水文地質(zhì)調(diào)查與綜合物探在贛南花崗巖地區(qū)找水中的應(yīng)用

劉聲凱，劉海飛，黃 超，肖立權(quán)，李望明，隆興民，趙敬德

(1.湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四一六隊(duì)，湖南株洲 412003；2.中南大學(xué)有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探查湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410083；3.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙 410083；4.湖南省地質(zhì)工程勘察院，湖南株洲 412003)

0 引言

贛南革命老區(qū)是全國較大的集中連片特困地區(qū)，是國家自然資源部的定點(diǎn)扶貧地區(qū)。該地區(qū)農(nóng)村人口多，貧困人口基數(shù)大、分布廣，部分鄉(xiāng)村常年季節(jié)性缺水，生活用水難、水井淺、水質(zhì)差，飲水安全問題亟待解決。

在贛南扶貧找水工作中，寧都縣下屬鄉(xiāng)村缺水尤為嚴(yán)重，安全生產(chǎn)、生活用水沒有保障，其主要原因是該地區(qū)分布著大面積花崗巖，淺地表賦水性和水質(zhì)均較差，當(dāng)?shù)卮迕駸o法通過挖掘淺水井來解決飲水安全問題，因此該區(qū)成為本次扶貧找水工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文從找水方向、方法技術(shù)及案例分析的角度，探討水文地質(zhì)調(diào)查與物探方法組合在贛南寧都縣花崗巖地區(qū)找水中的應(yīng)用。

在地下水資源勘查中，常以水文地質(zhì)調(diào)查為前提，從水文地質(zhì)的角度研究和分析地下水的賦存規(guī)律(于麗莎等，2019)，再以物探方法作為主要勘查技術(shù)手段，查明風(fēng)化裂隙、斷裂構(gòu)造的分布特征和賦水情況。物探方法的選取主要根據(jù)找水場地的復(fù)雜性酌情選擇單一方法或組合方法(武毅和朱慶俊，2004，武選民等，2009，蘇永軍等，2014)。對于單一物探方法案例，地面核磁共振法(曹光奇和周仲華，2006)和雙頻激電法(柳建新等，2013)用于花崗巖地區(qū)尋找地下水；激電測深法用于砂礫石地層(薛勝利和凌丹丹，2019)和石灰?guī)r地層(陸云祥等，2011，許艷等，2014)尋找地下水；高密度電法用于變質(zhì)巖地區(qū)(劉振夏等，2019)和巖溶地區(qū)(鄭智杰等，2019)尋找地下水；天然電場選頻法用于紅砂巖地層尋找地下水(楊天春等，2017)；自然電場法用于砂礫巖地區(qū)尋找地下水(劉加文等，2009)。在地下水資源勘查中，應(yīng)用綜合物探方法尋找地下水的案例相對較多。電阻率法與充電法結(jié)合在黔東山區(qū)抗旱找水取得了成功應(yīng)用(何帥等，2015)；音頻大地電磁法、高密度電法及聯(lián)合剖面法組合在碎屑巖地區(qū)找水效果明顯，為物探方法優(yōu)化組合和找水思路提供了借鑒(黃國民等，2019)；聯(lián)合剖面法、高密度電法和激電測深法組合在貧水板巖地區(qū)找到了優(yōu)質(zhì)地下水，解決了當(dāng)?shù)匕傩盏纳a(chǎn)、生活用水難的問題(康方平等，2020)；高密度電法和激電測深法組合在花崗巖地區(qū)(時(shí)彥芳和李波，2020)和紅層地區(qū)(王鵬飛等，2019)尋找地下水均取得了較好的勘探效果；段佳松(1999)利用淺層地震折射波法和電測深法在花崗巖地區(qū)開展了十余年的找水工作，總結(jié)了這種方法組合的優(yōu)缺點(diǎn)和找水工作思路，找水效果顯著；李國占和王璇(2009)利用激發(fā)極化法與天然電場選頻法驗(yàn)證了在花崗巖地區(qū)尋找構(gòu)造裂隙水的有效性。宋洪偉等(2012)采用音頻大地電磁法和激電測深法、徐坤等(2018)采用AMT和MT法尋找深層地下水，劃分了含水構(gòu)造分布；朱曉泉等(2019)采用聯(lián)合剖面法和激電測深法在礦質(zhì)干擾異常區(qū)找到了優(yōu)質(zhì)地下水；(楊天春等，2017)研究了電阻率測深法和天然電場選頻法在花崗巖地區(qū)尋找地下水的快速定位技術(shù)，總結(jié)了物探方法組合在花崗巖地區(qū)的找水經(jīng)驗(yàn)；張彪等(2015)、王麗妍等(2019)總結(jié)了音頻大地電磁法和高密度電法組合分別在花崗巖地區(qū)和泥質(zhì)灰?guī)r地區(qū)在尋找構(gòu)造裂隙水的方法技術(shù)和勘探效果。上述地下水勘查方法與技術(shù)為本項(xiàng)目的實(shí)施提供了方法借鑒和指導(dǎo)。

