高密度電阻率法在工業(yè)園區(qū)地下水勘查中的應(yīng)用

長(zhǎng)孫月雷　張選朋　穆偉　劉寬宏

關(guān)鍵詞：高密度電阻率法;含水層;反演;解釋

近年來，高密度電法在水資源和工程勘查中的應(yīng)用越來越多，高密度電法作為直流電法的一種作業(yè)方式，其特點(diǎn)是一次布極，實(shí)現(xiàn)跑極和數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化，野外工作效率高，數(shù)據(jù)可靠性高，但由于其布極密度較高，經(jīng)常應(yīng)用在地形比較好的地區(qū)。高密度電法的應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)于解決目前水資源調(diào)查和工程勘查，起了很大作用。

有關(guān)高密度電法在工程勘察和水資源調(diào)查中的應(yīng)用，前人做了大量工作。張賡等（2013）等采用高密度電法對(duì)蓄水池滲漏點(diǎn)進(jìn)行了研究。余金煌等（2014）等通過研究高密度電法不同裝置水下拋石工程的正反演計(jì)算，發(fā)現(xiàn)溫納裝置反演結(jié)果最佳，為水下拋石工程質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了理論基礎(chǔ)。劉金安（2016）采用高密度電法探查水庫大壩滲漏，水庫庫岸穩(wěn)定性，海堤砌石體深度探測(cè)。黃國(guó)民等（2019）通過實(shí)例分析，總結(jié)碎屑巖地區(qū)高密度電法找水經(jīng)驗(yàn)?？捣狡降龋?020）等采用視電阻率聯(lián)合剖面法、高密度電阻率法和激電測(cè)深法相結(jié)合的綜合物探方法進(jìn)行探測(cè)，可有效地查明區(qū)內(nèi)賦水相對(duì)有利的斷層構(gòu)造等部位，從而實(shí)現(xiàn)間接找水的目的。綜上所述，高密度電法是一類效果明顯的水文地質(zhì)地球物理勘查方法。其工作時(shí)效率較高，地電剖面成像準(zhǔn)確，已經(jīng)成為許多物探工作者在水資源和工程勘察中常用的一種方法。

本文結(jié)合前人研究，在充分了解工作區(qū)地質(zhì)、水文和地球物理特征的前提下，采用高密度電阻率方法對(duì)工作區(qū)水資源分布情況進(jìn)行調(diào)查。通過對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理、反演和解釋，研究整個(gè)研究區(qū)含水砂礫層的厚度和埋深情況，為工業(yè)井選址提供了依據(jù)。

1地質(zhì)與地球物理特征

1.1地質(zhì)概況

工作區(qū)處于西秦嶺山地和隴西黃土高原過渡帶，位于耤河河谷南岸一級(jí)階地，天水市某工業(yè)園區(qū)內(nèi)部大部分面積修建了廠房及水泥路，只有小面積的第四系黃土和砂礫、卵石出露，地勢(shì)平緩，有少數(shù)植被覆蓋。工作區(qū)所在地段藉河河谷兩側(cè)南北山地表黃土覆蓋，只在部分坡溝有小面積的第三系泥巖出露。黃土丘陵區(qū)內(nèi)黃土斜梁、斜坡與沖溝并存，溝深坡陡，地形坡度一般為10°～30°，部分地段達(dá)40°～50°，沖溝坡段達(dá)50°以上，溝谷幾乎垂直藉河呈南北向發(fā)育，切割深度一般10～30 m，多為黃土沖溝，部分沖溝切割到泥巖（圖1）。

