2020, Vol. 29
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随着人们生活水平的日益提高，饮用水安全问题越发显得重要.黑龙江省抚远市是以地下水作为生活饮用水的城市.除市区生活用水由供水厂集中供水外，其余乡镇均为非集中式供水.由于该区域浅层地下水铁、锰离子含量偏高，长期饮用第四系浅层地下水，会造成食欲不振、呕吐、胃肠紊乱，甚至会对心脏产生影响.为寻找该区可能存在的深部优质水，中国地质调查局沈阳地质调查中心“中俄蒙经济走廊哈大齐和绥芬河-同江地区地质环境调查”项目组决定利用高密度电阻率法与激电测深法组合开展勘查工作.
高密度电阻率法以地下介质间的电阻率差异为地球物理前提，具有采集数据量大、横纵分辨率高、解释方便、成本低的优点.
激发极化法是根据地层含水的激发极化效应来找水的一种电法勘探方法.该方法具有受地形影响小，对富水带反映直观等优点.因为激电二次场与岩石孔隙度有关，在泥岩中极化率比含水的砂砾岩低，通过分析测深点的极化率，结合电阻率还可以排除泥岩层的干扰[1-4].
1 区域地质及水文地质概况研究区跨越了那丹哈达岭中生代褶皱带和合江台向斜两个大地构造单元.根据资料，本区自晚古生代开始遭受海侵，中生代海侵范围扩大，相继沉积了石炭二叠系(C-P)、中下侏罗统(J1-2)、上侏罗统(J3)地层.燕山期，本区渐逐隆起，同时有花岗岩侵入，地层发生轻微变质，构成研究区的刚性基底.新生代地壳转为沉降，新近系厚度超过200 m.第四纪以来，研究区转为间歇性沉降状态，早至晚更新世各种类型堆积物累计最大厚度288 m.根据含水地层时代、岩性及赋存条件等，将本区含水岩体分为第四系砂-砂砾石松散堆积层孔隙水、新近系碎屑岩孔隙层间水及基岩裂隙水3类.
本文引用数据的工作区——抚远市团结村地貌单元位于三江平原东北部砂砾石低漫滩.该区地表为洪冲积松散层，由黑色粉质黏土、土黄色细砂构成.该区地势平坦，第四系层厚，富水性好.但第四系水中Fe、Mn离子含量严重超标.
2 区域物性特征研究区近30年未开展过地质相关调查工作，物性资料匮乏.通过对区域水文地质及测井资料对比分析总结，我们将区内物性分为低阻岩石和中高阻岩石.
低阻岩石：黏土、页岩、泥岩等黏土类岩石，以泥质颗粒的离子导电方式为主.因为泥质颗粒表面的电荷量基本相同，所以黏土、泥岩、页岩等的导电性比较稳定，它们的电阻率一般在1~n×10 Ωm之间变化.其中，页岩比黏土和泥岩更致密，故其电阻率稍高.当砂岩或砾岩含有泥质时，由于增添了泥质的附加导电性，其电阻率也会降低.
中高阻岩石：砂-泥质岩石，包括碎屑岩类以及砂岩、砾岩、砂砾岩类.碎屑岩由碎屑颗粒、胶结物、泥质及含水孔隙组成.碎屑岩的孔隙度较大，孔隙结构较简单、规则.砾岩由于颗粒粗、分选性差，故常具有比砂岩高的电阻率.砂岩电阻率在n~n×103 Ωm之间变化.
综合本区域岩石电阻率，由小到大的顺序是：泥岩-细砂或粉砂岩-中砂岩-粗砂岩-砂砾石岩.
我们认为，在第四系覆盖层下如果存在新近系碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组，应表现为相对高阻、高极化、高半衰时高衰减度，这有利于开展地球物理找水工作.
