高密度電阻率法在山東泰安地區(qū)抗旱打井工程中的應(yīng)用

孟慶魯，劉彥，趙法強(qiáng)，胡安順

(1.山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東泰安 271021;2.山東省物化探勘查院，山東濟(jì)南 250013)

2010年8月至2011年2月，山東省境內(nèi)連續(xù)半年時間無灌溉有效降雨，出現(xiàn)百年一遇的特大干旱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及居民生活用水面臨極大困難，大片農(nóng)田莊稼枯萎甚至絕產(chǎn)。山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院積極響應(yīng)上級部門工作安排，組織扎實(shí)力量在泰安地區(qū)響應(yīng)開展抗旱打井工作。在實(shí)際工作中，為提高打井成井率，采用物探先行，以高密度電阻率法為先導(dǎo)，配合選用多種物探方法，針對泰安不同地區(qū)的水文地質(zhì)特點(diǎn)，合理解譯異常和快速高效確定找水有利部位，成功驗(yàn)證井位50余口，均水量理想，成井率為100%，取得了泰安地區(qū)抗旱打井工程的重大成功，也在利用高密度電阻率等物探方法實(shí)現(xiàn)地質(zhì)找水方面積累和總結(jié)了眾多經(jīng)驗(yàn)及成果。

1 區(qū)域地質(zhì)

工作區(qū)主要位于山東省泰安市及周邊地區(qū)，地層區(qū)劃屬華東地層區(qū)魯西地層分區(qū)。區(qū)內(nèi)地層分布較廣:早古生代寒武紀(jì)-奧陶紀(jì)地層，呈條塊狀分布于區(qū)內(nèi);新太古代泰山巖群在東部山區(qū)出露較多;石炭系、二疊系和侏羅系、白堊系幾乎無出露;古近紀(jì)地層有零星的露頭。工作區(qū)北部地區(qū)侵入巖較發(fā)育，其中以新太古代、元古宙侵入巖最為發(fā)育。

工作區(qū)水文地質(zhì)可分為松散類孔隙水區(qū)、變質(zhì)巖巖漿巖裂隙水區(qū)和碳酸鹽巖裂隙巖溶水區(qū)3個水文地質(zhì)單元［1］。

2 成井模型及工作實(shí)例

2.1 工作原理及方法選擇

電阻率法是以地殼中巖石和礦石的導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)，通過觀測和研究人工建立的地中電流場的分布規(guī)律進(jìn)行找礦和解決地質(zhì)問題的一種物探方法［2］。在找水過程中，巖石的電阻率與巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)、孔隙度、含水量及地下水的礦化度有關(guān)，通過測量巖石的電阻率值分析推斷地質(zhì)體的水文地質(zhì)特征，從而解決有關(guān)地質(zhì)問題［3］。

不同地區(qū)的地質(zhì)水文條件決定不同物探方法在該地區(qū)的有效性。在抗旱工程中，以高密度電阻率法為基礎(chǔ)，與聯(lián)合剖面、傳統(tǒng)測深等多種物探方法相結(jié)合開展工作，不僅提高了定井效率，也保證了定井成功率。

2.2 松散巖類孔隙水區(qū)成井原理及找水實(shí)例

該類型水文地質(zhì)單元主要位于工作區(qū)南部，以泰安市岱岳區(qū)道朗鎮(zhèn)南和滿莊汶口等地為例。該區(qū)地勢平坦，第四系覆蓋較厚，下伏古近系，以地表水為主要水源，其成井模型見圖1。

圖1 松散巖類孔隙水成井模型

泰安市滿莊鎮(zhèn)姜家園村位于泰安市岱岳區(qū)南，位于大汶口盆地范圍內(nèi)。工作區(qū)內(nèi)全部被第四系覆蓋，覆蓋層很厚，為全新世黃褐色粉質(zhì)粘土，夾細(xì)中砂。下伏古近系為棕紅色泥巖、頁巖及含礫砂巖等。

根據(jù)場地的具體范圍，經(jīng)過實(shí)地踏勘確定測線位置。在姜家園村東北約1 km布置高密度剖面1條，東西向布設(shè)，控制長度600 m。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、處理得到該位置高密度測深斷面圖。

