綜合電法在巖溶山區(qū)地下水勘探中的應(yīng)用
——以湖南懷化長(zhǎng)塘村為例

鄔健強(qiáng)，趙茹玥，甘伏平，張偉，劉永亮，朱超強(qiáng)

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 巖溶地質(zhì)研究所，廣西 桂林 541004; 2.自然資源部廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004; 3.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

0 引言

巖溶山區(qū)碳酸鹽巖溶蝕作用強(qiáng)烈，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，常形成孔隙、裂隙、斷(層)裂破碎帶等，而地表水能夠通過這些通道滲漏于地下，導(dǎo)致地表干旱缺水，嚴(yán)重威脅了糧食的生產(chǎn)和居民的生活。巖溶山區(qū)地下水的勘探主要是以物探為常用手段[1-11]，焦彥杰等[12]綜合利用電導(dǎo)率成像系統(tǒng)和高密度電法圈定了含水巖溶帶并確定了井位，有效解決了當(dāng)?shù)仫嬎畣栴}；陳玉玲等[13]通過不同物探方法的對(duì)比，分析了巖溶山區(qū)可控源音頻大地電磁法、三級(jí)電測(cè)深法和充電法在探測(cè)地下暗河的優(yōu)缺點(diǎn)；張銀松等[14]利用高密度電法確定了巖溶區(qū)異常分布范圍，接著利用聯(lián)合剖面法進(jìn)一步確定異常的具體位置。

文中以地處巖溶山區(qū)的湖南懷化長(zhǎng)塘村為例，為了解決當(dāng)?shù)氐墓喔人惋嬘盟畣栴}，綜合采用高密度電阻率法和音頻大地電磁法進(jìn)行了優(yōu)化組合找水應(yīng)用研究。通過對(duì)兩種方法所得結(jié)果的綜合討論與分析，相互驗(yàn)證，確定井位并成功出水，最大涌水量大于146.88 m3/d。

1 測(cè)區(qū)概況

1.1 測(cè)區(qū)水文地質(zhì)特征

工作區(qū)位于湖南懷化市長(zhǎng)塘村，地形地貌上屬于構(gòu)造溶蝕低丘谷區(qū)，谷地開闊，寬3～7 km，殘留緩坡孤丘高差10～30 m，地表均被黏土夾碎石覆蓋，未見溶蝕漏斗，地下巖溶管道發(fā)育，是巖溶水的匯集、排泄區(qū)。測(cè)區(qū)出露主要地層為石炭系中統(tǒng)黃龍群組(C2hn)與震旦系下統(tǒng)南沱冰磧巖組(Zant)、黃龍群組(C2hn)巖性為灰、灰白色厚層灰?guī)r，白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖，地下水類型為碳酸鹽巖裂隙巖溶水，為測(cè)區(qū)的含水層，南沱冰磧巖組(Zant)巖性為含礫粉砂巖、冰嘖礫巖、泥礫巖，為相對(duì)隔水層。測(cè)區(qū)詳細(xì)的地層巖性見表1。測(cè)區(qū)內(nèi)發(fā)育一條近EW向斷層(圖1)。

表1 地層巖性一覽

圖1 測(cè)區(qū)水文地質(zhì)略圖

1.2 測(cè)區(qū)地球物理特征

通過野外踏勘可知測(cè)區(qū)內(nèi)出露地層依次為：上部為第四系覆蓋物(Qh)——褐灰色粉砂質(zhì)黏土、粉質(zhì)砂土及砂卵石層，厚度在8 m左右；底部為石炭系黃龍群(C2hn)白云質(zhì)灰?guī)r。土層及巖石的電阻率變化見表2。地下介質(zhì)除卵石層和灰?guī)r層電阻率較高外，其他介質(zhì)電阻率均很小。但隨著地層巖性變化、巖石風(fēng)化程度等不同，介質(zhì)電性的差異也會(huì)發(fā)生改變。根據(jù)地層巖性及水文地質(zhì)條件分析，測(cè)區(qū)內(nèi)的含水地層為碳酸鹽巖巖溶含水層，為相對(duì)低阻區(qū)，而且在音頻大地電磁法(EH-4)的電阻率等值線斷面圖上會(huì)有低阻的異常圈閉反映。綜上所述，本測(cè)區(qū)存在地球物理勘探前提。

