综合地球物理方法在电厂水文地质勘察中的应用

张安平

（湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉 430000）

地球物理方法是重要的水文勘探的手段，对于地下水的探寻、构造圈定以及基地层次解释划分具有关键意义。在水利、地矿、煤炭等领域，最常用的勘探方法为EH4电阻率成像系统，它通过将部分的可控源与天然源有效连接，形成电磁测量系统，对人工以及天然的电场测量，对地层的电学性质进行剖析。实践显示，通过大地电磁测探系统，用钻孔的电阻测探形式对水文电位进行测量，是良好的物探手段之一。

1 场区地质条件与岩土体的地球物理特征

1.1 场区地质条件

此次勘探电厂位于某地区海岸，距离海洋为25km，地势起伏较大，地表高程为78～82m。此地溪流贯穿场地，旱季降水量少，雨季水流汇聚。场地的地层为粉质黏土混粉砂结构，地层厚度与第四纪形式相同，为砂层构造，其中存在部分黏土结构，砂层中含量最高的成分为泥质。此处的地层因厚度影响，富水性以及水位输送效果较差，基岩结构为第三系，主要成分为泥岩与白垩系砂砾岩。

1.2 岩土体的地球物理特征

因为不同的地下岩、土层的多方面属性的差异性，导致不同的地下岩、土的电性存在差异性。成分、形式、颗粒等是这种异性形成的作用因素。不同的砂层泥质的量不同，导致电阻率也存在差异变化，因而在勘探时需要综合全面因素统筹分析，基于地下岩、土层的差异性，通过大地电磁探测等物理探测方法，使得对地下进行勘察活动具备了可行性[1]。

2 野外工作方法

在进行勘探的过程中，共布置探测线6条，应用标准探测手法进行大地电磁探测，通过GPS作为探测途径，将其放置于探测位置，同时利用双频RTK系统实施复测。

2.1 EH4电磁成像系统

EH4电磁成像系统是通过部分可控源与天然源的联合形成的电磁探测系统的形式，在10～1000Hz的频率状态，能够对天然的电磁场信号进行收集。如果电天然场中的信号中高频成分相对较弱，为500～100kHz时，可以利用有效的方式对之进行改善，通过人工电磁信号对之进行弥补，将厚度不同的覆盖层穿透的情况下，实现天然信号源以及人工信号源之间的连接处理[2]。EH4电磁成像系统应用相互正交的两个电厂对磁场进行时间序列排序，将不同方向上的视电阻率及相位差计算获得，在实际工作中根据工作情况加以应用。

EH4电磁成像系统在野外进行测量时，标准测量方法为剖面测量法。在进行工作布置时，测量的方向为Z轴，同时将垂直测量方式标记为Y轴，在测量位置进行防线的布控，成“十”字分布状态，应用正交的高频探测电极进行探测，根据实际的情况，在不同的测点进行电极布置，不同的电极之间的间距分布介于15～25m，形成于平行以及垂直方向的布极方向[3]。同时，将电磁传感器的布置也分别平行于轴线。EH4高频大地电磁系统，能够形成相互作用的电场分量以磁场分量，根据观测的数值差异，形成时间序列形式，对不同方向上的视电阻率及相位进行测量计算。其计算公式如下：

式中：f为频率，Hz；ρ为电阻率，Ω·m；E为电厂强度，mV／km；H为磁场强度，nT。

在将大地作为均匀介质的状态下，用以上公式进行电阻率的确定。因为大地均匀状况有差异性，不同的均匀程度其实际的趋肤深度介质纳入电阻率的综合值计算中，作为视电阻率，在计算时，应将电磁理论法作为依据，电磁场传播过程中，振幅逐渐降低至初始值1/e，此时为穿透深度，其数值与电阻率的大小呈相关性[4]。以电磁波的传播特征为参照可知，探测的深度与频率有关，探测的深度增加则频率逐渐降低，电阻率增加，电磁场衰减作用相对减少。因而相同的电阻率在不同的情况下，可以通过频率较低的信号以获得更加深入的探测。根据不同的宽频带对电厂以及磁场信息的观察，能够分析出不同深度的价值阻率值。在对EH4电磁成像系统数据处理与分析时，通过对数据进行预处理，在现场进行傅里叶变换，根据电厂以及磁场的虚实分量获得相位数据，通过一维的Bostic反演[5]室内资料时间序列数据的获取方式为Robust估量方法，将无影响的噪音降至最低，随后获得可靠的数据结果，放入EH4二维成像软件系统中，获得二维电磁成像结果。同时完成dat格式转换，代入场区测线及高程后，获得电阻率数据值[6]。

