電阻率法在地下水勘測(cè)中的應(yīng)用分析

陳瀟瀟

（遼寧省阜新水文局水環(huán)境監(jiān)測(cè)室，遼寧 阜新 123000）

近年來，人口持續(xù)增長(zhǎng)，而水資源日益缺乏，地下水作為重要的水資源來源之一，促使研究人員對(duì)含水層的幾何結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了更深入的研究[1-4]。地下水是自然界水資源的重要組成部分，常常指填充土壤孔隙空間和巖層裂縫的地下水。由于地下水賦存環(huán)境極為復(fù)雜，通常工程師很難確定其在巖層或土層中的確切位置。地球物理方法目前被認(rèn)為是地下水勘探中最合適的方法，通過在地球表面進(jìn)行測(cè)量來研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該方法已廣泛應(yīng)用于巖土工程和地質(zhì)環(huán)境調(diào)查。多年來，地球物理學(xué)在研究中發(fā)揮了積極作用，研究人員不斷改進(jìn)開發(fā)儀器，以取得更好的結(jié)果，擴(kuò)大應(yīng)用范圍[5-8]。

電阻率法（ERM）是地球物理方法的一部分，多年來已廣泛用于確定層狀介質(zhì)的厚度以及繪制現(xiàn)有含水層的地質(zhì)環(huán)境圖。與傳統(tǒng)方法相比，ERM 技術(shù)簡(jiǎn)單、高效且無破壞性地產(chǎn)生地下成像，在地下水勘探的初期得到了很好應(yīng)用。此外，利用該方法生成的支持鉆孔數(shù)據(jù)和剖面圖像，可以獲得有關(guān)地下水和地下巖層位置的可靠信息[9-12]。本文介紹了ERM 方法的應(yīng)用前景、理論以及常見的陣列配置方法，分析了對(duì)電阻率值產(chǎn)生影響的常見物理化學(xué)因素，通過對(duì)中國某省的地下水勘測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)例分析，得出了陣列配置、水質(zhì)鹽分和地下水環(huán)境以及地層性質(zhì)等因素對(duì)探測(cè)地下水的影響。研究結(jié)果可為相關(guān)地下水勘測(cè)提供參考。

1 電阻率理論

ERM 主要用于測(cè)量和繪制地下材料的電阻率變化規(guī)律，基本原理是沿許多不同路徑傳遞電流并測(cè)量相關(guān)電壓來呈現(xiàn)地下電特性圖像的測(cè)量結(jié)果。ERM 可以測(cè)得地球和電流之間的響應(yīng)，其中歐姆計(jì)測(cè)量的地下電阻率變化非常敏感。電阻率測(cè)量是通過2 個(gè)電流電極（C1 和C2）向大地輸入電流，并在2個(gè)電位電極（P1 和P2）上測(cè)量產(chǎn)生的電壓來測(cè)得電阻率。電阻率（ρ）值可根據(jù)電流（I）和電壓（V）計(jì)算得出：

式中：k表示取決于4個(gè)電極排列的幾何因子。

ERM 成像深度取決于電極間距，通過增加電極間距可獲得更大的成像深度。成像深度一般與電極陣列的總長(zhǎng)度和總的地下電阻率有關(guān)，一般電極陣列的總長(zhǎng)度越長(zhǎng)，成像深度通常越大，而高阻地面在反演后傾向于減小深度。地下水的電阻率值在10～100 Ω·m 變化，取決于所含溶解鹽的濃度、孔隙度、含水飽和度等。

