綜合物探方法在水資源勘察中的應用

廖文鵬， 朱 通， 黃日華， 張志磊

(長安大學 地質工程與測繪學院，西安 710064)

綜合物探方法在水資源勘察中的應用

廖文鵬， 朱 通， 黃日華， 張志磊

(長安大學 地質工程與測繪學院，西安 710064)

為解決渭南市合陽縣地區水資源短缺問題，選用瞬變電磁法與放射性α測量兩種方法，在該地區展開找水工作。矩形大回線源瞬變電磁法在地下水勘查中具有廣泛應用，采用晚期視電阻率計算存在明顯的邊界效應，這里利用全區視電阻率計算方法驗證了矩形大回線源瞬變電磁法可以有效地壓制邊界效應。放射性找水方法相比于傳統電法勘探具有一系列的優點，在地下水勘察中應用也越來越廣泛。α射線異常可以大致圈定構造斷裂，電阻率的分布特征可確定地下含水斷裂位置，瞬變電磁法和放射性α測量兩種方法相互驗證，互為補充，提高了找水的精確性,有效降低勘探的風險。通過鉆井驗證單井出水量可達60 m3/h，解決了當地居民的生活及農作物的灌溉用水，為該地區水資源的勘探提供了借鑒。

瞬變電磁法； 全區視電阻率； 放射性α測量； 基巖裂隙找水

0 引言

水資源的短缺，嚴重制約著地區經濟的發展、社會進步、生活和生態的改善[1]。傳統地球物理方法在水文地質中一直得到應用[2]，梁建剛等[3]通過不同的電阻率方法和激發極化法組合使用，充分發揮不同方法的優點，取得良好效果；吳小潔等[4]通過不同物探方法相互驗證圈定基巖破碎帶找地熱礦水；張彪等[5]通過高密度電法精細勘察淺表覆蓋情況，EH4評估深部大地構造和區域性斷裂發育情況兩種方法互相驗證互為補充，在花崗巖嚴重缺水去找水取得不錯效果。電阻率法因其受地形影響、礦體干擾等因素，成井率較低，激發極化法補充了電阻率法的一些不足，但是其異常的形成影響因素較多，導致解釋的多解性，一定程度上影響了該方法的推廣[6]。近幾年來，瞬變電磁技術在國、內外迅速發展[7-8]，它是利用不接地回線發射一次場，在一次場的間歇期間利用回線接收二次感應磁場，該二次電磁場是由地下良導體受激勵引起的渦流所產生的非穩磁場[9]。因其具有垂向和橫向分辨率高、受地質噪聲影響較小、對低阻反應靈敏等特點，在地下水勘查中已經被廣泛應用[ 10-11]。全區視電阻率定義的方法有兩種，即利用垂直磁場定義或利用垂直磁場的時間倒數定義，白登海等[12]提出時間域瞬變電磁法中心式全程視電阻率的計算方法；熊彬[13]利用逆樣條插值法計算大回線瞬變電磁法全區視電阻率；李建平等[20]利用水平電偶極子合成回線源，再利用水平電偶極子垂直磁場求取任意形狀回線全區視電阻率；王華軍[14]利用平移算法計算中心回線方式瞬變電磁全區視電阻率；張成范等[15]利用二分搜索算法計算矩形大定源回線瞬變電磁測深全區視電阻率；武軍杰等[16]提出利用磁偶極子等效的大定源回線瞬變響應的視電阻率定義；曹昌祺[17]、湯井田[18]分別給出了電偶極子全區視電阻率的求取方法。我國用核技術方法尋找地下水的研究，從1974年開始到現在技術越來越成熟，核技術找水比傳統的電法找水方法有一系列的優點：儀器裝備輕便，操作簡單，成本低，效率高，資料解釋直觀，可避免電法所受的電磁干擾和地形影響等。筆者利用矩形大回線源瞬變電磁和放射性測量綜合方法找水，兩種方法相互驗證，互為補充，有效降低勘探的風險。