3 应用实例研究区共布设高密度电阻率法剖面1条，长度1120 m，极距10 m.从高密度反演电阻率拟断面图(图 1)可见，该剖面电阻率特征表现为层状结构，很好地反映出当时的沉积环境.第一层厚度不均(10~20 m)，电阻率80~200 Ωm，推断为亚黏土、中粗砂层；底部隆起高阻异常推断为侏罗系下统大岭桥组杂砂岩、火山碎屑岩.把剖面分成左右两部分，剖面右段(700~110 m)第二层厚度40 m，电阻率大于200 Ωm，推断为中粗砂含砾石层.第三层厚20 m，电阻率60~200 Ωm，推断为细-中粗砂层.第四层厚度70 m，电阻率0~50 Ωm，推断为泥岩夹砂岩层.异常从左至右电阻率增高，推测存在泥岩变薄或与砂砾岩互层现象.第五层厚度80 m，电阻率60~100 Ωm，推断为砂砾岩层.剖面左段第二层厚130 m，电阻率0~50 Ωm，推测为泥岩层.第三层厚度110 m，电阻率50~200 Ωm，推测为砂砾岩层.
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图 1 团结村高密度反演电阻率断面图 Fig.1 High-density inversion resistivity profile at Tuanjie village |
多参数激电测深工作布置在76~108点，点距40 m.探测结果(图 2)表明，该段电阻率高异常特征分布基本与高密度电阻率法一致.同时在图 3、图 4中相同部位96、100点，AB/2为200~350处，还具有高极化率、高半衰时特征.
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图 2 激电测深视电阻率(ρs)断面图 Fig.2 IP sounding resistivity profile Z/m |
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图 3 激电测深视极化率(ηs)断面图 Fig.3 IP sounding apparent polarizability profile |
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图 4 激电测深半衰时(TH)断面图 Fig.4 IP sounding half decay time profile |
高密度电阻率法只能划分出高阻和低阻地层的展布形态，但低阻体并不都代表富含水，在该地区黏土或泥岩也表现为低电阻率特征[1-6].
激发极化法中极化率(ηs)的差异可以排除泥岩的干扰.半衰时(TH)只与地下岩层的孔隙、裂隙及破碎带的赋水情况有关，受其他因素影响较小，可以排除碳质地层影响，直观地反映出含水地层的埋深和空间分布情况.激发极化法的特点决定其深部垂向分辨率上不够精细.为了能更直观准确地划分地层，厘定富水层系，准确指导钻井工作，在此采用激发极化法找水综合参数公式[5-12]，以数据量丰富的高密度电阻率垂向数据约束计算，结合极化率(ηs)、半衰时(TH)等参量构建综合参数：
| $ {Z_p} = 0.75 \times {n_s} \times {T_H} \times {p_s} $ |
从构建的综合参数断面图(图 5)可见，多参数异常综合特征更突出，地层含水层厘定得更清晰.剖面970~1010 m，垂向110 m以下为含水区.在980~1000 m，垂向130~150 m为富水异常区.
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图 5 找水综合参数断面及推断图 Fig.5 Water searching profile of comprehensive parameters and interpretation |
通过以上物探工作，在剖面985 m处布设ZK01钻孔，孔深160 m，实际钻进155 m. 0~83.4 m为第四系层，83.4~155 m为新近系地层，其中83.4~108 m为粉砂质泥岩，108~140 m为砂砾岩，140~145 m为泥质粉砂岩，145~155 m为粉砂岩.钻井与物探推测数据对比结果吻合度高.
抽水试验结果，静水位3.38 m，水位降深14.5 m，出水量856 m3/d.经取样分析，符合生活饮用水标准(表 1)，为重碳酸钙钠型极软弱碱性淡水，从而解决了该村的饮水安全问题.
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表 1 生活饮用水卫生标准与地下水分析结果对照表 Table 1 Comparison of groundwater water analysis with drinking water standard |
(1) 本次采用高密度电阻率法与激电测深多参数找水法组合模式，成功地预测了含优质水层段.经钻井验证，最终获得856 m3/d符合标准的饮用水，证明该物探组合方法在该水文地质条件下有效，也为其他类似水文地质条件地区寻找安全饮用水提供经验.
(2) 数据处理过程中尝试构建新的找水综合指示参数，解决了该水文地质条件下泥岩、碳质地层影响.同时利用高密度电阻率数据量大的优势，进行异常计算约束，增强化了地层(异常)分辨率，能准确地指导钻探深度.
在编写本文过程中得到蔡贺教授级高工、李霄高级工程师、张帆工程师的指导帮助，在此表示感谢.
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