电阻率剖面法在鲁中砂石山区找水中的应用.docx

1、电阻率剖面法在鲁中砂石山区找水中的应用刘祥柱，刘福臣（山东水利职业学院，山东日照276826）摘要鲁中砂石山区地下水富水性严重不均，为山东省严重缺水地区。为探测鲁中砂石山区的地下水，利用四极对称剖面法、中间梯度法、偶极剖面法、联合剖面法等各种电阻率剖面法，寻找岩石破碎带、低阻正交点、低阻麻花异常、“V形低阻异常、高阻岩脉等富水构造，成井率大为提高，找水明显效果。关键词电阻率剖面法；装置系数；联合剖面；中间梯度；中图分类号P641.72文献标识码B文章编号1004-1184（2009）03-0129-04K=7TAMANMN(1)0前言鲁中南低山丘陵区东起沂泳断裂带昌邑一大店断裂，西至京杭大运河

2、，南接江苏，北接黄河，总面积34633km测量极距的选择,占山东省山丘面积的51%。中部、西部、北部多为石灰岩、页岩，群众称为青石山区；东南部为花岗岩、变质岩，群众称为砂石山区。鲁中砂石山区主要岩性为泰山群变质岩，地下水类型主要为风化裂隙水、构造裂隙水，由于变质岩裂隙水的富水性较弱，风化带厚度及裂隙发育不均匀性，裂隙水连通性差，无面状分布，造成地下水富水性严重不均，为山东省严重缺水地区。对于富水性较弱的变质岩裂隙水，所探测的地质体与围岩的电性差异较小，对地质体的电性解释比较困难，常常造成定井失败。刘春华采用综合物探方法，对山东鲁西岩溶区找水进行了系统研究，推动了山东省电法勘探找水；姬广柱采用综

3、合多种物探方法，对山东平阴县的石灰岩地区进行了研究，大大提高了成井率，找水效果明显。刘福臣们对鲁东中生界地层地下水进行了研究，找水效果明显。但以上研究主要针对石灰岩地区和中生界砂页岩地区，对变质岩地区地下水勘测研究成果不多。采用四极对称剖面法、中间梯度法、偶极剖面法、联合剖面法等电阻率剖面法，探测鲁中砂石山区地下水，取得了明显效果，经钻探验证，成井保持在80%以上，解决了当地生产生活用水问题。1四极对称剖面法1.1四极对称剖面法原理四极对称剖面法，是由A、M、N、B四个电极组成,以MN的中点为对称中心布置的，工作时保持各电极间的距离不变，整个装置沿测线方向一起移动进行观测。因此所测的视电阻率的

4、变化，反映了沿剖面线一定深度内岩石电阻率的变化情况。四极对称剖面法的装置系数按下式计算：由于该地区地下水主要为风化裂隙、构造裂隙水,含水层深度埋深不大，一般不超过50mo在测点布置时，测点间距一般为10-20mo如间距过大，可能漏过某些异常点；而间距过小，测试工作量大，故一般取点距为20m即可。在野外测量中，由于A、M、N、B四个电极固定不动，四极对称剖面法的装置系数不变。一般情况下电极A、M、N、B按1、3、4、6测点布置，AM=40m,AN=60m,MN=20m,则K=3.14X丝琮丝=376.8,其勘测深度为AB/2=50m,基本上能反映地面下50m深度范围内岩石电阻率的变化情况。1.2

5、四极对称剖面法的应用收稿日期2009-01-21基金项目山东省教育厅基金资助项目（JO7WBO3）,”日照变质岩地下水开发模式研究”。作者简介刘祥柱（1972），男.山东蒙阴人，主要从事于水利工程教学及科研工作。以测点距为横坐标，以p.为纵坐标，将各测点的Ps点连成曲线即得视电阻率剖面曲线。视电阻率剖面曲线上的低阻异常点，一般为岩石破碎带、断裂带，可初步判断为含水层异常，然后通过电测深、激发极化法加以验证。如蒙阴某地的四极对称剖面曲线见图1,在78测点之间有一明显的低阻异常点，推测为小型断裂构造，后在该点做四极电测深、激发极化测深加以验证，含水构造明显。2中间梯度法2.1中间梯度法原理鲁中变质

6、岩地区，由于水平方向地层的岩性或电性变化复杂，地下介质很不均匀，采用四极对称剖面法测量时，随着整个测量装置的移动，供电电极附近将会遇到岩性或电性不均匀的地层，从而对电流的分布产生吸引或排斥的影响，使所测的曲线产生畸变，造成解释错误，为克服以上问题，野外测量时经常采用中间梯度法。图1四级对称剖面曲线的低阻异常中间梯度法的装置，就是在测量过程中供电电极A、B固定不动，使测量电极M、N在AB中间1/3的范围内移动，进行测量，其装置系数按下式计算：K_AMANBMBNMN（AMANBM野外测量时，测线方向要大体与被探测物的走向相垂直，AO极距的大小要略大于或等于被探测物的埋藏深度，MN极距等于测点之间

