉瑪干沙漠。測區(qū)位于塔里木盆西南緣，盆地地勢西高東低，向北微傾，測區(qū)地面高程一般為1 360～1 490 m。盆地地形封閉，氣候極端干旱，植被稀少，干燥剝蝕和風蝕、風積作用特別強烈，形成了塔克拉瑪干沙漠。

2.2 地層巖性

新生代地層在盆地廣為分布，第四紀沉積厚度達200～800 m，甚至更大。測區(qū)位于盆地邊緣沖積細土平原帶，第三系巖層以莎車坳陷和庫車坳陷最為完整，厚度最大，下第三系和上新統(tǒng)主要為海相和濱湖相沉積，其巖性為紅色砂巖、夾褐色的粘土、灰色泥巖、灰質(zhì)砂巖和石灰?guī)r、玫瑰色含石膏砂巖。

2.3 水文地質(zhì)條件［1］

塔里木盆地在其特殊的氣候、水文、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造條件的制約下，其地下水形成、埋藏、分布和運動規(guī)律具有獨特的特征。昆侖山北麓山前戈壁礫石帶是單一的潛水分布區(qū)，昆侖山前隱伏斷裂以北沉積了厚度較大的第四系松散沉積物，由孔隙性較好的中、上更新統(tǒng)砂卵礫石組成含水層。溢出帶及其下游的沖洪積平原受構(gòu)造的影響，坳陷區(qū)第四系松散堆積物驟然加厚。沖積—湖積平原區(qū)，含水層呈現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)，上部是潛水含水層，下部埋藏一層或多層承壓含水層，潛水含水層巖性以粉細砂為主，富水性各地不一。塔克拉瑪干沙漠大致以北緯40°為界，南部為發(fā)源于昆侖山北坡的諸多水系形成的沖湖積細土平原，廣大沙漠腹地屬于南部沉積區(qū)，地下水主要接受昆侖山山前平原地下水側(cè)向徑流補給，地下水運動特征明顯，地下水徑流方向與地形坡度方向基本一致。

2.4 測區(qū)地電特征

阿克坦和巴什拉克兩個測區(qū)地表覆蓋物主要為砂礫石、風積沙土等干燥土性。由于巖土層顆粒粒徑變化大，所以電阻率變化也大。阿克坦區(qū)塊一般視電阻率ρs=70～500 Ω·m，少數(shù)為ρs=500～1500 Ω·m，個別達2 000 Ω·m。巴什拉克區(qū)塊一般視電阻率ρs=100～500 Ω·m，低的ρs=14～30 Ω·m(推測為鹽堿粉砂土)，少數(shù)為ρs=500～2 500 Ω·m，個別達3 000 Ω·m。但兩測區(qū)電性特征也有一定的規(guī)律性:干砂礫石電阻率大于含水的砂礫石電阻率，含水的砂礫石電阻率大于含水的中粗砂電阻率，含水的砂礫或砂層電阻率大于泥礫石(或粉細砂夾粉土)電阻率。一般泥礫石(或粉細砂夾粉土)電阻率為ρs=200～100 Ω·m，少數(shù)為ρs=50～70 Ω·m(推測為粉土)，在測區(qū)較為穩(wěn)定，是測區(qū)電性標志層。測區(qū)地電斷面的組合具備了電法勘探的理論前提。

3 方法原理及測線布置

3.1 電測深法［2］

不同地層或同一地層由于成分、結(jié)構(gòu)或地下水等因素的不同，而具有不同的電阻率。通過接地電極將直流電供入地下，建立穩(wěn)定的人工電場，在地表觀測某點垂直方向的電阻率變化，從而了解巖土介質(zhì)及地下水分布或地質(zhì)構(gòu)造特點。電測深法主要用于解決與深度有關(guān)的地質(zhì)問題，要求地下電性層次不多，具有一定的厚度，電性標志層穩(wěn)定。

3.2 激發(fā)極化法［3］

激發(fā)極化法是通過觀測和分析大地激電效應，依據(jù)地下目的體與周邊介質(zhì)的人工激發(fā)極化效應的差異來探測地下介質(zhì)分布情況的一種電法勘探方法。實際上是觀測停止供電后二次場電位差的衰變規(guī)律，來評價地層地下水的富水程度。

3.3 儀器選擇及測線布置

根據(jù)測區(qū)地層巖性及地電特點，通過野外反復試驗，攻克電極接地電阻大，電流難以供入地下的難題后，選用輸入阻抗≥100 MΩ 的JJ—2 型激發(fā)極化儀。測量電極采用紫銅電極，直徑Φ=20 mm，長80 cm。激電測量電極采用不極化電極，供電電極采用不銹鋼電極，直徑Φ=22 mm，長100 cm。野外測量采用電極組，減阻液，減小接地電阻，確保建立起滿足測量精度要求的人工電場。

