电法勘探找水技术方法研究与实际应用

【摘要】多年来，应用电法勘探找水技术对阜新地区地下水资源进行分析预测，采用激发极化法、电阻率法分区测量，共测792个测深点，1056条电剖面，控制面积280 Km2。在此基础上进行了示范和推广应用研究，发明了“一种找水方法”，获得了国家发明专利。用电测参数评价地下水资源主要应用模糊聚类划分地下水富水性分区；应用灰色聚类法确定地下水所属分区类别。应用地面电阻率与地下水涌水量建立回归方程，预测单井涌水量；应用地面电阻率与地下水矿化度建立回归方程，预测地下水水质。在电法勘探找水的基础上进行了打井验证，共打井508眼，成井率100%，新增节水灌溉面积2112hm2，增收380.16万元，为4300户村民安装了自来水，节省勘探费811.80万元，直接经济效益达到1191.96万元。达到了“在贫水区寻找富水带，在高矿化区寻找低矿化带”的良好的水文地质效果。

【关键词】电法勘探；找水；聚类分析；最佳井位；成井率；回归方程；富水性；分区

1. 引言

阜新位于辽宁省西北部，地理坐标为东经121°01'-122 °56'，北纬41°41'-42°56'。全区东西长220Km，南北宽120Km，地形分布为四山五丘一平原，属于干旱半干旱气候区。年平均降雨量400-500mm，集中到6-8月，占全年的70-80%。蒸发强度为1500-2000mm。水资源开发系数为0.051-0.25，水资源有效利用系数为0.042-0.25，因地区而异。阜新山丘区近0.9万Km2，基本上属于贫水区。平原区面积较小仅0.1万Km2，地下水资源较少。在过去几十年的打井实践中，已经认为浅部水资源贫乏，深部水资源较少，再加上气候干旱等自然条件，在本区内打井，成井率很低。虽然在本区内就行了水文地质普查，但勘察精度较低，局部水文地质情况不清。从1984年开始了电法勘探找水的研究，多年来应用电法勘探技术对阜新地区地下水进行预测，采用激发极化法、电阻率法分区测量，共测792个测深点，1056条电剖面，控制面积280 Km2。在此基础上进行了示范和推广应用研究，发明了“一种找水方法”，已经获得了国家发明专利。应用地面电阻率与地下水涌水量建立回归方程，预测单井涌水量；应用地面电阻率与地下水矿化度建立回归方程，预测地下水水质；应用模糊聚类划分地下水富水性分区；应用灰色聚类法确定地下水所属分区类别。在电探的基础上进行了打井验证，共打井508眼，成井率100%，取得了良好的水文地质效果。

2. 一种找水方法

2.1步骤。一种找水方法，按如下步骤依次进行： A、踏勘富水地段，选取探测目标； B、以选取探测目标为原点，采用电子自动补偿仪或积分电位仪，布设十字剖面，追索目的层段； C、采用电子自动补偿仪或积分电位仪，用电测深对测区内所有井进行测试； D、发现异常用电测深定位，先在异常点处布设十字电测深，再用五极电测深进行地质分层，确定含水层层位及最佳井位柱状图； E、根据井旁测深资料建立预测数字模型，寻找最佳富水区。

2.2所属领域。

（1）电法勘探是根据岩石的导电性不同来判断地下水赋存情况，它具有方法简单、速度快、容易学习和掌握、准确度高等优点。电探同钻探相比可省投资90%以上。主要解决的问题是：划分第四系含水层、隔水层并求其埋深及厚度；进行基岩裂隙水调查，查明构造裂隙水位置及产状；测定地下水的水位、补给关系及咸淡水分界面，测定地下水的流速、流向及渗透系数和含水层涌水量等等。

（2）本发明属水文地质领域，特别涉及一种用电测参数找水方法。其特点是：踏勘富水地段，选取探测目标；以选取探测目标为原点，布设十字剖面，追索目的层段；用电测深对测区内所有井进行测试；发现异常用电测深定位；根据井旁测深资料建立预测数字模型，寻找最佳富水区。本方法操作简便，能在贫水区寻找富水带，可用于水文地质领域。

