高密度電法在第四系地層找水中的應用研究

毛聰 聶小力 王世界 歐澤文 謝翔 張洪潮

摘要：高密度電法在水文地質調查中具有廣泛應用，尤其是在地質環(huán)境較復雜、地下水資源缺乏地區(qū)，具有低成本，高效率，方便解譯等特點。本文以大別山西段生態(tài)地質修復支撐調查中的找水為實例，采用高密度電阻率法，解譯出目標找水靶區(qū)的電阻率剖面，結合地球物理特征、鉆探驗證等，說明高密度電法在第四系地層找水工作中有顯著效果，能作為第四系地層找水的有效方法。

關鍵詞：高密度電阻率法；第四系地層；找水

大別山地區(qū)是我國重要的生態(tài)功能區(qū)，山地海拔1500m左右，是長江與淮河的分水嶺，長江中下游地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障。研究區(qū)內每逢旱季，人畜用水十分緊張，大別山西段生態(tài)修復支撐調查項目為扶貧工作開展找水，物探是重要勘察手段，有著方便快捷的優(yōu)點。本文以找水項目實例分析總結了高密度電阻率法在找水工作中的成功經驗，對類似工作有一定的借鑒意義。

1.研究區(qū)地質

大別造山帶作為巖漿活動最強烈的地區(qū)之一，中生代巖漿巖廣泛發(fā)育，并伴有少量早古生代和新元古代巖體。新元古代巖體主要賦存于大別南部紅安地區(qū)和西大別地區(qū)，少量分布于北淮陽地區(qū)。這些巖體變形強烈，糜棱巖和片麻巖頻繁出現。區(qū)內有廣泛發(fā)育的以中酸性為主的中生代巖漿巖，并伴有少量基性—超基性巖。

大別山區(qū)水系發(fā)達，水資源豐富，時空分布不均勻。入淮河流主要有史河、灌河、白鷺河、潢河、寨河、竹竿河、獅河等。包括長臺關以上的淮河源頭及河南境內的獅河、小潢河、竹竿河、寨河、潢河、自露河、史灌河、淠河等上游地區(qū)，主要涉及桐柏、羅山、獅河、平橋、新縣、光山、潢川商城、固始、金寨、霍山以及隋州、廣水等地。共有9座大型水庫，為南灣、石山口、花山、跋山、五岳、響洪甸、梅山、佛子嶺、磨子潭等。

研究區(qū)位于大別山西段，北部發(fā)育商丹（SD）蛇綠混雜巖，為秦嶺造山帶中早古生代重要的縫合帶，從甘肅武山、天水到陜西、河南信陽，基本連續(xù)出露1000多公里，分布在北秦嶺的秦嶺雜巖南側。主要包括丹鳳、松樹溝蛇綠巖（Pt3-Pz1）和羅漢寺弧前增生楔（Pz1）等次級構造單元。陳雋璐和徐學義等（2008）研究了秦嶺商丹蛇綠混雜巖帶的重要組成部分巖灣—鸚鴿咀蛇綠混雜巖（由變質基性火山巖（玄武巖）、蛇紋巖、變輝長巖、硅質巖、變復理石（云母石英片巖）等構造巖塊組成。研究區(qū)南部為大別—蘇魯地塊。大別高壓—超高壓變質折返帶由中-高溫變質巖+高壓-超高壓變質巖等組成，其中由北大別變質雜巖、晉寧期深熔花崗片麻巖及一些構造就位的變質超鎂鐵質巖塊等，構成造山帶剝露最深的古老陸核基底，劃歸中-高溫變質；南大別高壓-超高壓變質雜巖、宿松巖群、張八嶺巖群為折返的高壓-超高壓變質；大量晉寧期變形變質侵入巖為深成同碰撞巖漿巖亞相。各構造單元或構造亞相與相鄰單元（亞相）間被韌性剪切帶分隔，由變質火山—沉積雜巖建造、變質海相火山—細碧巖建造等組成，共同構成造山帶基底堆疊體。該單元是印支期南、北兩大陸塊及其間微陸塊（島?。┚酆吓鲎查L期發(fā)展演化的巨型構造混雜巖帶。燕山期大量花崗巖就位并產生一系列淺層推覆、滑覆構造，最終完成大別山區(qū)造山帶的抬升和再造過程。