1 矩形大回線源瞬變電磁全區視電阻率定義

視電阻率包括早期、晚期和全區視電阻率，早期、晚期視電阻率計算簡單，但是對中期的視電阻率求取存在較大的誤差，實際應用中存在局限性，筆者利用水平電偶極子合成回線源的方法計算全區視電阻率，不分早期和晚期，與回線內測量的位置也無關，不存在“邊界效應”的影響[19-20]。

水平電偶極子均勻半空間上垂直磁感應強度對時間的變化率為式(1)[21]。

(1)

矩形回線源任意位置的垂直磁感應強度對時間的導數為式(2)。

(2)

式中:li表示矩形回線源第i邊的邊長。

利用一維正演理論模擬，均勻半空間電阻率r=100 Ω·m，線框為400 m×400 m，點距為30 m，供電電流為10 A，圖1為發射回線與測點示意圖，用全區視電阻率計算與晚期視電阻率對比，得出視電阻率斷面圖(圖2)。

圖1 正演線框及測點布置示意圖Fig.1 Schematic of transmitter loop and measuring point position for forward

圖2 兩種計算方式正演深度視電阻率斷面圖Fig.2 Profile of apparent resistivity(a)晚期視電阻率計算；(b)全區視電阻率計算

從圖2(a)看出，存在很強的“邊界效應”，視電阻率曲線向下彎曲，出現局部高阻，早期道出現電阻率的假高值，反觀全區視電阻率斷面圖2(b)，不存在晚期視電阻率的“邊界效應”，且早期道未出現電阻率假高值，能夠較好的反映模型地電特征。

2 放射性測量方法尋找地下水原理

氡氣測量法是使用測氡儀測量土壤、水及大氣中氡氣濃度，并通過研究氡氣濃度的分布特征解決某些地質問題的一種放射性測量方法。氡(Rn)屬于惰性氣體，它能以游離原子形式沿著巖石孔隙或裂隙遷移，因此構造破碎帶和裂隙發育帶是氡氣遷移的良好通道，一般來說，放射性異常產生的原因分為三類：①不同巖石中的放射性礦物含量不同；②構造活動使巖石破碎或產生斷裂、裂隙，在破碎帶及裂隙處，巖石的射氣系數遷移能力較強，使射氣更易于達到地表，產生異常；③由于地下水的地球化學作用，使巖石土壤中的某些放射性元素發生變化，產生異常[22]。地下水分為土壤水、層間水、裂隙水和巖溶水。后兩種都與風化裂隙帶、成巖裂隙、構造裂隙等關系密切，造裂隙帶是地下水儲存和運移最豐富、最強烈的地帶[23]。

3 綜合方法找水實例

3.1 工區地質概況

區域上合陽縣位于鄂爾多斯盆地南緣及汾渭地塹中部邊緣，地質構造比較復雜。以往勘察資料推測，區域上發育有合陽(F9)、橋頭河(F7)、楊家莊(F6)、仙宮河(F5)、孟村溝南(F4)、孟村溝北(F3)等多條北東，北東東向高角度正斷層。本次勘查范圍內發育有F3、F4、F5、F6斷層，其斷距F4、F6較大、達幾十米，而F3、F5較小，僅幾米至十余米。以上斷層多為含水斷層，對基巖裂隙水多具有控制作用(圖3)。

圖3 勘查區斷層分布圖Fig.3 Fault exploration area map

3.2 工區水文地質概況

勘查區地下水在物探測量深度內可分為松散沉積層孔隙水即孔隙裂隙水、基巖裂隙水兩種類型。

3.2.1 松散沉積層孔隙水即孔隙裂隙水

1)下中更新統黃土狀土及沖洪積砂、砂礫石潛水含水巖組。分布于二級黃土塬，其巖性為中更新統黃土狀土夾古壤及下更新統粉質粘土、局部夾有砂礫石層。水位埋藏深度變化為30 m～90 m，南北兩端淺，中間深。含水層厚度變化為30 m～60 m，其厚度與基巖面高低相關。

