楊青峰，劉彥華，蔣玉坤

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綜合地球物理方法在坦桑尼亞某電廠水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

楊青峰1，劉彥華1，蔣玉坤2

( 1.江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，江蘇 淮安 223003；2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán) 華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

EH4電阻率成像系統(tǒng)是將部分可控源與天然源相結(jié)合的一種大地電磁測(cè)深系統(tǒng)。電測(cè)井是通過(guò)測(cè)量人工或天然電場(chǎng)，研究鉆孔剖面地層電學(xué)性質(zhì)的一種方法。本文以坦桑尼亞某電廠水文地質(zhì)勘察為例，說(shuō)明這兩種方法在查明該場(chǎng)區(qū)的地層結(jié)構(gòu)、基巖面起伏以及覆蓋層中的水文地質(zhì)情況具有良好的應(yīng)用效果。實(shí)踐證明，大地電磁測(cè)深、鉆孔電阻率測(cè)井及自然電位測(cè)井是水文地質(zhì)勘察中最優(yōu)的物探手段。

水文地質(zhì)勘察；EH4電磁成像系統(tǒng)；電阻率測(cè)井；自然電位測(cè)井；坦桑尼亞

( 1.JiangsuProvinceHydrogeologyandEngineeringGeologyReconnaissanceInstitute,Huai’anJiangsu223003,China;2.EastChinaPowerDesignInstituteCo.,Ltd,ChinaPowerEngineeringConsultingGroup,Shanghai200063,China)

1 引 言

地球物理方法作為水文地質(zhì)調(diào)查必不可少的手段之一，被廣泛地用于尋找地下水，圈定構(gòu)造，及其走向和斷距，解釋基底埋深，劃分含水層的空間分布等方面。EH4是一種新的物探方法，在我國(guó)已成功運(yùn)用在地礦、煤炭、水利、水電系統(tǒng)的找礦、找水等具體工程中，但在國(guó)外找水工程中的公開(kāi)資料較少。本次在坦桑尼亞某電廠中運(yùn)用EH4電磁成像系統(tǒng)，并結(jié)合鉆孔視電阻率及自然電位測(cè)井手段，為電廠水文地質(zhì)調(diào)查提供了可靠的物性資料。

2 場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件與巖土體的地球物理特征

2.1 場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件

坦桑尼亞某電廠位于坦桑尼亞?wèn)|海岸，距印度洋約20 km，該場(chǎng)地地勢(shì)有一定起伏，東低西高，地表高程在82～93 m。地貌屬坦桑尼亞?wèn)|部丘陵，場(chǎng)地中部有一東西向季節(jié)溪流貫穿場(chǎng)地，旱季無(wú)水，雨季有少量匯水，寬度10～20 m。場(chǎng)地內(nèi)無(wú)人員居住及建筑物，地表分布松散灰白色砂土，灌木叢生。地層主要為以粉質(zhì)黏土混粉砂為主的第四紀(jì)早期地層，厚度在50 m左右；新近紀(jì)晚期地層以砂層為主，夾黏土層，砂層泥質(zhì)成分非常高，雖厚度很大，但富水性和導(dǎo)水性都極差?；鶐r主要為第三系砂泥巖和白堊系砂礫巖，在場(chǎng)區(qū)以西Pugu山出露，其余地區(qū)埋藏很深。

2.2 巖土體的地球物理特征

地下巖、土層由于其成分、結(jié)構(gòu)、顆粒大小、組合形式的不同，不同巖、土層之間存在著電性差異，同樣的或相近的巖、土層由于含水量的不同，也存在電性差異。而砂層也會(huì)因其泥質(zhì)含量的不同，電阻率會(huì)發(fā)生變化。地下各種巖土體會(huì)受地質(zhì)構(gòu)造的影響，電性也會(huì)發(fā)生變化。地下巖、土層具有的電性差異就是本次物探評(píng)價(jià)地下水工作采用大地電磁測(cè)深、電阻率法的地球物理前提，其巖土介質(zhì)的物性參數(shù)如表1所示。

