豫西花崗巖地區(qū)深層地下水勘查方法探討

楊秋玲 張景業(yè) 于忠東

摘 要：為解決豫西花崗巖大面積出露區(qū)的地下水勘查難題，以合峪巖體出露區(qū)為研究對(duì)象，建立并明確花崗巖地區(qū)深層地下水勘查路線。以水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，以蓄水構(gòu)造理論為指導(dǎo)，以深層構(gòu)造裂隙水為目標(biāo)，采用瞬變電磁、激電測(cè)深等綜合地球物理方法開展地下水富水性評(píng)價(jià)。通過(guò)瞬變電磁快速查明深部斷裂發(fā)育狀況，通過(guò)激電測(cè)深視電阻率、視極化率、半衰時(shí)、衰減度等多參數(shù)評(píng)價(jià)斷裂富水性特征，指導(dǎo)井位布置工作?？偨Y(jié)的花崗巖地區(qū)深層地下水勘查路線，對(duì)類似侵入巖出露區(qū)地下水勘查工作具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：地下水勘查;瞬變電磁法;激電測(cè)深法;花崗巖區(qū);豫西地區(qū)

中圖分類號(hào)：P641.7 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.013

Abstract：In order to solve the problem of groundwater exploration in the outcropped granite area in the western area of Henan Province， this paper took the Heyu outcropping area of rock mass as the research area， and established the exploration route of the deep groundwater in the granite area. On the basis of hydro-geological conditions， guided by the theory of water storage structure and aimed at deep structural fissure water， it used comprehensive geophysical methods to evaluate groundwater richness， such as TEM and IP sounding. Rapid Location of deep fracture by TEM， evaluated the water-rich characteristics of faults by multi-parameter of IP sounding， such as apparent resistivity， apparent polarizability， half time and attenuation parameters. The exploration route of deep groundwater in granite area summarized has an effective guiding significance for groundwater exploration in the similar intrusive rock outcropping areas.

Key words： groundwater exploration; TEM; IP sounding; granite area; western area of Henan Province

在豫西花崗巖大面積出露區(qū)，地下水主要賦存于風(fēng)化殼蓄水構(gòu)造、斷裂蓄水構(gòu)造中，為地下水極度貧乏區(qū)，近年來(lái)隨著地下水位下降，人畜飲水難題更加突出?；◢弾r地區(qū)深層地下水勘查和開發(fā)難度較大，成井成功率較低，其中以合峪巖體出露的欒川縣合峪鎮(zhèn)一帶最為典型。通過(guò)分析，在花崗巖出露區(qū)深層地下水勘查過(guò)程中，導(dǎo)致成井成功率較低的主要因素有地球物理勘查方法選擇不合理、水文地質(zhì)調(diào)查與地球物理勘查工作脫節(jié)、鉆探技術(shù)選擇欠合理等。

