花崗巖地區(qū)物探找水
——以山東臨朐地區(qū)研究為例

孫銀行，田蒲源，楊勤海，楊桂新，朱慶俊

（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，河北 保定 071051）

0 引言

花崗巖類巖石在我國廣泛分布，共出露面積約86×104km2，占全國總陸地面積的9%左右（洪大衛(wèi)等，2007）。一般在花崗巖中，若沒有裂隙或構(gòu)造的影響，巖石都比較完整，一般不具有透水性，含水性也比較差，大多數(shù)情況下可作為隔水層（黃道順，2005）。一些學(xué)者對花崗巖裂隙和水含量進行了研究（韓亮等,2015；董榮，2016），此外關(guān)于物探找水的研究成果也很顯著和眾多（焦彥杰等，2011；陳書客，2017；任鴻飛等，2019；張立劍等，2019；郭海等，2019；岳廣俊等，2019；李巧靈等，2019；薛勝利和凌丹丹，2019；羅發(fā)科和張虎，2020），如焦彥杰等（2011）采用電法在西南灰?guī)r地區(qū)成功圈定含水巖溶帶，任鴻飛等（2019）采用大地電磁法和地震方法在砂巖中成功尋找到地?zé)崴?，張立劍等?019）采用綜合電法在承德凝灰?guī)r地層探測到礦泉水，岳廣俊等（2019）利用可控源大地電磁法在白云巖地區(qū)尋找到構(gòu)造裂隙水，薛勝利和凌丹丹（2019）利用激電法在細砂巖地層中尋找到地下水。但是花崗巖地區(qū)物探找水的研究較少，系統(tǒng)性也不強，所以對花崗巖地區(qū)開展物探找水研究具有重要意義。

研究區(qū)位于山東省臨朐縣境內(nèi)，具體位置范圍在東經(jīng)118°40′55.92″～118°43′54.54″，北緯36°19′55.70″～36°25′8.14″。由于研究區(qū)屬于花崗巖區(qū)，地下水一般相對貧乏，是我國較典型的缺水類型區(qū)域。本文將在分析花崗巖地區(qū)地下水賦存類型的基礎(chǔ)上，針對該研究區(qū)的地下水類型，選擇合理的物探方法，總結(jié)研究區(qū)花崗巖找水的經(jīng)驗，為類似區(qū)域開展物探找水提供思路。

1 花崗巖地區(qū)地下水賦存類型及其分析

花崗巖屬于塊狀巖類，依據(jù)含水層不同主要可分成三大類：風(fēng)化裂隙型水、巖脈構(gòu)造裂隙型水和斷裂構(gòu)造裂隙型水。

風(fēng)化裂隙型水埋藏較淺，基本依靠大氣降水的補給，富水性與地形地貌、構(gòu)造和原巖結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。風(fēng)化帶發(fā)育較好且厚度較大的丘陵山區(qū)以及匯水的低洼區(qū)域，地下水的儲存空間大，富水性比較好。在花崗巖風(fēng)化帶中，原巖礦物中的石英含量越多、粒徑越粗，滲透系數(shù)越大，越有利于風(fēng)化裂隙水的富集，反之，其風(fēng)化裂隙帶的富水性就越差。受構(gòu)造影響的風(fēng)化帶富水性一般比沒有構(gòu)造的風(fēng)化帶富水性要好（黃道順，2005）。此外風(fēng)化裂隙水的富水性也受風(fēng)化程度的影響，一般情況下全風(fēng)化透水性較差，弱風(fēng)化一般裂隙較大，其儲水條件比全風(fēng)化要好。

巖脈型構(gòu)造裂隙水，因為石英巖脈的抗風(fēng)化能力較強，構(gòu)造裂隙中一般充填物較少，其透水性和含水性較強；常見的中基性巖脈（如輝綠巖脈、閃長玢巖脈、煌斑巖脈）比較容易風(fēng)化，花崗巖裂隙常被粘土類物質(zhì)充填堵塞，富水性比較差。

