孫銀行 朱慶俊 連晟 封紹武

*收稿日期：20191104修訂日期：20200311責(zé)任編輯：譚桂麗

基金項(xiàng)目：中國地質(zhì)調(diào)查局 “長江中游城市群咸寧—岳陽和南昌—懷化段高鐵沿線1∶5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查（水環(huán)中心）（編號：DD20179262）”項(xiàng)目資助。

第一作者簡介：孫銀行，1982年生，男，高級工程師，主要從事水工環(huán)物探工作。Email：865911606@qq.com。

通信作者簡介： ， 年生， ，，。

摘要： 為了進(jìn)一步研究贛南紅層區(qū)水文地質(zhì)特征和電性響應(yīng)規(guī)律，選擇贛南典型地區(qū)開展綜合地球物理勘探工作。通過分析白堊紀(jì)碎屑巖裂隙水的水文地質(zhì)特征，發(fā)現(xiàn)該區(qū)地下水類型主要為白堊紀(jì)孔隙水和裂隙水。該區(qū)含水層含泥巖夾層，孔隙水的富水性相對較差;構(gòu)造主要為斷層和裂隙，裂隙水的富水性相對較好。采用音頻大地電場法、音頻大地電磁法和激電法對白堊紀(jì)碎屑巖裂隙水進(jìn)行對比研究，發(fā)現(xiàn)完整的白堊紀(jì)碎屑巖具有相對較高的電阻率和相對較低的極化率和半衰時(shí)，斷層和裂隙發(fā)育處的地層電阻率較低，但極化率和半衰時(shí)較大，曲線形態(tài)存在明顯異常。研究白堊紀(jì)碎屑巖裂隙水的電性響應(yīng)特征，可提高該區(qū)找水成功率，對解決贛南地區(qū)水資源短缺問題具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 贛南紅層;綜合物探方法;水文地質(zhì)特征;碎屑巖;富水性

中圖分類號：P641.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：20961871（2020）0441006

紅層是由細(xì)粒赤鐵礦浸染而成的碎屑沉積巖[1]，是各個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期沉積的紅色巖系的總稱[2]。我國紅層基本為典型的紅色陸相沉積，多形成于中生代—新生代，尤其集中形成于白堊紀(jì)[35]。紅層的裂隙、孔隙均不太發(fā)育，儲(chǔ)水空間小，且紅層地貌（又稱為丹霞地貌）不利于降水滲入，多形成地表徑流，所以，紅層區(qū)的含水性較差，是嚴(yán)重的缺水區(qū)[6]。為進(jìn)一步解決紅層區(qū)缺水問題，一些學(xué)者對紅層的形成條件、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌特征及紅層區(qū)的水文地質(zhì)特征等進(jìn)行了研究[710]。此外，物探找水作為解決紅層地區(qū)缺水問題的重要手段，目前有一些成功案例[1113]。但是，由于紅層中的碎屑巖一般富水性較差，且電阻率普遍較低，儲(chǔ)水構(gòu)造與圍巖電阻率差異較小，找水的成功率較低[14]，在紅層中找水已成為地下水勘查開發(fā)工作中的難題之一[15]。本文以贛南典型白堊紀(jì)紅色碎屑巖地區(qū)為例，在總結(jié)水文地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，對比選擇合適的物探方法，分析碎屑巖地下水的綜合電性響應(yīng)特征，總結(jié)白堊紀(jì)碎屑巖地層富水性和電性響應(yīng)之間的關(guān)系，這對提高紅層區(qū)物探找水的成功率、解決紅層區(qū)特別是贛南革命老區(qū)的缺水問題具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)概況

江西省贛州地區(qū)又稱贛南地區(qū)，地處江西南部和贛江上游，面積為3.94×104 km2，是典型的南方丘陵山區(qū)[16]，分布著近50多個(gè)大小不等的碎屑巖紅盆（圖1），紅盆面積占贛南地區(qū)總面積的17.03%[17]。盆地兩側(cè)多為斷層，底部為紅色碎屑巖層[18]。

