綜合地球物理方法在電廠水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

張安平

（湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430000）

地球物理方法是重要的水文勘探的手段，對(duì)于地下水的探尋、構(gòu)造圈定以及基地層次解釋劃分具有關(guān)鍵意義。在水利、地礦、煤炭等領(lǐng)域，最常用的勘探方法為EH4電阻率成像系統(tǒng)，它通過(guò)將部分的可控源與天然源有效連接，形成電磁測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)人工以及天然的電場(chǎng)測(cè)量，對(duì)地層的電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行剖析。實(shí)踐顯示，通過(guò)大地電磁測(cè)探系統(tǒng)，用鉆孔的電阻測(cè)探形式對(duì)水文電位進(jìn)行測(cè)量，是良好的物探手段之一。

1 場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件與巖土體的地球物理特征

1.1 場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件

此次勘探電廠位于某地區(qū)海岸，距離海洋為25km，地勢(shì)起伏較大，地表高程為78～82m。此地溪流貫穿場(chǎng)地，旱季降水量少，雨季水流匯聚。場(chǎng)地的地層為粉質(zhì)黏土混粉砂結(jié)構(gòu)，地層厚度與第四紀(jì)形式相同，為砂層構(gòu)造，其中存在部分黏土結(jié)構(gòu)，砂層中含量最高的成分為泥質(zhì)。此處的地層因厚度影響，富水性以及水位輸送效果較差，基巖結(jié)構(gòu)為第三系，主要成分為泥巖與白堊系砂礫巖。

1.2 巖土體的地球物理特征

因?yàn)椴煌牡叵聨r、土層的多方面屬性的差異性，導(dǎo)致不同的地下巖、土的電性存在差異性。成分、形式、顆粒等是這種異性形成的作用因素。不同的砂層泥質(zhì)的量不同，導(dǎo)致電阻率也存在差異變化，因而在勘探時(shí)需要綜合全面因素統(tǒng)籌分析，基于地下巖、土層的差異性，通過(guò)大地電磁探測(cè)等物理探測(cè)方法，使得對(duì)地下進(jìn)行勘察活動(dòng)具備了可行性[1]。

2 野外工作方法

在進(jìn)行勘探的過(guò)程中，共布置探測(cè)線6條，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)手法進(jìn)行大地電磁探測(cè)，通過(guò)GPS作為探測(cè)途徑，將其放置于探測(cè)位置，同時(shí)利用雙頻RTK系統(tǒng)實(shí)施復(fù)測(cè)。

2.1 EH4電磁成像系統(tǒng)

EH4電磁成像系統(tǒng)是通過(guò)部分可控源與天然源的聯(lián)合形成的電磁探測(cè)系統(tǒng)的形式，在10～1000Hz的頻率狀態(tài)，能夠?qū)μ烊坏碾姶艌?chǎng)信號(hào)進(jìn)行收集。如果電天然場(chǎng)中的信號(hào)中高頻成分相對(duì)較弱，為500～100kHz時(shí)，可以利用有效的方式對(duì)之進(jìn)行改善，通過(guò)人工電磁信號(hào)對(duì)之進(jìn)行彌補(bǔ)，將厚度不同的覆蓋層穿透的情況下，實(shí)現(xiàn)天然信號(hào)源以及人工信號(hào)源之間的連接處理[2]。EH4電磁成像系統(tǒng)應(yīng)用相互正交的兩個(gè)電廠對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行時(shí)間序列排序，將不同方向上的視電阻率及相位差計(jì)算獲得，在實(shí)際工作中根據(jù)工作情況加以應(yīng)用。

EH4電磁成像系統(tǒng)在野外進(jìn)行測(cè)量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法為剖面測(cè)量法。在進(jìn)行工作布置時(shí)，測(cè)量的方向?yàn)閆軸，同時(shí)將垂直測(cè)量方式標(biāo)記為Y軸，在測(cè)量位置進(jìn)行防線的布控，成“十”字分布狀態(tài)，應(yīng)用正交的高頻探測(cè)電極進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)實(shí)際的情況，在不同的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行電極布置，不同的電極之間的間距分布介于15～25m，形成于平行以及垂直方向的布極方向[3]。同時(shí)，將電磁傳感器的布置也分別平行于軸線。EH4高頻大地電磁系統(tǒng)，能夠形成相互作用的電場(chǎng)分量以磁場(chǎng)分量，根據(jù)觀測(cè)的數(shù)值差異，形成時(shí)間序列形式，對(duì)不同方向上的視電阻率及相位進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。其計(jì)算公式如下：

