直流电法勘探在低阻屏蔽层下寻找岩溶水遇到的问题处理方法及应用效果
摘 要：新郑地区上部存在着巨厚的第四系及新近系地层，对电法勘探来说为不利的低阻屏蔽层，通过在低阻屏蔽层下寻找岩溶水遇到的问题，结合实例介绍了电法勘探仪器参数设置方法，野外施工中遇到的导线漏电问题处理方法，观测数据离散情况下原始数据采集处理方法，从以往电法勘探施工实例讲述了勘探测线测点间距大小选区取方法，讲述了电法勘探结果的多解性及需要注意的问题。从测点单支曲线特征、测线剖面上反映特征以及确定井位的方法，提出了以后在该区物探工作测点间距的建议，对电法勘探的体积效应提出了自己见解，对以后在华北地区岩溶水的分布规律有了进一步的认识，对以后在华北地区寻找岩溶水提出了建议。
关键词：直流电法;低阻屏蔽层;岩溶水
DOI：10.12249/j.issn.1005-4669.2020.26.311
1 引言
新郑卷烟厂建厂初期为了满足烟厂供水需求，委托河南某物探队首先进行了二维地震勘探，然后又进行了直流电法勘探、激电测深等方法，最终确定井位，施工了1#供水井，最终成井深度740m，水井出水量为30m3/h，这样的出水量满足不了烟厂供水需求。因此，卷烟厂又委托河南煤田地质局一队帮着他们解决供水问题。我们接到任务后，通过卷烟厂向原物探单位获取了地震勘探资料成果资料、直流电法勘探资料、激电测深等原始资料，通过对1#水井物探资料的分析，结合新郑烟厂区所处水文地质条件，我们仅采用直流电法勘探方法在该区确定了2#水井井位，最终成井深度520m，水井出水量达到了400m3/h，其中水井自流流量就达到150m3/h。在同一个地区确定的井位，水井出水量怎么能有如此大差别呢？最根本问题是物探方法运用及物探资料解释上出现了偏差等原因造成的。下面结合我们在该区运用直流电法找水实例说明电法勘探的方法和在电法勘探工作中遇到的问题及处理方法以供电法勘探工作者探讨。
2 工作区地质背景、水文地质条件及构造特征
2.1 地质背景
新郑烟厂区位于新郑市区东南，地层分区上属华北平原区豫东小区，该区上部全部被第四系地层覆盖，第四系及新近系地层厚度约380m，岩性以黏土、砂质黏土为主夹粉、细砂层，下部为石炭、奥陶、寒武系地层。其中石炭系地层岩性以砂质泥岩及灰岩为主，平均厚度86m，奥陶系地层岩性以灰岩为主，平均厚度55.0m，寒武系长山组地层岩性以灰岩为主，平均厚度154m。本区第四系及新近系虽然有粉、细砂含水层，如果取该含水层水存在与地方水井相互影响的问题，并且该含水层水井单井出水量不能满足供水需求。因此，电法勘探目的层位是深部石炭系、奥陶系、寒武系灰岩含水层，寻找灰岩岩溶水。
2.2 水文地质条件
新郑烟厂区位于新郑矿区东部平原区，根据区域水文地质图，新郑烟厂区水文地质单元上位于超化-辛店-李良店水文地质亚区的东段，该亚区地势西高东低，南高北低。西部为低山丘陵，东部为岗地和平原。地层走向大致为北西-南东，倾向以北东为主，西部寒武、奥陶系灰岩出露较好，出露面积约30Km2，为地下水补给区，地下水补给来源主要为大气降水，地下水流向自西向东，多沿断裂带迳流，较大断裂带是地下水的主要迳流带。地下水自西向东迳流过程中，在地形及构造适合的地带，以泉的形式，部分排泄于地表。
2.3 构造特征
新郑烟厂区构造位置上位于新密复向斜的东段，新密复向斜为一西窄东宽，轴向近东西，西端仰起，东端倾伏的复式向斜构造，向斜东段发育有滹沱背斜，烟厂区就位于滹沱背斜的东北翼，大隗正断层的下盘。大隗断层走向东西，倾向北，为一南升北降的正断层，落差西大东小，落差400-1000m，断层带厚，挤压破碎严重，具强导水性。新郑烟厂附近还发育北西向断层，这些断层破碎带及断裂带受力破坏位置形成地下水主要通道。在新郑矿区的东部发育有轴向为北东-南西走向的八千背斜，八千背斜对地下水的迳流又起了阻挡作用，改变了地下水的流向，由于构造影响及含水层赋存特征，该区岩溶水含水层为承压水含水层，使得该区西部以往施工的勘探钻孔时有涌水情况的发生，施工的水井也有自流井，许多地方地下水以泉的形式排泄。
3 直流电法勘探工作方法
3.1 地层地球物理特征