斷裂構(gòu)造裂隙型水常受斷層的規(guī)模、性質(zhì)、充填物、巖脈等因素的影響，其透水性和含水性相差較大。一般來講，張性及張扭性斷層多產(chǎn)生張性開裂或構(gòu)造角礫巖，其透水性及含水性都較強；壓性及壓扭性斷層，巖石糜棱巖化，裂隙呈密集的細小裂隙，或被其它物質(zhì)所充填，斷層破碎帶本身的透水性及含水性較差。此外，斷層帶及旁側(cè)巖石裂隙的發(fā)育程度影響著斷層破碎帶的富水性，斷層破碎帶越長越寬，斷層的規(guī)模越大，斷層的富水性就越強，但是斷層影響帶以外的巖石富水性很差（黃道順，2005）。

2 花崗巖找水的地球物理前提

目標(biāo)地質(zhì)體和圍巖存在明顯的電性差異是采用物探方法解決地質(zhì)問題的前提，研究區(qū)勘探的主要任務(wù)為探測花崗巖地區(qū)的富水異常區(qū)。電阻率是反映地中富水性密切相關(guān)的重要參數(shù)。結(jié)合以往各種有關(guān)地質(zhì)資料，完整基巖的電阻率一般為500～1000 Ω·m，但當(dāng)其因破碎或裂隙發(fā)育充水時，其導(dǎo)電性會顯著增強，視電阻率明顯降低，含水破碎帶的電阻率一般為60～500 Ω·m，在電法資料上會產(chǎn)生明顯的橫向低阻異常（段佳松，1999）。因此應(yīng)用以獲取電阻率參數(shù)的電法和電磁法尋找花崗巖中的含水?dāng)鄬訋Ь哂谐浞值牡厍蛭锢砬疤帷?/p>

3 工作區(qū)水文地質(zhì)概況

臨朐縣東南部的蘇家官莊村與南福山村無固定灌溉水源，經(jīng)常發(fā)生旱情，大部分農(nóng)田受災(zāi)，群眾生活用水也受到威脅。本次找水工作主要是為其解決生活用水問題。

工作區(qū)屬于低山丘陵及殘丘花崗巖地區(qū)，地形相對比較復(fù)雜，沖溝發(fā)育，切割深度最深可達40 m，山頂呈圓形或橢圓形，坡面及谷底有少量第四系殘坡積及坡洪積物堆積。在大地構(gòu)造分區(qū)上屬于沂山斷塊凸起，第四系厚度一般小于2 m，溝谷邊緣可達5 m。工作區(qū)內(nèi)構(gòu)造相對不發(fā)育，只在南福山村西發(fā)育一條北北東向斷層，且斷層延伸較遠。工作區(qū)巖性以元古宙二長花崗巖為主，表面強風(fēng)化至全風(fēng)化。

在這類地區(qū)尋找地下水只能以尋找斷裂構(gòu)造、破碎帶為主要對象，研究是否有裂隙型水的存在。斷裂裂隙帶，特別是張性斷裂帶附近一般裂隙較發(fā)育，易于產(chǎn)生深厚風(fēng)化帶，再加上斷層破碎帶中富含大量的水，總水量一般相對風(fēng)化裂隙型水較大。

4 物探勘查實例

4.1 高密度電阻率法勘查實例

工作區(qū)選擇蘇家官莊村。受巖性條件和補給條件限制，本區(qū)深部構(gòu)造裂隙富水性差，地下水主要賦存于風(fēng)化殼和淺部構(gòu)造裂隙中。在場地條件允許的條件下，選擇橫向分辨率較高、對淺層目標(biāo)地質(zhì)體刻畫精細的高密度電法開展工作具有一定的優(yōu)勢（梁開華等，2013），該方法廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)和工程地質(zhì)勘查等領(lǐng)域（郭鐵柱，2001；劉曉東，2001；楊發(fā)杰和巨妙蘭，2004；劉昌忠等，2004；朱自強和戴亦軍，2004；宋洪偉等，2019）。

考慮本村的實際情況，選擇地勢較低、場地條件較好的村南開展高密度電法工作，目的是查明花崗巖風(fēng)化殼厚度，同時兼顧北西向構(gòu)造。野外工作中采用美國AGI公司SuperSting R8/IP高密度電法儀。極距為5 m，測線長495 m，測線方向北東40°（工作布置示意圖見圖1），共計100個物理點。野外工作中，在數(shù)據(jù)測量之前對接地電極進行了測試。對于接地電阻大的電極，采用深埋或澆水方式來減小接地電阻。測量時，每個數(shù)據(jù)點都進行重復(fù)測量，對超出預(yù)設(shè)定誤差的數(shù)據(jù)點進行多次重復(fù)測量。對于大多數(shù)數(shù)據(jù)點而言，其重復(fù)測量誤差小于5%。