7、的距离。需要注意的是，由于测量极距是变化的，其装置系数也是变化的，测量电极每移动一次要计算一次K值2.2中间梯度法的应用中间梯度法由于在测量过程中A、B固定不动，所以供电电极附近的不均质影响或地形的影响就是一个常数，这时移动M、N电极所测得的曲线再有明显地变化时，必然是反映M、N电极附近介质的变化情况。在鲁中变质岩地区，由性质较软岩性组成的岩石，裂隙发育差，构造不发育，而分布其中的脆性岩石如石英岩脉、花岗岩脉，往往裂隙发育，富水性好，是山区地下水主要蓄水构造。对于这类高阻体，由于其排斥电流作用，使得早高阻岩脉的上方呈现突出的高峰。如泰山东平某地的岩性为雁翎关组的片岩，岩性呈塑性，富水性很差。布

8、置一中间梯度测线，测点间距为10m,AB/2=80m,MN/2=5m,其中间梯度曲线见图2。视电阻率一般在240fim左右，在12-13#测点之间呈高阻突出，视电阻率达380Qm,推测为高阻岩脉，经钻井羚证为石英岩脉，出水筮为9m图2中间梯度曲线确定高阻岩脉在偶极剖面法中，根据成对供电电极与成对测量电极之间排列形式的不同，可分为轴向偶极剖面和赤道偶极剖面。如果只在测量电极M、N的一侧布置一对供电电极A、B时，此种装置形式称之为单边偶极剖面法；如果在测量电极M、N两侧相等距离上各布置一对供电电极A、B,则此种装置形式称之为双边偶极剖面法。如果供电电极A、B与测量电极M、N平行排列，则并始终保持一

9、定的距离平行移动，则此种装置形式称之为赤道偶极剖面法。目前在实际应用中，多采用单边偶极装置，其极距选择如下：偶极距的选择供电电极A、B与测最电极M、N之间的中心距0（）（也称为偶极距）的大小，取决于覆盖层的厚度及被探测物的埋藏深度，一般要求OON3H。2测量极距的大小既取决于被探测物在p,曲线上反映的准确程度，同时又取决于局部地形起伏的宽度。显然测量极距愈小，被探测物在Ps曲线上反映的准确程度愈高；但是过小的测量极距受局部地形起伏的影/ho3偶极剖面法3.1偶极剖面法的装置以上讨论的各种剖面法中，供电电极A、B之间的距离均比测量电极M、N之间的距离大许多倍，可以把A、B看成是二个点电源，所以上

10、述测量方法都是以研究点电源所形成的电场为基础而建立的测量方法。而偶极剖面则是将A、B电极之间的距离设置成与M、N电极之间的距离相等或接近，而A、B电极中心与M、N电极中心的连接的距离，要比A、B之间的距离大许多倍，所以偶极剖面法是以研究成对供电电极所形成的电场为基础而建立的一种测量方法。这种方法的优点是：所测曲线能更灵敏地反映出被探测物的位置，所以常用来研究规模比较小、电阻率差异不大的地质体（如岩脉、破碎带），或用来确定不同地层的接触面、倾斜角度较小的断层等。但地形起伏、旁侧不均质所造成的干扰也比其它剖面法大，另外还需要较强的供电电源。视电阻率|(3)响愈大，同时测量极距过小时Umn数值较小不

11、利于观测，因此一般情况下采用MN=O1O/10=测点距。3）供电极距的选择供电极距的取决于地质条件的复杂程度，当地质条件复杂时，取AB=（23）MN,当地质条件简单时,可取AB=MN。装置系数按下式确定：KAM.ANBMBNKMN（AMANAMBN）当AB=MN时KFM（崇）1）3.2偶极剖面法的应用在电测找水过程中，常用来寻找电阻率差异较小的裂隙带。(4)4联合剖面法4.1联合剖面法装置联合剖面法是由两个对称的三极装置（A、M、N和B、M、N）联合而成，其公用供电电极C垂直于测线方向固定，一般远离测线的距离在500m以上。测量日寸分别用A、C及B、C轮流供电，分别测出M、N电极之间的电位差值

12、Uac、Ubc，计算出视电阻率p?、p?,绘制p?、p?沿测电分布曲线，称为联合剖面曲线。联合剖面法的装置系数按下式计算：K=2jrAMANMbF(5)比较式（1）与式（5）,可知联合剖面法的装置系数是四极对称剖面法的2倍。4.2联合剖面法的应用4.2.1确定富水构造根据联合剖面曲线的特征，结合鲁中砂石山地区的水文地质条件，主要有低阻正交点、“麻花”低阻异常、“V”形低阻异常等几种富水构造。1）低阻正交点若联剖曲线的正交点两支分离不大，在低阻交点处一般为断裂带富水构造，井一般布置在交点处。如沂源县某村，地层为泰山群片麻岩，布置一联合剖面线，测点间距为20m。在联剖曲线上的测点5、6-点之间出现

