綜合物探方法在瓊中地區(qū)地下水勘查中的應(yīng)用

任 磊，代 濤，齊 信，薛寶林，焦尚斌

(1.華北地質(zhì)勘查局五一九大隊，河北 保定 071051；2.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205；3.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074）

地下水資源的開發(fā)利用與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有密切關(guān)系[1]。物探方法是尋找地下水的重要勘查手段之一，在地下水勘查工作中起著舉足輕重的作用。我國自1950年已經(jīng)開始把電法勘探應(yīng)用于舟山島地下水勘查工作中[2]，后經(jīng)過幾十年的研究和探索實踐，水文物探方法從常規(guī)的電阻率法[3-4]逐步發(fā)展到高密度電阻率法[5-6]、激發(fā)極化法[7-9]、瞬變電磁法[10-12]、可控源音頻大地電磁法[13-14]等。1990年以來，水文物探技術(shù)研究的熱點轉(zhuǎn)移到基巖山區(qū)，為了解決勘查難度和范圍較大等問題，物探找水技術(shù)有了飛速發(fā)展，主要有音頻大地電磁法[15-16]、電法測井法[17]、地面核磁共振法[18-21]、淺層高分辨率地震[22]等，測量參數(shù)從單一的電阻率發(fā)展到視電阻率、自然電位、極化率、半衰時、衰減度、偏離度等綜合地球物理參數(shù)[23-25]，逐步形成了一套完善的地下水勘查技術(shù)體系。

瓊中縣地處海南島中部，位于熱帶海洋季風(fēng)區(qū)北緣，境內(nèi)山巒重疊，地形西南高、東北低，地勢自西南向東北傾斜。受氣候、地貌、地質(zhì)等條件的制約，瓊中縣每年的缺水時間長達(dá)5個月，且地處鐵、錳超標(biāo)的原生劣質(zhì)水分布區(qū)，季節(jié)型、水質(zhì)型缺水問題突出，農(nóng)村生活用水存在較大的供需矛盾；另外，還存在地下水資源開發(fā)利用率低等問題[26-27]。榕木村位于瓊中縣集中連片缺水地區(qū)中北部，地下水類型主要是花崗巖區(qū)基巖裂隙水，但因該地區(qū)斷裂構(gòu)造總體不發(fā)育，打井找水困難，是瓊中縣典型的缺水區(qū)。本文在了解掌握區(qū)域水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，在瓊中縣榕木村工作區(qū)首先采用音頻大地電磁測深和高密度電阻率法查明賦水?dāng)嗔褬?gòu)造發(fā)育特征，圈定有利富水地段，針對有利富水地段采用激電半衰時、偏離度等地球物理參數(shù)對含水層位置進(jìn)行判別，經(jīng)鉆探驗證，取得了較好的勘探效果。依據(jù)勘探成果，總結(jié)了不同物探方法的應(yīng)用特點和綜合物探找水經(jīng)驗，可為在類似地區(qū)進(jìn)行地下水探測提供參考。

1 水文地質(zhì)概況及地球物理特征

1.1 水文地質(zhì)概況

本文研究范圍為瓊中縣榕木村，區(qū)內(nèi)地層出露較少，主要是第四系松散覆蓋層；花崗巖分布廣泛，且具有多期次侵入的特點，主要有三疊紀(jì)（γT）、侏羅紀(jì)（γJ）、白堊紀(jì)（γK）三期花崗巖，巖性主要為花崗斑巖、細(xì)粒黑云母二長花崗巖、粗中粒含斑黑云母正長花崗巖、細(xì)中粒斑狀黑云正長花崗巖等；斷裂構(gòu)造分為北西向、北東向、近南北向三組（圖1）。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological sketch map of the study area

研究區(qū)內(nèi)地下水類型主要為基巖構(gòu)造裂隙水，地下水賦存介質(zhì)主要為花崗巖含水巖組，具有埋藏深、富水性好的特征，其富水性除補(bǔ)給條件外，主要取決于斷裂帶的力學(xué)性質(zhì)及規(guī)模，尤其是北西向斷裂為該區(qū)主要控水?dāng)嗔眩彩潜敬蔚叵滤辈楣ぷ鞯闹饕綔y對象。

1.2 地球物理特征與物探方法選擇

區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層主要表現(xiàn)為低阻特征，視電阻率值在100～1000 Ω?m之間；結(jié)構(gòu)完整的花崗巖因其富水性較差，主要表現(xiàn)為高阻特征，視電阻率值大于10000 Ω?m；斷裂破碎帶則常因裂隙發(fā)育、賦水而表現(xiàn)為低阻異常特征，視電阻率值在100～5000 Ω?m之間[28]。這些不同地質(zhì)體的物性差異，為研究區(qū)實施物探找水工作提供了條件。