2.2 钻孔电测井

通过人工方式对天然的电场进行测量的方法为钻孔电测井法，这种方法的理论依据为对钻井剖面地层的电学性质分析。在此基础上，根据钻探的相关资料，分析地层岩性、含水量等水位数据，对电测井状况进行定性分析，并作出合理解释，从而为水文的地质勘探提供重要的参考数据参数。（1）自然电位测井法。自然电位测井法是基于地面的电极以及所对应的电位之间为恒定数值，当电极M出现变动时，其电位差引起的勘探数值显示也呈现差异，井下自然电位的变化导致绘制电位存在不同的曲线，并通过直观的形式展示出来。同时，不同的岩性也会引发自然电位的差异，通过对曲线异常的观察，能够判断水层的渗透规律，有利于相关工作的进行。（2）电阻率测井法。通过电阻率的方法进行勘探时，在井内设置电极系，不同的电极存在不同的电极系，包括不同的电极组成。地面上的电极因为井筒的位置变动而存在波动，此时可以将井内的视电阻率变化情况以直观的图线的形式展现出来。电极M位于井内，电流在地层流过时，供电电极以及测量电极的共同作用引起电位差的变化，根据供电电流的数值以及电位差数值对电阻率进行计算，电阻率的变化能够显示出实际的工作状况，从而反映井内的情况。这样做客观性更强，避免因为主观情况造成干扰，也更加简单方便。

3 地球物理方法成果

3.1 水文地质条件

通过对水文地质条件分析可知，地下水的形式为松散的空隙形式结构，有基岩的风化裂缝时，其中的孔隙水位于第三系的松散位置。第四系结构为黏性土，富水作用较差，第三层的松散结构地质为砂层，这种砂层的泥质含量高。基岩风化裂缝水主要在基岩以及松散层交界的位置等构造的缝隙中，因为场区的基岩深度相对较大，第三系地质结构为砂泥岩，通过泥质对风化的位置进行填充，使得整体构造层其富水性及水文输送效果不良。

3.2 EH4大地电磁测深资料解释

由于不同的电厂的水文地质条件的差异，资料数据也存在一定的差异性。在进行实际测量时，首先测量3条主测线，找出对应的低阻带，从而判断不同区域的富水性，针对性地进行水文钻孔规划布置，通过不同区域的电阻率图像对信息进行研究。根据测线的情况，能够推断出下部的颗粒粗硬情况以及固结程度等信息。寻找富水带的过程中，可以在电厂区域设置测量线，将工作范围缩小，从而提升整体的工作效率以及质量。

3.3 电测井资料解释

含水层、隔水层等相关的数据资料能够通过钻孔电位测井以及电阻率的资料获知，从而明确水层泥质的含量，对成井、过滤器的位置等提供指导。通过资料解释的形式分析电阻率以及自然电位曲线的相关性，探究钻孔地层其岩性、透水性以及水文输送的效果，分析含水层的实际所在；通过钻孔视电阻，能够对地层的导电性以及砂层的颗粒形式进行判断，自然电位能够有效分析地层的渗透、过滤以及透水性能，将数据转换成有效的数据内容。根据电测井的数据信息，对场区的黏性土条件进行判断，以实际的电测井特征为参照，分析黏性土电阻率及砂层的电阻率。不同类型的土质类型，电阻率的数值也有不同的变化。通常情况下，对电阻率产生影响的因素包括砂层中的颗粒物质形态和泥质的含量状况等，水也会导致砂层的电阻率的数据降低。通过电阻率能够对地层的岩性进行分析，根据自然电位的图像能够判断地层的透水性以及砂层泥质情况。在对资料进行处理的过程中，不同的地质状态对应的自然电位的形式有差异，通常黏土层及泥岩井段相对平直，将此地质状态的线段作为基线，对含水层的自然电位异常进行分析，处于相同钻孔的自然电位的曲线以及电阻率曲线能够对照，电阻率以及自然电位之间的相关性显示，电阻率越高，地层的渗透性能更好，含水层条件优良。而电阻率相对较低的位置无明显的变化，隔水性则较强。

4 结束语

此次通过对电厂水文地质勘探相关理论的探讨，分析了EH4电测成像系统和钻孔电阻率及自然电位的测井等方法的理论及实践应用。在实际勘探过程中，需要根据不同的地层性质，作出全面分析，综合灵活运用不同方法；也可以将新老方法相结合应用，作为重要的物探手段，相互验证补充，可以节约成本，获得更佳的效果。