3 野外工作方法

本次大地電磁測(cè)深共布置6條測(cè)線。采用手持GPS放置測(cè)點(diǎn)和測(cè)線[1]。后期采用GPS雙頻RTK系統(tǒng)對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)。測(cè)區(qū)及測(cè)線位置見(jiàn)圖1。

表1 巖土介質(zhì)物性參數(shù)

圖1 測(cè)區(qū)及測(cè)線位置Fig.1 Measurement area and line position

3.1 EH4電磁成像系統(tǒng)

3.1.1 EH4電磁成像系統(tǒng)工作原理

EH4屬于部分可控源與天然源相結(jié)合的一種大地電磁測(cè)深系統(tǒng)[2]。當(dāng)頻率在10～1 000 Hz時(shí)，可以采集天然電磁場(chǎng)信號(hào)；當(dāng)頻率在500～100 kHz時(shí)，天然場(chǎng)信號(hào)中高頻成分比較弱，這時(shí)，使用人工電磁信號(hào)補(bǔ)償天然信號(hào)的不足，實(shí)現(xiàn)天然信號(hào)源與人工信號(hào)源的采集和處理，可有效地穿透不同厚度的覆蓋層，高精度反演地下0～1 000 m的地質(zhì)體的電性結(jié)構(gòu)。連續(xù)的測(cè)深點(diǎn)陣組成地下二維電阻率剖面，甚至三維立體電阻率成像[3]。

EH4野外測(cè)量采用剖面法，其野外工作裝置布置如圖2所示。以測(cè)線方向?yàn)閤軸，垂直測(cè)線方向?yàn)閥軸，在測(cè)點(diǎn)上沿x、y放線布置兩組相互正交的高頻磁探頭和電極，采用“十”字形方式布極，根據(jù)地形、地物條件，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的電極距為15～25 m不等，布極方向分別平行(Ex)和垂直(Ey)于測(cè)線。同樣，磁傳感器也分別平行(Hx)和垂直(Hy)于測(cè)線。[4]

EH4電磁成像系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱EH4)是一種國(guó)際上先進(jìn)的高頻大地電磁系統(tǒng)。其原理是通過(guò)觀測(cè)相互正交的兩個(gè)電場(chǎng)分量(Ex，Ey)和兩個(gè)磁場(chǎng)分量(Hx，Hy)的時(shí)間序列，利用觀測(cè)值求得xy，yx兩個(gè)方向上的視電阻率和相位差[9]。

其計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：f為頻率，Hz；ρ為電阻率，Ω·m；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，mV/km；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，nT。

上述是把在大地當(dāng)成均勻介質(zhì)情況下推導(dǎo)出來(lái)的電阻率公式，但大地一般都是非均勻的，為趨膚深度內(nèi)介質(zhì)電阻率的綜合值，通常稱為視電阻率。

在電磁法理論中，將電磁場(chǎng)在大地中傳播時(shí)，其振幅衰減到初始值1/e時(shí)的深度稱為穿透深度或趨膚深度δ。趨膚深度為

(3)

由式(3)可知，趨膚深度δ將隨電阻率ρ和頻率f的變化而變化。根據(jù)電磁波傳播的特征可知，上式三式表明，探測(cè)深度隨頻率的降低而增大，視電阻率增大對(duì)電磁場(chǎng)的衰減作用反而更小[6，7]。因此在相同的電阻率情況下可以通過(guò)采集較低頻率的信號(hào)來(lái)獲得更深的探測(cè)深度。在一個(gè)寬頻帶上觀測(cè)到的電場(chǎng)和磁場(chǎng)信息可反演出不同深度介質(zhì)的電阻率分布信息[8-12]。

圖2 EH4電磁成像系統(tǒng)工作裝置布置Fig.2 Arrangement of working device of EH4 electromagnetic imaging system