物探測線采用垂直河流走向布設(shè)，測線及測點間距為1 km，即測網(wǎng)為1 km×1 km，測點呈梅花型布置，阿克坦區(qū)塊布置6 條測線，68 個電測深點，實際控制面積68 km2;巴什拉克區(qū)塊布置5 條測線，65 個電測深點，實際控制面積65 km2。電測深布極方向應使地形、地物對測量數(shù)據(jù)影響最小，遇有高壓線，使放線方向垂直于高壓線。電極接地位置，在預定跑極方向上的偏差應＜1%，在垂直跑極方向上的偏差應＜5%。

選擇四極對稱梯度裝置，測量電極MN 與供電電極AB 之比為1∶5，最小極距AB/2=1.5 m，最大極距為AB/2=500 m，裝置系數(shù)K=7.533。

4 地下水富水程度分區(qū)

4.1 地下水富水程度分區(qū)原則

將兩個測區(qū)的電測深和激電測深曲線與測區(qū)附近已有機井井旁實測電測深曲線及激電測深曲線相比對，結(jié)合已有機井成井參數(shù)及實際出水量，采用定性分析與定量類比相結(jié)合的方法進行解釋，確定不同程度富水地層的視電阻率ρs特征值和激電測深衰減度D 特征值。根據(jù)測區(qū)及附近部分機井實測資料確定的富水地層特征值見表1。

圖1 規(guī)劃區(qū)物探測區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of geophysical prospecting in planning area

表1 新疆皮山縣阿克坦、巴什拉克區(qū)塊井旁測深統(tǒng)計表Table 1 List of depths of the wells inAktan and Bashlark Blocks，Pishan County，Xinjiang

4.2 地下水富水程度平面分區(qū)

根據(jù)確定的特征值，應用不同極距等AB/2 視電阻率平面圖編制不同深度地下水分布圖，圖2、圖3 分別為阿克坦區(qū)塊與巴什拉克區(qū)塊500 m 以上不同深度地下水含水情況的綜合圖，綜合反映了測區(qū)地下水分布的范圍。從圖2 可以看出阿克坦測區(qū)有東、西兩個富水區(qū)域，該區(qū)域推測為皮山河的兩條古河床。從圖3 可看出巴什拉克測區(qū)東部的較大范圍富水區(qū)域，該區(qū)推測為桑株河的古河床。測區(qū)地下水概況見表2。

4.3 地下水富水程度剖面分區(qū)

地下水在縱向上的分布，采用等視電阻率斷面圖作基礎(chǔ)圖件，根據(jù)不同富水區(qū)ρs特征值及地下水靜水位編制而成，該圖能比較客觀地反應各條剖面含水層的空間位置、厚度及富水程度等，根據(jù)需要每一條剖面對應的增加編制等AB/2 視電阻率剖面圖、電性—地質(zhì)剖面圖等，組成綜合剖面圖，其效果更好，圖4 是阿克坦區(qū)塊二十四線綜合剖面圖。

從圖5 可清楚地看出，24～8、24～12、24～22 三個ρs≥300 Ω·m 的高值異常區(qū)，是現(xiàn)代河床(洪水通道)的反應;兩個中等富水區(qū)一個在24～4—24～14 點之間，深度在40～300 m，另一個在24～22—24～24 點之間，深度在20～200 m;兩個富水區(qū)均位于兩個中等富水區(qū)中，一個位于24～10 點，深度95～220 m;另一個位于24～22—24～24 之間，深度40～120 m。其它剖面大同小異，不在贅述。

5 含水因素與井位設(shè)計原則

5.1 含水因素及其與管井單位出水量的關(guān)系

研究表明管井的出水量與含水層的衰減度D 密切相關(guān)，其D 值越高、幅度越大，管井的出水量就越大，根據(jù)這一理念試圖應用測區(qū)及附近激電測深資料參數(shù)推導出管井單位出水量與衰減度D 的關(guān)系曲線圖，但是與出水量有關(guān)的D 有兩個主要因素:一是D 值的大小，二是D 曲線的異常幅度，如何把這兩個因素有機地結(jié)合，建立與管井單位出水量的相關(guān)關(guān)系是成敗的核心。通過大量的井旁激電測深資料對比、研究發(fā)現(xiàn)，含水背景值以上與衰減度D 曲線之間的面積含蓋了D值大小和D 曲線異常幅度兩個因素(命名為:含水因素，單位:mm2)，與管井單位出水量密切相關(guān)，可直接建立管井單位出水量與含水因素關(guān)系曲線圖，阿克坦區(qū)塊和巴什拉克區(qū)塊地區(qū)管井單位出水量與含水因素關(guān)系曲線圖見圖5。根據(jù)管井單位出水量與含水因素關(guān)系曲線圖可以對擬打井位置進行激電測深，設(shè)計成井深度和預測出水量，為鑿井施工提供技術(shù)保證。

5.2 開采井位設(shè)計原則

為了使地下水長期、有效、穩(wěn)定、有序的開發(fā)利用，利用最少的投資達到最大的收益，就必須科學、合理地開發(fā)地下水，對測區(qū)開采地下水提出以下原則:

(1)富水區(qū)、中等富水區(qū)、弱富水區(qū)的劃分是根據(jù)視電阻率值的大小范圍與出水量關(guān)系確定的，但是在同一個區(qū)域范圍(如富水區(qū))其出水量差別很大，因此，在利用地下水分布圖設(shè)計井位的時候盡可能地將井位選布在高電阻率區(qū)(必須是在區(qū)域地下水位以下)，施工同樣的井深可以開采最大的出水量。

(2)在進行群井開采地下水時，設(shè)計井位要考慮抽水影響半徑(成井后抽水試驗確定)，井間距要大于兩倍影響半徑，以免抽水時相互影響，不能發(fā)揮單井的最大效益。

(3)由于本次物探勘察測網(wǎng)是1 km×1 km，所以鑿井施工時，應在選定的井位采用激電測深方法進行核定，以防萬一地層有變化造成損失，并確定成井深度和預測成井的出水量，在井孔打好后應做水文地質(zhì)測井，以便指導井管配置，做到既節(jié)約經(jīng)費，又能達到開采最大出水量。

圖2 阿克坦區(qū)塊500 m 以上地下水分布圖Fig.2 Distribution of more than 500 meters underground water in Aktan Block

圖3 巴什拉克區(qū)塊500 m 以上地下水分布圖Fig.3 Distribution of more than 500 meters underground water in Bashlark Block

表2 阿克坦區(qū)塊與巴什拉克區(qū)塊地下水富水狀態(tài)探測結(jié)果一覽表Table 2 Detection results of water-rich state of underground water in Aktan and Bashlark Blocks

圖4 阿克坦區(qū)塊二十四線綜合剖面圖Fig.4 Twenty-four line compositive profile in Aktan Block

圖5 阿克坦區(qū)塊和巴什拉克區(qū)塊地區(qū)管井單位出水量與含水因素關(guān)系曲線圖Fig.5 Curve showing the relationship between specific water yield of tube well and water factors

(4)皮山河、桑株河同屬于冰川融雪補給型內(nèi)陸水系河流，消失于沙漠之中，而塔克拉瑪干大沙漠為海相沉積地層，沙漠腹地地下水為高礦化度咸水，兩個測區(qū)均在緩傾斜沖積細土平原，緊靠沙漠腹地咸水區(qū)，因此，再造綠洲大面積開發(fā)地下水，要注意觀察地下水位及水質(zhì)的變化，特別是每年的3－5月份，正是大量抽取地下水的季節(jié)，又沒有融雪補給地下水，一旦發(fā)現(xiàn)水質(zhì)變咸要及時調(diào)整開采量，使地下水位穩(wěn)定在一個合理的高程。

6 結(jié)語［4］

(1)戈壁沙漠地區(qū)應用電法探測地下水，如何減小電極接地電阻，將電流供入地下，建立穩(wěn)定的人工電場，獲得地下巖土介質(zhì)地電信息，這是能否成功的關(guān)鍵。本次物探工作在解決接地電阻方面的研究取得了突破性進展，實測效果良好，在地下水埋深h≥100 m的條件下，AB/2 極距達到500 m 時，測試的電位差V1≥100 mV，保證了激發(fā)極化法參數(shù)的測試精度，為全面開展電測深法普查地下水提供了技術(shù)保障。

(2)流入沙漠的河流大多進入沙漠后河床明流消失進入地下，而沙漠找水往往是在沙漠的邊沿地帶，因此在選擇測區(qū)的時候，一定要考慮是否有河流進入該區(qū)?并盡可能將測線垂直河床布置，以獲取較好古河床的信息。

(3)在沙漠邊沿地區(qū)地形坡度大，加之在古河床部位下伏地層為強透水的砂礫石層，電測深曲線一般表現(xiàn)為KQ 型，其K 型的極高值段往往誤判為比較好的含水層，真正的含水層是在曲線緩傾角下降的Q 型段，其原因是地下水位較深，巨厚的砂礫石層處在地下水位上、下電性差異造成的，因此，在設(shè)計井深時一定要查清地下水位的深度，慎重考慮這一因素。

(4)找水工作的最終目的是找到水源豐富的地下淡水體，但是在沙漠地區(qū)找水時，當工作區(qū)向沙漠腹地推進時，要關(guān)注電阻率的劇烈變小，當ρs≤10 Ω·m時，這往往是水質(zhì)變咸的反應，一旦出現(xiàn)這種情況，要及時調(diào)整測區(qū)范圍，避開咸水區(qū)域。

［1］新疆維吾爾自治區(qū)地下水開發(fā)利用初步規(guī)劃報告［R］.烏魯木齊:新疆水文水資源局，2007.

［2］SL326—2005，水利水電工程物探規(guī)程［S］.

［3］鐘新淮，陳居和.找水新法——激發(fā)極化法［M］.北京:水利電力出版社，1987.

［4］GB50027—2001，供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.