2 野外工作方法

根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)構(gòu)造、地形地貌等特點(diǎn)，布置了兩條平行的物探測(cè)線(見圖1)。測(cè)線方位110°，兩條測(cè)線相距15 m，與區(qū)域斷層有一定的交角。先對(duì)兩條測(cè)線均采用高密度電阻率法，然后根據(jù)高密度電阻率法的異常結(jié)果并結(jié)合場(chǎng)地條件，在對(duì)應(yīng)的異常段采用音頻大地電磁測(cè)深法進(jìn)行綜合對(duì)比研究，最后確定井位。

2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法是以地下巖(礦)石的電阻率差異為基礎(chǔ)，研究在供電電場(chǎng)作用下地下傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，從而達(dá)到勘探地質(zhì)體的目的。野外測(cè)量時(shí)將全部電極(幾十至上百跟)一次性布設(shè)于測(cè)點(diǎn)上，然后通過程控多路電極轉(zhuǎn)換器選擇不同的電極組合方式和不同的極距間隔，從而完成野外數(shù)據(jù)的快速采集。

主要對(duì)1線、2線采用倫貝爾(α2)裝置進(jìn)行對(duì)稱四極電測(cè)深測(cè)量[15]。其中1線測(cè)量點(diǎn)距7 m，采集道數(shù)57道，采集層數(shù)為20層，長(zhǎng)度為392 m；2線測(cè)量點(diǎn)距5 m，采集道數(shù)60道，采集層數(shù)為29層，長(zhǎng)度為295 m。儀器采用重慶奔騰儀器廠生產(chǎn)的WGMD-3型多功能數(shù)字直流激電儀。

2.2 音頻大地電磁法

音頻大地電磁測(cè)深法是以巖土層(體)的導(dǎo)電性與導(dǎo)磁性差異為基礎(chǔ)，研究電磁波在地下不同介質(zhì)傳播過程中在地面表現(xiàn)的不同特征，達(dá)到了解地下介質(zhì)的電性變化之目的。對(duì)測(cè)線上的異常段進(jìn)行音頻大地電磁測(cè)深法測(cè)量[16]，不極化電極沿測(cè)線方向測(cè)量電場(chǎng)Ex，用磁棒垂直測(cè)線方向測(cè)量磁場(chǎng)Hy，測(cè)量方式為EH-4標(biāo)量，采集頻段為高頻段(750～100 000 Hz)。儀器采用勞雷工業(yè)公司生產(chǎn)的EH-4連續(xù)電導(dǎo)率成像儀。

3 綜合結(jié)果分析與討論

對(duì)采集到的對(duì)稱四極電測(cè)深數(shù)據(jù)采用RES2DINV軟件進(jìn)行反演，反演結(jié)果見圖2、圖3。

1線的地表地形起伏不大。縱向上整體存在分層現(xiàn)象，表層介質(zhì)電阻率值很小，普遍在100 Ω·m以內(nèi)，是第四系覆蓋層的反映；隨著深度的增大，介質(zhì)電阻率值明顯增大，普遍大于500 Ω·m，是基巖白云質(zhì)灰?guī)r的反映。橫向上覆蓋層厚度變化較大，有些地方很厚，有些地方則很薄，變化范圍為1～10 m，而在基巖中存在明顯的橫向電阻率值突變和低阻異常帶，主要在274～323 m、358～421 m和449～484 m，推測(cè)在358～421 m測(cè)線段可能存在一條局部斷層，傾向往測(cè)線小號(hào)方向。

由圖3可知，測(cè)線地表地形起伏不大，縱向上存在分層現(xiàn)象，表層介質(zhì)電阻率值有大有小，部分測(cè)線段有基巖裸露的情況，但整體上介質(zhì)電阻率值還是偏小，主要還是第四系覆蓋層的反映，隨著深度的增大，介質(zhì)電阻率值明顯增大，是基巖白云質(zhì)灰?guī)r的反映。橫向上來看覆蓋層厚度變化較大，有些地方很厚，有些地方則很薄，變化范圍為0～10 m，而在基巖中存在明顯的橫向電阻率值突變和低阻異常圈閉，主要在測(cè)線段355～415 m和450～470，其中355～415 m測(cè)線段可能存在一條局部斷層，傾向往測(cè)線小號(hào)方向。

