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(duì)，河北 保定 071051；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074）

地下水資源的開(kāi)發(fā)利用與社會(huì)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(guó)自1950年已經(jīng)開(kāi)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(guò)幾十年的研究和探索實(shí)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(lái)，水文物探技術(shù)研究的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)移到基巖山區(qū)，為了解決勘查難度和范圍較大等問(wèn)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(cè)井法[17]、地面核磁共振法[18-21]、淺層高分辨率地震[22]等，測(cè)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(shí)、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(shì)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(shí)間長(zhǎng)達(dá)5個(gè)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(wèn)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(kāi)發(fā)利用率低等問(wèn)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(cè)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(duì)有利富水地段采用激電半衰時(shí)、偏離度等地球物理參數(shù)對(duì)含水層位置進(jìn)行判別，經(jīng)鉆探驗(yàn)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(diǎn)和綜合物探找水經(jīng)驗(yàn)，可為在類似地區(qū)進(jìn)行地下水探測(cè)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(diǎn)，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(zhǎng)花崗巖、粗中粒含斑黑云母正長(zhǎng)花崗巖、細(xì)中粒斑狀黑云正長(zhǎng)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(jiǎn)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?，也是本次地下水勘查工作的主要探測(cè)對(duì)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(shí)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(cè)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(diǎn)，確定工作思路和物探方法組合。當(dāng)斷裂構(gòu)造含水時(shí)，相應(yīng)深度巖石電性參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，視電阻率數(shù)值會(huì)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(cè)深和高密度電阻率法兩種物探方法，開(kāi)展聯(lián)合物探剖面組合探測(cè)，相互補(bǔ)充和驗(yàn)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(shí)和偏離度的對(duì)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(cè)深

音頻大地電磁測(cè)深是通過(guò)觀測(cè)地層電性參數(shù)在縱向及橫向上的變化規(guī)律來(lái)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(diǎn)是探測(cè)深度大，分辨率高。該探測(cè)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(huì)隨著電阻率和頻率變化而變化，所獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)信息是在地下研究深度相對(duì)應(yīng)的某一個(gè)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(cè)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(guò)傅里葉變換來(lái)獲得電場(chǎng)和磁場(chǎng)實(shí)虛分量數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算對(duì)應(yīng)頻率的電阻率和相位數(shù)據(jù)。在對(duì)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(cè)點(diǎn)高程的快速松弛二維反演。本次使用的設(shè)備是美國(guó)勞雷公司研制的連續(xù)電導(dǎo)率儀（EH-4），它是通過(guò)測(cè)量不同巖石的電阻率值來(lái)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(jiàn)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(jí)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(cè)方法，根據(jù)在施加電場(chǎng)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(guò)A、B電極向地下供電流I，然后在M、N極間測(cè)量電位差ΔV，從而可求得該點(diǎn)(M、N之間)的視電阻率值，計(jì)算公式如下：

根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率剖面，進(jìn)行計(jì)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(cè)深半衰時(shí)參數(shù)

激電半衰時(shí)測(cè)深是電法勘探的一個(gè)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(duì)相對(duì)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(shí)Fig.4 Decay curve and half decay time of IP secondary potential

半衰時(shí)參數(shù)是斷電后二次場(chǎng)ΔV2第一個(gè)取樣值衰減到一半時(shí)所反應(yīng)的時(shí)間。這一參數(shù)是根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)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(shí)大，表示極化介質(zhì)二次場(chǎng)放電慢；而半衰時(shí)小，則表示放電速度快。在含水巖體上，其半衰時(shí)（Th）通常都以高值異常形式出現(xiàn)。

偏離度參數(shù)是實(shí)測(cè)衰減曲線與直線方程的擬合程度，用均方相對(duì)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(shí)偏離度減小，含水層的偏離度（r）表現(xiàn)為低值。因此，通過(guò)激發(fā)極化法測(cè)量（電阻率）所反映二次場(chǎng)振幅大小及衰減快慢的半衰時(shí)、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(jì)布設(shè)EH4音頻大地電磁測(cè)深40個(gè)物理點(diǎn)，布設(shè)高密度電阻率法剖面長(zhǎng)度400 m以及激電半衰時(shí)測(cè)深（測(cè)量地球物理參數(shù)包括:視電阻率、半衰時(shí)、偏離度）2個(gè)物理點(diǎn)（圖5、表1）。

表1 研究區(qū)測(cè)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(shí)測(cè)深在剖面解譯異常的中部布設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)，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(chǎng)試驗(yàn)調(diào)試，EH4使用單點(diǎn)張量測(cè)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(gè)別測(cè)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，工頻濾波選擇50 Hz陷波器，通過(guò)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(shí)測(cè)深使用WDA-1超級(jí)數(shù)字直流電法儀，直接讀取半衰時(shí)（Th），偏離度（r）等地球物理參數(shù)。選用裝置型式為等比對(duì)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(cè)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(cè)深物探綜合剖面圖（圖6）可見(jiàn)，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(duì)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(cè)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(cè)深在垂向分辨率和細(xì)節(jié)上更為清晰地刻畫(huà)了深部電性特征的變化情況。兩條剖面在180～200號(hào)點(diǎn)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(cè)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(duì)剖面的180～200 m附近解譯的斷裂破碎帶位置開(kāi)展了激電半衰時(shí)測(cè)深工作，對(duì)視電阻率（ρs）、激電半衰時(shí)（Th）和偏離度（r）三個(gè)地球物理參數(shù)進(jìn)行了解譯（圖7）。

圖7 激電測(cè)深半衰時(shí)（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(cè)深半衰時(shí)Th曲線的首支在660～790 ms之間變化且呈上升趨勢(shì)，推測(cè)為第四系覆蓋層的反映；中部在860～920 ms之間變化，推測(cè)為花崗巖上部風(fēng)化層含水引起。當(dāng)AB/2為350 m時(shí)，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(cè)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(shí)曲線呈上升趨勢(shì)、偏離度曲線則逐級(jí)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(gè)主要區(qū)段；在AB/2=400 m之后視電阻率曲線呈上升趨勢(shì)，以及其它兩參數(shù)的半衰時(shí)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(duì)完整。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)電性特征的綜合研究分析認(rèn)為，在對(duì)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(shí)（Th）和偏離度（r）三個(gè)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(yàn)證與探測(cè)效果分析

5.1 鉆孔LMSSK07驗(yàn)證情況

經(jīng)過(guò)綜合分析，最終井位定于剖面180～200號(hào)點(diǎn)處，設(shè)計(jì)深度170 m。鉆孔LMSSK07在11 m深處穿過(guò)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(yàn)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(cè)效果分析

在對(duì)研究區(qū)物探成果資料和鉆孔LMSSK07資料分析的基礎(chǔ)上，對(duì)不同物探方法的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)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(cè)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(cè)深法施工方便，效率高，探測(cè)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(cè)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(cè)淺部斷裂破碎帶；激電半衰時(shí)測(cè)深的偏離度（r）和半衰時(shí)（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(shí)踐證明，音頻大地電磁測(cè)深和高密度電阻率法相結(jié)合能有效地探測(cè)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(shí)（Th）和偏離度（r）三個(gè)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(cè)深法施工方便，探測(cè)深度大，能夠詳細(xì)探測(cè)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(cè)深度有限，適用于探測(cè)淺部斷裂破碎帶；激電半衰時(shí)測(cè)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(cè)深、高密度電阻率法以及激電半衰時(shí)測(cè)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(cè)效果，可為以后在類似地區(qū)開(kāi)展找水工作提供技術(shù)參考。