高密度電法在花崗巖地區找水的應用

王曉龍，王 鑫，周博武

(1.廣西壯族自治區二七二地質隊，廣西南寧530031；2.中交遠洲交通科技集團有限公司華南廣西分公司，廣西南寧530012)

0 前言

高密度電法是以巖土的導電性差異為基礎，通過觀測地電介質的電阻率變化，分析電阻率變化趨勢，從而解決各類地質問題[1]。常用的測量裝置有偶極-偶極裝置(ABMN)，三極裝置(AMN或MNB)和施倫貝爾裝置(AMNB)；聯合剖面法裝置是由正三極裝置(AMN)和反三極裝置(MNB)組合而成。不同測量裝置其測量原理和測量效果不盡相同，有關裝置的效果及優缺點很多學者都做了大量研究。羅延中[2]等人研究認為在斜坡地形下探測陡立低阻板狀體電阻率法電極裝置的探測分辨率偶極-偶極裝置最強。柳建新[3]等人研究認為偶極裝置縱向分辨率最好，施倫貝爾裝置在橫向不均勻地質體上反映靈敏。對于高密度電法裝置大部分人認為偶極-偶極裝置的分辨率最高，施倫貝爾裝置信號最強[1-3]；在不同地質體的勘查任務都能取得較好的效果。本文介紹在花崗巖地區進行地下水勘查的中常用測量裝置數據的反演結果，并結合聯合剖面法確定井位的探討。

1 常用裝置的測量原理

1.1 偶極-偶極裝置(ABMN)

測量時，AB=MN為固定電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到第一條剖面線；接著BM增大一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形(或倒三角形)斷面，跑極方式見圖1。

圖1 偶極-偶極裝置跑極示意圖

1.2 三極裝置

正三極裝置(AMN)中供電電極B為無窮遠極；在測量時供電A不動，M、N逐點同時向右移動，得到一條滾動線；接著A、M、N同時向右移動一個電極，供電A不動，M、N逐點同時向右移動，得到另一條滾動線；這樣不斷滾動測量下去，得到平行四邊形(或倒三角形)斷面，跑極方式見圖2。

圖2 三極裝置跑極示意圖

反三極裝置(MNB)測量方式與AMN裝置相似，此時的供電電極A為無窮遠極。

1.3 施倫貝爾裝置(AMNB)

測量時，電極間距AM =NB，MN電極間距固定；A、B、M、N逐點同時向右移動，得到第一條剖面線；接著AM、NB增大一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形(或倒三角形)斷面，跑極方式見圖3。

圖3 施倫貝爾裝置跑極示意圖

1.4 聯合剖面法裝置

聯合剖面法裝置是由正三極裝置(AMN)和反三極組裝置(MNB)合而成。實測中，分別觀測正-反三極裝置，視電阻率值分別記為ρsa、ρsb，提取相同供電電極距AB/2值對應的視電阻率值數據繪制剖面圖；以橫軸表示測點位置、縱軸表示ρs值，則在同一測線上得到ρsa和ρsb兩條視電阻率曲線。在有效勘探范圍內，通常在低阻異常體上方附近ρsa和ρsb曲線有一交點，即低阻交點(正交點)[1]。

2 地電模型及效果分析

花崗巖地區淺層地形水的主要類型有：風化裂隙含水、構造裂隙水。風化裂隙水的埋藏和分布與地形關系密切。在地形平緩的丘陵地區，花崗巖風化帶往往較發育，地形對風化帶保存有利，風化帶厚度較大，給地下水的儲存提供較大的空間。風化裂隙水一般埋藏較淺，補給主要靠大氣降水，地形平緩的地區有利于大氣降水的滲入補給，因而在丘陵地區，花崗巖風化裂隙水普遍分布，通常富水性較好。風化裂隙水主要分布在匯水的低洼地帶。構造裂隙水主要是在構造作用下，巖石相對破碎，巖石風化裂隙往往沿著構造裂隙發展起來。在斷裂構造發育的地段，巖石風化裂隙發育的強度和深度都比較大；沿斷裂構造裂隙所形成的風化裂隙帶是地下水相對富集的地段。

根據淺層花崗巖地區地下水分布特點，可類似于由一個簡單的二層(地表低阻覆蓋層、深部為高阻基巖)斷面加一個低阻板狀體模型的組合，圖4模型為低阻覆蓋層下的基巖介質中存在一個低阻直立薄板體。模型中地表低阻覆蓋層電阻率為100 Ω·m、厚度為10 m；基巖電阻率為2000 Ω·m；直立薄板低阻體寬為5 m、頂部埋深10 m、向下延伸30 m，電阻率為10 Ω·m。對模型經正演計算偶極-偶極裝置、正三極裝置、施倫貝爾裝置視電阻率后，進行電阻率二維反演，得圖5所示的不同裝置反演電阻率斷面，其中實線所示為低阻板狀體模型的位置，反演結果與正演的擬合誤差小于2.5%。

