激發(fā)極化法在淺埋隱伏基巖區(qū)水文定井中的應用淺析

黃子瑩 王成龍

(河北省水文工程地質勘查院 石家莊 050021)

1 激發(fā)極化法及其測試參數

在常規(guī)電法勘探中，當采用某一電極排列方式向大地供電或切斷電流的瞬間，在測量電極M、N之間總能觀測到電位差隨時間的變化。在這種類似充、放電的過程中，由于地下介質或探測對象的電化學作用所引起的隨時間緩慢變化的附加電場現象，稱為激發(fā)極化效應(簡稱激電效應)，如圖1。

圖1 激發(fā)極化法充、放電波形示意圖

激發(fā)極化法是物探勘查的一種技術與方法，就是以巖、礦石激電效應的差異為基礎，在外業(yè)采集供電電流、一次場電位差、二次場電位差，并計算求得極化率ηS(%)、衰減度Dr(%)、半衰時TH(s)、偏離度r(%)等激電參數的基礎上，通過資料解譯、分析對比，從而達到找礦或找水的目的。

2 激電特征與激電找水的地球物理前提

激電效應有隨巖石、礦石中電子導電礦物、地下水含量的增高而增強的特性，是激發(fā)極化法成功應用于多金屬礦探查、找水的物理化學基礎。

當巖石存在黃鐵礦、黃銅礦低礦化時，激電效應明顯，極化率多為3%～10%；以黃鐵礦、黃銅礦為代表的硫化物呈浸染型多金屬礦化、呈塊狀多金屬礦化、石墨礦、含碳巖石等，其極化率高達10%～50%。一般而言，低極化地層的富水層位極化率多為1%～2%左右，咸水層的極化率相對偏高一些。

對某地層而言，半衰時、衰減度幅值大，表示該極化介質二次場放電慢，衰減慢；而半衰時、衰減度幅值小，則表示該介質放電速度快，衰減快。富水地層的半衰時、衰減度幅值相對較高，即說明富水地層的激電效應衰減相對較慢。

總而言之，相對于多金屬礦化巖層或巖體而言，一般富水地層的極化率明顯較低為1%～2%，而半衰時、衰減度值相對較高。對同一地層如硅質砂巖、碳酸鹽巖、砂卵礫石層等低極化地層，相對于貧水層位，富水層位的極化率、半衰時、衰減度均呈現高幅值異常特征，這即是激電找水的地球物理前提。

3 激電找水常用裝置類型及其特點

應用于找礦普查，激發(fā)極化法多以激電中梯為主；應用于水文地質調查、貧水區(qū)找水，多在物探剖面的基礎上，以激電測深對比驗證。

在激發(fā)極化找水中用得最多、最有效的裝置類型是對稱四極垂向測深裝置,即溫納裝置，也稱為IP測深。激電測深的供電電極AB與測量電極MN布置在通過測點O的一條直線上,通常采用溫納裝置并保持MN/AB=1/3的等比關系。如圖2所示，這種裝置的特點是AM=NB，記錄點取在MN的中點。其電阻率值ρS表達式為：

圖2 對稱四極激電測深裝置示意圖

相對于其他裝置類型，該裝置類型抗干擾能力強，測得的數據穩(wěn)定、△V1、△V2幅值高。

因常規(guī)電法的電阻率值與電流、電壓有關，而電壓值為地表測量電極MN間測得，受地形起伏影響。因此，常規(guī)電法的電阻率值受地形起伏干擾較大。所以常規(guī)電法要求放線的場地盡量平緩。

水文物探中，激電測深最大的優(yōu)點是衰減度、半衰時等參數受地形影響小，因此衰減度、半衰時測深曲線異常段的深度即反映富水地層的深度。不需要刻意進行深度換算。

外業(yè)工作中，由于供電時間長、測試與計算的參數較多，激電測深法外業(yè)效率相對較低；同時由于二次場較弱，及地電干擾、接地條件較差等因素，容易出現數據不穩(wěn)定。所以，在激電測深外業(yè)中，需要根據實際情況，及時串聯外接電池提高電壓、并需改善供電極接地條件，以提前換土、澆水方式改善測量電極的接地條件，提高M、N極罐的穩(wěn)定性。