采用不同物探方法組合以及多參數(shù)的綜合判定，能夠有效地克服單一物探方法本身固有的局限，更準(zhǔn)確地確定鉆井孔位?？紤]到基巖構(gòu)造裂隙水是本區(qū)的主要探測目標(biāo)，結(jié)合含水層結(jié)構(gòu)、埋藏深度以及不同物探方法的優(yōu)缺點，確定工作思路和物探方法組合。當(dāng)斷裂構(gòu)造含水時，相應(yīng)深度巖石電性參數(shù)會發(fā)生改變，視電阻率數(shù)值會明顯不同于相同深度圍巖的正常值，因此，本次研究首先采用音頻大地電磁測深和高密度電阻率法兩種物探方法，開展聯(lián)合物探剖面組合探測，相互補(bǔ)充和驗證，查明不同深度范圍的斷裂構(gòu)造發(fā)育特征，結(jié)合水文地質(zhì)條件，初步圈定有利富水地段；其次，在有利富水地段，結(jié)合電阻率特征，采用半衰時和偏離度的對應(yīng)關(guān)系，精確判別含水層的埋藏深度。

2 工作方法原理及技術(shù)

2.1 音頻大地電磁測深

音頻大地電磁測深是通過觀測地層電性參數(shù)在縱向及橫向上的變化規(guī)律來研究地層巖性結(jié)構(gòu)、破碎帶位置的一種先進(jìn)的頻率域電磁法勘查技術(shù)，其主要特點是探測深度大，分辨率高。該探測深度是指在均勻半空間中的趨膚深度，它以表達(dá)電磁波隨頻率變化衰減的特性而定，其趨膚深度公式（1）如下：

式中，頻率f的單位是Hz，電阻率ρ的單位是Ω?m。

由式（1）可知，趨膚深度會隨著電阻率和頻率變化而變化，所獲取的測量數(shù)據(jù)信息是在地下研究深度相對應(yīng)的某一個頻率上進(jìn)行的。即頻率越高趨膚深度越淺，反之，頻率越低趨膚深度越深。由音頻大地電磁測深的工作原理以及研究區(qū)目標(biāo)層的深度，本次工作頻率為10～100000 Hz，主要是研究地下500 m范圍的電性特征。

資料處理上主要是通過傅里葉變換來獲得電場和磁場實虛分量數(shù)據(jù)，進(jìn)而計算對應(yīng)頻率的電阻率和相位數(shù)據(jù)。在對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解編、剔非值、去噪等預(yù)處理編輯的基礎(chǔ)上進(jìn)行一維BOSTICK反演和帶測點高程的快速松弛二維反演。本次使用的設(shè)備是美國勞雷公司研制的連續(xù)電導(dǎo)率儀（EH-4），它是通過測量不同巖石的電阻率值來獲取地下深部的電性資料，數(shù)據(jù)流程和儀器野外工作布置見圖2。

圖2 工作流程圖和野外工作布置示意圖Fig.2 Work flow diagram and fieldwork layout diagram

2.2 高密度電阻率法

本次使用的高密度設(shè)備是重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研發(fā)的WDA-1超級數(shù)字直流電法儀。高密度電阻率法的基本工作原理與常規(guī)電阻率法大體相同（圖3），是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)的一種探測方法，根據(jù)在施加電場作用下地層傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，推斷地下具有不同電阻率的地質(zhì)體的賦存情況。

圖3 高密度電阻率法工作原理和流程圖Fig.3 Working principle and flow chart of high density resistivity method

高密度電阻率法的物理前提是地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異。和常規(guī)電阻率法一樣，通過A、B電極向地下供電流I，然后在M、N極間測量電位差ΔV，從而可求得該點(M、N之間)的視電阻率值，計算公式如下：

根據(jù)實測的視電阻率剖面，進(jìn)行計算、分析，便可獲得地層中的電阻率分布情況，從而可以劃分地層，判定異常等。在本次工作中主要研究淺部50 m深度范圍內(nèi)的電性特征。

2.3 激電測深半衰時參數(shù)

激電半衰時測深是電法勘探的一個重要分支（圖4），受地形起伏和圍巖電阻率不均勻性的影響較小，對相對富水帶及其埋深反映較直觀。

圖4 激電二次電位衰減曲線及半衰時Fig.4 Decay curve and half decay time of IP secondary potential

半衰時參數(shù)是斷電后二次場ΔV2第一個取樣值衰減到一半時所反應(yīng)的時間。這一參數(shù)是根據(jù)實踐經(jīng)驗總結(jié)出來且行之有效的參數(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于找水勘查工作。半衰時大，表示極化介質(zhì)二次場放電慢；而半衰時小，則表示放電速度快。在含水巖體上，其半衰時（Th）通常都以高值異常形式出現(xiàn)。

