天然電場三頻法在畢節(jié)市找水打井應(yīng)用總結(jié)

白新碧

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局五總隊，貴州安順561000）

·地質(zhì)與礦業(yè)工程·

天然電場三頻法在畢節(jié)市找水打井應(yīng)用總結(jié)

白新碧*

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局五總隊，貴州安順561000）

2012年貴州省找水打井一期工程已經(jīng)結(jié)束，通過對天然電場三頻法在畢節(jié)市找水打井項目中的應(yīng)用，基本查明了該區(qū)已成井的不同巖性地層三頻背景值變化范圍及其地下水主徑流帶異常值范圍，對該區(qū)物探工作進行了總結(jié)。同時，針對天然電場三頻法多解性因素提出處理方法，并對該區(qū)未來找水打井提出了參考性建議。

找水打井；水文地質(zhì)；地貌；巖組；含水性；天然電場三頻法；背景值；異常

1　工程概況

近年來極端氣候頻繁出現(xiàn)，引發(fā)了貴州省內(nèi)大范圍的干旱缺水，繼省委省政府下達了全省大規(guī)模農(nóng)村飲水安全地下水勘查找水打井及抗旱找水打井任務(wù)之后，2012年下達了“新增機井800口”的任務(wù)?！爱吂?jié)市找水打井”屬于該任務(wù)的部分內(nèi)容。

2　水文地質(zhì)概況

工作區(qū)海拔約1400～1800m之間，處于黔西高原境內(nèi)第二級階梯上，屬長江流域六沖河水系匯水范圍。絕大多數(shù)地區(qū)都是巖溶地貌和侵蝕地貌相互交錯出露，以巖溶溶蝕槽谷、緩坡、峰叢、洼地地貌為主，侵蝕、風(fēng)化剝蝕地貌次之。三疊系、二疊系的地層分布最廣，侏羅系和寒武系的地層次之。

三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組、下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組和二疊系上統(tǒng)長興組大隆組及寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群，為含水層與隔水層（相對隔水層）互層產(chǎn)出，總體上屬不純碳酸鹽巖含水巖組。主要含碳酸鹽巖裂隙—溶洞水，含水介質(zhì)為溶蝕裂隙及溶孔，含水性相對均勻，富水性較強；二疊系中統(tǒng)茅口組屬純碳酸鹽巖含水巖組，含碳酸鹽巖溶洞—裂隙水，含水介質(zhì)為溶蝕裂隙及溶洞，含水性不均勻，富水性強。

3　天然電場三頻法

該方法是利用大地電磁場作為工作場源，以地下巖（礦）石電阻率差異為基礎(chǔ)，在地面上測量大地電磁場產(chǎn)生的幾個不同頻率的電場分量的變化規(guī)律來研究地下地電斷面的電性變化，達到解決地質(zhì)問題的一種交流電勘探方法。

3.1工作原理

在距離場源很遠的地面所分布的場可視為一平面波，其方向近似垂直于地面，場的變化規(guī)律服從麥克斯韋方程組。通過對波動方程求解，導(dǎo)出其波阻抗與介質(zhì)交流電阻率的關(guān)系［1］：

式中：Ex——電場分量；

Hy——磁場分量；

f——頻率；

ρs——電阻率。

公式（1）中，不考慮Ex、Hy相位差，且在同一地區(qū)小范圍內(nèi)磁場分量Hy基本穩(wěn)定，可視為一常數(shù)。當(dāng)f一定時：，由于E=ΔV/MN，因而ρs∝ΔV。

根據(jù)電磁波在地層中傳播時的衰減特征，電磁波在介質(zhì)中穿透深度δ為［2］：

從公式（2）看出，電磁波的穿透深度（δ）與頻率（f）和電阻率（ρ）有關(guān)。當(dāng)頻率值確定后，則δ∝ρ；當(dāng)電阻率確定后，則（即趨膚效應(yīng)）。在實際工作中，通過改變工作頻率即可達到改變探測深度的目的。

3.2工作方法

通過水文地質(zhì)踏勘，在具備成水條件下，垂直于地下水徑流方向布設(shè)不少于3條勘探線剖面，采用羅盤定向，皮尺測距。測量方法采用平行移動法，測線點距20m，以MN中點（O）作為記錄點。選用25Hz、67Hz、170Hz三個頻率進行ΔV測量。綜合三頻ΔV低異常值作為尋找地下水主徑流帶或地下含水巖溶通道走向的依據(jù)。

4　天然電場三頻法在畢節(jié)市找水打井應(yīng)用

與其它物探方法一樣，天然電場三頻法受地形、工作環(huán)境的限制，本次工作還受到了施工地域的限制。同時，資料解釋具有多解性。

4.1不同巖性地層上三頻測量效果

4.1.1三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組第三段（T2g3）

灰色中厚層狀白云巖夾泥質(zhì)白云巖及粘土巖，屬含水層與隔水層（相對隔水層）相間巖組，含水性較均勻。三頻測量背景值ΔV＜20mV，主徑流帶上三頻ΔV＜5.0mV。所定4孔均出水成井，水量較大。在畢節(jié)岔河鎮(zhèn)一帶，關(guān)嶺組底部與永寧鎮(zhèn)組接觸段為近100m厚的泥質(zhì)粘土巖，屬隔水層，含水貧乏。若測線上各點的三頻測量值均過大時（100～400mV），可斷定下部為厚層泥質(zhì)粘土巖。本次工作中已成功避開2處在厚層泥質(zhì)粘土巖上開孔。