圖2 泰安市滿莊鎮(zhèn)姜家園村高密度測深ρa(bǔ)斷面圖

由圖2可見，該剖面地下視電阻率ρa(bǔ)數(shù)值具有一定成層性規(guī)律，但不是很明顯，尤其是淺部，視電阻率數(shù)值變化較大，ρa(bǔ)一般在30～80Ω·m。經(jīng)過現(xiàn)場踏勘和地質(zhì)資料收集，該處地表第四系覆蓋厚度達(dá)30 m，下伏為古近系，含水性較差。在該處只能尋找古河道或湖泊沉積沙層作為地下水富水層。沙層與粘性土壤相比孔隙度高，導(dǎo)電性差。推斷高阻區(qū)為古河道區(qū)，沙層高阻表現(xiàn)明顯，表現(xiàn)在剖面控制范圍300～480 m處。經(jīng)過對比選擇含沙較厚的位置作為井位位置，設(shè)計(jì)井位位于剖面420 m處，井孔設(shè)計(jì)為大口徑，井深50 m。成井驗(yàn)證效果與推斷成果相一致，涌水量可達(dá)5 m3/h，達(dá)到成井要求。

2.3 變質(zhì)巖巖漿巖裂隙水區(qū)及找水實(shí)例

該類型水是泰安市岱岳區(qū)主要類型水源，岱岳區(qū)北部侵入巖發(fā)育，大范圍內(nèi)NW向斷裂發(fā)育，局部地區(qū)存在不同規(guī)模小型構(gòu)造和裂隙，為當(dāng)?shù)貙ふ业叵滤刺峁┝怂牡刭|(zhì)基礎(chǔ)［4］，其成井模型見圖3。

圖3 變質(zhì)巖巖漿巖裂隙水成井模型

泰安市焦北村，位于岱岳區(qū)祝陽鎮(zhèn)西北。該村附近巖漿巖分布主要為蒙山超單元望府山單元英云閃長巖、傲徠山超單元松山單元二長花崗巖等。工作區(qū)范圍無大型構(gòu)造，局部存在較小NW向斷裂，推斷為富水有利位置。經(jīng)過實(shí)地踏勘，該處巖石節(jié)理發(fā)育為NWW向，推斷該處裂隙發(fā)育方向與節(jié)理方向相同，應(yīng)垂直節(jié)理方向布設(shè)測線。最終選擇在焦北村北布置高密度剖面1條，測線方向近南北向，測線控制長度600 m。

圖4 泰安市祝陽鎮(zhèn)焦北村高密度測深ρa(bǔ)斷面圖

由圖4可見，測線控制范圍兩端視電阻率成層性較好，整體上隨著深度的增加視電阻率值逐漸增大，反映地層相應(yīng)的變化。在剖面250～340 m處存在一明顯漏斗狀低阻異常區(qū)，異常形態(tài)較明顯，隨著深度的增加向S傾，傾角較大。推斷為斷裂構(gòu)造引起局部破碎造成富水性增強(qiáng)，具有較好成井條件。南端140～160 m處存在一較好漏斗狀低阻異常區(qū)，與測線中部異常相比較，該處異常深度淺，范圍小，推斷其具有一定富水性。兩者相較，中部異常橫向范圍廣、深度大，成井效果更好，確定井位在剖面控制300 m處，井深設(shè)計(jì)150 m。經(jīng)驗(yàn)證該處成井效果良好，水量達(dá)10 m3/h。

2.4 碳酸鹽巖裂隙巖溶水區(qū)及找水實(shí)例

泰安西部地區(qū)灰?guī)r分布，從道朗鎮(zhèn)西部經(jīng)過肥城市至東平縣，主要為寒武系。在該范圍內(nèi)，部分地區(qū)巖溶發(fā)育，下伏張夏組和饅頭組底部部分灰?guī)r水量大，水質(zhì)好，出露的水量則很?。?］。在尋找該類地下水源時，不同地層的埋藏情況和地層產(chǎn)狀起到?jīng)Q定性的作用。其成井模型見圖5。

圖5 巖溶水成井模型

泰安市二起樓村位于岱岳區(qū)道朗鎮(zhèn)西南。自建國以來，該村已經(jīng)連續(xù)打了多眼井沒有出水，最深的已經(jīng)打到約300 m亦未見水。該處出露地層主要有晚寒武紀(jì)鳳山期炒米店組、崮山組，部分地區(qū)出露鳳山組，少數(shù)地方第四系覆蓋層。從地層上看，該區(qū)具有一定成井地理?xiàng)l件，但因其地勢較高，為分水嶺地形，無較好的儲水條件，成井難度很大。經(jīng)過實(shí)地踏勘和水文地質(zhì)分析研究，只有在該處選擇尋找具有一定規(guī)模的斷裂構(gòu)造作為運(yùn)水及儲水通道。