新郑烟厂区上部为第四系及新近系地层，岩性主要为黏土层，砂质黏土层，粉细砂层等，根据在该区的测井资料，该区上部地层中黏土层电祖率较低，一般10-40Ω·m，粉砂电祖率一般40-50Ω·m，细砂电祖率一般在50-80Ω·m，下部为石炭系泥岩及砂质泥岩，电阻率一般在80-120Ω·m，石炭系灰岩电祖率值一般大于500Ω·m，一般在200-800Ω·m，石灰岩电阻率变化较大，这与灰岩含水性密切相关，灰岩含水，电祖率值明显变低。本区上部第四系及新近系的黏土及砂质黏土层视电阻率值较低，在直流电法勘探中，对电法勘探起到了不利的屏蔽作用，随着勘探深度的增加，测得的电位差值很小，往往1mv以下，即使提高供电电压，增加供电电流，效果也不是很明显。本区的下部灰岩与上部砂泥岩地层电阻率差异，以及含水灰岩与不含水灰岩电性差异是本区电法勘探的理论基础，直流电法勘探找水就是利用这个电性特性差，电性异常判断地层富水型特征。在下部高阻的灰岩中寻找低阻地段，是寻找岩溶水最主要的方法。瞬变电磁勘探方法，寻找岩溶水也是利用高阻中找低阻，寻找岩溶水。
3.2 物探方法选择及测量仪器参数设置
直流电测深法是以地下岩（矿）石的电性差异为基础，人工建立地下稳定直流电场或脉动电场，通过逐次加大供电（或发送）与测量（或接收）电极极距，观测与研究同一测点下垂直方向不同深度范围岩（矿）层电阻率的变化规律.以查明矿产资源或解决与深度有关的各类地质问题的一组直流电法勘查方法。通过分析电测深曲線来了解测点下部垂向变化的地质情况。其原理已经很成熟，测量装置一般采用对称四极装置或三极装置，有一对供电电极，一对测量电极，布极方法根据地形、地质构造条件选择布置，一般垂直构造走向布置，在此不在赘述。
新郑卷烟厂位于新郑市区，地形较平坦，但地面建筑物较多，依据地形及地物条件，决定采用直流电法，采用三极电测深装置。
电法勘探工作使用TD-3型数字直流电法仪，供电及测量电极均使用铜电极，测线垂直地层及断层走向，沿近南北方向布置，无穷远极垂直测线方向，布置在西部，无穷远极距离取供电最大供电极距OA的5倍，布置的位置距测点5000m。为了提高地下异常的探测精度及灵敏度，供电和测量极具AB/MN采用10/1，根据新郑烟厂区目的层深度埋深特征，最小供电极距OA采用100m，最大供电极距OA 1000m。采样点采用八阶等比极距。供电电源使用直流干电池组，最大供电电压达600V。
电法勘探中采用的电法勘探仪器测量参数设置直接影响到测量结果，选择合适的采样参数能够真实的反映地下异常。实际工作中，电法勘探测量时仪器采样参数设置如下： TIME-发射和张弛时间800ms，V-DELY-为一次场第一个点采样延迟时间取200ms，M-DELY-二次场第一个采样延迟时间取250ms，M-END-二次场第一最后一个采样点时间取300ms，M2-END-二次场最后一个采样点时间取350ms。（各参数意义指示的意义见图1。）
3.3 电法勘探野外施工及资料处理过程中几个关键问题及处理方法
3.3.1 导线漏电问题
直流电测深法遇到的首要问题是供电导线及测量导线的漏电问题，无论是采用单根背覆线还是采用多股供电电缆，施工过程中供电导线及测量导线出现漏电，相当于供电增加了供电点，测量电极增加了测量电极，实际上是供电极距和测量极距都已经不是设计的电极距了。这样就改变了电法勘探的模型，电法勘探是基于地下半球体空间而建立的一个勘探模型，漏电改变了原勘探模型中的电流分布形态，造成实际测量的地下半球体模型和理想的电法勘探模型的差距，因此造成测量结果的偏差，甚至完全错误，导致测点曲线畸形，影响测量结果的真实性。
3.3.2 供电或测量极距错误的问题
在施工过程中供电极距或测量极距错误问题非常普遍，极距错误造成探测结果的错误，测深曲线出现畸变，直接影响资料解释的的偏差。这个问题在施工过程中很容易发现，每个极距测量完毕，及时回放测深曲线，看测量成果曲线是否光滑，渐变，测量值是否有突变，如果有异常，及时与放线布极人员核对极距是否错误。以便获得真正的勘探成果野外资料。
3.3.3 野外观测数据离散情况下数据取舍方法
新郑烟厂区第四系及新近系覆盖层厚度达380m，地下水位较浅，上部形成低阻屏蔽层，是直流电测深勘探的不利因素，再加上工业离散电流的干扰，测量电位差往往比较低，在1mv以下，这样就导致测量数据比较离散。测量结果取值直接偏差直接造成导致成果解释资料的误差，甚至错误。在这种情况下如何正确获得真实可靠的测量成果资料是直流电法勘探最终解释成果正确与否的关键。在实际工作中仅测量一两次是不行的，需要采取多次观测，对每次观测结果采用数理统计的方法，取测量结果出现频数最高的值作为观测值，因为真实的数据即使在离散状态下，也必然符合正态分布的原则，取集中度最高的数值作为观测结果，确保了数据的真实性。确保电法勘探的总精度，无位均方相对误差m控制在±1.5以内。
3.3.4 测点间距选择问题及电法勘探体积效应
