綜合物探在日喀則地區水文地質調查中的應用

郝紅兵，謝小國，劉康林，章旭

?

綜合物探在日喀則地區水文地質調查中的應用

郝紅兵1，謝小國2,3，劉康林1，章旭1

（1. 中國地質科學院探礦工藝研究所，成都 611734；2. 四川省華地建設工程有限責任公司，成都 610031；3. 成都理工大學，成都 610059）

為查明日喀則地區地下水含水層結構和特征，評價水文地質參數，以區域地質及地球物理科學為基礎，分別對大地電磁測深法、高密度電阻率法的原理、工作方法及應用效果進行綜合分析，解釋推斷了該地區地層、覆蓋層厚度、含水層結構等。同時建立了單孔水文地質參數測井模型，對含水層的深度、厚度、滲透系數、孔隙度、地下水礦化度等進行了估算，對涌水量等進行了推測。應用結果表明，測井解釋與實驗結果吻合度較高，綜合物探技術在水文地質調查中具有較好的適用性。

水文地質；綜合物探；測井；日喀則

日喀則市為西藏第二大城市、后藏糧倉和重要的礦產資源儲備基地，因降水貧乏，季節性、工程性缺水較為突出，局部由于干旱缺水引發草地退化、土地沙化等環境地質問題[1]，因此開展水文地質調查工作意義重大。

作為水文地質調查不可缺少的方法之一，地球物理方法被廣泛用于尋找地下水，查明含水層厚度和結構，推斷基巖埋藏及起伏形態，圈定富水構造，分析水文地質參數[2]。基于“青藏高原岡底斯成礦帶東段1∶25萬水文地質調查”項目，日喀則地區運用了大地電磁測深、高密度電阻率和水文測井等物探方法，為研究工區水文地質特征提供了可靠的地球物理數據。

1 工區地質及地球物理特征

日喀則地區位于印度河-雅魯藏布江結合帶與獅泉河-阿索-九子拉-嘉黎結合帶之間，跨中岡底斯-念青唐古拉板塊和喜馬拉雅板塊的范圍，及雅魯藏布江縫合帶[3-5]。含水巖組類型主要為松散巖類孔隙水含水巖組、碎屑巖類孔隙裂隙水含水巖組、碳酸鹽巖類及碳酸鹽巖夾碎屑巖類巖溶裂隙含水巖組、巖漿巖類裂隙水含水巖組和變質巖類裂隙含水巖組等5種類型[6-7]，以“一江兩河”中部流域為代表[8]。第四系松散巖類孔隙水含水巖組含水層主要為砂質礫石、砂卵礫石、卵礫石夾少量砂層，個別地段夾有不等厚的亞砂土、亞粘土，質地純凈、富水性好，厚度大。

據工區以往物探及本次電法、測井數據分析，卵石、角礫等覆蓋層的電阻率值為300Ω.m～1 200Ω.m，粘土為10Ω.m～15Ω.m，板巖為80Ω.m～430Ω.m，粉砂巖、砂巖為200Ω.m～800Ω.m，花崗巖為20Ω.m～500Ω.m，砂為10Ω.m～100Ω.m，其電性差異明顯，為開展電法勘探和測井提供了較理想的電性依據。

2 工作方法及原理

2.1 大地電磁測深

大地電磁測深法是基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組導出的卡尼亞視電阻率方程[9-11]，電場（E）、磁場（H）與視電阻率（）的關系式如下：

由（1）式可知，只要在地面上觀測到兩個正交的水平電磁場（E、H）就可以獲得卡尼亞電阻率。根據電磁波的趨膚效應，趨膚深度公式如下：

式中為探測深度，m；為地表電阻率，Ωm；為頻率，Hz。

大地電磁測深方法使用儀器為美國勞雷工業有限公司生產的EH4連續電導率剖面儀。EH4是一種用來測量地下電阻率的電法儀器，它既可以接收天然場源的大地電磁信號，又可以接收人工場源的電磁信號，探測深度從幾米至一千米不等。工區天然場信號較強且豐富，所獲得的電阻率曲線連續，滿足野外原始數據采集對信號的要求。