本文基于前人的找水方法與技術(shù)，在中國地調(diào)局贛南飲水安全項(xiàng)目的支撐下，對贛南寧都縣、于都縣和贛縣下轄20個(gè)缺水村鎮(zhèn)開展了水文地質(zhì)和水文物探勘查工作，圈定了含水有利區(qū)域，優(yōu)選出較佳的鉆孔靶位，后期經(jīng)鉆探驗(yàn)證，多數(shù)鉆井打出了滿足當(dāng)?shù)卮迕裥枨蟮纳钣盟２捎盟牡刭|(zhì)調(diào)查、聯(lián)合剖面法、高密度電法在贛南寧都縣花崗巖地區(qū)開展了地下水勘查工作，根據(jù)勘查結(jié)果總結(jié)了花崗巖地區(qū)的找水方法與技術(shù)，分析了水文地質(zhì)與物探方法相結(jié)合尋找地下水的有效性，對花崗巖地區(qū)開展水文地質(zhì)調(diào)查、水文物探勘查、水資源開發(fā)與利用具有很好的指導(dǎo)意義。

1 工作區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)概況

(1)地層巖性

在測區(qū)內(nèi)可見大面積巖漿巖出露，具多期性，主要為侏羅紀(jì)花崗巖，以巖基為主，巖墻巖脈次之。具體為早侏羅紀(jì)世(J1γ)細(xì)至中粒斑狀似斑狀黑云母花崗巖、二云母花崗巖和中侏羅紀(jì)世(J2γ)細(xì)粒至中粒二云母花崗巖、黑云母花崗巖、黑云母花崗閃長巖。在研究區(qū)外圍可見震旦系下統(tǒng)(Z1)淺灰、灰白色變余細(xì)粒凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)粉砂巖、沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)板巖組成的互層以及白堊系下統(tǒng)贛州組(K1g)砂礫巖夾長石砂巖、頁巖，底部為礫巖、玄武巖和凝灰?guī)r。具體如圖1所示。

(2)地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域構(gòu)造屬南嶺東西復(fù)雜構(gòu)造帶，經(jīng)過多期構(gòu)造活動，以北東和北東東向?yàn)橹?圖1)。主要形成于加里東期，后期尤其是燕山期在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展或剪切，主要切割震旦系至泥盆系地層和奧陶紀(jì)至白堊紀(jì)巖體，控制石炭系至白堊系地層的沉積分布，多為壓性及壓扭性，延伸長一般為10 km左右，傾角一般60°，個(gè)別構(gòu)成區(qū)域性大斷裂。

圖1 測區(qū)地質(zhì)概況與物探位置簡圖

1.2 水文地質(zhì)概況

工作區(qū)含水巖組主要由侏羅紀(jì)黑云母花崗巖、二云母花崗巖、黑云母花崗閃長巖等組成。據(jù)賦存條件劃分為構(gòu)造裂隙水和風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水兩種類型。

(1)構(gòu)造裂隙水的富水性受地層巖性和構(gòu)造條件制約，裂隙發(fā)育地段一般充水裂隙較多，富水性較好；同時(shí)地形地貌也是影響構(gòu)造裂隙水富水性的重要因素。