對(duì)比圖2、圖3發(fā)現(xiàn)，1線和2線這兩條平行線異常段有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，推測(cè)的斷層傾向也一致，為同一斷層，平行測(cè)線在消除旁側(cè)影響的同時(shí)，也提高了異常解釋的可靠性。為了進(jìn)一步提高解釋的可靠性，對(duì)兩條測(cè)線的異常段進(jìn)行了EH-4音頻大地電磁測(cè)量。具體為：1線測(cè)線段365～463 m，點(diǎn)距7 m；2線測(cè)線段350～450 m，點(diǎn)距5 m。使用IMAGEM軟件對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行二維反演，在地形比較陡的地段取平滑因子為0.1，較平緩的地段取 0.5[17]，最后采用Surfer軟件成圖。圖4和圖5分別為1線和2線音頻大地電磁測(cè)深電阻率反演斷面。

圖2 1線對(duì)稱四極電測(cè)深反演結(jié)果斷面

圖3 2線對(duì)稱四極電測(cè)深反演結(jié)果斷面

由圖4可知，在小號(hào)段存在明顯的低阻異常圈閉，主要在測(cè)線段365～400 m，電阻率值偏小，而大號(hào)段電阻率值偏大，橫向上形成電阻率值突變現(xiàn)象，推測(cè)突變處存在局部斷層，傾角較陡，傾向往小號(hào)方向。由圖5可知，小號(hào)段相對(duì)于大號(hào)段整體電阻率值偏小，橫向上有明顯電阻率值突變現(xiàn)象，推測(cè)突變處存在局部斷層，傾角較陡，傾向往小號(hào)方向。而在小號(hào)段還存在低阻異常圈閉，主要在測(cè)線段360～400 m。

綜上所述，基本可以確定1線365～421 m異常段和2線360～415 m異常段存在斷層，且為同一斷層，而根據(jù)低阻異常圈閉的位置可以初步確定鉆井位置為1線375 m和2線375 m處。為了最終確定鉆井的具體位置，分別抽取了1線375 m和2線375 m附近的3條電阻率測(cè)深曲線(單支曲線)進(jìn)行分析討論，見圖6、圖7。

由圖6可知，3條單支曲線形態(tài)上大體相似，最小極距從10.5 m開始，電阻率值從大約75 Ω·m開始增大至約200 Ω·m，期間增速有所變化；初始階段電阻率增大得較快，表明覆蓋層薄，接著快速進(jìn)入高阻層，后續(xù)增速有所下降，但下降得不明顯，表明存在些許破碎；之后從極距大約60 m處電阻率值開始減小，隨后又增大，表明存在明顯破碎或存在充水溶洞等現(xiàn)象。而由圖7可知，最小極距從7.5 m開始，電阻率值在不同測(cè)點(diǎn)有增大有減小，表明部分地方有基巖出露；之后的形態(tài)與圖6很相似，電阻率值增大進(jìn)入高阻層，期間有增速變化表明存在些許破碎；隨后有一段增速平緩然后又加快，表明存在明顯破碎或充水溶洞等現(xiàn)象。

通過以上綜合對(duì)比分析，可以確定鉆井位置為1線375 m和2線375 m處，且異常為同一斷層引起，故最終選擇了鉆機(jī)容易開展工作的1線375 m處。圖8為1線地質(zhì)推斷解釋剖面，其中375 m處的鉆井信息顯示：0～3.4 m為耕植土、粉質(zhì)黏土；3.4～7.8 m為卵石；7.8～38 m為白云質(zhì)灰?guī)r，其中在12～13.6 m、14～15.6 m、19～20.5 m、21～22.7 m、26.3～26.7 m、28.5～29.3 m及31～31.7 m為全充填充水溶洞段。由此可見，推斷結(jié)果與鉆井結(jié)果基本一致，該處抽水試驗(yàn)成果顯示最大涌水量大于146.88 m3/d。

圖4 1線音頻大地電磁法電阻率反演斷面

圖5 2線音頻大地電磁法電阻率反演斷面

圖6 1線375 m處三條單支曲線

圖7 2線375 m處三條單支曲線

圖8 1線地質(zhì)推斷解釋剖面

4 結(jié)論

高密度電阻率法中的對(duì)稱四極測(cè)深法能較好地對(duì)地下橫向電阻率的變化進(jìn)行響應(yīng)，識(shí)別斷層破碎帶及巖溶破碎帶的位置及發(fā)育方向，且縱向上可以利用電阻率測(cè)深曲線(單支曲線)對(duì)地下電性結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效分層和評(píng)價(jià)。音頻大地電磁法探測(cè)深度明顯較大，對(duì)地下傾角較大的構(gòu)造響應(yīng)明顯，能夠很好識(shí)別斷層破碎帶及巖溶破碎帶的位置及發(fā)育方向。兩種方法互相驗(yàn)證，基本可以確定異常特征和具體的異常位置。