2.2 高密度電法

高密度電法基是以地層巖性的電阻率差異為基礎，通過電極向地下供電，形成人工電場，并測量該電場。利用電場的分布與地下巖土介質的相關關系，根據公式=KU/求得地下不同位置介質的視電阻率，獲得地下介質視電阻率的分布規律，并根據該規律推斷解釋地下地質結構[12-13]。

高密度電法采用重慶奔騰數控技術研究所生產的高密度電阻率法測量系統，該系統探測效率高，剖面覆蓋面積和探測深度大，信噪比高，可有效探測地質體及其結構特征。

2.3 水文測井

測井曲線具有連續性好、精度高，包含豐富的地質信息等特點。結合水文地質勘查的需要，水文測井一般要解決的地質問題包括劃分地層，確定含水層與隔水層的層位和厚度；劃分咸淡水界面、估計地下水的礦化度；估算含水層的孔隙率、滲透系數及涌水量等[14-17]。日喀則地區水文測井采用PSJ-2型數字測井儀測井，測井曲線包括自然伽馬、自然電位、電阻率、聲波時差、井溫等參數。不同地層具有不同的測井響應特征，綜合分析各測井信息，能有效地分析井內水文地質參數[18]。

水文測井研究的重點是含水層。利用自然伽馬、視電阻率能很好地識別出含水層與隔水層[19]。日喀則地區第四系松散地層以孔隙水為主，主要的富水層位為砂卵礫石層，主要的隔水層為泥質含量高的粘土層。分析可知，工區測試的地下水礦化度與測井電阻率的對數值具有較好的相關性[20~22]：

C=-874×ln（lg）+709.22=0.626 （3）

式中：C為地層水礦化度，mg/L。為相關系數。

利用聲波時差計算地層的孔隙度[23]：

式中：t、t、t、t分別為聲波時差測井曲線值、巖石骨架聲波時差值、泥巖段聲波時差值和流體聲波時差值，ms/m；C為壓實校正系數；為孔隙度值，%。V為泥質含量，%。

滲透系數與孔隙度的相關關系：

=10-5×0.663× R2=0.988 （5）

利用裘布依公式計算單井涌水量[24-28]：

式中：為單井涌水量，m3/d；為滲透系數，m.d-1；為含水層累計厚度，m；為抽水井水位降深，m；為影響半徑，m；為抽水井半徑，m。

3 成果解釋與推斷

3.1 大地電磁測深解釋

工區共完成3條大地電磁測深剖面，其中拉孜縣測線1條，剖面長度2 260m；昂仁縣測線2條，剖面長度2 340m。實測數據采用IMAGEM處理軟件進行實時處理、預處理、反演及地形校正處理。

以昂仁測線為例，該區地層電阻率呈現層狀分布，淺表為第四系沖、洪積砂、砂土，電阻率為60～110Ω.m；中部為湖積不均勻砂、砂礫、卵石，電阻率為200～500Ω.m；深部為白堊系昂仁組一段粉砂巖，電阻率為700～1 000Ω.m不等，且隨深度增加而增大；基底線沿山頂向湖岸呈向下趨勢，垂直于兩山谷呈倒“U”型。80測點附近為觀測井，揭露顯示0～22m 為全新統沖積砂土；22～90m為全新統沖積砂礫卵石粘土及粗砂；90m以下為粉砂巖。砂土為弱含水層，厚22.0m；砂礫卵石、粗砂為強含水層，厚60.0m；粘土為隔水層，厚度為10m。

3.2 高密度電阻率探測解釋

日喀則地區共完成7條高密度電阻率測線，測量點1 700個。實測原始資料經預處理后，結合相關地質資料對高密度電阻率剖面進行綜合分析，建立正演地質模型，利用RES2DINV高密度電法反演軟件進行反演擬合計算，得到二維反演圖。

