基于高密度電法的巖溶儲(chǔ)水構(gòu)造識(shí)別

李新斌，田 輝，丁廉超，趙 浩,朱一龍,韓朝輝

(中國地質(zhì)調(diào)查局 西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，陜西 西安 710100)

1 引 言

勉縣西部山區(qū)廣泛分布碳酸鹽巖，發(fā)育的裂隙和節(jié)理構(gòu)造，對(duì)巖石有極強(qiáng)的切割和破裂作用，為大氣降水和地表水的滲透和滲流創(chuàng)造了條件，形成了典型的巖溶水富集區(qū)。然而，由于復(fù)雜構(gòu)造和地形起伏的影響，巖溶水的賦存具有時(shí)間上、水平方向和垂直方向上的差異性，這種時(shí)空分布的不均勻性造成了部分巖溶山區(qū)居民生活缺水的困難現(xiàn)狀。在2020年全國脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)役全面收官之際，開展找水定井工作為巖溶山區(qū)居民解決飲水問題意義重大。

近年來，各類地球物理方法被成功應(yīng)用于地下水資源調(diào)查工作，其中高密度電法作為一種高效成熟的地球物理勘探方法[1]，已經(jīng)被廣泛地用于水文地質(zhì)、礦產(chǎn)地質(zhì)、工程地質(zhì)和災(zāi)害地質(zhì)勘探等領(lǐng)域，取得了豐碩的勘探成果，國內(nèi)外利用高密度電法來開展地下水資源探測(cè)已經(jīng)有了諸多成功的案例[2-11]。張德實(shí)等利用高密度電法在貴州地區(qū)開展巖溶塌陷探測(cè)，建立了半物質(zhì)填充模型反演分析方法，取得了較好的勘探效果[12]；王潔成功將三維高密度電法運(yùn)用于武漢城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目中，較好地揭露了城市地下巖溶塌陷發(fā)育情況[13]；A. Tassy等利用高密度電法成功刻畫了法國東南米歐港口沿岸地下巖溶含水系統(tǒng)的特征[1]；鄭智杰等利用高密度電法在湖南省三個(gè)巖溶缺水山區(qū)開展了巖溶探測(cè)，較為精細(xì)地追蹤了巖溶破碎帶的發(fā)育特征和延伸方向，為找水定井工作指明了方向[14]；王紅兵[15]、董茂干等[16]、譚道遠(yuǎn)等[17]分別利用高密度電法進(jìn)行了不同角度的地下巖溶的探測(cè)研究工作，并得到了良好的勘探效果；何國全在云南某水庫巖溶勘察中使用高密度電法精確地刻畫了地下巖溶形態(tài)[18]。覃小群等通過對(duì)巖溶水賦存特征及規(guī)律的梳理總結(jié)，歸納了6種常見的成井模式[19]，潘曉東等研究了貴州畢節(jié)巖溶斜坡地帶的地下水賦存規(guī)律，并提出了適宜該區(qū)的4種鉆探成井模式[20]。

本文在對(duì)漢中地區(qū)勉縣幅1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，針對(duì)地面調(diào)查過程中遇到的極度貧水山區(qū)，充分論證區(qū)內(nèi)已知地質(zhì)及物性資料，確立具有巖溶水找水前景的目標(biāo)區(qū)域，開展高密度電法勘探綜合研究工作，確定了巖性接觸帶和巖溶發(fā)育帶的位置，為找水定井工作提供了有力依據(jù)。

2 測(cè)區(qū)概況

2.1 基本情況

測(cè)區(qū)位于陜西省勉縣武侯鎮(zhèn)西側(cè)的宋家院子，地形總體切割嚴(yán)重，高差較大，宏觀地貌為北東向-近南北走向的山谷，北高南低，東西兩側(cè)為山地，山頂坡度較陡，靠近山腳地形稍緩，其間分散居住數(shù)十戶人家，地表飲用水源隨季節(jié)變化極大，旱季嚴(yán)重缺水。

2.2 水文地質(zhì)特征

測(cè)區(qū)屬陽平關(guān)地層小區(qū)，主要出露地層為震旦系陡山沱組粉砂巖、上震旦統(tǒng)-下寒武統(tǒng)的燈影組白云巖、寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組砂巖以及志留系茂縣群(表1)。其中燈影組與下伏陡山沱組之間為整合或斷層接觸，與志留系茂縣群呈斷層接觸，與寒武系地層為斷層接觸。在油坊溝一帶以寒武系牛蹄塘組為核部構(gòu)成一個(gè)向斜構(gòu)造，燈影組為其兩翼地層，二者之間呈平行不整合接觸(圖1)。