式中：f為頻率，Hz；ρ為電阻率，Ω·m；E為電廠強(qiáng)度，mV／km；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，nT。

在將大地作為均勻介質(zhì)的狀態(tài)下，用以上公式進(jìn)行電阻率的確定。因?yàn)榇蟮鼐鶆驙顩r有差異性，不同的均勻程度其實(shí)際的趨膚深度介質(zhì)納入電阻率的綜合值計(jì)算中，作為視電阻率，在計(jì)算時(shí)，應(yīng)將電磁理論法作為依據(jù)，電磁場(chǎng)傳播過(guò)程中，振幅逐漸降低至初始值1/e，此時(shí)為穿透深度，其數(shù)值與電阻率的大小呈相關(guān)性[4]。以電磁波的傳播特征為參照可知，探測(cè)的深度與頻率有關(guān)，探測(cè)的深度增加則頻率逐漸降低，電阻率增加，電磁場(chǎng)衰減作用相對(duì)減少。因而相同的電阻率在不同的情況下，可以通過(guò)頻率較低的信號(hào)以獲得更加深入的探測(cè)。根據(jù)不同的寬頻帶對(duì)電廠以及磁場(chǎng)信息的觀察，能夠分析出不同深度的價(jià)值阻率值。在對(duì)EH4電磁成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與分析時(shí)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行傅里葉變換，根據(jù)電廠以及磁場(chǎng)的虛實(shí)分量獲得相位數(shù)據(jù)，通過(guò)一維的Bostic反演[5]室內(nèi)資料時(shí)間序列數(shù)據(jù)的獲取方式為Robust估量方法，將無(wú)影響的噪音降至最低，隨后獲得可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，放入EH4二維成像軟件系統(tǒng)中，獲得二維電磁成像結(jié)果。同時(shí)完成dat格式轉(zhuǎn)換，代入場(chǎng)區(qū)測(cè)線及高程后，獲得電阻率數(shù)據(jù)值[6]。

2.2 鉆孔電測(cè)井

通過(guò)人工方式對(duì)天然的電場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的方法為鉆孔電測(cè)井法，這種方法的理論依據(jù)為對(duì)鉆井剖面地層的電學(xué)性質(zhì)分析。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)鉆探的相關(guān)資料，分析地層巖性、含水量等水位數(shù)據(jù)，對(duì)電測(cè)井狀況進(jìn)行定性分析，并作出合理解釋，從而為水文的地質(zhì)勘探提供重要的參考數(shù)據(jù)參數(shù)。（1）自然電位測(cè)井法。自然電位測(cè)井法是基于地面的電極以及所對(duì)應(yīng)的電位之間為恒定數(shù)值，當(dāng)電極M出現(xiàn)變動(dòng)時(shí)，其電位差引起的勘探數(shù)值顯示也呈現(xiàn)差異，井下自然電位的變化導(dǎo)致繪制電位存在不同的曲線，并通過(guò)直觀的形式展示出來(lái)。同時(shí)，不同的巖性也會(huì)引發(fā)自然電位的差異，通過(guò)對(duì)曲線異常的觀察，能夠判斷水層的滲透規(guī)律，有利于相關(guān)工作的進(jìn)行。（2）電阻率測(cè)井法。通過(guò)電阻率的方法進(jìn)行勘探時(shí)，在井內(nèi)設(shè)置電極系，不同的電極存在不同的電極系，包括不同的電極組成。地面上的電極因?yàn)榫驳奈恢米儎?dòng)而存在波動(dòng)，此時(shí)可以將井內(nèi)的視電阻率變化情況以直觀的圖線的形式展現(xiàn)出來(lái)。電極M位于井內(nèi)，電流在地層流過(guò)時(shí)，供電電極以及測(cè)量電極的共同作用引起電位差的變化，根據(jù)供電電流的數(shù)值以及電位差數(shù)值對(duì)電阻率進(jìn)行計(jì)算，電阻率的變化能夠顯示出實(shí)際的工作狀況，從而反映井內(nèi)的情況。這樣做客觀性更強(qiáng)，避免因?yàn)橹饔^情況造成干擾，也更加簡(jiǎn)單方便。