在花崗巖地區(qū)開展地下水勘查工作時(shí)，采用的地球物理勘查方法以電磁法為主，主要有音頻大地電磁法、瞬變電磁法、甚低頻法、聯(lián)合剖面法、電阻率測(cè)深法、激發(fā)極化法、高密度電阻率法、淺層地震法、EH4電導(dǎo)率剖面法、核磁共振法[1]等。深層地下水勘查以斷裂蓄水構(gòu)造為主要目標(biāo)，其基本流程：首先利用快速高效的勘查方法圈定深部斷裂位置，然后利用測(cè)深法查明儲(chǔ)水構(gòu)造的空間特征，最后利用激發(fā)極化法、核磁共振法等識(shí)別儲(chǔ)水構(gòu)造的富水性特征，從而確定井位及井深，并進(jìn)一步指導(dǎo)鉆探工作。在缺水山區(qū)開展地下水勘查工作，許多學(xué)者提供了豐富的研究成果。王獻(xiàn)坤等[2]提出的多重環(huán)套理論以數(shù)學(xué)中的集合理論為基礎(chǔ)，建立豫西缺水低山丘陵區(qū)供水勘查的邏輯推理模式，通過(guò)實(shí)際工作驗(yàn)證了該理論在復(fù)雜缺水山區(qū)供水勘查中的有效性;王玉海等[3]通過(guò)以含水層為條件、地質(zhì)構(gòu)造為基礎(chǔ)、地下水流動(dòng)規(guī)律為指導(dǎo)的儲(chǔ)水構(gòu)造三位一體找水模式，在澠池縣缺水山區(qū)取得了寶貴經(jīng)驗(yàn);劉新號(hào)[4]通過(guò)對(duì)河南省缺水山區(qū)地質(zhì)水文條件的分析，劃分了4類蓄水構(gòu)造類型，從而提出地下水系統(tǒng)特征分析、水動(dòng)力特征分析與綜合物探技術(shù)相結(jié)合的勘查方法，為豫西山區(qū)開展地下水勘查工作提供了理論依據(jù)和實(shí)用方法;屈利軍等[5]在砂頁(yè)巖大面積出露區(qū)，通過(guò)高密度電法、激電測(cè)深、音頻大地電磁測(cè)深等綜合物探方法取得了顯著成果;郭建強(qiáng)[6]、李偉[7]、李云[8]、宋希利[9]、張保祥[10]、張彪[11]、唐新功[12]、劉偉[13]等利用綜合物探方法在地下水勘查中均取得了顯著成果;許艷等[14]分析了激發(fā)極化法中的參數(shù)“半衰時(shí)”在地下水勘查工作中的意義，提供了對(duì)富水性特征更直接的描述參數(shù)。

本文基于豫西貧困縣精準(zhǔn)扶貧工作，以欒川縣合峪鎮(zhèn)、廟子鎮(zhèn)一帶花崗巖大面積出露區(qū)為重點(diǎn)研究對(duì)象，以英雄村為例對(duì)花崗巖地區(qū)深層地下水勘查流程、地球物理異常特征等進(jìn)行總結(jié)，以期有效指導(dǎo)類似地區(qū)地下水勘查工作。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

1.1 研究區(qū)地質(zhì)及構(gòu)造背景

研究區(qū)屬華北地臺(tái)區(qū)伏牛山臺(tái)緣隆褶區(qū)，位于合峪花崗巖巖體的西部，出露地層為中生代燕山期花崗巖層，巖性以二長(zhǎng)花崗巖為主，灰白色、二長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造（見(jiàn)圖1）。巖石由石英、正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、角閃石組成。石英他形粒狀，粒度1～2 mm，含量大于20%;斜長(zhǎng)石半自形板狀，粒度2 mm，局部被白云母交代，含量約40%;正長(zhǎng)石他形粒狀，粒度1.5～2.0 mm，含量約30%;角閃石柱狀，含量約3%。研究區(qū)內(nèi)大型斷裂構(gòu)造不發(fā)育，可見(jiàn)小型裂隙露頭，以北東向裂隙束為主，經(jīng)過(guò)調(diào)查，在三合溝附近發(fā)現(xiàn)兩組斷裂露頭，均為隱伏斷裂，被沖積物覆蓋，其一推測(cè)走向近東西向，傾角大，寬度較小;其二推測(cè)走向北東向，為一組斷裂束，力學(xué)性質(zhì)屬?gòu)埮ば?，與近東西向的斷裂相互切割。

1.2 水文地質(zhì)特征

研究區(qū)屬于基巖山地水文地質(zhì)亞區(qū)，是以侵入巖為主的水文地質(zhì)段，地下水含水層主要有第四系松散含水層、基巖風(fēng)化帶裂隙含水層、深部構(gòu)造破碎帶裂隙含水層。第四系松散含水層以含有礫石、碎石的亞黏土、粉質(zhì)黏土為主，沿溝谷分布，厚度不均;基巖風(fēng)化帶裂隙含水層以花崗巖風(fēng)化層為主，受地形、構(gòu)造等多因素控制，是近地表的基巖含水層;深部構(gòu)造破碎帶裂隙含水層受多期構(gòu)造活動(dòng)影響形成一系列構(gòu)造破碎帶及其次級(jí)裂隙，是研究區(qū)主要的地下水儲(chǔ)水構(gòu)造。第四系松散含水層、基巖風(fēng)化帶裂隙含水層主要沿溝谷呈條帶狀、枝狀分布，深部構(gòu)造破碎帶裂隙含水層呈條帶狀、網(wǎng)格狀分布。該區(qū)花崗巖大面積出露，一般致密堅(jiān)硬，裂隙不發(fā)育，巖石含水量小、給水度差，是相對(duì)隔水層。

