激电剖面法

如题所述

一般来讲,激电法可采用电阻率法中的各种装置类型。究竟选择哪种装置,采用多大电极距,还需根据任务,工作地区的地质、地球物理条件和装置本身的特点等进行综合考虑。

现对激电法中目前常用的几种装置类型特点及应用技术简述如下。

(一)中间梯度装置

中间梯度装置(简称中梯装置),它的最大优点就是敷设一次供电导线和供电电极(A,B)能在相当大的面积上进行测量,特别是能用几台接收机同时在几条测线上进行观测;因而它具有较高的生产效率,最适宜于做面积性普查工作。常采用激电中梯装置勘测第四系松散层孔隙水和追索阻水的高阻陡倾斜岩脉,很少用于追索含水的低阻陡倾斜断裂破碎带。

依上所述,激电中梯装置勘测结果应在地下含水地质体上出现高阻(ρS)、高极化率(ηS)和半衰时(St)高值异常。该方法激电异常形态简单,解释工作中,根据高阻脉模型实验,中间梯度法的ρS异常,其高阻带异常宽度只与高阻脉的埋深有关(与极距大小关系不大,因AB很大,测区范围是均匀电场)。因此,可利用异常宽度来估计脉顶埋深,见图2-3-1。

图2-3-1就是利用ρS曲线的半极值宽度q来估算脉顶埋深的实验。图中q为曲线半极值 点间距。经验公式为:H=0.9q

图2-3-1 根据曲线半极值宽度q估算脉顶埋深

(二)对称四极装置

对称四极装置可用于勘测第四系含水岩层、追索含水的低阻陡倾斜断裂破碎带,也具有高(低)视电阻率(ρS)异常和高视极化率(ηS)、高半衰时(St)异常特征。同样具有异常简单、易解释等优点。可用于水文地质普查工作。

(三)联合剖面装置

联合剖面装置(简称联剖装置),可用于勘测高(低)阻含水地质体,依据视电阻率 视极化率 曲线异常特征,综合分析、对比推断含水地电断面特征,还可依据正(反)交点位移情况推断脉状地质体倾向。联合剖面装置具有分辨能力强的特长,但其生产效率低。

以上3种装置类型激电剖面法在找水工作中常用,它具有工作方法简便易行、勘探深度大等优点;也有受地形影响在局部地段会出现畸变,对接地条件和观测技术均要求较高等不足之处。

(四)近场源装置

近场源装置是一种供小电流可获得二次场大信号、信噪比大、抗干扰能力强、十分轻便的激电法装置。近场源装置的最大特点就是由于它的供电电极比较近,所以供很小的电流可获得很大的激电二次场信号,供电系统的装备十分轻便。常用布极方法如图2-3-2所示。

图2-3-2 近场源装置示意图

图2-3-2中,二极记录点是M,三极记录点是MN中点,四极OO′中点为记录点,O、O′分别是AM、BN的中点。近场源装置的装置系数K计算式为:

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式中:n为隔离系数;a为电极极距。

因近场源法具有上述优点,所以该方法很适合开展小比例尺的激电普查。

表2-3-1给出了它们与中梯装置在同一个埋藏球体上的水槽实验数据对比结果。

表2-3-1 近场源法与中梯装置在球心上方(O点)处的观测数据对比表

由表2-3-1可见,无论哪种近场源装置,在所论条件下△V2/I值均比中梯装置大数十倍以至上百倍。由于近场源装置的一次场都很大,所以ηS值都比中梯的小。该方法在国内金属矿探测工作中有较好的地质效果,现推荐水文物探工作者参考。

二、激电测深法

激电测深是在电阻率测深的基础上,又获得了分辨能力更强的视极化率ηS、半衰时St和偏离度r找水激电参数,因而在激电剖面定性解释的基础上综合每条测线激电测深测量结果,通过定性分析和定量解释,获得每条测线的地电断面资料;综合工作区各测线的综合地质资料,可达到立体填图的效果。进而,可以对单个水井以及水源地含水层埋深、涌水量做出完整的评价。

(一)计算地下水位埋深(潜水位埋深)

1.转折点法

在极化体地表投影中心上做激电测深时,根据ηS曲线的转折点(曲线曲率的突变点)所对应的AB/2,就是含水层的顶板埋深。这个方法很简单,结果也较满意。野外队多采用这一方法来估算含水层顶板埋深,这一方法的吻合程度与含水岩层岩石、围岩的电阻率有很大关系。

例如,勘测基岩裂隙水时,含水地质体具有低阻异常,并有ηS、St高值异常和ρS极小值,含水地质体又有足够大的剩余极化率时,曲线的转折点所对应的AB/2与含水地质体的顶板埋深吻合得很好。