2)下中更新統洪積砂礫石及黃土狀土潛水含水巖組。分布于勘查區北部洪積裙區，其巖性上部為黃土狀土夾古土壤及鈣核層，下部為砂礫石及粉土、粉質粘土。休里村、佃頭村測區裙體較完整，有利于地下水的賦存，水位埋深較淺，一般在40 m～60 m之間，富水性較好。

3)上新統砂礫石承壓水含水巖組。僅分布于勘查區南部康家坡村一帶，其巖性上部為粉土夾薄層粉細砂，含水性差，下部為砂礫石，是該含水巖組主要含水層，富水性較強。

松散沉積層孔隙水、孔隙裂隙水，水化學類型均屬重碳酸鈣鎂型，礦化度小于0.5g/L。

3.2.2 基巖裂隙水

1)三迭系下中統紙坊群砂巖裂隙水含水巖組。分布于勘查區北部麻陽村～休里村測區，主要由砂巖與泥巖組成，下伏石千峰組第四段厚層泥巖，是良好隔水底板；勘查區斷裂較多，裂隙發育，二者成為該含水巖組地下水賦存和運移的有利條件，形成相對富水地段。但因受基底起伏影響，各測區該含水巖組的厚度變化較大，涌水量也區別較大。

2)二迭系上統石千峰組第三段砂巖裂隙水含水巖組。分布于北伍中村測區，埋藏于麻陽村～休里村測區深部，主要由砂巖夾泥巖組成，砂巖占90%以上，以往勘察資料推測，該含水巖組應屬富水性較好的含水巖組。

基巖裂隙水，水化學類型均屬重碳酸型。按上述的兩個含水巖組的次序由北而南分別為HCO3-Ca·Na·Mg型，礦化度小于0.3 g/L；HCO3-Ca·Na·Mg或HCO3-Na·Mg型，礦化度小于0.5 g/L。

應指出的是，基巖裂隙水賦存雖具相對成層性，也具有明顯的不均一性，在斷層和向斜軸部附近、裂隙密集發育帶以及基巖頂面低洼處的砂巖中地下水往往比較豐富。同時，含水基巖風化層、含水裂隙發育段多位于基巖面以下40 m～90 m。

3.3 野外工作

本次地面瞬變電磁法勘探，選用長沙白云儀器開發有限公司生產的MSD-1脈沖瞬變電磁儀，發射線框為1 000 m×600 m的矩形回線大線框，在線框內布設兩條測線，一條為主測線，一條為參考測線，北偏西45°方向布置，點距為30 m，線距為200 m，接收線圈的等效面積為2 200 m2，供電電流為2 A，發射頻率為8.3 Hz，疊加次數以256次為主，放射性測量使用的是FFA-2快速α數字閃爍輻射儀，測點與瞬變電磁測點重合，參考測線(1線)在左端加入一個點，右端加入兩個點，主測線(2線)則在兩端各延長十個點。

3.4 資料解釋

通過對勘察數據經過一系列的處理，對比兩條測線的視電阻率斷面圖(圖4)，1線縱向上，在0 m～140 m之間，電阻率值比較高，電性反映為140 Ω·m～240 Ω·m；在140 m～250 m之間，電阻率先減小再增大，存在一個局部的低阻異常；在250 m～500 m之間，電阻率先增大后減小，電性反映為120 Ω·m～180 Ω·m，局部相對高阻；在500 m～800 m之間，電阻率變化較大，高低組相間。橫向上，在0 m～300 m之間，電阻率變化較為連續，無明顯的高低阻相間；在300 m～800 m之間，電阻率高低阻相間比較明顯，并且在40至58號點，形態上表現為向上彎曲的局部低阻異常，異常深度大致為400 m左右，電性反映為80 Ω·m～130 Ω·m之間的相對低阻。通過分析2(圖5)線具有相似的電阻率特征。