天水市區(qū)位于秦嶺緯向構(gòu)造和祁呂賀山字型構(gòu)造體系的前孤，南北兩山橫亙，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，地貌結(jié)構(gòu)基本特征為“兩山夾一川”。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，無區(qū)域性深大斷裂構(gòu)造通過。本次工作區(qū)地質(zhì)資料查明，區(qū)內(nèi)地層自上而下主要為第四系沖、洪積層和新近系泥巖層。1）雜填土（Q），分布整個(gè)場(chǎng)地，雜色，稍濕，松散—稍密。土質(zhì)不均勻，上部以粉土、碎石為主，包含有大量植物根莖，少量磚塊、碳屑、生活垃圾等雜物，下部有20～40 cm厚的耕土。該層厚度0.40～1.70 m。2）砂礫石層（Q）遍布整個(gè)場(chǎng)地，雜色，稍濕一飽和，中密為主，局部稍密;地層不均勻，夾有中砂、礫砂、粉土、卵石粒，局部無規(guī)律相變?yōu)槁咽?，偶含漂石，漂石巖芯呈短柱狀;骨架顆粒成分主要為石英砂巖、花崗巖和變質(zhì)巖，呈微風(fēng)化狀;該層成因主要為河流沖積作用，經(jīng)遠(yuǎn)距離搬運(yùn)堆積形成;分選差，級(jí)配不良，磨圓度中等，多呈亞圓狀。該層總厚度為4.70～14.60 m，是本次高密度電法探測(cè)的主要含水目的層。3）泥質(zhì)粉砂巖、泥巖（N），遍布整個(gè)場(chǎng)地，灰綠色，密實(shí)，土質(zhì)均勻，上部約1.5 m呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，層狀結(jié)構(gòu)，主要礦物有高嶺土、白云母、方解石、石膏等;巖石結(jié)構(gòu)較完整，隱約可見水平沉積層理，巖石致密，據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及以往在該地區(qū)的鉆探實(shí)踐，該層厚度大于50 m。

工作區(qū)及周邊地下水的形成受地質(zhì)、水文、構(gòu)造及地貌等因素控制，主要為第四系松散巖類孔隙水，該類地下水依據(jù)埋藏條件和賦存特征分為2類：黃土潛水和河谷潛水。黃土潛水主要分布在工作區(qū)以南靠近南山山前部位，該類地下水賦存于黃土下部粉質(zhì)黏土與灰綠色泥巖風(fēng)化層中，地下水埋深較淺，上部粉質(zhì)黏土透水性極差，通常不含水。該類水中泉流量小于0.001 L·s，但水質(zhì)較好，礦化度小。河谷潛水是工作區(qū)主要地下水類型，主要含水層為耤河一級(jí)階地砂礫石、圓礫層，地下潛水面埋深5～6m，含水層厚度1～19 m，最厚處19 m，區(qū)內(nèi)由北向南含水層逐漸變厚;地下水補(bǔ)給主要來自大氣降水和耤河側(cè)向補(bǔ)給，向河流及下游經(jīng)短距離徑流排泄。

1.2地球物理特征

地層結(jié)構(gòu)電性變化差異是開展高密度電阻率法探測(cè)方法的地球物理前提條件。此次高密度電阻率法探測(cè)的主要含水目的層為礫砂層，其含水地段相對(duì)不含水地段表現(xiàn)為低阻，基巖為泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，表現(xiàn)為相對(duì)低阻特征，根據(jù)地層以上電性特點(diǎn)，采用高密度電阻率法探測(cè)方法，可以探測(cè)到水量較豐富礫砂層地段及基巖起伏變化情況，故工作區(qū)場(chǎng)地具備開展高密度電阻率法的地球物理前提（表1）。

2工作方法技術(shù)

根據(jù)工作區(qū)的地質(zhì)、水文、地形條件和研究目標(biāo)，高密度電阻率法成為本次工作的首選方案。高密度電法集中了電剖面法和電測(cè)深法的優(yōu)勢(shì)，其原理與普通電阻率法相同，所不同的是在觀測(cè)中設(shè)置了高密度的觀測(cè)點(diǎn)，它是一種陣列勘探方法（鄭智杰等，2019）。工作區(qū)場(chǎng)地規(guī)則，地勢(shì)較為平坦，電測(cè)剖面布設(shè)方向東西向或南北向，使用GPS和皮尺確定測(cè)點(diǎn)位置。本次工作數(shù)據(jù)采集采用WDJD-3多功能數(shù)字直流激電儀為測(cè)控主機(jī)，配以WDZJ-3多電極轉(zhuǎn)換器構(gòu)成高密度電阻率測(cè)量系統(tǒng)，電極裝置采用溫納裝置。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行DZ/T0153-95《物化探工程測(cè)量規(guī)范》、DZ/T0073—93《電阻率剖面法技術(shù)規(guī)范》和DZ/T 0072-93《電阻率測(cè)深法技術(shù)規(guī)范》。

開展工作前，通過實(shí)驗(yàn)，選擇MN為2.5 m作為本次高密度電阻率法的測(cè)量參數(shù)。本次高密度電阻率法探測(cè)工作共完成探測(cè)剖面3條（圖2），長(zhǎng)度343 m，物理點(diǎn)數(shù)140個(gè)。