表1 測(cè)區(qū)主要地層巖性

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖(根據(jù)勉縣幅1∶5萬區(qū)域地質(zhì)圖I48E018019修改)(a)和測(cè)線測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖(b)Fig.1 (a)Geological sketch of the study area(modified according to the 1∶50 000 regional geological map I48E018019 of Mian county); (b) Schematic diagram of survey line and survey point layout

測(cè)區(qū)地下水類型主要以碳酸鹽巖類巖溶水和碎屑巖類孔隙裂隙水為主。測(cè)區(qū)地表多見裸露基巖，淺部巖溶發(fā)育，具典型的地下水淺循環(huán)帶巖溶發(fā)育特征，巖溶水主要補(bǔ)給來源為大氣降水，巖溶水主要?jiǎng)討B(tài)要素如水位、流量等變化幅度大，對(duì)降雨反應(yīng)敏感。

2.3 地球物理特征

地下勘探目標(biāo)和環(huán)境介質(zhì)顯著的電性差異是開展高密度電阻率法的重要前提。根據(jù)工作區(qū)及鄰區(qū)已有電法工作的電性資料[21]，整理歸納出測(cè)區(qū)主要巖石電性參數(shù)表(表2),由表2可見，地表耕植土、黏土常見電阻率值在15～50 Ω·m之間，砂巖電阻率值在18～337 Ω·m之間，白云巖電阻率值在252～7 863 Ω·m之間，各類巖土體之間具有明顯的電性差異，且同種巖性巖石隨著風(fēng)化程度和裂隙發(fā)育程度的不同也具有較大的電性差異，構(gòu)成了較好的電法工作前提。

圖2 高密度電法溫納裝置工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the high density method Wenner device

表2 研究區(qū)物性參數(shù)

3 技術(shù)方法

3.1 野外工作方法

高密度電法是集電測(cè)深法和電剖面法一體的陣列式直流電阻率勘探方法，具有點(diǎn)距小、數(shù)據(jù)采集密度大、分辨率高等特點(diǎn)。其基本原理和常規(guī)地電方法一樣，都是以地下介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)，通過在地表觀測(cè)人工激發(fā)電場(chǎng)的變化情況，計(jì)算地下介質(zhì)電阻率參數(shù)，從而推斷地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)，達(dá)到勘探的目的。在野外觀測(cè)時(shí)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的視電阻率計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中，ρs為視電阻率(單位：Ω·m);K為裝置系數(shù)，隨供電電極和測(cè)量電極的切換而不同；ΔV為測(cè)量電極之間的實(shí)測(cè)電位差(單位：mV)，I為供電電流(單位：mA)。

本次數(shù)據(jù)采集使用中地裝(重慶)地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-4級(jí)聯(lián)式全波形高密度電阻率測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)高密度電法各裝置工作特性，結(jié)合測(cè)區(qū)實(shí)際情況選用靠干擾能力較強(qiáng)、生產(chǎn)效率較高的溫納裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，溫納裝置的工作原理如圖2所示。于村落北側(cè)相對(duì)平緩的斜坡上布設(shè)2條北東向測(cè)線，斜交穿越牛蹄塘組砂巖和燈影組白云巖地層不整合接觸面，線距50 m，最小電極距3 m，每條測(cè)線布設(shè)60道電極，觀測(cè)16層剖面數(shù)據(jù)。施工過程中采用厘米級(jí)精度的RTK衛(wèi)星定位測(cè)量方法實(shí)地放點(diǎn)，精確獲取測(cè)點(diǎn)位置和高程信息，針對(duì)水泥路面和裸露基巖等接地情況不好的點(diǎn)位，采用加鹽水和泥以改變接地條件，使各電極接地電阻小于1 000 Ω·m，保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

3.2 數(shù)據(jù)處理及反演方法

野外實(shí)測(cè)獲取二維視電阻率斷面數(shù)據(jù)，推斷解釋時(shí)需借助二維反演技術(shù)獲得更加貼合實(shí)際的地電模型，其數(shù)學(xué)實(shí)質(zhì)是：尋找一個(gè)地電模型，通過不斷迭代計(jì)算使其對(duì)應(yīng)的理論電阻率值與實(shí)測(cè)視電阻率值在一定條件下擬合誤差最小(圖3)。

本次數(shù)據(jù)處理，首先利用二維高密度電法數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，剔除個(gè)別畸變數(shù)據(jù)點(diǎn)，而后利用平滑約束的高斯—牛頓最小二乘反演方法進(jìn)行反演計(jì)算，該方法基于以下公式：