电法勘探找水，勘探布置往往都是布置几条勘探测线，最终形成勘探网。而每条勘探测线上勘探点距的大小直接影响着最终勘测成果。一般采取先疏后密，最后重点加密的方法。在实际工作中，根据我们的实际测量经验，测点布置最开始布置为间距100m，在测量结果有异常地段进行加密测量点，首先加密至50m间距，再增加到25m间距，最终井位确定时观测点间距达到12.5m。
3.3.5 电测深资料多解性处理
电测深观测数据资料是地下半球体空间的综合反映，具有多解性，如何去伪存真是资料解释的基础，物探资料解释的关键是要与地质相结合。新郑卷烟厂1#井出水量小的问题，就是忽视了资料的多解性，从原始测深资料及激电测深资料看，原测深资料最大极距为750m，从单点测深曲线看，尾部曲线没有起来，也就是说深度不够，最后测深极距需要增加，确保单点测深曲线解释成果有对比标志。从激电测深曲线上看，所获得的激电资料确实比较好，所测得极化率，激发比较高，仅凭这些就判断该测深点是富水是比较武断的，没有结合区域地质资料，没考虑到电法勘探资料毕竟是间接勘探，勘探资料具有多解性，新郑地区下部存在石炭系地层，石炭系地层的泥岩中含较多的硫铁矿物质，硫铁矿物质会影响激电测深的激电参数，激化率和激发比，误把硫铁矿对极化率的影响当作是地下水的反映，造成最终成井出水量不理想的结果。
4 直流电测深在新郑烟厂供水中具体应用
4.1 直流电测深测点单支曲线绘制及分析方法
直流电测深工作首先获得的是单个测点某个极距的视电祖率值，然后以极距为横坐标，祖率值为纵坐标，将所测得的视电阻率值绘制在双对数坐标纸上，各极距视电阻率值连线即为测点单支测深曲线，根据该区地质资料，新郑烟厂区目的层位是石炭系、奥陶系、寒武系石灰岩，其埋藏深度在380m以下，从单支测深曲线上就去寻找目的深度范围内所对应的曲线斜率最小的测点，对新郑烟厂区来说最主要关注的是421.17～750.00极距段曲线斜率。斜率低，说明这段电祖率低，应该是富水反应。下部不含水段单支曲线尾支近45度上升。
4.2 测线视电阻率剖面绘制及分析方法
为了便于分析对比，以各测点间距为横坐标，各极距为横坐标，将各测点相应的极距视电阻率值标在相对位置上，然后把等值的视电阻率值进行连线，得到视电阻率剖面，如图3为新郑烟厂供水井位所在测线的视电阻率剖面。测点基本间距50m，在视电阻率变化异常处进行了加密，测点间距12.5-25m之间。从剖面上看（图2）大体上以316.23极距为中心剖面分上下两部分，烟厂区基岩界面深度在380m左右，根据电法勘探深度理论，对应的极距大约在421.71极距，而750m极距以下视电阻率曲线比较平缓，没有太大变化，目的层位对应的极距在421.71-750m极距之间，视电阻率值较低的位置在测点5-8点之间，而变化较大的位置分别在测点5和测点7/8，综合分析单点测深曲线斜率，最终井位确定在7/8测点位置。该点单点测深曲线目的层位置斜率较低，剖面上视电阻率异常，综合分析，该处应该是本区的岩溶发育位置，导水通道。
4.3 钻探验证及测井
井位确定后进行钻探施工，在钻探过程中，见基岩后取芯，岩溶比较发育，其间钻探过程中还有几次掉钻现象。钻探结束后进行了测井工作，利用数字测井测了视电阻率、短源距、长源距，自然电位、井径等曲线，最终测井成果，在420m左右见基岩，岩性为石灰岩。石灰岩视电阻率不含水时比较高，因岩溶发育，电阻率曲线呈锯齿状，长源距密度曲线也有反应，几个岩溶发育位置反应明显，相应位置井径曲线也有井径变大的反应。测井曲线上反映自420-490m段岩溶比较发育，岩溶发育位置与钻探过程中掉钻位置相吻合。
5 结语
直流电法勘探理论比较成熟，在实际工作中应充分了解所用仪器性能，合理设置测量参数，在施工过程中需要在数据采集时需要把好质量关，确保是地质体的真实反映，在资料处理时需要紧密与地质相结合，这样才能提高资料解释正确的概率，减少因多解性造成的错误。在华北岩溶地区物探勘探施工时需要重视岩溶发育及分布规律，破除华北岩溶均是成层分布的误解，以为只要打到层位就可以打到岩溶的错位认知，华北地区岩溶通道也多属于管道型，对电法勘探体积效应有了进一步认识。随着科学技术的发展，出现了很多新的勘探方法，如瞬变电磁法，EH4音频大地电磁测深法等，在物探找水方面都有很好的效果，需要考虑地质条件和经济条件，合理选择好的方法进行施工，才能取得良好的效果，以上观点供业内同行参考佐证。
参考文献
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