白嘎力 楊帆 樊雙虎

摘 要：渭北地處鄂爾多斯盆地南部，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層巖性多為第四系松散巖、泥巖、白云巖等，含水性較差，尋找低阻斷裂構(gòu)造是該區(qū)地下水勘探的唯一途徑。由于地球物理解釋存在多解性，因此，單一的物探方法很難確定含水層的位置。對(duì)此，采用瞬變電磁法進(jìn)行剖面測(cè)量判定低阻異常位置，放射性α法來(lái)圈定蓄水構(gòu)造，激電測(cè)深法來(lái)準(zhǔn)確判定地下水所在的層位及埋深等綜合物探法進(jìn)行探測(cè)。此外，通過(guò)正演模型，從理論出發(fā)，驗(yàn)證了綜合物探法聯(lián)合找水的可行性。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁法;放射性α法;激電測(cè)深法;正演模擬;地下水勘查

中圖分類(lèi)號(hào)：P641.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）19-0075-04

Abstract： North of Weihe River is located in southern Ordos basin， and complicated geological structure， lithology is the fourth of loose rock， mudstone， dolomite with rather poor water -bearing property and permeability， thus to find out conductive faulted structures is the only way in groundwater exploration. Due to multiplicity geophysical interpretation， it is difficult to determine where the aquifer of the single geophysical method. In this regard， the transient electromagnetic method was used to determine the location of low resistance anomaly， the radioactive α method to delineate the water storage structure， and the IP sounding method to accurately determine the stratum and depth of groundwater. In addition， the feasibility of integrated geophysical prospecting combined with water prospecting was verified theoretically by forward modeling.

Keywords： transient electromagnetic method;radioactive α method;IP sounding method;forward modeling;groundwater exploration

傳統(tǒng)物探法在地下水勘查中主要采用直流電阻率法、高密度電阻率法、激發(fā)極化法等單一物探方法尋找水源，由于受地形、巖性和構(gòu)造影響及體積勘探效應(yīng)的限制，成井率難以提高[1]。近年來(lái)，綜合物探方法找水在我國(guó)發(fā)展迅速，能有效識(shí)別地下含水層，并在斷面圖上有較好的反映。經(jīng)過(guò)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，綜合物探法為機(jī)井工程成功率提供了重要保障，并克服了傳統(tǒng)物探單一方法在找水分析理論上的片面性，抑制了單一物探方法的多解性。

1 方法簡(jiǎn)介

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Methods，TEM）利用不接地回線(xiàn)（大回線(xiàn)磁偶源）或接地線(xiàn)源（電偶源）向地下發(fā)射一次場(chǎng)，在場(chǎng)的間歇期間，地下介質(zhì)的感應(yīng)電磁場(chǎng)（二次場(chǎng)）電壓數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化。該二次場(chǎng)的大小及衰減速度與地下地質(zhì)體有相關(guān)性，由于二次場(chǎng)衰減曲線(xiàn)的特征，從而判斷地下地質(zhì)體的電性強(qiáng)弱、規(guī)模大小、產(chǎn)狀等[2]。由于該方法具有橫向和垂向分辨率高、對(duì)地質(zhì)噪聲干擾較小、對(duì)低阻反應(yīng)準(zhǔn)確且受地形干涉較小等特點(diǎn)，因此在地下水勘查中被廣泛應(yīng)用。

1.2 放射性α法

該方法主要是用測(cè)氡儀測(cè)量土壤、水及大氣中氡氣的濃度，然后通過(guò)研究氡氣濃度的分布特征來(lái)圈定蓄水構(gòu)造。在潛水面以下，很難測(cè)得深處的氡氣;而在潛水面以上，氡氣可以通過(guò)擴(kuò)散作用、對(duì)流作用、毛細(xì)管作用等向地表遷移[3]。

氡在自然界中主要以游離原子形式沿著巖石裂隙或者孔隙中遷移，因此，構(gòu)造破碎帶和裂隙發(fā)育帶均是氡氣遷移的良好通道。在浮土覆蓋中，氡氣遷移率取決于其透氣性好壞和孔隙度多少。向上遷移的氡氣的來(lái)源主要有以下3種：①溶解和存在于地下水中的一部分氡到達(dá)潛水面后，從水中逸出向上遷移;②在潛水面附近形成的鐳暈放出的氡氣;③巖石和土壤中的鐳（包括局部放射性不均勻體）放出的氡氣[3]。