4.1.2三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組（T1yn）

灰—深灰色中厚層狀白云巖、泥質(zhì)白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r局部夾薄層狀泥質(zhì)粘土巖，屬含水層與隔水層（相對隔水層）相間巖組，含水性較均勻。三頻測量背景值ΔV＜25mV，主徑流帶上三頻ΔV＜5.0mV。當(dāng)三頻測量值有明顯異常低值出現(xiàn)時，方可作為定孔依據(jù)。所定2孔中，具有相同水文地質(zhì)條件及特征，施工結(jié)果完全相反。KH2012406井點具有較好的三頻低異常值，而孔號KH2012407因受地域限制（不能跨村界），在無明顯的三頻低異常值出現(xiàn)的情況下草率定孔位（詳見圖1），導(dǎo)致該孔出水量不足，教訓(xùn)深刻。

圖1　孔406與孔407三頻對比圖

4.1.3二疊系上統(tǒng)長興組大隆組（P3c+P3d）：

該地層巖性較復(fù)雜，泥、頁巖、砂巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r及劣煤層，屬含水層與隔水層相間巖組，含水性較均勻。三頻測量背景值ΔV＜5mV，主徑流帶上三頻ΔV＜2.0mV。該地層定孔1口出水成井。

4.1.4峨嵋山玄武巖（Pβ）：

灰綠—深灰色塊狀玄武巖，屬相對隔水層。通過三頻測量背景值ΔV＜3.0mV，主徑流帶上三頻ΔV＜1.0mV。結(jié)合地質(zhì)剖面法確定三頻異處峨嵋山玄武巖厚度不大，其下部與茅口組灰?guī)r接觸部位有存在地下的可能。KH2012054于該層位上開孔，經(jīng)水文鉆探驗證在72.00m處揭穿峨嵋山玄武巖出水成井。

4.1.5二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m）

灰—淺灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，屬純碳酸鹽巖含水巖組，巖溶及巖溶管道強發(fā)育，含水極不均勻。據(jù)了解，該層位上極易造成干孔，若根據(jù)徑流區(qū)地表溶孔及溶蝕裂隙發(fā)育程度或根據(jù)物探方法測量低異常值均不能作定孔依據(jù)，原因是該層厚度大且少有隔水層（相對隔水層）存在，導(dǎo)致巖溶及巖溶管道在空間上發(fā)育不受限制?？諑r溶、塑狀粘土充填巖溶或裂隙、含水巖溶或管道相互交錯，導(dǎo)致三頻測量背景值范圍變化大（10～300mV之間），三頻異常值ΔV＜7.0mV。在水文地質(zhì)條件滿足的條件下，必須加大物探工作量的投入，對資料進行反復(fù)對比和篩選，才能較準確地對地下含水巖溶管道進行定位。本層位共定3孔（見圖2），結(jié)果2孔成井、1孔廢井。

4.1.6寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群（∈2-3Ls）

深灰—淺灰色中—厚層狀白云巖、泥質(zhì)白云巖及粉砂質(zhì)白云巖，屬含水層與相對隔水層相間巖組，含水性較均勻。三頻測量背景值ΔV＜20.0mV，主徑流帶上三頻ΔV＜3.0mV。該層位上定孔1孔出水成井。

4.2天然電場三頻法多解性因素及處理方法

4.2.1地形干擾

三頻地電測量結(jié)果與地形起伏呈負相關(guān)，即山頂?shù)椭?、山腳高值，工作時盡量避免在起伏較大的地形上測量。

圖2　茅口組地層三頻異常曲線圖

4.2.2地貌干擾

在較寬廣的U形槽谷地貌中，三頻測量數(shù)值可靠，而在狹窄的V形溝谷地貌中三頻測量數(shù)值不可靠。如圖2茅口組地層KH2012070、KH2012071兩孔為在較寬廣的U形槽谷地貌中測量結(jié)果可靠。而KH2012052號孔為在狹窄的V形溝谷地貌中測量結(jié)果不可靠，表現(xiàn)在三頻背景值低，且25頻線多次跳動穿插67頻線及170頻線，使解釋結(jié)果復(fù)雜化。采用綜合物探方法，才是在V形溝谷地貌上提高成井率的有效方法。