如果含水地质体的极化率和电阻率都比较高,并在ρS曲线上有极大值时,则ηS曲线上的转折点所对应的AB/2稍大于其埋深,如含水地质体为含水砂卵砾石层时就是如此。

因此,对野外资料进行解释时,必须注意到极化体与围岩电阻率的关系,否则会造成大的误差。

2.激电半衰时曲线对水位埋深的反映

表2-3-2 激电ηS、St曲线高值异常起始拐点横坐标AB/2与水位埋深关系表

表2-3-2是15个钻孔的测深曲线的高值异常起始拐点AB/2横坐标与水位埋深关系表,由表可见对于关系较好,尤其是St曲线对应关系更接近实际。水位埋深的St拐点横坐标与实际埋深值相对误差多数少于10%,最小为2%;少数部分误差偏大,在17%~22%之间,主要反映在埋深浅时,St曲线上升早,高值异常上升拐点小于水位埋深;水位埋深大时St曲线上升晚,高值异常上升拐点略大于水位埋深。

3.回归直线求潜水位埋深

在内蒙古赤峰市达尔罕断陷盆地勘测第四系松散层孔隙水时,由于受巨厚风积砂层的影响,区内某些地段,电测深曲线的K段范围较宽,使曲线前支斜率过小,或K极大值过高,使曲线前支斜率过大,量板法解释精度无法满足要求。经用数理统计方法解释典型孔旁测深之后,发现K特征点对应的AB/2电极距横坐标(R)与潜水位埋深(h)之间存在正相关关系,为此可以用回归直线方程求潜水位埋深。

根据电测深曲线K特征点对应的AB/2电极距横坐标(R)与潜水位埋深(h)之间存在正相关关系,将R作为自变量x,h作为因变量y,则有:

y=f(x)

R与h的n组数据(xi,yi),i=1,2,3……n

把该水文地质单元的这n组数据点成散点图,若它们之间存在一元线性相关关系,那么这些点的均应落在一条直线附近。如果 与各点的离差平方和 最小,这条直线就是这些离散点的最后拟合直线,该直线称为回归直线。

根据建立的一元线性相关模型yi=a+bxi+εi(a、b为方程系数,εi是随机误差),利用最小二乘法原理,回归方程的系数应满足下列关系:

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对于任意n组数据,可用相关系数r来判断变量之间的相关程度:

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由于变量之间只是存在相关关系,而不是确定的函数关系,求解出的潜水位埋深h并不一定恰好等于实际埋深,而是在这一数值左右一定范围之内。其精度取决于散点重心图上各点的离散程度。表征离散程度的数值是剩余标准差s:

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s在数值上等于观测点偏离回归直线的平均距离。s值愈小,说明各散点落在回归直线附近的概率愈大,计算精度就愈高。

图2-3-3为该区R对h的回归散点图。图中除少数几个点偏离较大外,大多数点分布在一条直线附近。这表明该测区R与h值基本上呈直线相关。从测区钻孔揭露的情况,选20个有代表性的点进行统计计算得到:

图2-3-3 R对h回归散点图

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此值大于临界相关系数rα,并且接近于1,说明h与R具有显著直线相关关系。r为正值,说明h与R具有正相关关系。

剩余标准差:

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根据回归方程的服从于正态分布规律可知,h落在(0.912Ri-1.9)±2s区间的概率为95%。用回归方程计算潜水埋深h的精度为±5m。根据计算得到的该区各测点的h值,可勾出潜水高程平面图,详见图2-3-4。

图2-3-4 潜水高程平面图等值线数字单位为m

(二)一元线性相关求含水组中黏性土百分含量

图2-3-5 N对lgρ2回归直线图

鉴于测区内含水组(含水砂砾石与黏性土夹层或互层的总称)厚度,数值上等于潜水面至基岩顶板的第四系厚度,用常规量板法解释为一个电性层的黏性土(亚砂土、亚黏土和黏土的统称)厚度不一。从已知钻孔资料可知,黏性土的厚度远远小于其埋深,所以用量板法是不能解释出它的厚度的。由数理统计分析可找到含水组的电阻率ρ2与其黏性土百分含量N(黏性土占含水层厚度的百分数)之间,存在负相关关系。图2-3-5为N对lg(ρ2)的回归散点图。

这图表明该测区ρ2的对数与N值基本上呈直线相关关系。根据钻孔揭露情况,选22个有代表性的进行统计计算得到:

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其绝对值|r|大于临界相关系数rα、且接近于1,说明N与lg(ρ2)具有显著性直线相关关系;r为负值,表明N与lg(ρ2)呈负相关。

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那么,用回归方程计算含水组中黏性土的含量精度为±6.88%时,其概率为95%。

在实际工作中,是根据含水组电阻率平面图中不同位置各点的电阻率值,先用回归方程计算出对应点含水组的黏性土百分含量(N),然后再将黏性土百分含量换算成黏性土实际厚度NH

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式中:NH为黏性土厚度;QH为第四系地层厚度;h为潜水埋深。

各测点含水层的实际厚度为:

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图2-3-6 含水层厚度平面图数字单位为m

根据得到的H值,就可以勾出该地区含水层厚度平面图(见图2-3-6)。

综上所述可知用一元线性相关求潜水埋深和含水组中黏性土百分含量方法只有在大型水源地勘察工作中应用,因其前提条件是利用不少钻孔资料,不适宜电测单井工作。

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