在電阻率測(cè)量中，高分辨率、可靠和良好的成像效果取決于電極配置，也稱陣列的選擇。通過目前一些文獻(xiàn)對(duì)各種陣列的性能研究發(fā)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)采集中，需要使用多種類型的陣列。Wenner、Schlumberger、偶極-偶極子、極-極和極-偶極子是常用的地下層勘查陣列，陣列結(jié)構(gòu)對(duì)探測(cè)的分辨率、靈敏度和成像深度有重大影響。每個(gè)陣列配置對(duì)水平和垂直不均勻性的敏感性、勘測(cè)深度、水平數(shù)據(jù)覆蓋率和信號(hào)強(qiáng)度方面的影像特征詳見表1，其中標(biāo)簽“+”表示不同特征的靈敏度。每個(gè)陣列都有特定的優(yōu)點(diǎn)和局限性。在勘查時(shí)選擇一個(gè)合適的陣列需要考慮多個(gè)因素，如目標(biāo)深度、要繪制圖的非均勻性類型、地下的垂直和水平變化規(guī)律以及信號(hào)強(qiáng)度。然而，在實(shí)際勘查中只需要針對(duì)勘測(cè)目的去考慮一些主要因素即可，在一些復(fù)雜情況中綜合使用各種陣列配置可以改善數(shù)據(jù)的可讀性。

表1 各陣列配置靈敏度特征

2 電阻率值影響因素分析

電阻率值的測(cè)定原理是被測(cè)接地材料在電路中充當(dāng)電阻器，在向地面輸入感應(yīng)電流后，再測(cè)量材料的抗電流能力。使用此方法可以區(qū)分地球材料，因?yàn)椴煌牡厍虿牧隙季哂懈髯缘碾娮杪手堤卣鳌５孛骐娮杪手凳芨鞣N因素影響，如密度、含水量、孔隙比、粒度級(jí)配和孔隙度。ERM 能可視化電阻率隨深度的變化規(guī)律，并能探測(cè)到低電阻率層的飽水黏土，理論上地下材料中的含水量與導(dǎo)電性密切相關(guān)。實(shí)際勘查中，電阻率值因材料中的含水量而發(fā)生變化。此外，裂縫發(fā)育程度也是影響電阻率值的常見因素。地下水通常充滿于裂縫中。裂縫越大，巖層的電阻率值越低。例如，花崗巖的電阻率在含水條件下為5 000 Ω·m，在干燥條件下為10 000 Ω·m。巖石的電阻率值可分為低等和中等，隨著含水率不同，電阻率值從小于10 Ω·m 到不足100 Ω·m 變化。一般來說，位于地下水位以上的土壤含水率很低，電阻率值高達(dá)數(shù)百至數(shù)千Ω·m；而地下水位以下的土壤電阻率值通常小于100 Ω·m。此外的一些因素，如含水層的密度、孔隙度、孔徑、形狀、水質(zhì)和地下環(huán)境溫度也會(huì)影響電阻率值。

3 電阻率法地下水勘測(cè)實(shí)例分析

3.1 某省地下水勘測(cè)項(xiàng)目分析

某省地下水勘測(cè)項(xiàng)目勘測(cè)時(shí)共設(shè)置了4 個(gè)地質(zhì)剖面，其地質(zhì)組成成分有一定差異。第一地質(zhì)剖面主要用來驗(yàn)證ERM 的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證基準(zhǔn)是實(shí)際的鉆孔曲線。第一地質(zhì)剖面的地下圖像，如圖1所示，其地質(zhì)材料由淤泥、砂、泥炭和黏土構(gòu)成。在數(shù)據(jù)采集過程中，考慮到Wenner電極配置有良好的垂直分辨率，可以提供具有水平結(jié)構(gòu)的地下水和砂黏土邊界的清晰圖像，因此用其作為陣列配置。該陣列可以提供密集的地表電阻率數(shù)據(jù)，其中含水層的厚度在10~30 m 變化，某些區(qū)域深度可達(dá)45 m，具體取決于測(cè)線長(zhǎng)度；在花崗巖基巖（高電阻率值）之間可以看到電阻率值小于100 Ω·m（低電阻率值）的地下水，這表明有地下水滲入裂隙基巖積聚。此外，根據(jù)獲得的ERM 結(jié)果和實(shí)際鉆孔曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)二者具有高度的相似性質(zhì)。本次勘測(cè)證明電阻率是在深度相對(duì)較淺的地區(qū)測(cè)量地下含水層的厚度和基巖分布的一種十分有效工具。