2.3方法。一种找水方法主要有：电剖面法（复合四极对称剖面、联合剖面）、电测探法（四极对称电测深、三极电测深、联合电测深）。到一地区后，先在基岩出露及其附近进行水文地质踏勘，用地质力学的方法分析构造的位置、性质和富水状况，初步选出适宜打井的地点，布置十字电测剖面，发现异常位置，再布置电测深，依测深曲线解释资料定井。在基岩覆盖地区，同样先作水文地质踏勘和调查，了解民井和其它工程开挖的基岩情况，为布置电测工作打好基础。根据水文地质调查分析的结果，先用电剖面扫面，根据电性异常，圈出含水裂隙的位置、走向和范围，推断有意义的异常带（点），布置电测深，了解岩石裂隙深部发育状况，结合地下水的埋深确定井位。

3. 联合剖面法

极距选择及曲线特征： AO=BO>3-5倍的覆盖层厚度，CO=7-10AO，MN=10-20m=点距。在安山岩、玄武岩、砂页等基岩地区，联合剖面法低阻正交点以及低阻异常的基岩裂隙含水特征具有10种形态。

3.1低阻正交点。低阻正交点，如图1。多为断层带，且延伸较深，构成陡立低阻薄层。出现了幅度较明显，两支分离好的低阻正交异常。当低阻区较宽，并且异常升降幅度大时，如图2。这反映了裂隙发育强烈，范围宽阔。这种情况定井时，要定在正交点上。

3.2ρsA、ρsB同时下降，呈低阻凹斗异常。这种情况有两种反映，第一种是在覆盖层薄或断层破碎带窄，多是只有一个测点视电阻率最低，如图3。它呈尖底异常。这时定井，要定在尖底上；第二种是在覆盖层厚时，则有两个以上的测点，电阻率最低，呈平底凹斗异常如图4。这种情况定井时，定在几个最低点的中间位置上。

3.3ρsA、ρsB同时降低的宽阔低阻区段。ρsA、ρsB同时降低的宽阔低阻区段，如图5。种情况多为断层带或大的裂隙破碎带。若异常带左右两支，升降幅度大，说明裂隙发育强烈。这种情况定井时，要定在低阻区中心最低处。

3.4ρsA、ρsB同时下隆呈窄条状。ρsA、ρsB同时下隆呈窄条状，如图6。这种情况反映了岩层层间发育好，但不宽阔。用不同极距测量时，窄条内出现了正交点，表明岩石极破碎。若小极距出现正交点，说明异常埋藏的浅。反之，大极距出现正交点，异常带埋藏的深。这种情况定井时，多作几个不同极距剖面，打在有正交点的位置上。若交点不好，就打在低阻点上。

3.5低阻凹斗的前后又出现了不明显的正交点。低阻凹斗的前后又出现了不明显的正交点，如图7。种不明显的正交点是裂隙带窄，发育浅，电性与围岩差异不大，或是电极距和测线选择方向不当，也可能是受不均匀体的影响致使正交点偏离。所以定井时，仍要定在凹斗异常最低处。

3.6低阻正交点成麻花状出现。低阻正交点成麻花状出现，如图8。这种情况，曲线正、反连续相交或凹斗，交点连续出现，对于这种曲线，我们认为是断层破碎带的反映，但因破碎带宽，带内岩石由于受构造作用，软硬变化大而频繁，从而造成了曲线反复相交，这种情况定井时，一般是定在第一个出现正交点的位置上，有时也可定在凹斗最低处。

3.7高阻正交点。高阻正交点，如图9。这种情况一般是岩脉的反映，也有的是地下水埋藏的较深，上部干裂隙电阻率高所致。

3.8ρsA、ρsB左右两支近似对称，分离较好的低阻正交点。左右两支近似对称，分离较好的低阻正交点，如图10。这种情况往往是两盘岩层电性差异不大的断层裂隙或较厚的低阻岩脉的反映。

4. 电测深法

对曲线异常解释：必须在野外工作质量可靠的基础上进行。在解释前，要了解和收集所在地区构造地质和水文地质资料，收集以往物探找水的资料和已知井的柱状资料，并对已知资料进行整理分析研究，在这个基础上再进行曲线异常解释，K、H型曲线具有高中找低、低中求高、高中求高的含水层特征。

4.1高中找低。

（1）高中找低即在第四系松散层主要岩性大体相同的情况下，富水岩层电阻率较之不富水岩层显著降低。这种特征反映在视电阻率断面图上，ρs等值线在水平方向上明显地划分出高低阻区，低阻区可考虑布井。