(2)風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水主要賦存于強(qiáng)風(fēng)化帶和中等風(fēng)化帶中，分布較均勻，其富水性強(qiáng)弱與風(fēng)化殼厚度密切相關(guān)。巖石風(fēng)化作用強(qiáng)，風(fēng)化厚度較大，風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙發(fā)育地帶，水量為豐富；巖體風(fēng)化層厚度一般，風(fēng)化裂隙較發(fā)育地帶，水量為中等；巖體風(fēng)化層厚度較薄，風(fēng)化裂隙較發(fā)育地帶，水量貧乏，富水性差。

2 找水方法與技術(shù)

勘查工作分布在寧都縣下轄的東韶鄉(xiāng)田營村蔬菜基地和東山壩鎮(zhèn)的贛背村、廖源頭組和小源村，四個(gè)測區(qū)均為花崗巖地區(qū)，因受季節(jié)性影響，生產(chǎn)生活用水沒有保障。本次找水工作的主要技術(shù)路線為：(1)開展水文地質(zhì)調(diào)查，明確找水方向，確定物探測線；(2)選擇物探方法，設(shè)計(jì)工作參數(shù)；(3)數(shù)據(jù)處理與資料解釋，布設(shè)鉆孔。

轉(zhuǎn)變相關(guān)工作人員的管理理念和完善相關(guān)的管理制度，可在一定程度上為林業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在有關(guān)林業(yè)資源的管理中，根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況和居民以及市場的需求來優(yōu)化林業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，有針對性地栽培合適的植株，在此基礎(chǔ)上對本地的林業(yè)資源進(jìn)行合理的規(guī)劃和應(yīng)用，這對林業(yè)資源實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值具有十分重要的意義。優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不僅能為林業(yè)資源的管理提供必要的經(jīng)濟(jì)支持，還能在一定程度上改善相關(guān)工作人員的工作環(huán)境。

2.1 明確找水方向

根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦?、地貌、地質(zhì)構(gòu)造及巖性特征，判斷主要地下水類型，主要思路為：(1)在花崗巖緩丘地區(qū)，地形較平緩、風(fēng)化層厚度較大，地形對風(fēng)化裂隙水的富集有利，而花崗巖露頭較差，斷裂構(gòu)造和巖脈構(gòu)造不易發(fā)現(xiàn)，尋找構(gòu)造裂隙水較困難，應(yīng)把尋找風(fēng)化裂隙水作為主要找水方向。(2)在花崗巖山區(qū)，地形切割通常較強(qiáng)烈，巖石受風(fēng)化剝蝕-侵蝕作用較強(qiáng)，風(fēng)化帶厚度較小，地形對風(fēng)化裂隙水的富集不利，而花崗巖的出露條件和地下水的出露條件均較好，斷裂構(gòu)造及巖脈構(gòu)造的痕跡較易發(fā)現(xiàn)，因此應(yīng)把尋找斷裂構(gòu)造及巖脈構(gòu)造裂隙水作為主要找水方向。

對4個(gè)測區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場水文地質(zhì)調(diào)查，明確各個(gè)測區(qū)的找水方向，具體見表1。

表1 水文地質(zhì)條件及找水方向一覽表

2.2 確定物探方法與工作參數(shù)

在本次扶貧找水工作中，由于找水點(diǎn)較多，時(shí)間緊迫，每個(gè)測區(qū)僅布置了一條物探測線，測線布置及跑極方向如圖1所示。本次物探工作從快速、有效的角度選擇聯(lián)合剖面法和高密度電法作為本次尋找地下水的主要方法。為能夠確定斷層傾向，聯(lián)合剖面法設(shè)計(jì)了兩個(gè)極距，小極距為50 m或70 m，大極距為110 m或150 m，點(diǎn)距為10 m或20 m。為確保高密度電法有一定的探測深度及異常在橫向上不發(fā)生偏移，觀測裝置選擇溫納裝置，電極60根，點(diǎn)距10 m。受篇幅限制，本文在物探方法原理方面不再贅述。

2.3 數(shù)據(jù)處理與資料解釋方法

(1)數(shù)據(jù)處理

為壓制數(shù)據(jù)干擾及提高探測效果，本文采用中南大學(xué)研發(fā)的直流激電反演系統(tǒng)IPInv對電法數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)繪制相關(guān)成果圖件(劉海飛等，2015，2017)。