3 地球物理方法成果

3.1 水文地質(zhì)條件

通過(guò)對(duì)水文地質(zhì)條件分析可知，地下水的形式為松散的空隙形式結(jié)構(gòu)，有基巖的風(fēng)化裂縫時(shí)，其中的孔隙水位于第三系的松散位置。第四系結(jié)構(gòu)為黏性土，富水作用較差，第三層的松散結(jié)構(gòu)地質(zhì)為砂層，這種砂層的泥質(zhì)含量高?；鶐r風(fēng)化裂縫水主要在基巖以及松散層交界的位置等構(gòu)造的縫隙中，因?yàn)閳?chǎng)區(qū)的基巖深度相對(duì)較大，第三系地質(zhì)結(jié)構(gòu)為砂泥巖，通過(guò)泥質(zhì)對(duì)風(fēng)化的位置進(jìn)行填充，使得整體構(gòu)造層其富水性及水文輸送效果不良。

3.2 EH4大地電磁測(cè)深資料解釋

由于不同的電廠的水文地質(zhì)條件的差異，資料數(shù)據(jù)也存在一定的差異性。在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，首先測(cè)量3條主測(cè)線，找出對(duì)應(yīng)的低阻帶，從而判斷不同區(qū)域的富水性，針對(duì)性地進(jìn)行水文鉆孔規(guī)劃布置，通過(guò)不同區(qū)域的電阻率圖像對(duì)信息進(jìn)行研究。根據(jù)測(cè)線的情況，能夠推斷出下部的顆粒粗硬情況以及固結(jié)程度等信息。尋找富水帶的過(guò)程中，可以在電廠區(qū)域設(shè)置測(cè)量線，將工作范圍縮小，從而提升整體的工作效率以及質(zhì)量。

3.3 電測(cè)井資料解釋

含水層、隔水層等相關(guān)的數(shù)據(jù)資料能夠通過(guò)鉆孔電位測(cè)井以及電阻率的資料獲知，從而明確水層泥質(zhì)的含量，對(duì)成井、過(guò)濾器的位置等提供指導(dǎo)。通過(guò)資料解釋的形式分析電阻率以及自然電位曲線的相關(guān)性，探究鉆孔地層其巖性、透水性以及水文輸送的效果，分析含水層的實(shí)際所在；通過(guò)鉆孔視電阻，能夠?qū)Φ貙拥膶?dǎo)電性以及砂層的顆粒形式進(jìn)行判斷，自然電位能夠有效分析地層的滲透、過(guò)濾以及透水性能，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有效的數(shù)據(jù)內(nèi)容。根據(jù)電測(cè)井的數(shù)據(jù)信息，對(duì)場(chǎng)區(qū)的黏性土條件進(jìn)行判斷，以實(shí)際的電測(cè)井特征為參照，分析黏性土電阻率及砂層的電阻率。不同類型的土質(zhì)類型，電阻率的數(shù)值也有不同的變化。通常情況下，對(duì)電阻率產(chǎn)生影響的因素包括砂層中的顆粒物質(zhì)形態(tài)和泥質(zhì)的含量狀況等，水也會(huì)導(dǎo)致砂層的電阻率的數(shù)據(jù)降低。通過(guò)電阻率能夠?qū)Φ貙拥膸r性進(jìn)行分析，根據(jù)自然電位的圖像能夠判斷地層的透水性以及砂層泥質(zhì)情況。在對(duì)資料進(jìn)行處理的過(guò)程中，不同的地質(zhì)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的自然電位的形式有差異，通常黏土層及泥巖井段相對(duì)平直，將此地質(zhì)狀態(tài)的線段作為基線，對(duì)含水層的自然電位異常進(jìn)行分析，處于相同鉆孔的自然電位的曲線以及電阻率曲線能夠?qū)φ?，電阻率以及自然電位之間的相關(guān)性顯示，電阻率越高，地層的滲透性能更好，含水層條件優(yōu)良。而電阻率相對(duì)較低的位置無(wú)明顯的變化，隔水性則較強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

此次通過(guò)對(duì)電廠水文地質(zhì)勘探相關(guān)理論的探討，分析了EH4電測(cè)成像系統(tǒng)和鉆孔電阻率及自然電位的測(cè)井等方法的理論及實(shí)踐應(yīng)用。在實(shí)際勘探過(guò)程中，需要根據(jù)不同的地層性質(zhì)，作出全面分析，綜合靈活運(yùn)用不同方法；也可以將新老方法相結(jié)合應(yīng)用，作為重要的物探手段，相互驗(yàn)證補(bǔ)充，可以節(jié)約成本，獲得更佳的效果。