地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水入滲，降水及其形成的地表徑流沿松散層孔隙、基巖裂隙、構(gòu)造破碎帶入滲補(bǔ)給地下水，降水的遠(yuǎn)程補(bǔ)給是深部構(gòu)造裂隙水補(bǔ)給的唯一來(lái)源。松散層孔隙水和基巖風(fēng)化帶裂隙水均以自然溝谷為隔水邊界，基巖構(gòu)造裂隙水以研究區(qū)南部和東南部的花崗巖為地下水的隔水邊界。研究區(qū)內(nèi)無(wú)大的地表水體，受氣候條件、基巖風(fēng)化程度弱和地形坡度大等因素影響，大氣降水大部分形成地表徑流，匯入溝谷自西向東流出該區(qū)，一部分沿著孔隙、裂隙滲入地下，補(bǔ)給風(fēng)化帶及其以上含水層，短途運(yùn)移后，沿溝谷排出地表，形成泉水或補(bǔ)給季節(jié)性河流。

1.3 蓄水構(gòu)造特征

通過(guò)對(duì)研究區(qū)蓄水構(gòu)造類型進(jìn)行調(diào)查分析，將主要的蓄水構(gòu)造類型分為風(fēng)化殼蓄水構(gòu)造和斷裂蓄水構(gòu)造兩類：①風(fēng)化殼蓄水構(gòu)造以一定厚度的基巖風(fēng)化殼為含水體，以未風(fēng)化完整基巖為相對(duì)隔水層，其補(bǔ)給以大氣降水為主，徑流以地表徑流為主。研究區(qū)位于合峪巖體的西部，燕山期花崗巖大面積出露，花崗巖風(fēng)化形成的風(fēng)化殼為該類蓄水構(gòu)造的主要含水空間，厚度薄，下部新鮮完整致密的花崗巖體為隔水層。風(fēng)化殼蓄水構(gòu)造受大氣降水和區(qū)域水文地質(zhì)條件制約，隨著地下水位下降，勘查難度增大。②斷裂蓄水構(gòu)造以斷層破碎帶為主要賦水空間，以斷層上下盤為隔水邊界，一般以遠(yuǎn)源補(bǔ)給為主。根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，研究區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)近東西向和北東向斷裂露頭，推測(cè)深部隱伏斷裂較為發(fā)育。近東西向斷裂和北東向斷裂相互切割，巖體破碎，為地下水運(yùn)移和賦存提供了良好的蓄水空間，因此斷裂蓄水構(gòu)造為研究區(qū)深層地下水的主要勘查目標(biāo)。

通過(guò)對(duì)地下水賦存特征分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)含水巖組單一、蓄水構(gòu)造類型少，屬極度貧水區(qū)，斷裂構(gòu)造控制著該區(qū)地下水的賦存與運(yùn)移，深層地下水以帶狀、脈狀為主非均勻性分布，增大了地下水勘查的難度。根據(jù)實(shí)際情況，以蓄水構(gòu)造理論為指導(dǎo)，建立該區(qū)深層地下水勘查路線，以深層構(gòu)造裂隙水為主要目標(biāo)，以水文地質(zhì)調(diào)查為基礎(chǔ)，以綜合地球物理勘查為重要手段，輔以鉆探驗(yàn)證，開展深層地下水勘查工作。

2 地球物理勘查

2.1 地球物理勘查工作部署

為精細(xì)描述研究區(qū)深部地下水蓄水構(gòu)造的特征，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，采用瞬變電磁法進(jìn)行剖面測(cè)量工作，快速尋找隱伏斷裂的分布狀態(tài)。瞬變電磁法不受接地條件限制，具有體積效應(yīng)小、縱橫向分辨率高、對(duì)低阻體反應(yīng)靈敏、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，是快速圈定隱伏構(gòu)造、刻畫隱伏構(gòu)造空間特征較為理想的探測(cè)手段[13]。同時(shí)，采用激電測(cè)深法對(duì)隱伏斷裂深部發(fā)育特征、富水性特征進(jìn)行描述，通過(guò)視電阻率、視極化率、半衰時(shí)、衰減度等多參數(shù)描述富水性。根據(jù)前期調(diào)查結(jié)果，在英雄村三合溝一帶發(fā)現(xiàn)近東西向和北東向斷層露頭，由此布設(shè)南北向瞬變電磁測(cè)量剖面，根據(jù)瞬變電磁測(cè)量成果布設(shè)激電測(cè)深點(diǎn)（見(jiàn)圖2），開展地球物理勘查工作。