圖1 第一地質(zhì)剖面電阻率地下成像

第二地質(zhì)剖面的地下電阻率云圖，如圖2 所示。在勘測(cè)時(shí)，對(duì)于黏性粉土表土，使用ABEM SAS 1000和電極選擇器系統(tǒng)ES464 進(jìn)行Wenner 電極配置，設(shè)置2 種不同電極間距配置，分別為2、5 m，以獲得精確的結(jié)果。由圖2 可知，2 種間距的電阻率法數(shù)據(jù)顯示了相似的電阻率分布模式，但5 m 時(shí)滲透率更深。同時(shí)，可知土壤材料十分不均勻，因?yàn)榉秋柡捅韺油寥涝诤穸燃s4 m 處具有中高電阻率（1 100~2 600 Ω·m），而在4 m以下飽和層顯示中等電阻率值（750~1 100 Ω·m）。此外，在20~28 m深度，非飽和層被確定為低電阻率帶，電阻率值小于80 Ω·m。此次測(cè)量的地下水位在地面以下8.73 m處，其結(jié)果表明飽和層通常以高電阻率值為特征，而非飽和層則顯示為低電阻率區(qū)。然而，由于土壤材料的不均勻性，這些地層還無法進(jìn)行明確劃分。所得結(jié)果可用于建立地下水模型，為地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

圖2 第二地質(zhì)剖面電阻率地下成像

第三地質(zhì)剖面的地下電阻率云圖，如圖3 所示。本次勘測(cè)位置為沖積層沉積占主導(dǎo)地位的區(qū)域，沖積層由黏土、淤泥、砂和礫石組成，一共布設(shè)了6 條電阻率測(cè)線。RES2DIV 的結(jié)果表明，大部分測(cè)線以低電阻率值為主，其中小于80 Ω·m 的低電阻率值表明可能存在砂層，有利于地下水的存在。在5 m 深處，低電阻率值受位于勘測(cè)線附近的滲濾液排水溝和池塘影響，而高電阻率值受道路的壓實(shí)土壤影響。

圖3 第三地質(zhì)剖面電阻率地下成像

3.2 地下水鹽分分析

電阻率法也可用于研究環(huán)境影響和物理變化對(duì)地區(qū)土壤和地下水鹽度的影響。本次勘測(cè)利用二維電阻率技術(shù)評(píng)價(jià)了鹽分對(duì)土壤和地下水的影響程度，通過反演模型計(jì)算了測(cè)線地下剖面的電阻率數(shù)據(jù)如圖4所示。深度超過80 m的第四紀(jì)沖積層沉積物由交替的砂層、粉土層和黏土層組成，2D 電阻率圖像表明電阻率值小于0.2 Ω·m 的鹽水羽流區(qū)域分散在鹽分不滲透層的頂部。剖面圖L1顯示，鹽分在地表以下18～35.40 m 深度處穿透第一個(gè)承壓含水層；而剖面圖L2 顯示，鹽分穿透至距地表20 m 處。電阻率成像結(jié)果還表明，第二承壓含水層未受到鹽水入侵的影響。研究結(jié)果表明，地下水含水層的鹽分可能是由于長(zhǎng)期滲入沉積物的古代海水泛濫造成的，而不是直接來自海水入侵。

圖4 第四地質(zhì)剖面電阻率地下成像

4 結(jié)論

通過中國某省的地下水勘測(cè)項(xiàng)目分析表明，ERM 勘測(cè)技術(shù)在成本、時(shí)間和數(shù)據(jù)覆蓋率方面都是有效的，特別是在地下水勘探的初步階段。在鉆孔數(shù)據(jù)和地球化學(xué)信息的支持下，很容易探測(cè)到地下水。通過實(shí)例分析，非飽和層通常以高電阻率值為特征，而飽和層則顯示為低電阻率區(qū)；花崗巖的電阻率在含水條件下為5 000 Ω·m，在干燥條件下為10 000 Ω·m；地下水位以下的土壤電阻率值通常小于100 Ω·m。此外得出，根據(jù)研究的主要目標(biāo)，在數(shù)據(jù)采集過程中選擇陣列類型對(duì)于獲得精確結(jié)果非常重要。為了獲得可靠的信息，應(yīng)深入研究電阻率法的理論和應(yīng)用。