根據(jù)場地的具體范圍，在二起樓村西部和南部共布置高密度剖面2條。1測線方向近EW向，測線控制長度600 m，該線同時進(jìn)行聯(lián)合剖面及高密度測深勘查。2測線在村南，以1線所得物探成果為基礎(chǔ)，選在推斷斷裂帶位置垂直其布設(shè)，主要目的是查明斷裂帶走向、傾向及其具體位置。

在1線320～380 m范圍內(nèi)存在一正交點(diǎn)異常區(qū)，隨著深度的增加，正交點(diǎn)逐漸向北西移動，異常整體傾向45°，傾角約60°，推斷可能為規(guī)模較小斷裂或裂隙引起的低阻異常(圖6)。

圖6 泰安市道朗鎮(zhèn)二起樓村聯(lián)合剖面測量曲線圖

測線控制范圍整體電阻率成層性較差，隨著深度的增加視電阻率值逐漸增大反映地層相應(yīng)的變化，在剖面橫向210～510 m處存在明顯高低阻梯度帶，異常形態(tài)較明顯，北部視電阻率低，南部視電阻率高，隨著深度的增加向NW傾，傾角較大，與聯(lián)合剖面曲線相吻合。推斷為斷裂構(gòu)造賦水所引起，此區(qū)段具有較好成井條件(圖7)。

圖7 泰安市道朗鎮(zhèn)二起樓村1線高密度測深ρa(bǔ)斷面圖

圖8 泰安市道朗鎮(zhèn)二起樓村2線高密度測深斷面圖

為驗(yàn)證1線高低阻梯度帶異常，并最終確定其位置，以1線異常為研究對象，選取有利地形近垂直該線布設(shè)2線，控制長度600 m。由圖8看出，在該線200～260 m處存在明顯低阻異常帶，實(shí)地踏勘對應(yīng)1線異常位置。推斷為該位置斷裂帶造成富水增強(qiáng)引起，具有較好的成井地質(zhì)條件。

最終井位選在2條剖面異常交會處，成井結(jié)果較好，解決了當(dāng)?shù)厝罕姷幕居盟畣栴}。

3 結(jié)論

以此次工作為基礎(chǔ)，進(jìn)一步實(shí)踐和提升了高密度電阻率法在地質(zhì)找水工作中的有效性研究，具體是針對不同的水文地質(zhì)條件，對高密度電阻率異常的分析研究和提出驗(yàn)證井位有所不同。

(1)如泰安市滿莊鎮(zhèn)姜家園村所在的松散巖類空隙水區(qū)，一般以尋找古河道或湖泊沉積沙層作為地下富水層，而這些區(qū)段一般在高密度電阻率異常中多表現(xiàn)為高阻異常，因此在類似情況下選擇有一定厚度的高阻異常區(qū)確定找水驗(yàn)證井位較為合理，見水較好。

(2)如泰安市焦北村等所在的變質(zhì)巖巖漿巖裂隙水區(qū)，應(yīng)以尋找構(gòu)造和裂隙充水為目標(biāo)，這些區(qū)段一般在高密度電阻率異常中多表現(xiàn)為漏斗狀或具有一定傾向的線性低阻異常，針對這些區(qū)段確定布設(shè)找水驗(yàn)證井位較為有利。

(3)碳酸鹽巖裂隙巖溶水區(qū)地下水成井條件由地層分布情況和地勢條件等綜合原因決定，定井難度相對較大，在前期踏勘和收集資料的基礎(chǔ)上更需要多種物探方法結(jié)合，才能增加定井成功率。但在這些地區(qū)總體應(yīng)以尋找與高密度電阻率低阻異常相對映的巖溶或構(gòu)造裂隙富水區(qū)為主。

［1］肖長來，梁秀娟.王彪.水文地質(zhì)學(xué)［M］.北京:地質(zhì)出版社，2010.

［2］陳仲候，王興泰，杜世漢.工程與環(huán)境物探教程［M］.北京:地質(zhì)出版社，1993:226 －242.

［3］李金銘.地電場與電法勘探［M］.北京:地質(zhì)出版社，2005:208－211.

［4］蔣輝.專門水文地質(zhì)學(xué)［M］.北京:地質(zhì)出版社，2007:37－44.

［5］韓祥銀.濟(jì)南張夏組灰?guī)r巖溶地下水供水潛力探討［J］.山東國土資源，2008，24(12):24 －26.