圖1 日喀則地區昂仁區內大地電磁測深二維演斷面圖

圖2 日喀則地區昂仁區內高密度電阻率剖面圖

以昂仁縣亞木鄉的W6測線為例，W6線橫穿河流，地勢有一定的起伏，長900m。結合露頭剖面、ZK08鉆孔資料及地表地形情況，W6線巖性主要為含粘土卵礫石和凝灰巖，其中含粘土卵礫石電阻率為89.1Ω.m～501.2Ω.m，平均值為177.8Ω.m；凝灰巖電阻率17.8Ω.m～89.1Ω.m，平均值為56.2Ω.m，因此在電阻率突變段推斷為覆蓋層的底界。

水文測井解釋成果數據表

孔號ZK01ZK02ZK04ZK05ZK06ZK07ZK08ZK09ZK10 試驗測試礦化度/mg.L～122818014640226084730160346 涌水量/m3.d～1584654974724425958384188158516 滲透系數/m.d～1150.438.113.231.10.71.93.016.74.2 影響半徑/m625617362492351989833186 測井數據視電阻率/Ω.m2884562288100163947 自然伽馬/API56708863702307444149 聲波時差/ms.m～1299289277284260235266297279 含水層厚度/m38.3109.496.481.013.979.975.414.795.6 測井分析礦化度/mg.L～1386137221452128103547303260 孔隙度/%24.622.520.021.516.511.417.824.220.5 滲透系數/m.d～1150.138.17.419.20.71.54.010.76.0 涌水量/m3.d～143353152574120912103291184508

結合ZK08號鉆孔的水文地質資料，含水層段均在W6線的低阻區域內，與W6線的推斷富水異常區域相吻合。

3.3 水文測井解釋

基于水文測井解釋模型，對工區水文鉆孔的礦化度、滲透系數、涌水量等進行分析預測（表1）。從表可以看出，測井解釋礦化度與水樣測試礦化度比較接近，誤差在±200mg/L間；滲透系數平均誤差為2.4m/d；鉆孔測井解釋涌水量與抽水試驗確定的涌水量基本在同一個數量級范圍內。

以日喀則地區昂仁縣亞木鄉ZK08號鉆孔為例，該孔孔深80m，測井深度77m，抽水試驗確定其影響半徑為98m，滲透系數為3.0m/d，涌水量為188m3/d，水樣測試礦化度為730mg/L。其中0～21.60m、29.15～78m為砂卵礫石和粘土質礫石，為含水層段，自然伽馬為48~98API，平均為70API；由于地下水礦化度較高，導致電阻率較低，地層電阻率一般為13.9~22.1Ω.m，平均為19.8Ω.m；聲波時差為265~329ms/m，平均為284ms/m。測井解釋孔隙度平均為17.8%，滲透系數為4.0m/d，涌水量為291m3/d；地下水礦化度平均為547mg/L。對比分析，測井解釋結果與實驗結果吻合度較高。21.60～29.15m為細砂，相對上下巖石自然伽馬（105API）、聲波時差（370ms/m）較高，電阻率低（8.8Ω.m），含水性和透水性均較差，為隔水層。78～80m為安山質巖屑凝灰巖，中等風化，裂隙發育，含水性一般，透水性中等。

4 討論

日喀則地區昂仁區內水文地質調查采用了大地電磁測深和高密度電阻率兩種電法，結合前人研究結果[29～32]以及實際應用表明，兩種方法在水文地質勘探中各有優勢與差異。

1）大地電磁測深法和高密度電阻率法均是以地下介質的導電性差異為地球物理基礎，適用于地表濕潤，電極接地電阻導性能良好，且具有顯著電性差異的地區。

2）大地電磁測深方法勘探深度較高密度深，一般對1 000m以淺的構造帶等地質異常體具有良好的識別效果[33]。大地電磁測深法適用于無電磁干擾，地下為高阻介質且電性差異明顯的地區。該方法使用方便、操作靈活，觀測效率高，且不受高阻覆蓋層的影響等優點。但對工區的環境要求高，淺層地質構造解釋精度不夠，具有多解性。

