淺層地下水物探探測方法選擇

王士黨，楊沖

(山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，山東 泰安 271000)

0 引言

淺層地下水探測問題是物探工作關(guān)注領(lǐng)域之一，各區(qū)域地層差異較大，淺層地下水賦存層位也各不相同，如何選擇合適的物探方法尤其重要。本文對幾種常用勘探方法進(jìn)行對比，分析各方法的優(yōu)缺點(diǎn)，分析在不同條件下綜合勘探方法的選擇，保證施工質(zhì)量同時(shí)兼顧效率。

1 地球物理特征

淺層地下水主要有第四系松散巖層孔隙水、碳酸鹽類地層溶洞水和基巖裂隙水等。第四系松散巖層孔隙水主要巖性為砂巖、礫巖、泥灰?guī)r等巖性，地下水主要賦存層位為砂巖、礫巖等，泥巖(黏土)及泥灰?guī)r為隔水層，由于泥巖及泥灰?guī)r電阻率低于砂巖、礫巖等含水地層，因此在第四系中主要探求相對中高阻區(qū)域。

碳酸鹽類地層溶洞水主要巖性為灰?guī)r、白云巖等，當(dāng)溶洞、裂隙發(fā)育時(shí)，完整巖體破壞，巖體電阻率低于圍巖，呈局部低阻異常。

基巖裂隙水巖性主要為花崗巖、片麻巖，巖石致密，地表電阻率相對較高，高阻層屏蔽影響較大，該類區(qū)域主要以探測斷裂、巖性分界面為工作方向。

2 勘探方法介紹

2.1 電阻率層析成像技術(shù)

國內(nèi)一般稱為高密度電阻率法，供電電極向地下巖層供給直流(或超低頻流)電流,觀測測量電極間電位差,研究探測區(qū)巖層介質(zhì)的視電阻率分布情況[1]。層析成像技術(shù)一次布設(shè)完畢，施工效率高，成本較低，處理軟件采用RES2DINV,suefer等成圖，被廣泛應(yīng)用于淺層地下水探測、溶洞探測等領(lǐng)域[2-3]。主要采用溫納裝置、施倫貝謝爾排列、溫納-施倫貝謝爾排列等方式進(jìn)行采集。溫納裝置具有較高的垂向分辨率，施倫貝謝爾排列具有較好的水平分辨率。但該方法主受地形影響較大，受限于地形起伏、河流等野外實(shí)際地況，測線布設(shè)相對困難，從而導(dǎo)致探測深度較淺。

2.2 激電測深

激電測深技術(shù)是指在同一測深點(diǎn)上逐次增大供電電極距AB及接收電極MN，隨AB,MN的增大，勘探深度逐步增大。該方法起步于20世紀(jì)50年代，技術(shù)方法成熟，受地形影響小，被廣泛應(yīng)用于水工環(huán)地質(zhì)中，特別是地下水勘探中。發(fā)展過程中，地質(zhì)工作者提出了通過采集視電阻率[4]、極化率(或幅頻率)、半衰時(shí)、衰減度[5-6]、二次時(shí)差法[7]、電反射系數(shù)[8]、偏離度[9]等來進(jìn)行地下水探測工作。目前主要采集視電阻率及極化率參數(shù)進(jìn)行測量。

2.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法是通過不接地回線或接地電極回線圈，向地下發(fā)送一次脈沖信號，激發(fā)地質(zhì)體感生二次電流，用線圈或接地電極觀測由脈沖電磁場感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時(shí)間分布。瞬變電磁法具有勘探深度大、抗干擾能力強(qiáng)、分辨力高、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查及水文、工程勘察等領(lǐng)域[1]。瞬變電磁法在地下水探測中的應(yīng)用主要用于煤礦水害防治等方面[10-11]。

瞬變電磁法采集的是二次場數(shù)據(jù)，對于地形要求不高，可穿透淺部高阻層。由于一次場對接收線圈的影響，盲區(qū)問題相對嚴(yán)重。

2.4 大地電磁法

包含有主要有MT法(大地電磁法)、AMT法(音頻大地電磁法)、CSAMT法(可控源音頻大地電磁法)、EH4法(電磁成像系統(tǒng))、EMAP法(電磁排列剖面法)、天然電場選頻法等。大地電磁法測量是根據(jù)不同頻率的電磁波在地下傳播具有不同的趨膚深度，通過采集不同頻率的接收到的地電信號，從而達(dá)到測深的目的。

伍岳[12]利用EH4法在砂巖地區(qū)開展地下水勘探工作，認(rèn)為方法不受地表高阻層影響，能兼顧近地表及深層地質(zhì)信息。楊天春等[13]利用天然電場選頻法在湖南、廣西等多地開展地下水勘探工作，選取幾個(gè)頻點(diǎn)數(shù)據(jù)，探求相對低電位位置為地下水井位。