數(shù)據(jù)處理流程為：(a)對于聯(lián)合剖面法數(shù)據(jù)，當(dāng)勘探線地形起伏較大時(shí)，則采用比值法經(jīng)地形改正后，再利用Grapher軟件繪制聯(lián)合剖面視電阻率曲線，否則不做任何處理直接繪制曲線。(b)對于高密度電法數(shù)據(jù)，首先將儀器采集的原始數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成可用于分析處理的文件格式，然后剔除掉斷面中因接地電阻過大、地表陡坎及地下局部不均勻體等因素造成的壞點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電阻率二維反演處理，最后利用Surfer軟件對實(shí)測數(shù)據(jù)和反演數(shù)據(jù)繪制等值線圖(楊桂林和劉金濤，2008，孫仁斌和楚麗霞等，2017)。

(2)資料解釋

結(jié)合水文地質(zhì)資料對物探成果圖件進(jìn)行分析與解釋，解釋的依據(jù)和原則為：(a)明確圍巖和含水目標(biāo)體的電阻率分布范圍。(b)含水的斷裂構(gòu)造、節(jié)理裂隙、地層界線附近，在聯(lián)合剖面曲線上呈低阻正交點(diǎn)特征，或Ra、Rb曲線呈同步低阻的“V”字形特征；而在高密度電阻率等值線圖上呈梯度帶、錯(cuò)斷、同形扭曲、陡坎等形態(tài)特征。(c)深入挖掘水文地質(zhì)資料信息，加強(qiáng)聯(lián)合剖面曲線圖與電阻率等值線圖的綜合解釋分析。

3 物探成果與鉆探驗(yàn)證對比分析

依據(jù)上述方法與技術(shù)對4個(gè)測區(qū)開展了找水工作，由于測區(qū)①與④、②與③物探結(jié)果類似，這里僅列出①、②測區(qū)的物探成果圖并加以分析。

3.1 物探成果分析

(1)東韶鄉(xiāng)蔬菜基地

圖2為東韶鄉(xiāng)田營村蔬菜基地物探成果圖。其中圖2a為極距AO=70 m、BO=70 m的聯(lián)合剖面曲線，在剖面550～590段Ra和Rb曲線呈正交特征，由于兩支曲線的分異性較弱，難以判斷出正交點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，而對于極距AO=150 m、BO=150 m的聯(lián)合剖面曲線，如圖2b所示，在剖面610處出現(xiàn)相對明顯的低阻正交點(diǎn)，并且向小號方向Ra和Rb曲線的分異性有增大趨勢，推斷在該點(diǎn)附近為斷裂構(gòu)造發(fā)育帶。與該異常對應(yīng)的高密度擬斷面(見圖2c，570～630段)則無明顯異常顯示，但對于圖2d所示的高密度電阻率二維反演結(jié)果，在該區(qū)域等值線從20 m深度向下逐漸變得稀疏，并且有向小號傾斜的趨勢，與聯(lián)合剖面結(jié)果較吻合，推斷該異常為斷裂構(gòu)造的反映，在剖面620處布設(shè)了探水孔。后期經(jīng)鉆驗(yàn)證：0～8.9 m為第四系沖洪積層；8.9～16.0 m為風(fēng)化花崗巖；16.0～100.3 m為構(gòu)造裂隙較發(fā)育的花崗巖，富水性強(qiáng)，具體見圖2d中的鉆孔柱狀圖，可見高密度電阻率二維反演結(jié)果與鉆探揭露較吻合。