2.2 地下水預(yù)測(cè)標(biāo)志

巖石的導(dǎo)電能力取決于巖石孔隙中溶液的多少及溶液的性質(zhì)，因此表征巖石導(dǎo)電能力的電性參數(shù)電阻率與巖石的含水性緊密聯(lián)系，巖石中含水量大，孔隙溶液就多，導(dǎo)電能力就強(qiáng)，巖石的電阻率就小;巖石的極化率的大小取決于巖石中微粒固液兩相界面性質(zhì)，在巖石孔隙處形成薄膜，易產(chǎn)生激電異常，從而產(chǎn)生激電效應(yīng)[15]，這就是激發(fā)極化法勘查地下水的基本原理。

研究區(qū)地層主要為花崗巖，花崗巖上部風(fēng)化殼視電阻率為相對(duì)低值，一般為100～200 Ω·m，下部完整花崗巖視電阻率為相對(duì)高值，一般為300～1 900 Ω·m。完整花崗巖體為相對(duì)高阻，但若巖體中發(fā)育斷裂破碎帶且破碎帶中充水、含泥時(shí)，則表現(xiàn)為相對(duì)低阻，因此在視電阻率斷面圖上顯示V或U形低阻異常。斷裂破碎帶與完整花崗巖電性差異明顯，參考激發(fā)極化法多參數(shù)特征，含水?dāng)嗔哑扑閹П憩F(xiàn)為高極化率、高半衰時(shí)、高衰減度等異常特征。

2.3 地球物理勘查成果

2.3.1 瞬變電磁測(cè)量成果

由瞬變電磁不同標(biāo)高的視電阻率平面圖（見(jiàn)圖3）可知，研究區(qū)視電阻率可分為右側(cè)中低阻和左側(cè)高阻兩大區(qū)域，視電阻率梯度帶較為明顯，共推測(cè)4條斷裂構(gòu)造（圖中F）：近東西走向1條，為研究區(qū)內(nèi)相對(duì)較大斷裂;北東走向斷裂3條，其中1條延伸較遠(yuǎn)，其他2條推測(cè)為局部發(fā)育的次級(jí)小型斷裂。從圖3中標(biāo)高-250 m的視電阻率平面圖上，推測(cè)斷裂部位低阻特征不太明顯;在標(biāo)高-350 m到-450 m視電阻率平面圖上，推測(cè)斷裂部位低阻特征越來(lái)越明顯。該區(qū)淺部斷裂及裂隙發(fā)育部位，巖體破碎但富水性差，因此呈現(xiàn)為中高阻特征，與完整花崗巖體視電阻率差異不明顯，與水文調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的該區(qū)地下水位埋深超過(guò)200 m的地質(zhì)信息基本吻合，推測(cè)該區(qū)域淺部富水性整體較差;中深部斷裂破碎帶充水，導(dǎo)致破碎帶視電阻率明顯降低，與完整花崗巖體區(qū)別明顯。

由200線瞬變電磁視電阻率剖面（見(jiàn)圖4）可知，在標(biāo)高-250 m以淺，視電阻率曲線在橫向上相對(duì)平緩，在縱向上逐漸變大，視電阻率曲線V形特征不明顯，原因可能是破碎帶中不含水，破碎帶與完整巖體的視電阻率差異較小，這種差異不足以引起顯著的低阻異常。在標(biāo)高-300～-450 m段，在90、130、170、230號(hào)點(diǎn)附近，視電阻率曲線V形特征明顯，推斷為斷裂構(gòu)造（F），且與圍巖視電阻率差異明顯。