根據視電阻率斷面圖梯度帶的位置及已有的鉆孔資料推測，0 m～140 m整體呈現相對高阻，根據已有的地質資料，該層為黃土層，黃土層的含水性較差，基巖面深度大概為140 m左右，在140 m～450 m之間，電阻率表現為相對高阻，其巖性主要為灰褐色，深灰色灰巖，中厚層豹斑灰巖，白云質灰巖和白云巖，含水性較差，在水位線以上，基巖裂隙表現為高阻，水位線以下，基巖裂隙表現為低阻異常，因此在該段電阻率分布不均勻，其存在裂隙或者斷裂。在450 m以下，巖性主要為灰、深灰色厚層灰質白云巖、灰巖，其位于水位線以下，因此巖石裂隙在電性上表現為相對低阻異常。通過分析比較1線、2線的視電阻率斷面的結果，2線具有較好的典型條件，再對比測量曲線，40號～46號點位有向上的異常，綜合瞬變電磁和放射性剖面分析，推測這一段的異常引起的原因為裂隙發育帶，因此建議井位布置在2線44號點處，實施鉆井驗證。經過后期工作的鉆井驗證，在離設計井位(450 m)60 m處地方布設鉆井深度約為700 m，出水量可達到60 m3/h，緩解了當地居民的生活用水問題以及農作物的灌溉需求。

圖4 1線瞬變電磁視電阻率斷面圖及放射性曲線Fig.4 The first line of transient electromagnetic apparent resistivity profile and radioactive α curve(a)1線視電阻率斷面圖；(b)1線放射性α曲線

圖5 2線瞬變電磁視電阻率斷面圖、放射性曲線及井位布置圖Fig.5 The second line of transient electromagnetic apparent resistivity profile and radioactive a curve with the location arrangement of well(a)2線視電阻率斷面圖；(b)2線放射性α曲線

4 結論

1)一維瞬變電磁正演理論模擬結果表明，全區視電阻率不存在晚期視電阻率表現出來的邊界效應，且沒有早期道的假高值，更能反映模型的地電情況，有利于大定源回線的處理解釋工作，對提高物探資料解釋的精準性具有重要意義。

2)以已有水文地質資料為基礎，瞬變電磁法與放射性測量發揮各自的優點，達到相互驗證，互為補充，抑制了解釋的多解性的目的，提高了工作效率。

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Theapplicationofcomprehensivegeophysicalprospectingmethodinwaterexploration

LIAO Wenpeng， ZHU Tong， HUANG Rihua， ZHANG Zhilei

(School of Geology Engineering and Geomatics，Changan University，Xi'an 710064，China)

In order to solve the problem of water shortage in HeYang of Wei Nan city, we select the transient electromagnetic method and radioactive method to search for underground water in this area. The rectangle large loop source transient electromagnetic method was widely used in the exploration of the groundwater. There was obvious boundary effective when we use terminal of the apparent resistivity to calculate, but when we select all-time apparent resistivity to calculate it that can effectively suppress the boundary effect，and it is showed in article. Structure faulting is beneficial to radioactive gas migration to the surface, then we can measured the radioactive abnormal. Radioactive method has a series of advantages compared with the traditional electrical method. It also be widely used in the exploration of groundwater. Radioactive abnormal can be broadly framed structure facture, and the distribution features of the resistivity can be framed the position of underground water-bearing fracture. It was mutual authentication and complement each other between two method, and it improves the accuracy of the water, reducing the risk of exploration effectively, too. Drilling verification single well water yield can be up to 60 m3/h, it solve the problem of he lives of local residents and crop irrigation water, and providing an important technical basis for water exploration in the future.

transient electromagnetic； all-time apparent resistivity； radioactive α measurement； find water in the bedrock fissure

2016-11-03 改回日期： 2016-11-29

廖文鵬(1993-)，男，碩士，主要研究方向為電法勘探，E-mail：512597947@qq.com。

1001-1749(2017)06-0768-07

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.06.09