3）高密度電阻法勘探深度較淺，一般對200m以淺的地質異常體具有較為準確的判斷[34]，可以清晰地劃分出第四系、基巖地層，以及地層的富水構造、斷層。該方法具有數據密度大、點距小，應用直觀、高效、分辨率高等優點，主要適用于地面平坦地區。

圖3 日喀則地區ZK08號孔水文測井解釋成果圖

5 結論

1）日喀則地區含水層段主要為砂卵礫石等松散巖類，以孔隙水為主，富水性好，厚度大，隔水層主要為粘土、粉土等。各巖土電性差異明顯，為開展電法和測井工作提供了依據。

2）大地電磁測深法和高密度電阻率法均對覆蓋層的厚度、巖性、結構等情況進行了分析，其中大地電磁測深法對深部地質構造體具有較高的識別能力，高密度電阻率法對淺層地質異常辨別精度高。含水層所測井響應特征表現為中高電阻率、低自然伽馬、中低聲波時差，與隔水層具有明顯的差異。基于測試數據建立的測井水文地質參數解釋模型，能準有效地估算地下水礦化度、滲透系數、孔隙度、涌水量等水文地質參數。

3）綜合物探手段能有效提高地質解釋精度和效率，達到水文地質綜合研究的目的。

[1] 程國棟，金會軍. 青藏高原多年凍土區地下水及其變化[J]. 水文地質工程地質，2013，40（1）：1-11

[2] 楊青峰，劉彥華，蔣玉坤. 綜合地球物理方法在坦桑尼亞某電廠水文地質勘察中的應用[J]. 工程地球物理學報，2016，13（5）：659-665.

[3] 潘桂棠，陳智梁，李興振，等. 東特提斯地質構造形成演化[M]. 北京：地質出版社，1997:5-15.

[4] 陳毓川，朱裕生，肖克炎，等. 中國成礦（帶）的劃分[J]. 礦床地質，2006，25（增刊）：1-6. .

[5] 王磊，李秀萍，周璟，等. 青藏高原水文模擬的現狀及未來[J]. 地球科學進展，2014，2014(6)：674-682.

[6] 郭鵬飛. 論祁連山多年凍土區地下水分類[J]，冰川凍土，1984，6（1）：79-84. .

[7] 王紹令，邊純玉，王建. 青藏高原多年凍土區水文地質特征[J]. 青海地質，1994（1）：40-47..

[8] 王建林. 雅魯藏布江及其支流中部流域地區水文特性分析[J]. 水土保持通報，1994，14（2）：54-58. .

[9] 陳明生. 關于頻率電磁測深幾個問題的探討[J]. 煤田地質與勘探，2012，40（5）：63-66.

[10] 安志國，底青云，郭韶華. 隱伏煤礦區CSAMT法煤系地層勘查研究[J]. 中國礦業大學學報，2008，37（1）：118-24..

[11] 嚴加永，騰吉文，呂慶田. 深部金屬礦產資源地球物理勘查與應用[J]. 地球物理學進展，2008，23（3）：871-891..

[12] 楊發杰，巨妙蘭，劉全德. 高密度電阻率探測方法及其應用[J]. 礦產與地質，2004，18（4）：356-360..

[13]王詩東，庹先國，李懷良，等．氡氣測量法～高密度電法在斷層定位中的應用[J]. 地學前緣，2011，18（2）：315-320.

[14] 周延奎. 水文物探測井解釋模型研究[J]. 水文地質工程地質，1997，3：47-50. .

[15] 譚廷棟. 水文測井解釋模型[J]. 物探與化探，1984，8（6）：362-371..

[16] 于顯泉. 利用測井法確定水文地質參數的探討[J]，地下水，1993，（3）：103-105. .

[17] 駱淼，潘和平，黃東山. 地球物理測井在水文地質勘察中的應用綜述[J]. 工程地球物理學報，2004，1（2）：136-146. .

[18] 梁紅藝，謝小國，古志文，等. 綜合物探方法在羌塘盆地煤炭勘探中的應用[J]. 四川地質學報，2016，（01）：144-147.

[19] 馬林凱，馬祥山. 水文地質測井在嵊泗淺海第四系沉積層鉆孔中的應用[J]. 中國煤田地質，2007，19（增刊2）：128-130.