晉寧期以后經過多次造山運動，不同動力系統的熱構造事件復合、疊加、改造，致其長期處于強應變狀態(tài)，表現出較復雜的剪切流變構造、伸展滑脫構造、斷層構造、推覆構造、穹隆構造、弧構造和復雜的褶皺變形構造，具有長期多階段的發(fā)展演化歷史。印支期揚子地塊向北俯沖，向深俯沖，是造山帶形成的主因。

找水靶區(qū)位于研究區(qū)中部，上覆第四系中更新統（Qpp12），上部為黃褐色粉砂質黏土，垂直節(jié)理發(fā)育；中部為棕色、黃褐色中粗—細粒砂層；下部為紫紅色、紅褐色砂礫層夾細砂層，第四系全新統（Qha12）：灰黃色粉細砂土、粉砂質黏土，下覆白堊系下統陳鵬組K1c，主要地層巖性為：灰紫色安山玢巖、流紋質晶屑凝灰?guī)r、流紋質凝灰熔巖、玻屑晶屑凝灰?guī)r、淺紅色凝灰質砂巖等火山碎屑沉積巖、紫紅色或棕紅色凝灰質鈣質頁巖。靶區(qū)主要地下水類型為第四系孔隙水。

2.高密度電法勘探

2.1工作原理

高密度電阻率法簡單地說是集電剖面法和電測深為一體的一種地學層析成像（Geotomography，簡稱GT）技術，把全部電極（幾十至上百根）置于剖面上，然后，再使用程控電極轉換開關以及微機工程電測儀，實現剖面中不同的電極距，不同電極排列方式的數據快速、自動的采集，節(jié)省了測量時間，也實現了自動采集化的發(fā)展。高密度電法是一種陣列勘探方法，其原理與普通電阻率法相同，但在觀測中設置了密度較高的測點。其原理是通過發(fā)電機或蓄電池發(fā)電經AB電極發(fā)射向地面下，電流在地面下產生等位線分布，再測得電極MN之間的電位差，而后計算得到MN中央點位即目標點位的視電阻率。

進行高密度電法勘查工作前，為確保電極接地良好，需要進行接地電阻測試，并且記錄測線上地形變化。根據不同的勘探對象、地質及地形條件來選擇相應的測量裝置。工作中，如遇超出設定誤差范圍的測點，則需進行單點重復測量，直至誤差符合標準。高密度電法勘探提供的成果包括視電阻率隨深度變化的剖面圖以及推斷的地質斷面圖。

2.2地球物理特征

找水目標是找出靶區(qū)內的蓄水構造，但工區(qū)內并無明顯構造，故所找目標為埋深較厚的第四系松散孔隙水，工區(qū)內徑鉆探施工能力條件下具有較好的基巖基底，具備儲水條件。地下水具有良好的導電性，與周圍介質電性差異明顯，此差異是開展高密度電法勘查的物理前提。

2.3找水工區(qū)布置

此次找水靶區(qū)位于羅山縣子路鎮(zhèn)南約5km處興隆村內，服務于人工及養(yǎng)殖用水，區(qū)內覆蓋第四系，為探明其所含孔隙水，結合當地民眾需求，布置有一條近南北向主測線測線G701（圖1，標紅部分），點距為10m，采用偶級裝置。