1.3 激電測(cè)深法

激電測(cè)深法是在研究目的層電阻率參數(shù)的同時(shí)并觀(guān)測(cè)激電效應(yīng)的變化。在單一條件下研究地質(zhì)體的變化電阻率特征很容易出現(xiàn)失誤，而經(jīng)瞬變電磁法和放射性法探測(cè)到的低阻斷裂層（研究目的層），再通過(guò)綜合研究目的層的電阻率數(shù)據(jù)和激電數(shù)據(jù)可減小上述失誤，提高測(cè)量準(zhǔn)確性[4]。

2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證瞬變電磁法與激電法綜合找水的可行性，本文建立了一維正演模型（見(jiàn)圖1），表1為模型參數(shù)。

2.1 瞬變電磁法一維正演模擬

本次選用矩形大回線(xiàn)源（磁偶源）來(lái)發(fā)射一次場(chǎng)，采用的計(jì)算方法是全區(qū)視電阻率法。該方法可消除視電阻率[ρτ]的“畸變”[5]。水平電偶極子均勻半空間上垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)時(shí)間的變化率為[6]：

（1）

式中，[dl]為水平電偶極子的長(zhǎng)度;[ρ1]為均勻半空間的電阻率;[r]為收發(fā)距;[y]為測(cè)點(diǎn)的縱坐標(biāo);[u]和[Φ]為：

（2）

（3）

圖2為發(fā)射回線(xiàn)與測(cè)點(diǎn)位置示意圖，十字為點(diǎn)位測(cè)點(diǎn)。線(xiàn)框邊長(zhǎng)為500m×500m;點(diǎn)距30m;供電電流10A，測(cè)道數(shù)為30道。經(jīng)正演計(jì)算，繪制出視電阻率多測(cè)道斷面圖（見(jiàn)圖3）。

2.2 激電法二維正演模擬

利用有限元方法對(duì)模型進(jìn)行正演模擬，選用對(duì)稱(chēng)四極裝置，其中[AB]=140m，[MN]=3m。根據(jù)等效電阻率公式和視極化率公式[見(jiàn)式（4）和式（5）]，經(jīng)正演計(jì)算，繪制出視極化率曲線(xiàn)圖（見(jiàn)圖4）。

（4）

（5）

式中，[ρ*]為極化電阻率;[ρ]為真實(shí)電阻率;[ηs]為視極化率;[ρ*s]為視極化電阻率;[ρs]為視電阻率。

3 實(shí)例分析

3.1 測(cè)區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)概況

3.1.1 地質(zhì)概況。測(cè)區(qū)位于鄂爾多斯盆地南緣汾渭地塹中南部，構(gòu)造形跡較為復(fù)雜[7]。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷裂為主，其次為褶皺和裂隙，斷層多為發(fā)育良好的含水正斷層，對(duì)基巖裂隙水具有控制作用。地形呈階梯狀，自西南向東北逐漸升高，系黃龍山脈南迤部分，海拔900～1 543.8m，相對(duì)高差150～250m。該區(qū)域主要是由第四系上、中、下更新統(tǒng)黃土及下更新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黃黏土夾粉細(xì)砂組成。

3.1.2 水文地質(zhì)概況。根據(jù)已有的水文地質(zhì)資料可知：在物探測(cè)量深度內(nèi)，測(cè)區(qū)地下水分為松散沉積層孔隙水、基巖裂隙水2種類(lèi)型。

孔隙水含水層為中更新統(tǒng)黃土狀壤土、下更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土和砂礫石，總體上含水一般，根據(jù)以前勘查水文資料推測(cè)，單井出水量5～10m3/h，主要水源補(bǔ)給為雨水。

基巖裂隙水含水層為三迭系下中統(tǒng)紙坊群砂巖層和二迭系上統(tǒng)石千峰組第三段砂巖層。該區(qū)斷裂較多且裂隙發(fā)育，是地下水儲(chǔ)存和運(yùn)移的有利條件，形成富水地段。根據(jù)以前勘查水文資料推測(cè)，單井出水量可達(dá)15～25m3/h，主要水源補(bǔ)給為雨水和孔隙潛水。

3.2 野外工作

瞬變電磁法選用的是長(zhǎng)沙白云儀器開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的MSD-2瞬變電磁儀，發(fā)射線(xiàn)框?yàn)?00m×500m的矩形回線(xiàn)大線(xiàn)框，發(fā)射線(xiàn)框是根據(jù)已有的井位由南向北布置，框內(nèi)布置一條測(cè)線(xiàn)，布置方向?yàn)槟媳狈较?，點(diǎn)距30m，線(xiàn)圈接收的等效面積為1 080m2，供電電流3A，其發(fā)射頻率25Hz，疊加次數(shù)為100次，延遲時(shí)間為100μs。