研究區(qū)出露的基巖為陸相紅色碎屑巖建造，主要為晚白堊世贛州組砂礫巖，具有泥巖夾層，溝谷為第四紀(jì)松散砂礫石層，贛南地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造多發(fā)育在紅盆邊緣。研究區(qū)位于紅盆內(nèi)部，無線性構(gòu)造發(fā)育[19]，具有典型的贛南紅盆地質(zhì)構(gòu)造特征。

1.2 地層電性概況

研究區(qū)不同地層巖性的電性特征如表1所示。研究區(qū)第四紀(jì)松散含泥砂礫層電阻率相對較高，極化率相對較低。砂礫巖（夾泥巖）電阻率相對較低，極化率相對較低。碎屑巖小構(gòu)造裂隙帶的電阻率相對最低，極化率相對較高。當(dāng)碎屑巖中富水的構(gòu)造裂隙帶與完整的砂礫巖存在1倍以上的電性差異時(shí)，具備電法找水的地球物理前提。

2 研究方法及野外工作方法

2.1 研究方法

通過分析研究區(qū)地下水的賦存規(guī)律，進(jìn)一步研究白堊紀(jì)碎屑巖裂隙水的水文地質(zhì)特征（圖2）。研究區(qū)屬于丘陵山區(qū)，根據(jù)研究目標(biāo)的電性特征，結(jié)合水文物探方法遵循原則（即地層巖性具有明顯的電性特征差異，是否直觀反映地層的富水性，工作效率和高分辨率等）[20]選擇音頻大地電磁法 （audio frequency magnetotelluric method，AMT）、激電法 （induced polarization method，IP）和音頻大地電場法（audio frequency telluric electricity field method， AEF）開展水文物探工作。通過音頻大地電場法查明裂隙平面位置，采用音頻大地電磁法探明裂隙規(guī)模和空間特征，對比碎屑巖裂隙位置和完整基巖的激電響應(yīng)特征，從而總結(jié)碎屑巖裂隙水電性響應(yīng)特征。

2.2 野外工作方法

野外根據(jù)不同的物探方法選擇適宜的儀器和參數(shù)。音頻大地電磁法選用勞雷工業(yè)公司生產(chǎn)的EH4連續(xù)電導(dǎo)率成像儀，野外采集電偶極距為15 m，點(diǎn)距為10 m，測量方式為標(biāo)量測量，磁探頭響應(yīng)頻率為10～100 000 Hz。激電法選用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WDJD4型多功能數(shù)字直流激電儀，采集裝置采用對稱四極測深裝置中的等比裝置，供電為可充電鋰電池箱，測量電極（MN）與供電電極（AB）之比為1∶3。音頻大地電場法采用中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心生產(chǎn)的YDDB型音頻大地電場儀，點(diǎn)距為5 m，極距為10 m。

3 水文地質(zhì)及電性響應(yīng)特征

3.1 水文地質(zhì)特征

1957—2006年降水量資料顯示，研究區(qū)多年年平均降水量為1 600 mm，降雨多集中在3—8月，降雨量約占全年降水量的71.8%，4—6月降雨量約占全年降水量的46.8%。區(qū)域地下水補(bǔ)給源主要為大氣降水，豐富的降雨為地下水提供了充足的補(bǔ)給來源。由于丹霞地貌地形切割深、水力坡度大，紅層的富水性和透水性相對較差，降水及時(shí)轉(zhuǎn)化為地表水后形成溪流，在無斷裂發(fā)育區(qū)補(bǔ)給地下水的水量甚微。

根據(jù)地下水含水介質(zhì)空隙類型及地下水賦存特征，區(qū)域含水巖組分為松散巖類孔隙含水巖組、巖漿巖及變質(zhì)巖裂隙含水巖組和碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組[21]。松散巖類孔隙含水巖組主要以富水的沖積含水層為主，一般分布在江河兩岸。巖漿巖及變質(zhì)巖裂隙含水巖組主要分布于丘陵山區(qū)，一般富水性較弱，構(gòu)造裂隙帶相對富水。碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組主要為白堊紀(jì)砂礫巖和砂巖，地下水主要賦存于風(fēng)化帶、構(gòu)造裂隙帶和鈣質(zhì)巖層裂隙溶孔中，富水性較差。