圖2 東韶鄉(xiāng)田營村蔬菜基地物探成果圖

(2)東山壩鎮(zhèn)贛背村

圖3為東山壩鎮(zhèn)贛背村物探成果圖。其中圖3a為極距AO=50 m、BO=50 m的聯(lián)合剖面曲線，在剖面380處Ra和Rb曲線呈正交點(diǎn)特征；圖3b為極距AO=110 m、BO=110 m的聯(lián)合剖面曲線，在剖面420處Ra和Rb曲線呈正交點(diǎn)特征，推斷為斷裂構(gòu)造的反映，綜合兩交點(diǎn)在剖面上的位置可以推斷出該斷層傾向于大號方向。在剖面430處附近，兩個(gè)極距的聯(lián)合剖面曲線均呈現(xiàn)出“V”字形低阻異常，同時(shí)在高密度視電阻率擬斷面圖上(如圖3c)也能較清晰地反映出該低阻異常的存在，并且也呈現(xiàn)出向大號點(diǎn)傾斜的趨勢，這進(jìn)一步印證了斷裂構(gòu)造的存在。通過電阻率二維反演處理，反演結(jié)果如圖3d所示，從圖中可以更加清晰地看出斷裂構(gòu)造的空間形態(tài)特征，推斷破碎帶寬度約30 m，傾角約70°，因此在剖面420處布設(shè)了探水孔。后期經(jīng)鉆驗(yàn)證：0～6.3 m為第四系及全風(fēng)化花崗巖；6.3～14.0 m為中風(fēng)化花崗巖；14.0～84.2 m為構(gòu)造裂隙發(fā)育的花崗巖，石英脈膠結(jié)，富水性弱，具體見圖3d中的鉆孔柱狀圖。

圖3 東山壩鎮(zhèn)贛背村物探成果圖

3.2 鉆探驗(yàn)證

對表1中的4個(gè)測區(qū)布設(shè)的鉆孔均開展了鉆探驗(yàn)證和抽水試驗(yàn)工作，具體如表2所示。根據(jù)鉆探資料對物探成果做進(jìn)一步分析，測區(qū)①地處北東向地勢較平坦的寬谷內(nèi)，匯水面積大，雖然花崗巖風(fēng)化裂隙帶與基巖裂隙引起的物探異常相對較微弱，但富水性較好；測區(qū)②和③存在斷裂構(gòu)造帶并與物探測線交角較大，物探異常反映較好，鉆孔巖心有斷層角礫揭露，但探水孔出水量較小，兩測區(qū)斷層為壓性斷層的可能性較大。另外，廖源頭組受場地施工條件影響，鉆孔所在位置在較淺位置揭穿斷層，也是其水量較小的原因之一；測區(qū)④存在北東向斷裂構(gòu)造，河谷內(nèi)北東向斷層發(fā)育，鉆孔位于斷裂破碎影響帶內(nèi)，巖心中網(wǎng)狀裂隙發(fā)育，地下水補(bǔ)給條件好，鉆孔出水量大。

表2 鉆探結(jié)果和抽水試驗(yàn)一覽表

2019年贛州市脫貧攻堅(jiān)關(guān)于安全飲水達(dá)標(biāo)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為：人均每天飲用水量達(dá)60升以上為完全達(dá)標(biāo)。從抽水試驗(yàn)結(jié)果來看，總體達(dá)到了預(yù)期要求。

4 結(jié)論

通過對贛南寧都縣花崗巖地區(qū)水文地質(zhì)與綜合物探聯(lián)合找水方法的應(yīng)用研究，得到以下結(jié)論：

(1)地下水資源探查應(yīng)先開展水文地質(zhì)調(diào)查和靶區(qū)優(yōu)選工作，明確地下水的賦存規(guī)律和類型，有針對性地選擇物探勘查方法、工作參數(shù)、數(shù)據(jù)處理和資料解釋方法等，從而達(dá)到事半功倍的效果。

(2)在地質(zhì)規(guī)律不清楚的地區(qū)開展地下水勘查工作，要盡量選擇綜合物探方法，在異常走向方向上布設(shè)平行對比剖面予以驗(yàn)證，減少單一方法或單一剖面對含水異常推斷解釋的多解性問題。

(3)當(dāng)構(gòu)造裂隙水作為主要找水類型時(shí)，應(yīng)明確斷裂構(gòu)造為張性斷層還是壓性斷層。對于張性斷層，在沒有后期巖脈或其他物質(zhì)填充時(shí)，其透水性及含水性較強(qiáng)，鉆孔出水量通常較大。而壓性斷層是在較高圍巖壓力下產(chǎn)生的，其構(gòu)造裂隙多呈密集的細(xì)小裂隙，其透水性和含水性較差，而且越靠近斷層出水量越小，這是在花崗巖地區(qū)找水時(shí)應(yīng)該引起注意的。