4 白堊系砂巖地層水文定井

在某鐵路車站找水中，了解到車站需水量不大于10 m3/h。調查可知該測區(qū)地處白堊系地層，外圍村莊有水井，出水量約20 m3/h左右。該處白堊系的砂巖、泥巖多以互層形式展現，完整性一般較好，賦水性差。試驗可知隱伏的泥巖、砂巖互層的電阻率值整體較低，相對富水與不富水地層電阻率并無明顯的電性差異。在水文物探工作中最常使用的直流電測深法在該類區(qū)域找水效果不明顯。

4.1 工作方法

鑒于該類區(qū)域基巖的電性特點，開展以激電測深法為主的水文勘探成為首選。首先在已知井井旁分別做直流電測深與激電測深，取得已知電阻率和激電參數，而后每100～200 m布置一個激電點；通過各測點曲線與已知井參數曲線的對比分析，在圈定的富水區(qū)段再布置一條十字測線，并進行適當加密測點，直到確定理想的點位為止；在擬定的井位處輔以十字激電測深，對比分析，綜合確定了富水層與井深。

4.2 參數分析與成井效果

從測試成果看，該區(qū)各測點的視電阻率曲線類型近似，即AKH與HKH型，即中深部的視電阻率曲線走勢均相似，與已知井差異不明顯。僅從視電阻率曲線特征比較，推薦井位的難度較大。從各測點的視極化率曲線特征與幅值分析，各測點中深部的視極化率約介于0.4%～0.9%間，局部高值達1.5%未出現明顯的高極化特征(圖3)。

圖3 已知井激電測深各參數曲線

從上面的已知井旁曲線可以看出，電測深曲線的AB(max)/2=500 m，而激電參數的AB(max)/2=250 m。AB/2=50 m以深，衰減度與半衰時兩參數均呈現明顯的高值異常，且AB/2=50 m與AB/2=160 m處衰減度與半衰時均出現峰值，Dr≥0.3，而半衰時TH約介于0.7～0.9間(圖4)。

圖4 推薦井位激電測深各參數曲線

從上面的推薦井位曲線看，AB/2=75～160 m間，衰減度與半衰時兩參數均呈現明顯的高值異常，且AB/2= 160 m處衰減度與半衰時均出現峰值，Dr≥0.3，而半衰時TH=0.8。

比較已知井和DS-4激發(fā)極化參數(半衰時、衰減度)曲線，以上兩測點AB/2=50 m以深電性特征相似，且DS-4點與已知井的半衰時、衰減度幅值近似，由此推斷DS-4的含水情況應與參數井的出水量近似，建議井深180 m。實際出水量15 m3/h，滿足了供水需求。

5 隱伏白云巖區(qū)水文定井

5.1 外業(yè)工作方法

工點位于官廳水庫東岸，沖溝發(fā)育，地形起伏大，電法放線受限嚴重。上覆厚層黃土與礫石土，調查推測基巖頂板埋深40～80 m左右，潛水面在基巖頂板附近的上側。推測下伏基巖應為薊縣系霧迷山組白云巖等。

在前期物探工作中，通過音頻大地電磁法即EH-4剖面測量，初步查明了土石界線的埋深與基巖裂隙發(fā)育帶；根據預選的靶區(qū)，結合地形特點在溝底或土梁處開展了多處激電測深法，視電阻率曲線類型多為QH型。

5.2 參數分析與測試效果

在IP-3測點，可知AB/2=50 m時衰減度Dr≥0.3，基本對應已知水位；AB/2=110 m處衰減度Dr=0.34，而兩極距的半衰時介于0.77～1.05間，即衰減度與半衰時均呈現明顯的高值異常；推測應為基巖頂板附近溶蝕裂隙發(fā)育，相對富水。后經鉆探成井驗證，證實白云巖裂隙發(fā)育，成井深度約110 m。初測出水量40 m3/h(圖5)。

圖5 基巖頂板富水的激電曲線特征

6 白云巖區(qū)十字激電測深法水文定井

在太行山區(qū)，石灰?guī)r、白云巖、大理巖等碳酸鹽巖地層發(fā)育，探測溶蝕發(fā)育帶、斷層帶成為間接找水的有效途徑。但在有些測區(qū)，因地表第四系覆蓋，缺乏已知的構造、地層資料，或者已知井位缺乏或水量不理想，或者電阻率曲線特征近似或富水異常特征不明顯，單單憑借電法的電阻率曲線特征推薦井位風險較大，或難于推薦井位。而這時若場地適宜，在重點區(qū)布設少量的激電測深點進行對比分析，可能會有意想不到的探測效果。