2.5 甚低頻電磁法

甚低頻電磁法選用頻率為15～25kHz的電臺發(fā)射的電磁波作為場源，電磁波在傳播過程中遇到地質(zhì)體時(shí),將使其極化而產(chǎn)生二次電流,從而引起感應(yīng)二次場。一般情況下二次場和一次場合成后的總場與一次場的振幅方向、相位均不相同,即引起了一次場的畸變。通過在地表、空中或地下測量其電磁場的空間分布，從而獲得電性局部差異或地下構(gòu)造信息的一種電磁法。

適用于斷裂破碎區(qū)域及灰?guī)r巖溶發(fā)育地段的地下水探測，該方法操作簡單，使用輕便，容易受外界噪聲及電磁波干擾。

金培杰等[14]采用17.4kHz的NDT臺作傾角法和22.3kHz的NWC臺進(jìn)行波阻抗測量，查清了滑坡面水文地質(zhì)特征，取得了較好的物探成果。

2.6 地震勘探

地層及巖石都存在自身的彈性參數(shù)，泊松比及彈性模量各不相同，地震勘探是利用地層和巖石的彈性差異來探測地質(zhì)構(gòu)造、尋找有用礦產(chǎn)資源的重要地球物理勘測方法。目前，地震勘探方法主要包含反射波法、折射波法、瑞雷面波法、鉆孔彈性波CT法等。在所有物探方法中，地震勘探抗干擾較強(qiáng)、分辨率高，對于小規(guī)模地下異常體的識別具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

段佳松根據(jù)破碎帶與完整巖石存在波速差異，采用淺層地震法等對深州市地下水資源進(jìn)行了評價(jià)，查清了地下水儲量及圈定富水區(qū)域[15]。

3 綜合勘探方法的選擇

物探找水是一種間接勘探手段，勘探過程中須結(jié)合地質(zhì)及水文資料，對于物探工作的方法選擇及測線布設(shè)具有非常重要作用。由于地質(zhì)條件、物性特征、施工效率、經(jīng)濟(jì)成本等不同，在地下水探測中的方法選擇也是差異較大，如何在保證效率及質(zhì)量前提下選擇最優(yōu)物探組合方法，顯得尤為重要[16-19]。

(1)將干旱缺水區(qū)域按照水文地質(zhì)類型劃分為簡單型和復(fù)雜型，對于水文地質(zhì)條件簡單，周邊已有成井區(qū)域，為提高涌水量，才采用單一物探手段進(jìn)行施工，可采用高密度電法、電測深中任一種物探方法進(jìn)行施工；對于水文地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域則需采用兩種及兩種以上手段進(jìn)行施工。

(2)從成本及效率方面考慮，瞬變電磁法及淺層地震勘探施工方便，效率較高，成本相對較低；層析成像技術(shù)、電測深、CSAMT及EH4等方法效率一般，施工成本相對較高。

(3)從埋深方面考慮，小于100m，選擇層析成像技術(shù)、淺層地震、瞬變電磁法、甚低頻電磁法、優(yōu)化點(diǎn)距的電測深等方法；深度大于100m，由于高密度電法、淺層地震探測深度不夠，瞬變電磁法盲區(qū)效應(yīng)相對較大，一般選擇電測深、CSAMT法測深、EH法等；深度大于500m，由于電測深供電電極布設(shè)相對困難，不建議進(jìn)行開展電測深工作，優(yōu)選EH4,AMT,CSAMT等組合方式進(jìn)行勘探。

(4)從地質(zhì)條件考慮，對于第四系淺地表地下水探測，可采用層析成像技術(shù)單獨(dú)開展工作；對于第四系底界面礫石等賦水層位探測，優(yōu)選層析成像技術(shù)與電測深、電測深與瞬變電磁法組合等方式。對于巖溶發(fā)育區(qū)域地下水探測，優(yōu)選層析成像技術(shù)與電測深、瞬變電磁法等方法。

根據(jù)地質(zhì)情況，對不同地質(zhì)條件下的物探方法的選擇進(jìn)行了組合，組合方式如表1所示。

表1 不同組合方法的選擇

3.1 CSAMT法與電測深綜合應(yīng)用

采用CSAMT法對泰安市范鎮(zhèn)地區(qū)地下水進(jìn)行探測，施工中對目的層位頻率進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化頻率組合開展測量工作，施工效率高、對地表為高阻的底層下低阻異常具有較好的分辨性。由于接收信號相對較弱，易受外界電磁干擾。