3.1.2 EH4電磁成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與分析

EH4采集的數(shù)據(jù)先進(jìn)行預(yù)處理，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行傅立葉變換，獲得電場(chǎng)和磁場(chǎng)虛實(shí)分量和相位數(shù)據(jù)，并進(jìn)行一維Bostic反演。在一維反演的基礎(chǔ)上，室內(nèi)資料處理中采用Robust估計(jì)方法處理時(shí)間序列資料，最大限度地壓制了不相關(guān)噪聲的影響，獲得高質(zhì)量的張量阻抗元素。利用EH4系統(tǒng)的二維成像軟件進(jìn)行快速自動(dòng)二維電磁成像，生成dat格式的文件。將場(chǎng)區(qū)測(cè)線及高程代替橫縱坐標(biāo)，生成EH4電阻率數(shù)據(jù)。

3.2 鉆孔電測(cè)井

電測(cè)井是通過(guò)測(cè)量人工或天然的電場(chǎng)，研究鉆井剖面地層的電學(xué)性質(zhì)，結(jié)合鉆探取芯資料，可以對(duì)地層巖性、含水層水文地質(zhì)特征等方面做出定性和定量解釋，為水文地質(zhì)勘察工作提供準(zhǔn)確可靠的物探參數(shù)。

3.2.1 自然電位測(cè)井法

自然電位測(cè)井的基本方法：如圖3所示，在井內(nèi)放置測(cè)量電極M，地面放置測(cè)量電極N，將M電極沿井筒移動(dòng)，可測(cè)出一條井內(nèi)自然電位隨深度變化的曲線。

測(cè)量原理：固定地面的電極N，其電位VN是一個(gè)恒定值。當(dāng)測(cè)量電極M在井中移動(dòng)時(shí)，電位差計(jì)所測(cè)得的電位差ΔVMN會(huì)隨之發(fā)生變化，這種變化就是井下自然電位的變化，而繪制電位差隨井深變化的曲線，即自然電位曲線。自然電位曲線的變化與巖性有密切關(guān)系，分析曲線中明顯的異常能得出其含水層的滲透性規(guī)律，這在水文地質(zhì)測(cè)井上具有非常重要的意義。

圖3 電測(cè)井自然電位法原理Fig.3 Principle diagram of electric logging natural potential method

3.2.2 電阻率測(cè)井法

電阻率測(cè)井的基本方法如下：如圖4所示，在井內(nèi)放置電極系(底部梯度電極系)，電極系由供電電極A、測(cè)量電極M、N組成，地面放置供電電極B，將電極系沿井筒移動(dòng)，可測(cè)出一條井內(nèi)視電阻率隨深度變化的曲線。

圖4 電測(cè)井視電阻率法原理Fig.4 Principle diagram of electric logging apparent resistivity method

測(cè)量原理：電極系在井中時(shí)，由供電電極(A、B)供給的電流流過(guò)地層，另兩個(gè)測(cè)量電極(M、N)測(cè)量電位差，根據(jù)測(cè)量的電位差和供電電流來(lái)確定電阻率。均勻介質(zhì)的視電阻率為：

ρs=(4π·AM·AN/MN)·ΔVMN/I

(4)

令K=4π·AM·AN/MN

4 場(chǎng)區(qū)地球物理成果分析

4.1 水文地質(zhì)條件分析

場(chǎng)區(qū)地下水類型主要為松散層孔隙水和基巖風(fēng)化裂隙水。松散層孔隙水主要賦存于第四系地層和第三系松散層中，由于第四系地層以黏性土為主，其富水性很差；第三系松散層雖以砂層為主，但其泥質(zhì)含量較高，其富水性亦很差。基巖風(fēng)化裂隙水則主要賦存于基巖與松散層交界處的風(fēng)化地層以及構(gòu)造裂隙中，其富水性和松散層相對(duì)較好，但由于場(chǎng)區(qū)基巖埋藏深，而第三系主要為砂泥巖，其風(fēng)化裂隙多為泥質(zhì)充填，導(dǎo)致其富水性和導(dǎo)水性也很差[5]。