圖4 淺層花崗巖地區地下水電阻率模型

(a)偶極-偶極裝置

根據反演結果看(見圖5)，各種裝置對基底界面埋深反映均較好。偶極-偶極裝置(圖5(a))對直立低阻板狀體的位置及形態反映較準確，水平分辨率高。正三極裝置(圖5(b))對異常體有響應，但異常體形態向測量電極方向傾斜，導致無法異常體形態變形。施倫貝爾裝置(圖5(c))對直立低阻板狀體反應不明顯。

在探測低阻板狀異常體時，三極裝置反演的異常形態發生變形，為準確判斷異常體傾向，通常結合聯合剖面法判斷異常體傾向(見圖6)，即利用不同電極距低阻交點(正交點)[1]位置變化進行判斷。圖6(a)、圖6(b)在145 m～150 m之間均出現低阻交點，不同的供電電極AB/2對應著不同勘探深度，出現低阻交點的位置基本相同，因而可以判斷異常體傾向近似直立。

(a)AB/2=17.5 m

綜合以上認識，偶極-偶極裝置能有效地識別出低阻板狀異常體的位置，且水平分辨率高；正三極裝置次之，施倫貝爾裝置最弱。三極裝置的反演電阻率異常形態存在變形，通常要結合聯合剖面法使用才能準確的分辨異常體的形態。因此，采用偶極-偶極裝置、聯合剖面法進行探測，能有效地識別直立薄板狀低阻體。

3 應用實測效果分析

實例工區位于湖北省梅川鎮。該工區出露的巖性為多期侵入的“雜巖體”，主要巖性為二長花崗巖；地勢低洼的溝谷主要分布為砂質、礫質粘性土或含粘性土礫砂的第四系全新統沖積層，厚度0～10 m不等。由于受多次構造活動的影響，測區內侵入巖脈發育，脈寬2 m～8 m不等，走向呈NS向居多，在巖脈旁常發育有與巖脈走向基本平行的節理(裂隙)，這些節理(裂隙)易風化，往往形成有較厚的風化殼。測區地屬貧水區或弱含水區，地表水以徑流為主，地下水不發育，地下水主要匯集于低山丘陵間的小型溝谷、盆地。綜合水文地質條件看，選擇合適的工作方法在低洼處是有可能尋找到規模較大的構造裂隙水。本次勘查水源采用上述高密度電法裝置組合在地勢較低、地形起伏不大的低洼處開展工作，尋找構造裂隙水取得了成功。圖7與圖8為同一條測線上不同觀測方法的測量結果，其中圖7為高密度電法不同裝置數據使用RES2DINV軟件反演的二維斷面，圖8為取AB/2=37.5 m、62.5 m值繪制的聯合剖面曲線圖。

(a)偶極-偶極裝置

從圖7上看，除施倫貝爾裝置外，其余裝置斷面在橫向上都出現了明顯的近似直立低阻異常帶：偶極-偶極裝置集中在230 m～250 m附近(圖7(a))；正三極裝置集中在230 m～255 m、380 m～400 m、420 m～435 m附近(圖7(b))，偶極-偶極裝置的異常位置與正三極裝置對應較好。聯合剖面法曲線上分別在圖8(a)的235 m、圖8(b)的240 m附近出現低阻正交點，不同極距的交點位置偏移不大，預示低阻異常體傾角較陡。綜合所有的物探信息，推斷剖面在235 m～245 m處存在有較好的富水構造帶。因此，在240 m處布置鉆孔，鉆探結果表明：0 m～8 m為全風化層，8 m～22 m為裂隙發育帶，22 m～30 m為破碎的花崗巖，終孔50 m，出水量達168 m3/d，水量豐富，有效地解決了水源問題。

(a)AB/2=37.5 m 聯剖曲線圖

4 結語

通過本文實例的高密度電法裝置觀測結果可知：

(1)不同裝置在識別傾角較陡的低阻板狀體時分辨率存在明顯的差異，分辨率從高到低的排序為：偶極-偶極裝置，三極裝置，施倫貝爾裝置；

(2)在識別基巖的起伏界面上，偶極-偶極裝置數據更為精細；

(3)在實測數據中，三極裝置的反演斷面可能會出現假異常，結合聯合剖面法曲線分析可獲得可靠的異常；

(4)在花崗巖地區高密度電阻率法找水，選擇偶極-偶極裝置和聯合剖面法裝置進行探測是行之有效的組合；在條件允許的情況下，可考慮選擇三種以上方法組合綜合地質解譯。