在泰安東某水廠地質(zhì)勘探工作中采用了CSAMT法及電測深綜合進(jìn)行探測。橫向上，視電阻率等值線呈水平層狀，視電阻率曲線平緩，無較大擾動(圖1)。

圖1 CSAMT法視電阻率反演擬斷面圖

縱向上，視電阻率等值線呈低—高—低—高，隨深度增加視電阻率逐步增大。深度0～10m，視電阻率30～100Ω·m，推測為第四系亞黏土和細(xì)中粗砂電性反映。在深度10～70m，視電阻率50～100Ω·m，推測為泥質(zhì)灰?guī)r。深度70～120m，視電阻率70～120Ω·m，推測為泥質(zhì)灰?guī)r與礫巖互層電性反映。在深度120m以下，視電阻率大于100Ω·m，推測為奧陶系灰?guī)r電性反映，其中發(fā)育有溶洞，造成低阻異常。低阻區(qū)域?yàn)楸敬慰碧降闹饕康膶游唬渲懈缓胸S富的水資源。

將樁號70m處開展了單點(diǎn)電測深工作，選用裝置為對稱四級電測深，生成圖2，測深曲線類型“H”型，在深度140～170m，電阻率整體呈低阻反映，本次勘探目的層灰?guī)r溶洞區(qū)域。鉆孔ZK003在深度154m處鉆遇巖溶區(qū)，終孔孔深181m，其中溶洞區(qū)深度為154～159m，開展了抽水試驗(yàn)，計(jì)算出水量為40m3/h。

圖2 擬定井位電測深電阻率曲線圖

3.2 高密度電法與電測深綜合應(yīng)用

在泰安東某村物探找水中采用了層析成像技術(shù)溫納裝置進(jìn)行勘探。測量采用儀器為N2多功能電法儀，供電電壓為500V，供電時(shí)間1s，斷電時(shí)間1s，測量視電阻率值。

縱向上，深度5～25m，整體呈現(xiàn)低阻反映，視電阻率小于120Ω·m，橫向上差異較小，推測為第四系黏土、砂、礫石等電性反映。深度15m以下，電阻率逐步增大，視電阻率大于150Ω·m，視電阻率隨深度增加逐步增大，結(jié)合地質(zhì)資料，該巖性為閃長巖(圖3)。

圖3 電阻率層析成像視電阻率擬斷面圖

橫向上，在樁號50～110m，視電阻率等值線扭曲，整體呈向大號方向(東南)傾斜，推測該位置為巖性接觸面，小號方向?yàn)殚W長巖，大號方向?yàn)榈谒南叼ね恋取Ｔ跇短?25m位置單點(diǎn)電測深工作，布設(shè)了鉆孔ZK001，設(shè)計(jì)深度為90m，終孔深度為93m，出水量為11m3/h，滿足了村莊生活生產(chǎn)用水需求(圖4)。

3.3 電測深在淺層地下水勘探中應(yīng)用

在臨沂莒南某物探項(xiàng)目中采用了對稱四極電測深，目的為查明斷層走向及傾向，在斷層交會區(qū)域布設(shè)井位。視電阻率呈由淺入深逐漸增大變化趨勢。

在樁號0～400m，標(biāo)高+100m～-800m，視電阻率700～3500Ω·m，整體呈現(xiàn)高阻異常，異常傾向?yàn)榇筇柗较颍Y(jié)合地質(zhì)資料，認(rèn)為該位置巖性為二長花崗巖。

樁號400～1400m，標(biāo)高+150m～-500m，視電阻率100～800Ω·m，整體呈現(xiàn)“V”字型異常，在樁號400～800m，視電阻率等值線呈往大號方向傾斜，推測該位置為F1斷裂，斷層傾向大號方向。在樁號850～1100m，視電阻率小于450Ω·m，推測該位置為F2斷層；樁號1000～1200m，推測為F3斷層。

在樁號1200m位置布設(shè)了ZK002，設(shè)計(jì)孔深500m，后期經(jīng)鉆探，在35m，175m及368m揭露3個(gè)含水層，終孔深度為435m，出水量為21m3/h，鉆孔位置為圖5中樁號1200m位置。電測深方法成熟，地下水賦存層位多呈現(xiàn)低阻高極化，由于電測深探測深度為AB/2乘以某換算因子K，造成方法效率相對較低。

圖5 電測深視電阻率擬斷面圖

4 結(jié)論

(1)本文介紹了電阻率層析成像技術(shù)、電測深、大地電磁法、甚低頻、淺層地震法等方法在淺層地下水勘探中的應(yīng)用。分析了每一種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)例說明這些方法在實(shí)踐中取得了良好的應(yīng)用效果。

(2)本文從成本及效率方面考慮，認(rèn)為瞬變電磁法及淺層地震為成本低效率高方法；電測深、CSAMT方法等效率相對較差；從探測深度角度出發(fā)，100m以淺優(yōu)選層析成像技術(shù)、電測深、瞬變電磁法、淺層地震等方法，探測深度較深時(shí)優(yōu)選CSAMT法、EH法等；從地質(zhì)條件差異，接地較差時(shí)選擇瞬變電磁法、CSAMT法等，接地較好選擇層析成像技術(shù)等。

(3)野外采集數(shù)據(jù)資料是物探工作后期分析解釋的前提及必要條件，針對性的選擇合適方法在物探勘探中尤為重要。