4.2 EH4大地電磁測(cè)深資料解釋

擬建電廠位于整個(gè)場(chǎng)地的東南角。根據(jù)前期鉆孔資料以及業(yè)主要求，本次EH4大地電磁測(cè)深共布置測(cè)線6條，其中3條主測(cè)線長(zhǎng)度約1 000 m，3條次測(cè)線布置在擬建電廠區(qū)域，長(zhǎng)度約500 m。各測(cè)線編號(hào)分別為：L1、L2、L3、L4、L5、L6，其中南北向測(cè)線為L(zhǎng)1、L3、L6，東西向測(cè)線為L(zhǎng)2、L4、L5，線距不等，點(diǎn)距均為25 m。

首先測(cè)量的為L(zhǎng)1、L2、L3主測(cè)線，計(jì)劃在主測(cè)線成果中找出低阻帶，結(jié)合地質(zhì)資料分析低阻帶中富水性較好的區(qū)域，然后在擬建電廠區(qū)域布置次測(cè)線，計(jì)劃在該區(qū)域加密測(cè)量并布置水文鉆孔，進(jìn)一步研究富水性。

圖5為L(zhǎng)1測(cè)線視電阻率斷面圖，測(cè)線位于測(cè)區(qū)中部，自西而東測(cè)量，長(zhǎng)1 030 m。圖中0～250 m、450～750 m均為視電阻率高阻區(qū)域；上部高程至55 m的視電阻率呈似層狀低阻電性特征，推斷為粉質(zhì)黏土混粉砂為主的覆蓋層，而高程55 m以下區(qū)域視電阻率梯度變化大，推斷為顆粒較粗或固結(jié)程度較高的砂層(砂礫巖)，結(jié)合水文資料分析，這兩段的富水性及導(dǎo)水性都較差。圖中250～450 m、750～1 030 m視電阻率整體數(shù)值低；推斷上部高程至55 m為粉質(zhì)黏土混粉砂為主的低阻地層；高程在55～-400 m視電阻率整體較低，推斷為泥質(zhì)含量較高的砂層(砂礫巖)，故其富水性較差。綜合分析L1測(cè)線，在250～350 m雖處于擬建電廠位置之外， 但視電阻率高低阻接觸帶，可做進(jìn)一步研究。

圖5 L1測(cè)線視電阻率等值線斷面Fig.5 L1 survey line apparent resistivity contour map

圖6為L(zhǎng)3測(cè)線視電阻率斷面圖，測(cè)線位于測(cè)區(qū)中偏南部，自西而東測(cè)量，長(zhǎng)1 015 m。圖中0～500 m為視電阻率高阻區(qū)域；上部高程至55 m視電阻率呈似層狀低阻電性特征，推斷為粉質(zhì)黏土混粉砂為主的地層，高程55 m以下區(qū)域視電阻率梯度變化大，推斷為顆粒較粗或固結(jié)程度較高的砂層(砂礫巖)，結(jié)合水文資料分析，其富水性及導(dǎo)水性都較差。圖中500～1 015 m為視電阻率整體較低，推斷上部高程至55 m為粉質(zhì)黏土混粉砂為主的地層；高程在55 m以下由于其泥質(zhì)含量較高，視電阻率較低但富水性較差。綜合分析L2測(cè)線，推斷300～600 m下部為顆粒較粗或固結(jié)程度較高的砂層(砂礫巖)，結(jié)合水文資料分析，其富水性及導(dǎo)水性都較差。而在450～500 m雖屬于擬建電廠之外但視電阻率高低阻地層接觸帶，可做進(jìn)一步研究。