如在某新建大型水泥廠水文定井時，根據場地條件，選用了外業(yè)效率較高的電測深法開展工作。通過對稱四極電測深法剖面測量，發(fā)現各測點視電阻率曲線類型多為HA或AA型，各測點的深部基巖的電性差異不明顯，且斜率較大，未能確定井位。后改用激電測深法，在采集視電阻率參數的同時分別采集了極化率、半衰時與衰減度等。通過激電綜合參數對比分析，達到了預想的效果(圖6)。

圖6 各激電測深的視電阻率曲線特征對比

6.1 外業(yè)工作方法

從調查發(fā)現，該工點周邊基巖埋深10～20 m左右，潛水面在基巖頂板，但水量小且隨季節(jié)變化明顯。鉆探遇下伏基巖為白云巖。在廠南側已有兩處機井干眼，另有村里一眼水井出水量達30～40 m3/h，并分別作了井旁電測深。

6.2 參數分析與成井效果

在ZS4-1測點處發(fā)現AB/2=80 m以深衰減度值明顯偏高；又經十字測深后發(fā)現，在深部電阻率差異不大的同時衰減度差異明顯，即東西向放線時的衰減度明顯呈現高值異常，而半衰時介于0.78～1.0間，推測應為東西向的溶蝕裂隙發(fā)育。后經鉆探成井驗證，在90 m附近見溶洞，成井深度約100 m。4吋泵連續(xù)抽水而降深不明顯。但初始抽水時出水紅色混濁，推測溶洞內底部有泥質充填(圖7)。

圖7 ZS4-1點十字激電測深曲線對比

6.3 利用激電測深法對富水帶的探測

通過實測數據比較，經鉆探成井、出水層、出水量情況對比分析，證實ZS1-9點中淺部富水，水量相對偏小；而ZS4-1點中深部富水，出水量大(圖8)。

圖8 深淺不同富水層的激電曲線對比

7 結論

常規(guī)的物探找水是間接找水，所以水文物探定井是項目小難度大風險高。難就難在需找水的地區(qū)都是貧水、沒水的；風險高在于物探推薦了井位就鉆探成井，一針見血，沒有退路。

水文物探定井是細活，須謹慎從事。物探定井應多看、多問、多做、多比較。通過資料收集、踏勘與走訪、剖面測試、重點區(qū)開展激電驗證或做激電剖面、進行井旁對比、綜合分析，之后再推薦井位。每種物探技術均有其局限性，因此在條件許可的情況下，水文物探定井須以綜合手段開展外業(yè)工作。

在水文物探工作中，常規(guī)直流電測深法以其數據穩(wěn)定、信噪比高、可控性強、相對經濟高效性仍為水文定井的首要方法，但由于其參數單一、場地條件的限制、及多解性，在水文勘探中有其局限性。

輔之以電剖面法、電測深法、EH4等，激電測深法憑借半衰時(TH)、衰減度(Dr)、極化率(ηs)和偏離度(r)等多參數對比分析，若得到很好的發(fā)揮，將會達到預想不到的效果。

在選用DZD系列或類似的多功能電法儀在基巖區(qū)開展激電找水外業(yè)工作時，必須正、反、正三次供電；最好供電時間選8 s或10 s，大極距時一次場電壓不應低于10 mV。

相對富水地層：衰減度(Dr)應在0.28～0.4間，Dr≥0.30以上可視為富水層。半衰時(TH)一般出現較高異常，幅值應在1左右。視極化率(ηs)一般出現較高異常，幅值也應在1左右，最好不大于2；過大應是地層自身礦化的激電效應。

在地下水位附近，半衰時與衰減度曲線一般均出現不同程度的突變，呈相對高幅值特征。所以可以根據地下水位確定異常背景值。背景值以上部分為相對高值，應為相對富水層位的反映；背景值以下部分為相對低值，應為不含水或較差。

電測深法與激電測深法均具有體積效應，要求被測的目的層要有一定的規(guī)模，目的層埋的越深，體積效應越大，要求目的層厚度越大，含水層小或薄則很難有所反映。

[1]劉正峰.水文地質手冊.銀聲音像出版社,2010.

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