3數(shù)據(jù)處理與解釋

3.1數(shù)據(jù)處理

高密度電阻率法野外數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)整理、格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯、施加地形信息、設(shè)置反演參數(shù)、斷面數(shù)據(jù)反演，最終形成含有地形信息的反演斷面圖，并結(jié)合地質(zhì)、鉆探資料進(jìn)行解釋，資料處理。

3.2資料反演和解釋

資料解釋遵循從已知到未知、從點(diǎn)到面、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從局部到全區(qū)的原則（沈福斌等，2021）。充分收集區(qū)內(nèi)地質(zhì)、水文等資料，充分考慮各種復(fù)雜因素對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，認(rèn)真分析電性斷面參數(shù)和地質(zhì)斷面之間的聯(lián)系。根據(jù)以上原則，通過分析本次高密度電阻率法的電阻率斷面等值線異常特征，劃分?jǐn)嗝娴刭|(zhì)結(jié)構(gòu)，推測(cè)區(qū)內(nèi)主要含水砂礫石層埋深、厚度及空間展布形態(tài)等情況。

3.2.1 L1剖面資料反演和解釋

由于L1剖面上鉆孔數(shù)據(jù)豐富（圖3），在開展工作之前，可以將L1剖面作為一條試驗(yàn)剖面，通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理反演和解釋，并結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)印證或輔助解釋，使得高密度解釋成果更加可靠。這樣做的目的是通過鉆孔施工剖面與高密度探測(cè)剖面結(jié)果的對(duì)比，總結(jié)不同地層巖性的電阻率特征，為其他地段高密度探測(cè)斷面的解釋提供依據(jù)。L1剖面的反演和解釋成果見圖4。

反演結(jié)果（圖4）與鉆孔施工工程地質(zhì)剖面（圖3）對(duì)比可知，在地下0～5m沿水平方向電阻率等值線不連續(xù)，電阻率總體表現(xiàn)為中阻異常，電阻率值范圍小于100Ω·m，局部夾雜低阻團(tuán)塊異常，對(duì)比鉆孔地質(zhì)資料，推測(cè)為地表第四系不均勻雜填土引起。在地下2～23 m范圍內(nèi)上部沿水平方向電阻率等值線較連續(xù)，電阻率總體表現(xiàn)為中阻，局部存在團(tuán)塊狀高阻異常，電阻率值范圍為幾十到幾百歐姆·米，對(duì)比鉆孔地質(zhì)資料，推測(cè)為第四系砂礫石層，砂礫石層頂部埋深2～5m，厚度2～15m。局部存在團(tuán)塊狀高阻異常，可能是砂礫石層局部夾大直徑圓礫引起;在該層下部沿水平方向電阻率等值線較連續(xù)，電阻率總體表現(xiàn)為中低阻，對(duì)比鉆孔地質(zhì)資料，推測(cè)第四系砂礫石層含水量較大引起。在地表約7～23 m，電阻率總體表現(xiàn)為低阻，電阻率值范圍為幾到幾十歐姆·米，沿水平方向電阻率等值線連續(xù)，對(duì)比鉆孔地質(zhì)資料，推測(cè)為第三系砂質(zhì)泥巖層引起。

3.2.2 L17剖面資料反演和解釋

剖面長(zhǎng)117.5 m，點(diǎn)距2.5 m，方位90°，根據(jù)試驗(yàn)剖面解釋成果和區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料，由反演視電阻率斷面推測(cè)：不均勻雜填土埋深約為0～5m，第四系砂礫石層埋深約為2～21m，厚度12～15 m，泥巖頂界面埋深約為19～21 m（圖5）。

4結(jié)論

1）采用高密度電阻率方法，對(duì)兩條剖面進(jìn)行了綜合分析解釋，推測(cè)出區(qū)內(nèi)主要含水砂礫層埋深、厚度及空間展布形態(tài)等情況。推測(cè)南部砂礫石層較厚，埋深較大，含水情況比較有利。

2）依據(jù)工作區(qū)高密度電測(cè)深解釋成果，綜合區(qū)內(nèi)地質(zhì)、工程鉆探、水文等資料，對(duì)工作區(qū)地下水含水層進(jìn)行了分析，建議選擇工業(yè)用水井位置2個(gè)，分別位于L1剖面52 m處，含水層砂礫石埋深3～22 m，厚約19 m;L17剖面60 m處，含水層砂礫石埋深3～21m，厚約17m。

3）在完成實(shí)驗(yàn)剖面后，通過鉆孔驗(yàn)證，通過對(duì)比分析，砂礫石厚度與物探推測(cè)厚度一致，由此可見，本次高密度電阻率法結(jié)果的可靠性。