依據(jù)相同的解釋方法，對(duì)L2測(cè)線進(jìn)行解釋，并在擬建電廠區(qū)域增加三條次測(cè)線L4、L5、L6，計(jì)劃尋找富水帶。圖7為L(zhǎng)4測(cè)線視電阻率斷面圖，測(cè)線位于測(cè)區(qū)中偏東部，自南向北測(cè)量，長(zhǎng)度為570 m。L4測(cè)線的布置主要依據(jù)L1、 L3兩測(cè)s線在擬建電廠位置上的低阻帶，盡量貼近兩測(cè)線視電阻率高低阻的接觸帶。綜合分析L4測(cè)線，視電阻率數(shù)值整體較低，僅在250～400 m、420～500 m兩處上部視電阻率較高。結(jié)合水文地質(zhì)條件，推斷該斷面上部為粉質(zhì)黏土混粉砂為主的地層，而下部地層主要以砂層為主，但砂層中泥質(zhì)含量較高，故富水性及導(dǎo)水性較差。

圖6 L3測(cè)線視電阻率等值線斷面Fig.6 L3 survey line apparent resistivity contour map

圖7 L4測(cè)線視電阻率等值線斷面Fig.7 L4 survey line apparent resistivity contour map

另外還布置了L5、L7測(cè)線，但大地電磁測(cè)深效果一般，未能發(fā)現(xiàn)明顯的富水帶。綜合大地電磁測(cè)深的結(jié)果，結(jié)合擬建電廠工程實(shí)際情況，在L3與L4測(cè)線中可能性較大的富水帶進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。

4.3 電測(cè)井資料解釋

鉆孔電位測(cè)井和電阻率測(cè)井的資料，可為含水層、隔水層位置提供分析依據(jù)，并定性了解含水層泥質(zhì)含量，為指導(dǎo)成井、確定過(guò)濾器位置提供主要的依據(jù)。鉆孔電測(cè)井資料解釋的方法主要是通過(guò)視電阻率(ρs)、自然電位(ΔV)兩條曲線分析鉆孔地層的巖性、透水性和富水性，分析含水層位置。

鉆孔視電阻率(ρs)測(cè)井可以反映鉆孔中地層的導(dǎo)電性以及砂層中顆粒的粗細(xì)；而鉆孔自然電位(ΔV)測(cè)井則反映了地層的滲透、過(guò)濾性以及透水性。根據(jù)場(chǎng)區(qū)的地球物理特征，并綜合電測(cè)井資料，可以得到該場(chǎng)區(qū)中黏性土和泥巖的電阻率數(shù)值最小，而砂層電阻率較高。而砂層中顆粒大小、含泥量的不同，電阻率也發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化。一般來(lái)講：砂層中顆粒越粗，電阻率越高；泥質(zhì)含量越高，電阻率越低；不含水的砂層要比含水砂層電阻率高。通過(guò)視電阻率(ρs)曲線可以分析地層的巖性、顆粒粗細(xì)，通過(guò)自然電位(ΔV)曲線可分析地層的透水性和砂層的泥質(zhì)含量。在資料處理中，黏土層或泥巖井段的自然電位曲線比較平直，解釋中通常將黏土層或泥巖井段的自然電位曲線值作為基線，來(lái)分析含水層的自然電位異常。

通常來(lái)講，同一鉆孔的自然電位曲線和電阻率曲線是可以相互對(duì)應(yīng)的。電阻率高的地層對(duì)應(yīng)的自然電位越低，則該地層滲透性較好，是很好的含水層。而電阻率低的地層對(duì)應(yīng)的自然電位無(wú)明顯異常，則該地層的隔水性較高。

