电性要素与水文地质参数关系
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发布时间：2022-05-02 13:21
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时间：2022-06-20 05:56
通过大量实测数据统计分析结果表明，地电参数与单孔单位涌水量关系紧密。这些参数包括:电阻率、半衰时、衰减度、极化率和层厚度等。表2-2为某水源地地电参量与单孔单位涌水量统计关系表。结果表明含水层的电测参数及解释厚度与单孔单位涌水量具有密切相关性，统计相关系数均大于0.8，用地球物理参数进行单孔单位涌水量是可行的。从以下理论层面分析证明松散含水层电性参数与其水文地质参数间的内在联系。
表2-2 电性参数与单孔单位涌水量相关分析统计结果
松散含水层的含水量主要与其颗粒特征，孔隙度和渗透系数有关。而松散含水层主要由两类物质组成，即固体颗粒骨架和骨架孔隙内的水体，一般粒径的大小和级配比直接影响孔隙度和渗透系数。其电性特征又主要决定于固体颗粒的矿物成分、孔隙水的矿化度和空隙的连通性。若将骨架固体颗粒抽象为等球状颗粒模型，其电阻率满足阿尔奇公式(Archie，1942):
含水层含水量预测综合物探技术
式中:ρw为水体电阻率;m为孔隙度指数;φ为含水层孔隙度;n为饱和度指数;S为含水饱和度;α为骨架结构有关的比例系数。
对于饱和含水层S=1，有
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或
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式中:F为地层因素。
对于含泥质砂层有Simandoux公式(1963)
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式中:Vsh为泥沙体积比;ρsh为泥质电阻率。
Fertl公式(1971)
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以上各式给出了地下松散含水层电阻率与其孔隙度之间的依赖关系。即地下松散层的孔隙度越大则电阻率越小，反之则电阻率越大。据R.A.Freeze对自然界中主要松散岩石的孔隙度测定结果如表2-3所示。
表2-3 松散含水层孔隙度参考值
由此可见，含水砂卵石岩层与隔水黏土层之间存在着明显的导电性差异，从而为电阻率法圈定地下含水层，评价其富水性提供了必要的物质基础。电阻率参数可作为表征含水层、预测含水量的地球物理要素之一。
1987年，David Huntley经过对细砂—粗砂的大量试验研究给出以下渗透率与ρm的关系式:
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式中:K为含水层渗透系数;ρm为骨架电阻率。
基于平均水力流动半径的概念，Kozeny和Carman推导了孔渗关系:
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式中:K为渗透率，μm2;φe为有效孔隙度，小数;FS为形状系数;为孔隙介质的迂曲
度;Sgv为颗粒体积的表面积。
由上式得到
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上述式表明:含水层渗透系数与其骨架电阻率有明显的正相关性，其骨架电阻率与含水层颗粒大小、形状、结构、有效孔隙度有关。对于松散含水层而言，鉴于一般组成松散层的骨架颗粒多为高阻性造岩类矿物，其骨架颗粒越大，则将导致骨架电阻率变大，相应的有效孔隙度增大，必然使渗透系数增大。渗透系数又与有效孔隙度具有明显的相关性。这一因果关系为我们利用含水层电阻率进行预测其含水量奠定了物质基础，电阻率又可称为含水层含水量预测的基本地球物理要素。上述分析可知，松散含水层呈相对高阻性，其渗透系数又与骨架导电性具有强相关性，为了与含水层释水系数(给水度)对应，引入横向电阻参数:
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式中:h为含水层厚度。
利用含水层导水系数式:
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从而导出，含水层横向电阻与导水系数存在正相关关系。可见横向电阻仍可作为含水层含水量预测的间接地球物理要素。
此外，由于外电场作用下松散含水层内的固体离子导体颗粒表面将产生所谓的“薄膜极化”效应，其颗粒度越大，则充、放电速度变慢，导致激发极化效应也就愈大，对应于颗粒间缝隙大而有效孔隙度也大，相应的释水系数(给水度)就越大;相反，黏土颗粒度越小，则充、放电速度越快，导致激发极化效应也就变小，对应于颗粒间缝隙极小而有效孔隙度很小，相应的释水系数(给水度)就越小;故激电参数与含水量之间仍存在着相关性。这种相关性致使含水层与隔水层之间存在着明显的激电性差异，从而为激发极化法圈定地下含水层，评价其富水性提供了必要的物质基础。
除了激发极化法的基本参数极化率ηs外，还有以下常用表征含水层含水量的激电参数［5］。
1.半衰时(Th)
该参数由原陕西省地质局第一物探队(1975)提出。所谓半衰时，系指放电二次场由断电后的某一时刻二次场值衰减到一半时所需要的时间。显然，半衰时小说明二次场衰减快，半衰时大说明衰减慢。其单位为秒或毫秒。
实验结果表明，在线性条件下Th与供电电流无关。Th与供电时间的关系如图2-5所示，即随供电时间增加Th值变大。其特点是开始上升很快，以后则变慢，最后趋于一饱和值。为了取得较明显Th值，供电时间不宜过短。T=30s已达饱和值的80%以上，故工作中多取30s。
实验结果还表明，Th值随测量延时Δt的增加成正比地变大。因此，在同一工作地区应采用相同的延时。
图2-5 含水砂样上半衰时供电时间的实验关系曲线
2.衰减度(D)
该参数由山西平遥卜宜电探仪器厂提出(钟新淮等，1987)，其测算式为
含水层含水量预测综合物探技术
即以断电后0.25s到5.25s的5s时间段内ΔV2的平均值与0.25s时刻的ΔV2值之比，作为衡量二次场放电快慢的参数，并用百分数表示。不难理解，D值小的说明放电快，D值大的说明放电慢。
国外常以不同时刻二次场比值作为指示放电快慢的参数，如ΔV2(1s)/ΔV2(5s)、ΔV2(5s)/ΔV2(20s)等。比值大的表示放电快，比值小的表示放电慢。
3.激发比(J)综合参数
这是为了突出有用异常，提高解释能力和找水效果，采用的一种综合参数。
含水层含水量预测综合物探技术
式中:ΔV为总场电位差。
通常在含水层上η和D值均较高，所以取二者的乘积作为综合参数可使异常放大，反映更明显。实际上激发比(J)的实质仍是极化率，只不过它所用的二次场是取一段时间内的平均值，故在一定程度上又反映了二次场的衰减快慢。
早在20世纪70年代陕西第一物探队还提出了“激电衰减时法”，利用统计方法给出了单井涌水量回归预测模型:
含水层含水量预测综合物探技术
式中:为含水因素，其中，Th为极化二次场半衰时;b为地下水赋水条件系数;MS为预测区含水因素激电参数;M0为已知无水区含水因素激电参数。
可见MS是与无含水层的骨架结构、孔隙宽窄、连通性有关的函数，一般粒径越大，则半衰时和衰减度越大。从而反映激电二次场的强度和放电特征。
可见，利用激电参数(ηs，Th，D，J)圈定含水层，预测地下含水层富水性是可行的。大量的实践、研究证明，激电参数可属圈定含水层、预测其含水量的重要间接地球物理要素之一。
上述相关分析结果表明，各项含水层的电性参数及解释厚度与单孔单位涌水量具有密切相关性，无疑是利用物探方法进行地下松散含水层勘探，预测其含水量的间接地球物理要素。