2.4高密度電阻率剖面特征

野外施工采用重慶地質儀器廠的DUK-4型高密度電法儀，點距10m，供電時長0.5s，停供時長0.2s，主測量參數為視電阻率。

數據處理采用儀器設備配套的二維高密度電法分析軟件和瑞典高密度（Res2Dinv）反演軟件，首先通過二維高密度電法分析軟件刪除測量過程中的明顯故障電極，再根據一次電位大小，供電電流大小以及Vp誤差等參數，人工剔除數據質量較差的數據點，最后整合測地工作中獲取的點位高程信息，對高密度電法剖面做相應地形校正，最后通過瑞典高密度反演軟件進行反演，得到二維電阻率斷面圖（圖2）。

由電阻率剖面圖（圖2）可推出覆蓋層大約為0m～30m，電阻率普遍較低，為沖積物層、坡積物層和風化層等，其內存在多個低阻異常帶，電阻率值為30歐姆米以下，推測為孔隙含水帶。下部電阻率較高，推測為下覆基巖，且有一定的傾斜角度。

2.5水文地質解釋

根據高密度剖面解譯成果顯示（圖3），第四系覆蓋層厚度約30m，為坡積物層、沖積物層和風化層等，含水性較好，地下10m～40m有一低阻異常帶，推測為含水層，含水層較厚，多為孔隙水，具備開采價值，結合地形與當地需求布置鉆孔進行驗證。

3.成果驗證

根據高密度剖面解譯成果，鉆孔位置設在地表里程630m處，即高密度剖面G701第64號測點處，據鉆探結果顯示，此處0m～22m為黏土、砂土等覆蓋層，較松散，含水性較好為主要含水層位，22m～66m為安山玢巖，灰紫色，斑狀結構，塊狀結構，期間有些許破碎帶，其下部為凝灰?guī)r，巖芯完整，青灰色—淺紫色，凝灰結構，塊狀結構，開采價值不大。含水層中日最大涌水量達105m3/d，基本滿足當地民眾生活需求。

4.結論

高密度電法的本質是直流電法。與常規(guī)電阻率法相比，高密度電阻率法不僅減少了電極設置帶來的故障和干擾，而且提高了效率。它還可以選擇多種電極排列進行測量，并可以獲得豐富的地電截面信息。現場數據采集也實現了自動化或半自動化，提高了數據采集速度，避免了人工誤操作。

本次研究依托大別山西段生態(tài)修復支撐調查，以興隆村找水為實例，根據剖面解譯成果結合鉆探驗證，證明高密度電法在第四系孔隙找水方面是行之有效的，日涌水量達到要求，基本解決民眾需求，為同類工程探測提供了借鑒依據。

參考文獻：

[1]傅良魁.電法勘探教程[M].地質出版社. 1983.

[2]張銀松，張家劉，李斌.綜合物探電法在巖溶石山找水中的研究及其應用[J].工程勘察， 2014， 42（08）：89-92.

[3]程光貴.高密度電法在渝東南地區(qū)找水勘察中的應用[J].地下水， 2013， 35（03）：106-109.

[4]劉振夏，陳植華，龔沖.高密度電法在變質巖山區(qū)找水中的應用研究[J].地下水， 2019， 41（01）：81-82.

[5]楊湘生.高密度電法在湘西北巖溶石山區(qū)找水中的應用[J].湖南地質， 2001（03）：230-232+236.

[6]方明發(fā).山區(qū)地下水勘察研究與探索[J].西部資源， 2017（01）： 68-69.

[7]郭剛強.高密度電法在尋找地下水中的應用[J].四川地質學報， 2020， 40（02）：298-300.

[8]田玉昆，劉懷山，張晶，等.高密度電法尋找地下水在即墨地區(qū)的應用[J].工程地球物理學報， 2008， 5（06）：670-674.

[9]楊志鵬.高密度電法物探技術在巖溶地區(qū)地質勘察中的應用[J].西部資源， 2019（03）：163+166.

[10]邵東橋，李榮亮，郭一兵，尤志明.高密度電法在地下洞室探測中的應用[J].西部資源， 2020（04）：175-177.