圖1 臨朐縣蘇家官莊工作布置示意圖

通過分析勘查結(jié)果（圖2），部面220～320 m間發(fā)育一層連續(xù)的風(fēng)化殼，發(fā)育深度在30 m左右。其中剖面310 m左右埋深20～40 m電阻率值最低，推測此處風(fēng)化殼富水性較佳；此外，由電阻率等值線的畸變分析該處存在一小規(guī)模斷層，而且斷層帶區(qū)域的地層電阻率小于200 Ω·m，由此在剖面310 m確定為宜井位置。經(jīng)過鉆探驗證后，該井成功出水，井深180 m，出水量15 m3/h。

圖2 臨朐縣蘇家官莊高密度電法勘查成果——物探剖面（a）及地質(zhì)解譯（b）

4.2 音頻大地電磁測深法勘查實例

工作區(qū)選擇南福山村。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)圖，一條北北東向斷層于村莊西面通過，且斷層延伸較遠。音頻大地電磁測深法探測深度大（楊進和安海忠，1995；武毅等，2002），深部分辨率高，受場地限制較小，選擇該方法在本村尋找深部構(gòu)造裂隙水具有一定優(yōu)勢。

考慮本村的實際情況，選擇地勢較低、場地條件較好的村東開展音頻大地電磁測深法開展工作。實際工作中采用EH4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)工作，點距15 m，測線長225 m，剖面方向北西280°（工作布置示意圖見圖3），主要查明斷層的空間位置、發(fā)育規(guī)模及風(fēng)化殼厚度。

圖3 臨朐縣南福山村工作布置示意圖

勘查結(jié)果（圖4）反映出工作區(qū)風(fēng)化殼厚度變化較大，最大發(fā)育深度約40 m；北北東向斷層帶及其影響帶寬約90 m（剖面范圍90～180 m內(nèi)），而且斷層帶區(qū)域的地層電阻率小于300 Ω·m，在剖面120 m位置處斷層發(fā)育最深，深度可達160余米。因此，宜井位置初步定在EH4剖面120 m處，基本具備成井所需的地層巖性、構(gòu)造及鉆探條件，可鉆探施工。但是在開鉆后，當(dāng)鉆探進尺110 m掉鉆，斷層帶物質(zhì)糜棱巖化，富水性差。井位移至剖面15 m處，該處風(fēng)化殼厚度大，且有斷層顯示，推測其為北北東向主斷層的次級構(gòu)造，以構(gòu)造裂隙和花崗巖風(fēng)化殼作為取水目的層。經(jīng)過鉆探驗證后，該井成功出水，出水量15 m3/h。

圖4 臨朐縣南福山村EH4勘查成果——物探剖面（a）及地質(zhì)解譯（b）

由此井位的變動，我們得到實踐經(jīng)驗，在EH4剖面135 m處，該斷層為壓扭性斷層。一般壓扭性斷層富水性較差，甚至無水，該位置就出現(xiàn)了無水的情況。當(dāng)剖面移到15 m處后，該井成功出水，因為該位置的構(gòu)造為張性斷層。因此在確定孔位時，結(jié)合地質(zhì)資料，注意斷層的性質(zhì)，判斷該斷層是張性斷層還是壓扭性斷層，其富水性差別比較大，一般張性斷層富水性較好，壓扭性斷層富水性很差。

5 結(jié)論

針對缺水的花崗巖類地區(qū)，在總結(jié)花崗巖地下水賦存類型的基礎(chǔ)上，分析了不同類型地下水的賦存特征，通過分析在山東臨朐縣蘇家官莊和南福山兩個缺水村找水的典型實踐案例，表明應(yīng)用高密度電法和音頻大地電磁測深法在花崗巖地區(qū)尋找風(fēng)華裂隙水和構(gòu)造裂隙水是有效可行的，為在花崗巖類缺水地區(qū)找水提供了方法參考。