（2）高中求低即在高阻区下伏含水和不含水的砂砾石层在电测深曲线上以明显的高低阻区电性层呈现出来。一般地讲，不含水砂砾石层反映在K型曲线高阻段；含水砂砾石反映在H型曲线前支低阻段。因此，在高阻区中，寻找在曲线的横坐标上，K特征点埋深小，H特征点埋深大的低阻段，则是含水层厚度较大的富水最佳部位。

4.2低中求高。

（1）低中求高即在可能富水的低阻区中，含水砂砾石层的厚度大小也直接影响着含水岩组电阻率的高低变化。因此，在低阻区中，寻找在电测深H型曲线上电阻率相对高的地段，则是含水砂砾石厚度增大、富水最佳部位。

（2）低中找高即在第四系松散层中的粘性土和砂砾石电阻率有较大差异，前者低、后者高。反映在视电阻断面图上，ρs等值线也是在水平方向上可划分出高低阻区。低阻区是贪水区，高阻区则为富水区。

（3）亚砂土、亚粘土和下伏玄武岩与含水砂砾石层，在电测深曲线上反映为明显的高低阻电性层。亚砂土、亚粘土反映在H前支低阻段，为非含水层。玄武岩与砂砾石反映在H或K高阻段，为含水岩组。

4.3高中求高。高中求高即H段含水层电阻率增高，说明含水岩组厚度相对加大，富水性更好的特征。

5. 地下水资源评价

地下水资源计算方法主要应用模糊聚类划分地下水富水性分区；应用灰色聚类法确定地下水所属分区类别。应用地面电阻率与地下水涌水量建立回归方程，预测单井涌水量；应用地面电阻率与地下水矿化度建立回归方程，预测地下水水质。

5.1模糊聚类划分地下水分区。

（1）应用分地下水富水性分区，可使电测深曲线解释实现定量化，提高了解释精度和成井率。模糊数学是研究和处理客观存在的不精确的模糊现象的一种数学方法，模糊聚类分析是模糊数学中模糊性度量的一种形式，它是把模糊性问题按一定要求和规律进行分类的方法。

（2）设有n个待分类的样本：x1，x2，x3，…，xn。每个样本均具有S种属性。我们将这些属性定量化，即用数学来描述它们的属性，于是对于每个样本就对应着一组描述它的各种属性的一组数：y1，y2，y3，…，yj，…，ys（其中yj表示描述样本第j个属性的数）。我们称这组数为样本的S个指标。不同的xij表示第i个样本的第j个指标。这样，n个样本x1，x2，x3，…，xn的各种指标可以用表1中的形式来表示。

由表1可见，样本xi可以由行距离（xi1，xi2，…，xis）来描述。为了刻划样本之间接近的程度，我们用绝对值减数法或相关系数法来计算模糊矩阵[rij]。根据绝对值减数法公式：

建立模糊相容关系，通过模糊矩阵的合成运算：

R·R=R2

R2·R2=R4

…

（3）可以求得Rn-1·Rn-1一定是模糊等价关系，我们可以利用它来进行分类。将我们所测得的电参数代入上述公式，就得到我们所需要的数学模型。

5.1.1电阻率法应用实例。勘探区面积20hm2，仅有一眼供水井。干旱季节大片禾苗枯萎，为寻找富水带，我们在测区开展了对称四极电阻率测探工作。根据井旁测深资料统计，该区水位以上地层电性参数大致为：①黄土状亚砂土（Q1），ρs值为120-150Ω·m；②卵石细砂含水层（Q3），ρs值为200-250Ω·m；③亚粘土层（Q2），ρs值为75-80Ω·m；局部ρs值为更小，其值随土层颗粒大小而异。根据本区K型曲线的特点，可知地层自上而下ρs①ρs③。可以认为第二层厚度与第一层度大得多时将不存在等值现象。则第二层横向电阻的变化必将引起地下电流场分布的改变，曲线形态也有差异。当电测深曲线十分相似时，它们的横向电阻一定近似相等。因此，我们选定ρ12，h12，Rt三个特征参数作为相似因子，建立模糊矩阵。ρ12为代替层Q2点视电阻率；h12为代替层Q2点横坐标；Rt为含水层横向电阻，即ρ12（h12-Rt）；h1-为第一层厚度。 在该区选8条测深曲线为给定样本，即：s1，s2，…，s8，建立模糊建立模型。用量板解释所得的特征参量见表2。

根据绝对值减数法公式建立模糊相容关系，得到模糊矩阵如下：