高密度電法在武威市豐樂鎮(zhèn)一帶水文地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

喬得福，李隴鋒

(甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，蘭州 730020)

0 引言

高密度電阻率法屬于電阻率法范疇，其雛形是20世紀(jì)80年代英國學(xué)者設(shè)計(jì)的電阻率測深偏置裝置系統(tǒng)，20世紀(jì)90年代前后該理論和技術(shù)研究取得重要的進(jìn)展。該方法具有采樣密度大、分辨率高、成本低、效率高等特點(diǎn)[1-2]，已廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)和工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域[3-7]。

近年來區(qū)內(nèi)河流長期斷流，地表水資源無法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。農(nóng)戶競相挖掘深井開采地下水進(jìn)行灌溉，形成工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活爭相開采地下水的局面，地下水位逐年下降，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化，已嚴(yán)重制約區(qū)內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。筆者利用高密度電法，較系統(tǒng)地研究了該區(qū)域的地電特征和水文地質(zhì)特征。希望本文研究成果能為區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)、生態(tài)文明建設(shè)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃等提供一定的參考價(jià)值。

1 地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于東經(jīng)102°00′00″～102°45′00″，北緯37°50′00″～38°30′00″，地處甘肅省中部、河西走廊東端，是絲綢之路自東而西進(jìn)入河西走廊和新疆的東大門，地處黃土、青藏、蒙新三大高原交匯地帶，地勢由西南向東北傾斜，依次形成南部祁連山山地、中部走廊平原和北部荒漠三種地貌，海拔1020～4874 m。

該區(qū)域大地構(gòu)造位于塔里木—華北地塊、祁連褶皺系、賀蘭褶皺帶三大構(gòu)造單元交匯帶?；子汕罢鸬┫谍埵咨饺褐猩钭冑|(zhì)的結(jié)晶基底和下古生界淺變質(zhì)巖組成。區(qū)內(nèi)出露地層主要為第四系上更新統(tǒng)戈壁組—沖洪積砂礫和黃土狀亞砂土，自南向北巖性顆粒由粗變細(xì)。研究區(qū)及周邊地質(zhì)情況見圖1。

圖1 研究區(qū)及周邊區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of study area and its surrounding area

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地處石羊河流域中上游，境內(nèi)西營河、金塔河、雜木河、黃羊河均發(fā)源于祁連山東端的冷龍嶺北坡，屬石羊河流域。境內(nèi)河流的共同特點(diǎn)是年際變化率大，水量年內(nèi)分布很不均勻，四條河流多年平均徑流量分別為3.66億立方米、1.52億立方米、2.54億立方米、1.40億立方米。除四大水系以外的河流，多年平均徑流量為0.31億立方米。

區(qū)內(nèi)地下水主要由地表水滲入和山區(qū)基巖裂隙水側(cè)向補(bǔ)給。在東南部山前傾斜平原是地下潛水的主要形成區(qū)，由于存在大厚度強(qiáng)透水的礫卵石地層，為地表水的下滲提供了極有利條件。在廣闊的沖積細(xì)土平原地區(qū)，含水層條件良好，分布著潛水、半承壓水及承壓水，是井泉灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水的主要水源。研究區(qū)地下水類型為松散堆積物中孔隙潛水，含水層為沖洪積卵石層。地下水補(bǔ)給主要來自大氣降雨和雪山融水，徑流方向由西南向東北。地下水排泄途徑為人工開采、蒸發(fā)和側(cè)向徑流。人工開采為地下水最主要的排泄方式，其次為蒸發(fā)和向民勤盆地的側(cè)向徑流排泄。

1.3 地球物理前提分析

區(qū)內(nèi)基本上被第四系覆蓋，無法采集到巖石標(biāo)本，只在部分覆蓋地段用露頭小四極法測定了一些松散沉積層巖性的電性參數(shù)(見表1)。由表1可見，礫卵石視電阻率最高，為320～900 Ω·m，其次為礫卵石(含水)和黃土層，亞黏土和泥質(zhì)砂層視電阻率最低，分別為50～100 Ω·m和30～70 Ω·m。其中砂礫層為主要含水層，黏土層為隔水層，以上電性差異是開展電阻率法重要前提之一。

表1 測區(qū)巖性電阻率統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of rock resistivity at survey area

2 工作方法與技術(shù)

2.1 測量方式

本次測量為長剖面，需要在幾公里到幾十公里范圍內(nèi)連續(xù)觀測，受設(shè)備固有探測剖面長度、地形等因素的限制，需要分段觀測，再拼接一起得到長剖面視電阻率圖。通常分段觀測有滑動和滾動兩種方式，本次主要采用滾動觀測方式。

2.2 參數(shù)設(shè)置

一條測線共布置144根電極，電極距為10 m，采用溫納裝置做滾動測量，滾動底面點(diǎn)數(shù)為36，測量層數(shù)為36層。

2.3 測線布置

該段測線自陳家莊沿毛溝村、多浪村、洪祥鎮(zhèn)一線北東向至新泉村，全長25 190 m，地勢南西高北東低，高差352 m。測點(diǎn)從970點(diǎn)到26 160點(diǎn)。點(diǎn)增量為1，點(diǎn)距10 m，測線總體方位北偏東46°，見圖2。