放射性測(cè)量使用儀器為FFA-2快速α數(shù)字閃爍輻射儀，測(cè)點(diǎn)與瞬變電磁測(cè)點(diǎn)重合?？紤]到氡氣衰變具有隨機(jī)性，為了讓測(cè)得的數(shù)據(jù)更可靠，本次單點(diǎn)連續(xù)測(cè)量多次（5次以上），直到數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定為止，然后每個(gè)點(diǎn)記錄5次數(shù)據(jù)，取其總和來(lái)繪制放射性曲線(xiàn)圖。

激電測(cè)深法選用儀器為WDJD-3A多功能數(shù)字直流激電儀，裝置為等比測(cè)深裝置，測(cè)點(diǎn)位置的布置是根據(jù)已繪制出的瞬變電磁視電阻率斷面圖和放射性α曲線(xiàn)圖來(lái)確定，基本是在低阻異常且放射性高異常的附近布置激電測(cè)線(xiàn)。

3.3 解釋及結(jié)果

圖5（b）為瞬變電磁視電阻率斷面圖，在橫向上可得出以下結(jié)論。

①深度為50～200m，整個(gè)區(qū)域呈相對(duì)高阻且阻值大致相同，電性反映為350～450Ω·m。

②深度為200～600m，整個(gè)區(qū)域呈高低阻相間形式。其中，在0～240m呈現(xiàn)高阻，電性反映為450～700Ω·m;在240～480m視電阻率較低，電性反映為300～350Ω·m，視電阻率曲線(xiàn)形態(tài)上顯示向下凹陷，異常深度300m;在480～1 000m呈現(xiàn)高阻，電性反映為500～750Ω·m;在1 020～1 180m，視電阻率較低，電性反映為200～300Ω·m，視電阻率不連續(xù)，與兩邊呈現(xiàn)出高低阻相間形式，視電阻率曲線(xiàn)形態(tài)上顯示向下凹陷，異常深度250m;在1 200～1 900m呈現(xiàn)高阻，電性反映為500～700Ω·m，在1 920～2 160m視電阻率較低，電性反映為350～450Ω·m?？傮w來(lái)看，在300～450m、1 050～1 140m、1 960～2 010m 3處發(fā)現(xiàn)低阻異常。

根據(jù)視電阻率斷面圖梯度帶的位置、視極化率曲線(xiàn)圖及已有的鉆孔資料推測(cè)鉆井地層如下。①0～100m為黃土層。②100～350m電阻率呈現(xiàn)為相對(duì)高阻，其巖性主要為灰褐色、深灰色灰?guī)r，中厚層豹斑灰?guī)r，白云質(zhì)灰

巖和白云巖。③350～600m以灰色中厚層塊狀微細(xì)晶灰質(zhì)白云巖為主，含水性較差，水位線(xiàn)以上基巖裂隙表現(xiàn)為高阻異常，水位線(xiàn)以下基巖裂隙表現(xiàn)為低阻異常，因此該段電阻率分布不均勻，推斷出其存在裂隙或者斷裂。根據(jù)已知井位對(duì)應(yīng)的異常位置，即約為[x]=2 090m處，有明顯的向下凹陷的低阻異常，由此設(shè)計(jì)井位并圈定主剖面異常位置，然后在異常處安排激電法和放射性法工作來(lái)對(duì)比、驗(yàn)證。

通過(guò)對(duì)異常區(qū)做激電測(cè)深和放射性工作，得出的曲線(xiàn)圖如圖5（a）和圖6所示。1#和2#在深度為350m以下均顯視充電率高異常且放射性α也呈現(xiàn)高幅值。

對(duì)比3種物探方法結(jié)果圖，推測(cè)出這兩處異常是由裂隙發(fā)育帶所引起的，因此，建議將主剖面330、1 030m兩處作為鉆孔位置。經(jīng)過(guò)后期的水文鉆井驗(yàn)證，兩處涌水量均已達(dá)到村民生活用水和農(nóng)業(yè)用水的需求量。

4 結(jié)論

在復(fù)雜地質(zhì)背景下，根據(jù)不同的地質(zhì)條件和工作要求，針對(duì)性地選取多種物探方法來(lái)綜合分析、解釋?zhuān)蕴岣吖ぷ髻|(zhì)量?；谒沧冸姶欧ê图る姺ǜ髯蕴卣鳎⒘硕鄬咏橘|(zhì)的正演模型，驗(yàn)證兩種方法找水的可行性，符合實(shí)際，便于工程物探應(yīng)用。

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