圖8為驗(yàn)證鉆孔的鉆探分層資料和對(duì)應(yīng)的電測(cè)井曲線。該鉆孔56m以淺的地層以粉質(zhì)黏土混粉砂為主；56～135 m主要為粉細(xì)砂但泥質(zhì)含量高，此段電阻率數(shù)值最大僅達(dá)到11 Ω·m，自然電位曲線差別也小，反映地層滲透性差；135～200 m主要為粉細(xì)砂、中細(xì)砂、細(xì)砂為主，夾黏土層，其電阻率最大為18 Ω·m。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，砂層的電阻率應(yīng)該在30～40 Ω·m，故135～200 m段含泥量相對(duì)較高。綜合兩條曲線，135～142 m、146～149 m、167～176 m、180～182 m、189～195 m這五段視電阻率相對(duì)較高，推斷砂層中泥質(zhì)含量較高，水量較??；但這五段自然電位差別小，說(shuō)明地層滲透性差，即地下水補(bǔ)給差。

圖8 鉆孔電測(cè)井曲線Fig.8 Borehole electric logging curve graph

5 結(jié) 論

本次坦桑尼亞某電廠水文地質(zhì)勘察中通過(guò)采用EH4電測(cè)成像系統(tǒng)和鉆孔電阻率及自然電位的測(cè)井方法，為電廠選定了比較合適的水文鉆孔。可以得到以下結(jié)論：

1)水文地質(zhì)條件和地球物理?xiàng)l件，是開(kāi)展EH4電磁成像工作和電阻率及自然電位測(cè)井的前提基礎(chǔ)。物探工作之前必須了解覆蓋層的厚度、地層情況以及斷裂發(fā)育情況，重點(diǎn)在富水區(qū)及匯水區(qū)布置物探工作，以指導(dǎo)后續(xù)資料解釋工作。

2)EH4電磁成像系統(tǒng)能對(duì)地層進(jìn)行分析，先將場(chǎng)地進(jìn)行劃分區(qū)域，然后在視電阻率高低阻接觸帶上增加物探測(cè)線，進(jìn)一步研究地層的富水帶。

3)鉆孔中電阻率測(cè)井和自然電位測(cè)井兩種方法相互結(jié)合，可分析出黏土層、砂層對(duì)應(yīng)的富水性及滲透性。隔水層主要為黏土層，其視電阻率較低，而電位變化小。含水層主要為砂層，其視電阻率較高，且電位變化大。

4)運(yùn)用EH4電磁成像系統(tǒng)和鉆孔電阻率及自然電位測(cè)井的方法，可以相互驗(yàn)證、相互補(bǔ)充，不僅能圈定場(chǎng)地中低阻區(qū)域，還可以對(duì)低阻區(qū)的地層性質(zhì)進(jìn)行分析。新老方法結(jié)合，是水文地質(zhì)調(diào)查中必不可少的物探手段，既節(jié)省了成本，也達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

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[10]吳楠,湯洪志,楊再立,等.EH4電磁成像系統(tǒng)在江蘇鈾礦勘探中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2014,11(1):24-28.

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[12]周陽(yáng)權(quán),湯洪志,吳楠,等.EH4電磁成像系統(tǒng)在高速公路隧道工程勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2015,12(1):50-54.

The Application of Integrated Geophysical Methods to Hydrogeological Surveying in the Tanzania Power Plant

Yang Qingfeng1,Liu Yanhua1,Jiang Yukun2

EH4 electromagnetic image systemis a kind of magnetotelluric sounding system controlled source with the combination of natural sources. Electric logging is measured by artificial or natural electric field. It is a kind of method to research the electrical properties of borehole sections.In Tanzania, hydrogeological exploration of a certain power plant as an example, shows that the two methods in identification of the stratigraphic structure and the bedrock surface fluctuation and the hydrological geology layer has a good application effect.Practice has proved that EH4 electromagnetic image system, drilling resistivity logging and spontaneous potential logging are the optimal means of geophysical prospecting in the hydrogeological exploration.

hydrogeological investigation; EH4 electromagnetic image system; resistivity log; self-potential log; Tanzania

1672—7940(2016)05—0659—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.05.017

國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào)：41274123)

楊青峰(1964-)，男，高級(jí)工程師，主要從事資源及工程物探的生產(chǎn)與研究工作。E-mail：23744106@qq.com

P631

A

2016-03-30