研究區(qū)地下水主要為白堊紀(jì)孔隙裂隙含水巖組，砂礫巖中常見泥巖夾層，孔隙水富水性較差，地下水一般賦存于碎屑巖裂隙中。由于該區(qū)大多數(shù)基巖裸露，風(fēng)化殼裂隙發(fā)育程度一般，地下水埋深淺，風(fēng)化殼裂隙水較少，因此，碎屑巖裂隙水主要為白堊紀(jì)碎屑巖構(gòu)造裂隙水。構(gòu)造裂隙受斷層控制，地下水埋藏相對較深，富水性一般較好。

在典型白堊紀(jì)碎屑巖缺水區(qū)選擇相距約200 m的2處相鄰地區(qū)開展了水文物探工作。研究區(qū)南部布置音頻大地電場法YP1線和激電法JD1激電點(diǎn)，研究區(qū)北部布置音頻大地電場法YP2線、音頻大地電磁法AMT1線和激電法JD2激電點(diǎn)，測線方向均為NW向，具體位置見圖3。

3.2 電性響應(yīng)特征

（1）音頻大地電場法。研究區(qū)完整基巖區(qū)的白堊紀(jì)碎屑巖響應(yīng)電性特征如圖4所示，YP1線音頻大地電場法測量數(shù)值一般>1.6 mV，主要分布在1.6～2.6 mV范圍內(nèi)，曲線形態(tài)基本保持單邊上升，無明顯的相對異常。構(gòu)造裂隙處的白堊紀(jì)碎屑巖響應(yīng)電性特征如圖5所示，YP2線音頻大地電場法測量數(shù)值一般<0.8 mV，主要分布在0.4～0.8 mV范圍內(nèi)，曲線形態(tài)呈明顯“凹”型起伏，具有明顯的相對異常。與完整基巖區(qū)的音頻大地電場電性值相比，構(gòu)造裂隙處的音頻大地電場電性值下降較大。

（2）音頻大地電磁法。因研究區(qū)南部構(gòu)造不明顯，故未布置AMT線。在研究區(qū)北部布置了1條AMT1線，發(fā)現(xiàn)在AMT1線音頻大地電磁法剖面15 m處附近存在1處斷層（圖6），規(guī)模較小，深度<100 m。AMT1線與YP2線相距5～10 m，由于斷層規(guī)模較小，延伸較短，結(jié)合YP2線音頻大地電場法異常位置，推測該斷層走向?yàn)镹E向。白堊紀(jì)碎屑巖裂隙帶電阻率為20～60 Ω·m，周圍完整碎屑巖地層的電阻率為60～100 Ω·m。

（3）激電法。完整基巖區(qū)白堊紀(jì)碎屑巖的激電響應(yīng)特征如圖7所示，JD1激電點(diǎn)的極化率為1%～2.8%，半衰時(shí)為1 000～1 500 ms，曲線形態(tài)基本保持單邊上升，無明顯相對異常。在JD2激電點(diǎn)位置存在近NE向小型斷裂，碎屑巖產(chǎn)生裂隙，為地下水存儲(chǔ)提供了空間。白堊紀(jì)碎屑巖裂隙水的激電響應(yīng)特征如圖8所示，JD2激電點(diǎn)的極化率為1%～4.5%，當(dāng)AB/2>28 m時(shí)，極化率一般>3.3%;JD2激電點(diǎn)半衰時(shí)為800～2 200 ms，當(dāng)AB/2>28 m時(shí)，半衰時(shí)為1 500～2 500 ms。整體上，JD2激電點(diǎn)的極化率和半衰時(shí)比JD1激電點(diǎn)大，JD2激電點(diǎn)極化率和半衰時(shí)曲線均具有明顯的高值異常。通過在JD2激電點(diǎn)鉆孔驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該位置地下巖層出現(xiàn)小規(guī)模裂隙帶，在50 m深度附近巖心發(fā)現(xiàn)2處裂隙，鉆孔出水量較好，與物探成果一致，進(jìn)一步說明構(gòu)造裂隙位置存在白堊紀(jì)碎屑巖裂隙水。