①任家莊—蘭家莊段 ②連霍高速—連家莊段 ③312國道—連家莊段 ④洪祥鎮(zhèn)—新泉村段圖2 研究區(qū)高密度電法測線位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the location of the high- density electrical survey line at study area

3 高密度電法結(jié)果分析

3.1 地電結(jié)構(gòu)

從高密度電法觀測結(jié)果來看，從上至下大致分為四層：黃土層、礫卵石層、含礫砂層、泥質(zhì)砂層。黃土層在路口莊—周家場一帶缺失；陳家莊—雜溝、周家場—褚家新莊一帶有零星分布，且比較干燥，視電阻率變化范圍130～260 Ω·m；劉宮寨—新泉村一帶成片分布，且相對濕潤，深度范圍10～25 m，視電阻率變化范圍30～150 Ω·m。礫卵石層在陳家莊—312國道一帶，底板深度為5～112 m，厚度7～92 m，視電阻率變化范圍300～1200 Ω·m，自陳家莊向北東至毛溝村逐漸變薄，厚度由92 m減小至7 m，受阻水?dāng)嗔袴1影響，由毛溝村向北東至312國道，厚度逐漸變厚至24 m；312國道—劉宮寨一帶分布穩(wěn)定，底板深度為110～140 m，厚度90～120 m，視電阻率變化范圍300～1200 Ω·m；劉宮寨—新泉村一帶局部分布，厚度變小，約為10～30 m，粒度變細(xì)，視電阻率阻值降低，視電阻率變化范圍300～500 Ω·m。含礫砂層為主要含水層位，陳家莊—蘭家莊一帶該層頂板大致與潛水面重合，底板深度125～160 m，視電阻率變化范圍100～280 Ω·m；雜溝—路口村一帶，厚度約10 m；路口村—連霍高速一帶，底板深度大于140 m，厚度大于120 m，局部含泥質(zhì)砂層；312國道—劉宮寨一帶厚度在60～85 m，底板深度大于180 m；劉宮寨—新泉村一帶厚度大于90 m，底板深度大于180 m。泥質(zhì)砂層主要出現(xiàn)在陳家莊—毛溝村一帶，其視電阻率變化范圍30～90 Ω·m，在雜溝至路口莊一帶，厚度大于130 m。各段的觀測結(jié)果見圖3～圖6。

圖3 任家莊—蘭家莊段高密度電法視電阻率斷面圖Fig.3 Apparent resistivity profile of high-density electrical method at Renjiazhuang-Lanjiazhuang section

圖4 312國道—連家莊段高密度電法視電阻率斷面圖Fig.4 Apparent resistivity profile of high-density electrical method at 312 National Road-Lianjiazhuang section

圖5 連霍高速—連家莊段高密度電法視電阻率斷面圖Fig.5 Apparent resistivity profile of high-density electrical method at Lianhuo Expressway-Lianjiazhuang section

圖6 洪祥鎮(zhèn)-新泉村段高密度電法視電阻率斷面圖Fig.6 Apparent resistivity profile of high-density electrical method at Hongxiang Town-Xinquan Village section

3.2 水文特征

研究區(qū)淺層地下水以第四系沖洪積松散沉積物砂礫層中的孔隙水為主，為單一的潛水結(jié)構(gòu)，潛水面為第二電性層底板面。其深度在陳家莊—路口莊一帶自西向東逐漸變淺，在陳家莊一帶100 m左右，至路口莊、毛溝村5～7 m；在路口村—連霍高速段，潛水面緩慢增大，連霍高速附近深度24 m左右；受阻水?dāng)嗔袴1影響，自312國道向東，潛水面深度在312國道—褚家莊一帶突變至130～140 m；在禇家新莊—新泉村一帶，潛水位面逐漸上升，深度范圍95～120 m。

3.3 斷裂構(gòu)造

根據(jù)地電特征推斷，在312國道附近存在阻水?dāng)嗔袴1，該斷裂在祁連山前形成“斷層臺階”，使得山前側(cè)向水流無法補(bǔ)給到312國道以東地區(qū)，在312國道附近自西向東潛水面由27 m迅速降至150 m。由于312國道車大型車輛太多，高密度電法測線無法敷設(shè)，致使國道附近深部數(shù)據(jù)缺失，對斷裂F1的規(guī)模、產(chǎn)狀等要素判斷帶來困難。

4 結(jié)論

通過本次工作初步查明了區(qū)內(nèi)淺部松散沉積層的地電特征、地下水體賦存狀態(tài)以及斷裂構(gòu)造展布情況，為當(dāng)?shù)氐叵滤拈_采利用和綜合治理提供了基礎(chǔ)資料。根據(jù)區(qū)內(nèi)巖石的物理性質(zhì)，初步判斷礫卵石層和含礫砂層電阻率較高，而黃土層和泥質(zhì)砂層電阻率較低，為后面的高密度電法結(jié)果提供物性解釋基礎(chǔ)。研究區(qū)淺層地下水以第四系沖洪積松散沉積層孔隙水為主，儲水介質(zhì)主要是砂礫石，為單一的潛水結(jié)構(gòu)。該層地下水受312國道附近的阻水?dāng)嗔袴1控制，在祁連山前形成“水位臺階”，斷層兩側(cè)的地下水位落差達(dá)百米上。