偏離度參數(shù)是實測衰減曲線與直線方程的擬合程度，用均方相對偏差r表示，并稱其為“偏離度”。綜合研究表明，偏離度（r）與含水量有負(fù)相關(guān)關(guān)系，即含水量增加時偏離度減小，含水層的偏離度（r）表現(xiàn)為低值。因此，通過激發(fā)極化法測量（電阻率）所反映二次場振幅大小及衰減快慢的半衰時、偏離度等參數(shù)，可判斷含水體位置及富水性情況。

3 工作部署

本次在榕木村附近共計布設(shè)EH4音頻大地電磁測深40個物理點，布設(shè)高密度電阻率法剖面長度400 m以及激電半衰時測深（測量地球物理參數(shù)包括:視電阻率、半衰時、偏離度）2個物理點（圖5、表1）。

表1 研究區(qū)測線布置情況表Table 1 Statement of Survey line layout in the study area

高密度電阻率法和EH4音頻大地電磁法完全重合布設(shè)，激電半衰時測深在剖面解譯異常的中部布設(shè)2個測點，用以確定深部的含水層位置（圖5）。

圖5 研究區(qū)工作部署圖（榕木村）Fig.5 Survey line positon of the study area (Rongmu village)

經(jīng)現(xiàn)場試驗調(diào)試，EH4使用單點張量測量的采集方式，采集低頻-中頻-高頻段的數(shù)據(jù)，疊加次數(shù)20次，個別測點根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整，工頻濾波選擇50 Hz陷波器，通過該方法獲得了詳細(xì)的深部電性特征。

為獲得更精準(zhǔn)的淺部垂向分辨率，高密度電阻率法采用施倫貝謝爾a2裝置，采集層數(shù)30層，獲得了較為理想的勘探數(shù)據(jù)。

激電半衰時測深使用WDA-1超級數(shù)字直流電法儀，直接讀取半衰時（Th），偏離度（r）等地球物理參數(shù)。選用裝置型式為等比對稱四極裝置，最大極距AB/2=500 m；MN=AB/10，供電電流IP為50～600 mA，觀測電位>100 mV。

4 物探資料分析和解釋

從高密度電阻率法和音頻大地電磁測深物探綜合剖面圖（圖6）可見，兩條綜合剖面電阻率能清晰地顯示含水?dāng)嗔褬?gòu)造位置，其主要表現(xiàn)為在淺部電阻率相對較低，深部為中高阻的電性特征，總體呈現(xiàn)為從淺部到深部電阻率從低到高的變化規(guī)律。

圖6 高密度電阻率法和音頻大地電磁測深剖面及地質(zhì)推斷解譯圖Fig.6 Profile of high-density resistivity method and audio-frequency magnetotelluric sounding and geological interpretation map

結(jié)合野外水文地質(zhì)調(diào)查資料，兩條剖面電性特征勘查結(jié)果基本吻合，其中音頻大地電磁測深在垂向分辨率和細(xì)節(jié)上更為清晰地刻畫了深部電性特征的變化情況。兩條剖面在180～200號點附近、深度200 m以內(nèi)視電阻率呈現(xiàn)出低阻特征，視電阻率值在100～5000 Ω?m之間變化，低于兩側(cè)地層視電阻率的數(shù)值，且向深部有一定的延伸，呈“凹槽”狀或“條帶”狀，推測為斷裂破碎帶的反映。該斷裂傾向南西，傾角85度，近似直立，為正斷層。兩種物探方法參數(shù)的斷面圖皆能夠比較明顯地反應(yīng)出斷裂破碎帶位置。

針對剖面的180～200 m附近解譯的斷裂破碎帶位置開展了激電半衰時測深工作，對視電阻率（ρs）、激電半衰時（Th）和偏離度（r）三個地球物理參數(shù)進(jìn)行了解譯（圖7）。

圖7 激電測深半衰時（Th）、偏離度（r）和視電阻率（ρs）曲線綜合圖Fig.7 Integrated diagram of IP sounding half-life, deviation and apparent resistivity curve