[20] 胡進利，張雙林，胡少華. 利用綜合測井資料計算地下水礦化度方法[J]. 石油儀器，2012，26（2）：64-66，69. .

[21] 朱命和. 應用電測井曲線計算地層水礦化度[J]. 物探與化探，2005，29（1）：31-34. .

[22] 趙發展，戚洪彬，王赟. 地層水礦化度檢測的地球物理測井方法[J]. 地球物理學進展，2002，17（3）：551-558. .

[23] 雍世和，張超謨. 測井數據處理與綜合解釋[M]. 東營：中國石油大學出版社，2002：163-164. .

[24] 馬延君，于莉莉，唐學民，等. 利用測井方法估算滲透系數[J]. 中國煤炭地質，2008，20（12）：24-25..

[25] 任履兆. 預測松散含水層單井涌水量的水文測井模型及應用效果[J]. 物探與化探，1991，15（2）：106-115..

[26] 王春輝，查恩來，連晟. 水文電測井參數預測單井涌水量試驗研究[J]. 工程勘察，2013，（9）：90-94.

[27] 陳建生，杜國平，鄭正，等. 多含水層穩定流非干擾多孔混合井流理論及示蹤測井方法[J]. 水利學報，1997，（5）：60-64，48. [28] 聶慶林，高廣東，軒華山，等. 抽水試驗確定承壓含水層參數方法探討[J]. 水文地質工程地質，2009，（4）：37-40.

[29] 陳貴波，朱坤，王萍琳，等. 高密度電法和EH4法在巖溶勘探中的對比研究[J]. 四川建材，2015，41（4）：171-173.

[30] 蘇永軍，梁建剛，張國利，等. 不同電法組合在找水中的應用[J]. 物探與化探，2014，38（5）：925-928..

[31] 楊永千，王明明，趙天平，等. EH4在姚沖鉬礦區含水層識別中的應用[J]. 物探與化探，2014，38（4）：820-824.

[32] 馬鳳山，底青云，李克蓬，等. 高密度電阻率法在海底金礦含水構造探測中的應用[J]. 地球物理學報，2016，59（12）：4432-4438..

[33] 韓凱，甘伏平，梁永平，等. 音頻大地電磁測深法揭示的北京西山霞云嶺—長操逆沖斷層地下構造特征及其意義[J]. 地質論評，2015，61（3）：645-650..

[34] 高武平，陳宇坤，張文朋，等. 高密度電阻率法在西藏日喀則地區隱伏斷裂探測中的應用[J]. 地震學報，2016，38（5）：1-9..

The Application of Comprehensive Geophysical Method to the Hydrogeological Survey in the Xigazê Region

HAO Hong-bin1XIE Xiao-guo2,3LIU Kang-lin1ZHANG Xu1

(1-Institute of Exploration Technology, Chinese Academy of Geological Sciences, Chengdu 611743; 2- Sichuan Huadi Construction Engineering Co. Ltd, Chengdu, Sichuan 610081; 3- Chengdu University of Technology, Chengdu, 610059)

This paper interprets and infers the thickness of strata and cover as well as aquifer structure by means of telluric electronmagnetic sounding and high-density resistivity method based on regional geological and geophysical data in order to find out the structure and characteristics of groundwater aquifer, and evaluation of hydrogeological parameters in Xigazê area, and establishes hydrogeological parameter logging model of single hole in order to estimate the depth, thickness, permeability coefficient, porosity and mineralization of aquifer as well as water inflow. The results show that logging interpretation and experimental results are highly consistent.

telluric electronmagnetic sounding; highdensity resistivity method; logging; hydrogeological survey; Xigazê area

2017-05-09

中國地質調查局“青藏高原岡底斯成礦帶東段1∶25萬水文地質調查”項目（項目編碼：DD20160297）資助。

郝紅兵（1975-），男，碩士，高級工程師，主要從事水工環地質相關工作

P631.3；P641.7

A

1006-0995（2019）01-0143-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.033