4.2.3假異常

找地下水靶區(qū)內(nèi)有由塑狀粘土充填的張性斷裂、隱伏裂隙，或壓扭性阻水?dāng)嗔?、褶曲?gòu)造的存在，都會使產(chǎn)生假異常。如圖2中KH2012052孔位處于緩坡V型溝谷處，其南東面數(shù)百米處為高差約300m的V型深切溝谷存在，成水條件并不很充分。經(jīng)水文地質(zhì)鉆探在27～28m段驗證了由塑狀粘土充填裂隙產(chǎn)生的假異常，直至 153.08m仍未見水，決定終止鉆進；KH2012070孔位于巖溶溶蝕洼地中，經(jīng)水文地質(zhì)鉆探驗證，12.50～21.10m處由塑狀粘土充填裂隙產(chǎn)生假異常，由于67頻ΔV異常明顯，鉆進至116.10m處見水，加深至184.36m成井；圖1中KH2012407孔位不僅處于V形溝谷中，而且位于孔位北西向不到20m處發(fā)育一褶曲構(gòu)造，巖石受到擠壓封閉了地下水運移空間，導(dǎo)致出水量不足，150.30m終止鉆進。

5　成井情況

天然電場三頻法在該區(qū)共布設(shè)孔位12口，通過水文地質(zhì)鉆探驗證及抽水試驗結(jié)果：成井10口（出水量≥100t/d），干井1口，廢井1口（出水量＜100t/d）（詳見表1）。

6　天然電場三頻法定井總結(jié)

通過對畢節(jié)市2012年階段性打井工作，天然電場三頻法定孔總結(jié)如下：

（1）三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組及下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組、二疊系上統(tǒng)長興組大隆組、寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群均屬含水層與隔水層（相對隔水層）相間巖組，含水性相對均勻。采用天然電場三頻法容易找到地下水主徑流帶；二疊系中統(tǒng)茅口組屬巖溶及管道強發(fā)育的純碳酸鹽巖，須加大物探工作量的投入方可找到地下含水管道。

（2）基本查明了該區(qū)已成井的不同地層上三頻背景值變化范圍及其地下水主徑流帶異常值范圍。含水層與隔水層（相對隔水層）相間巖組地層三頻背景值ΔV＜25mV，主徑流帶上三頻ΔV＜5.0mV；純碳酸鹽巖（茅口組）三頻背景值ΔV變化范圍大（10～300mV之間），三頻異常值ΔV＜7.0mV。

（3）天然電場三頻法能有效避免在厚層泥質(zhì)粘土巖上開孔，厚層泥質(zhì)粘土巖上三頻背景值ΔV＞100mV，表明其厚度大且含水極貧乏；相對隔水層峨嵋山玄武巖與下伏地層碳酸鹽巖（茅口灰?guī)r）接觸帶是良好的成水部位，而天然電場三頻法在硫鐵礦化的峨嵋山玄武巖上測量的三頻背景值低（＜3.0mV），難以判斷其厚度，須結(jié)合地質(zhì)剖面法大致判斷其厚度，再結(jié)合三頻低異常值（＜1.0mV）方可確定地下水主徑流帶位置。

（4）在宏觀水文地質(zhì)條件滿足條件下，也要注意微觀不利條件的存在。天然電場三頻法適宜在較寬廣的U形槽谷地貌而不適宜在狹窄的V形溝谷地貌中進行測量。有由塑狀粘土充填的張性斷裂、隱伏裂隙，或壓扭性阻水?dāng)嗔?、褶曲的存在，都會使天然電場三頻法產(chǎn)生假異常。

（5）若水文地質(zhì)鉆探一但驗證了地下假異常體的存在，須密切注意巖芯完整度、溶蝕發(fā)育程度及出水情況，為水文地質(zhì)鉆探提供明確的施工目標(biāo)。

表1　畢節(jié)市找水打井基本情況一覽表

7　建議

對該區(qū)未來找水打井提出以下參考性建議：

（1）含水層與隔水層（相對隔水層）相間巖組地層，其含水性相對較均勻，以水文地質(zhì)調(diào)查為主，注意避開微觀不利成水條件，結(jié)合天然電場三頻異常結(jié)果，容易確定地下水主徑流帶。

（2）水文地質(zhì)條件具備的純碳酸鹽巖地區(qū)，以物探測量為主，對測量結(jié)果反復(fù)對比和篩選，基本能找到地下含水巖溶管道。

（3）巖溶區(qū)的斷層含水但亦隔水，使物探數(shù)據(jù)解釋復(fù)雜化（如塑狀粘土充填于斷裂帶中）。工作時不妨避開斷層，在斷層迎水盤找地水的運移通道將會更簡單可靠。

（4）龍?zhí)督M底部黃鐵礦層、梁山組黃鐵礦化炭質(zhì)頁巖以及棲霞組中—下部的炭質(zhì)頁巖成分，都是產(chǎn)生物探假異常的直接因素，應(yīng)盡量避免在該層段上開展物探找水工作。

（5）地下水資源勘查與開發(fā)是水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文物探、礦產(chǎn)地質(zhì)的綜合應(yīng)用，只要各學(xué)科有機結(jié)合、靈活運用，就會提高成井率。

［1］張瑜麟.天然電場選頻法在工程地質(zhì)勘查快速評價中的應(yīng)用［J］.地質(zhì)與勘探，2003，39（3）：67-71.

［2］傅良魁.電法勘探教程［M］.北京：中國地質(zhì)出版社，1987.

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1004-5716（2016）07-0084-04

2016-03-31

2016-03-31

白新碧（1962-），男（土家族），重慶人，工程師，現(xiàn)從事地質(zhì)找礦工作。