13、低阻正交点（图3）,在交点处定一钻孔，孔深40m,出水量为24m3/ho2）“麻花”低阻异常在联合剖面曲线上，如果p?、p?同步平行距离较大，而在23个测点上，双支产生正反相交时，称为“麻花”低阻异常。由于地质体的规模较小或埋藏较深时，故地电反映不甚明显，只能试两支略有接近或形成“麻花”状。“麻花”低阻异常一般是是含水地带的反映，井的位置应选择在“麻花”中间部位。如日照岚山某村的联剖曲线，由12*、13芥、14*测点出现麻花低阻异常（图4）,在13*测点打井一眼，井深34m,出水量26m3/ho图3沂源联合剖面曲线的低阻正交点图3沂源联合剖面曲线的低阻正交点oooooOooooO54321买琴

14、釜、*-IK套11121314151617测点日照岚山某村联合剖面曲线“麻花”低阻异常3）“V”形低阻异常富水构造在联合剖面曲线上，如果p?、p?同步下降，到达某一个极小值后，又同步上升，形成“V”字形曲线。规模较窄的断层破碎带在联合剖面曲线上常表现为尖底的“V”形低阻异常，是含水的反映，井的位置应选择在凹斗的底部。4.2.2确定断层的产状在地形平坦又尤其它异常体干扰的情况下，联合剖面法除了用来确定构造破碎带的位置外，还常常用来确定断层的走向、倾向、倾角等产状（图5）。H6HH6H-1图5联合剖面法确定断层的产状1）断层的走向将各条测线按一定比例绘在平面图上，然后将每条测线上矿交点的位置在平面

15、图绘出来，将各矿交点连接成直线即为断层的走向。2）断层的倾向在实际工作中，可以采用两个极距大小不同的联合剖面装置，同时在一条测线上进行测量。大极距可以确定断层在深部的位置，小极距确定断层在浅部的位置。将测量结果点绘在同一坐标系的剖面图上，如果大小极距曲线上的矿交点的位置一致，说明断层是直立的；不一致则说明断层面是倾斜的，两个矿交点的连线即为断层面的倾向。3)断层的倾角表1假设两个极距之差为AH,两个正交点在平面上的距离为*,则TANa=AH/Ax,可以求出断层的倾角a。几种常见剖面法比较表现将儿种电阻率剖面法的装置特点、装置系数、主要用途等列于表lo剖面类型装置特点装置系数K主要用途四极对称剖

16、面法供电电极A、B测量电极M、整体移动AMAN主要确定破碎带、断层位置中间梯度法供电电极A、B不变，测量电极M、N变化AMAN.13MBNK2jt-MN(AMAN+BMBN)主要确定高阻岩脉位置单边偶极剖面法测最电极M、N布置在供电电极A、B的一侧AMANBMBNK=2rM、(AM-AN-BMBN)寻找电阻率差异较小的裂隙带联合剖面法供电电极C不变，供电电极A、B测最电极M、N整体移动AMANK=2k-主要寻找低阻破碎带；确定断层的走向、倾向、倾角；高阻岩脉位置5结语鲁中砂石山区地下水富水性严重不均，为山东省严重缺水地区。利用四极对称剖面法、中间梯度法、偶极剖面法、联合剖面法等电阻率剖面法，寻

17、找岩石破碎带、低阻正交点、低阻麻花异常、“V”形低阻异常、高阻岩脉等富水构造，大大提高了成井率，找水明显效果。参考文献1 山东省地质矿产局.山东省区域地质志M.北京：地质出版社,1991.2 刘春华，王慎乾.综合物探基岩找水技术研究口.山东水利,2003(5):88-90.3 姬广柱，周强，侯国强.综合多种物探方法在贫水区找水的实践J.地下水,2001(4):208-210.4 刘福臣，程兴奇，黄怀峰.中生界地层找水方法研究口.人民长江，2008(14):37-38.5 刘福臣，林世乐，程兴奇等.联合剖面法探测泰山群变质岩地下水口.灌溉与排水学报,2007(4):188-189.6 陈仲候.工

18、程与环境物探教程M.北京：地质出版社,1993.e/X/XZX/XZX/XZX/XZJC/X/J5ZXZJCZXZ3C/X/5CZX/XZX/3C/X*QC/XZX/XZJOQCZX/X/JC/XZ5CZX/QCZXZJC/XZ；C/3COCZ3OQOOC/3CZX/3CZXZXZXZJt/xzsezxzx/x/se/XZXZXZ)t/XZXZXZX/X/5CZX/3e/XZJCZXZXZXZJCZXZ5C/X/JCZJCZSCZX/3CZX/QC/XZXZJC/XZXZJC/XZX/X/XZX/X/X/X/a(上接第126页)交点坐标。蚂蚁行走法可以确定滑动面在有限元网格中的位置，搜索出最危险滑动面，并给相应边坡稳定安全系数。适用于任意形状的滑动面,几何意义简单明确，易于编程。计算结果表明，该方法与极限平衡法计算所得安全系数及搜索到的滑动面位置比较接近，安全系数值与裁判给出的答案相近，从而验证了方法的正确性及程序的可行性。参考文献.1 殷宗泽，吕擎峰.圆弧滑动有限元土坡稳定分析，.岩土力学，2005,10,26(10):15251529.2 王成华，夏绪勇，李广信.基于应力场的土坡临界滑动面的蚂蚁算