激電測深半衰時Th曲線的首支在660～790 ms之間變化且呈上升趨勢，推測為第四系覆蓋層的反映；中部在860～920 ms之間變化，推測為花崗巖上部風(fēng)化層含水引起。當(dāng)AB/2為350 m時，Th出現(xiàn)峰值，為940 ms；另一含水參數(shù)偏離度r值在此處亦有異常反應(yīng)，r值下降至5.4%，據(jù)此推測該深度有含水層存在。根據(jù)電阻率曲線綜合分析，在AB/2=15～40 m和AB/2=200～350 m兩段的視電阻率曲線形態(tài)趨于平緩，視電阻率值分別在790～913 Ω?m，而與之相關(guān)的半衰時曲線呈上升趨勢、偏離度曲線則逐級降低，進(jìn)而判定含水層的深度在AB/2=15～40 m和AB/2=200～350 m位置兩個主要區(qū)段；在AB/2=400 m之后視電阻率曲線呈上升趨勢，以及其它兩參數(shù)的半衰時Th反向下降和偏離度r反向上升的表現(xiàn)形式，認(rèn)為深部基巖相對完整。

通過對研究區(qū)電性特征的綜合研究分析認(rèn)為，在對剖面成果解譯出的斷裂破碎帶位置的基礎(chǔ)上，再以視電阻率（ρs）、激電半衰時（Th）和偏離度（r）三個參數(shù)相結(jié)合的方式能更為直觀清晰地判定含水層的深度位置等信息。

5 鉆孔驗證與探測效果分析

5.1 鉆孔LMSSK07驗證情況

經(jīng)過綜合分析，最終井位定于剖面180～200號點處，設(shè)計深度170 m。鉆孔LMSSK07在11 m深處穿過第四系覆蓋層進(jìn)入花崗巖，花崗巖體裂隙較發(fā)育；至145 m深度鉆穿斷裂破碎帶，進(jìn)入較完整花崗巖，至168 m深終孔（圖8）。抽水試驗結(jié)果分析，單孔涌水量為160～175 m3/d，主要出水地段位于50～120 m深度的斷裂破碎帶。

圖8 LMSSK07鉆孔巖性與視電阻率曲線圖Fig 8 Lithology and apparent resistivity curve of LMSSK07 Borehole

5.2 不同物探方法的探測效果分析

在對研究區(qū)物探成果資料和鉆孔LMSSK07資料分析的基礎(chǔ)上，對不同物探方法的優(yōu)勢和劣勢進(jìn)行了分析總結(jié)（表2）。

表2 榕木村花崗巖區(qū)不同地球物理方法探測效果Table 2 Summary of exploration eあects of diあerent geophysical methods implemented in the Rongmu granite area

根據(jù)鉆孔揭露數(shù)據(jù)以及不同物探方法在深度幾米至幾百米范圍內(nèi)獲取的電性信息結(jié)果表明，音頻大地電磁測深法施工方便，效率高，探測深度大，在本次工作中最大反演深度可達(dá)1000 m，能夠詳細(xì)探測深部斷裂破碎帶和有效劃分巖性界線，但施工受自然、人為電磁干擾較大，垂向分辨率較低，勘探精度為5-10 m；高密度電阻率法施工效率高，勘探深度在0-200 m之間，施工受自然、人為干擾較小，勘探精度2-5 m，適用于探測淺部斷裂破碎帶；激電半衰時測深的偏離度（r）和半衰時（Th）綜合物理參數(shù)工作效率較低，勘探深度受AB極距控制，本次工作中勘探深度最大為300 m，但在判定含水層位置及埋深方面有更為精確的效果。

6 結(jié)論

（1）榕木村花崗巖區(qū)找水實踐證明，音頻大地電磁測深和高密度電阻率法相結(jié)合能有效地探測不同深度的斷裂破碎帶；賦水?dāng)嗔哑扑閹е饕憩F(xiàn)為“凹槽”狀或“條帶”狀低阻異常。視電阻率（ρs）、激電半衰時（Th）和偏離度（r）三個參數(shù)相結(jié)合能更為直觀清晰地判定含水層的深度位置等信息。

（2）音頻大地電磁測深法施工方便，探測深度大，能夠詳細(xì)探測深部斷裂破碎帶和有效劃分巖性界線，但垂向分辨率低；高密度電阻率法垂向分辨率高，但探測深度有限，適用于探測淺部斷裂破碎帶；激電半衰時測深工作效率較低，但在判定含水層位置及埋深方面有更為精確的效果。

（3）在花崗巖地區(qū)采用音頻大地電磁測深、高密度電阻率法以及激電半衰時測深相結(jié)合的方法尋找基巖構(gòu)造裂隙水，具有較好的探測效果，可為以后在類似地區(qū)開展找水工作提供技術(shù)參考。