4 討論

白堊紀(jì)碎屑巖裂隙水是基巖裂隙水的類型之一[22]，基巖區(qū)大氣降水是地下水唯一補(bǔ)給源，但巖石致密堅(jiān)硬、透水性極低，雨水大多從坡面流失，具有就地補(bǔ)給、就地排泄的特點(diǎn)[23]。研究區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，主要賦存于構(gòu)造裂隙中。目前，雖然在一般基巖區(qū)進(jìn)行物探找水已有不少成功案例[2428]，且找水成功率也較高，但在贛南白堊紀(jì)碎屑巖區(qū)進(jìn)行物探找水的難度較大，原因是白堊紀(jì)碎屑巖內(nèi)部構(gòu)造相對不發(fā)育，且地層中含有一定的泥巖和砂質(zhì)泥巖，導(dǎo)致碎屑巖裂隙水的電性響應(yīng)和完整碎屑巖的電性響應(yīng)差異較小，增加了物探找水的難度。通過綜合水文物探方法對比研究完整白堊紀(jì)碎屑巖和白堊紀(jì)碎屑巖裂隙水的電性響應(yīng)差異，發(fā)現(xiàn)白堊紀(jì)碎屑巖裂隙水的音頻大地電場電性響應(yīng)數(shù)值較低，曲線存在低值遠(yuǎn)小于高值的明顯異常。白堊紀(jì)碎屑巖裂隙水的極化率和半衰時(shí)響應(yīng)曲線存在高值異常;相對完整基巖，白堊紀(jì)碎屑巖裂隙水的視電阻率明顯偏低。音頻大地電場法可迅速有效地尋找碎屑巖區(qū)構(gòu)造的地面位置，音頻大地電磁法可查明構(gòu)造裂隙的空間結(jié)構(gòu)，激電法可判別構(gòu)造裂隙的富水性，這3種物探方法各具特點(diǎn)。在贛南碎屑巖貧水區(qū)，綜合利用上述方法可提高找水的成功率，對解決贛南革命老區(qū)缺水問題和安全用水具有重要意義。

5 結(jié) 論

（1）贛南白堊紀(jì)碎屑巖地下水類型主要為白堊紀(jì)孔隙裂隙水，含泥巖夾層，孔隙水的富水性相對較差。斷層和裂隙發(fā)育，裂隙水的富水性相對較好。

（2）贛南白堊紀(jì)碎屑巖具有較高的電阻率和較低的極化率和半衰時(shí)，白堊紀(jì)碎屑巖裂隙水的電阻率較低，極化率和半衰時(shí)較大，曲線存在明顯異常。

（3）綜合利用音頻大地電場法、音頻大地電磁法和激電法找水，可提高找水的成功率，對解決贛南革命老區(qū)缺水問題和安全用水具有重要意義。

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Hydrogeology and electrical response of fissure water in the Cretaceous clastic rocks of Southern Jiangxi

SUN Yinhang， ZHU Qingjun， LIAN Sheng， FENG Shaowu

（Hydrogeological Environment Geological Survey Center， CGS， Baoding 071051， China）

Abstract：To further study the hydrogeological characteristics and electrical response regularity of red bed areas in Southern Jiangxi， the typical areas are selected for comprehensive geophysical prospecting. By analyzing the hydrogeological characteristics of fissure water in the Cretaceous clastic rocks， it is found that the groundwater types in the area are mainly Cretaceous pore water and fissure water. The aquifer contains mudstone interlayer and the water abundance of pore water is relatively poor. Moreover， the structures are mainly faults and fissures， and the fissure water is relatively rich in water. The audio frequency electric method， audio magnetotelluric method and IP method are used for a comparative study of the fissure water in Cretaceous clastic rocks， the results show that when intact Cretaceous clastic rocks have relatively high resistivity， low polarizability and halfdecay time， the resistivity of strata where faults and fissures are developed is low. While the polarizability and halfdecay time are large， the curve shape is obviously abnormal. The study of electrical response characteristics can improve the success rate of water exploration and provide important references for solving the problem of water shortage in Southern Jiangxi.

Key words：red bed in Southern Jiangxi; comprehensive geophysical prospecting; hydrogeological characteristics; clastic rock; water abundance