(JT+μF)d=JTg

(2)

式(2)中，J為偏導(dǎo)數(shù)矩陣，JT為J的轉(zhuǎn)置，μ表示阻尼系數(shù)，d為模型參數(shù)修改矢量，g為殘差矢量，fx為橫向平滑濾波因子，fz為縱向平滑濾波因子。該反演算法的優(yōu)點(diǎn)是阻尼系數(shù)μ和平面過濾器能隨著數(shù)據(jù)類型而調(diào)整。根據(jù)反演工作經(jīng)驗(yàn)，反演均方差值最小時(shí)的模型并不一定最符合實(shí)際地質(zhì)情況，通常當(dāng)?shù)缶秸`差不再明顯變化時(shí)，反演模型最佳。

在電法勘探中，沿測(cè)線方向起伏的地形相當(dāng)于在原本理論均勻無限半空間的基礎(chǔ)上疊加了一層不均勻地電體，實(shí)際觀測(cè)的視電阻率數(shù)據(jù)是真實(shí)地電異常和地形影響共同作用的結(jié)果。本次高密度電法工作測(cè)線地形起伏較大，實(shí)測(cè)視電阻率數(shù)據(jù)受地形起伏影響，因此在數(shù)據(jù)處理過程中必須進(jìn)行地形改正。本次數(shù)據(jù)處理地形改正使用RES2DINV軟件中的地形改正模塊完成，該方法是基于有限單元法，將地形起伏信息添加到反演模型中進(jìn)行反演迭代計(jì)算，以消除純地形引起的異常，達(dá)到地形改正的目的。具體的實(shí)現(xiàn)過程為：將RTK實(shí)測(cè)得到的每個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)格式要求添加到原始數(shù)據(jù)文件中，在利用RES2DINV軟件反演計(jì)算時(shí)讀取帶地形的數(shù)據(jù)文件，選擇地形改正模型，進(jìn)行反演迭代計(jì)算及含地形的反演模型顯示。

圖3 高密度電法數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Data processing flow chart of the high density electrical method

4 結(jié)果分析與討論

4.1 高密度電法資料分析

sjyz-01測(cè)線方位15°，測(cè)線長度177 m，剖面反演結(jié)果如圖4所示，電阻率結(jié)構(gòu)總體上表現(xiàn)為橫向分層，縱向分塊的特征。橫向上，近地表0～5 m為低阻薄層，電阻率值<50 Ω·m，代表了淺表耕植土或黏土；5 m以下高阻和低阻團(tuán)塊相間分布，蘊(yùn)含了巖性界面和巖層內(nèi)部的風(fēng)化、溶蝕和充填等地質(zhì)體的電性信息，以剖面長度70 m為界，左右兩側(cè)具有顯著的電性差異，左側(cè)以電阻率值<138 Ω·m的低阻為主，右側(cè)總體電阻率值大于左側(cè)，最大值>6 000 Ω·m。結(jié)合測(cè)區(qū)巖石物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)及地表露頭顯示信息，推斷左側(cè)低阻體為牛蹄塘組砂巖，為向斜核部地層，在復(fù)雜的擠壓構(gòu)造背景下，巖石內(nèi)部廣泛發(fā)育裂隙-微裂隙，在靠近地表的區(qū)域，因降雨入滲補(bǔ)給，裂隙中充滿水分并互相連通，構(gòu)成了電性結(jié)構(gòu)上的低阻特征；相比左側(cè)，sjyz-01剖面右側(cè)電阻率結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，根據(jù)地表露頭和物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)，推斷為巖溶發(fā)育的白云巖地層。其中電阻率值>1 500 Ω·m為未被溶蝕的致密白云巖，巖體之間的低阻(20～150 Ω·m)可能為溶蝕通道，其間充填黏土、碎石等巖土體，空隙空間相互連通并含水，因此表現(xiàn)為低阻特征。80～110 m之間，深度20 m以下，發(fā)育長度30 m，厚度大于10 m的超低阻空間(0.3～5 Ω·m)，根據(jù)物性參數(shù)特征推斷為白云巖地層中的巖溶空洞，其間充滿水分，故而表現(xiàn)低阻。剖面圖上70 m處電阻率梯度帶推斷為牛蹄塘組砂巖地層和燈影組白云巖地層的接觸帶。

圖4 高密度電法剖面反演模型電阻率斷面Fig.4 Resistivity profile of high-density electrical method profile inversion model

sjyz-02測(cè)線方位17°，位于測(cè)線sjyz-01北側(cè)50 m，長度也為177 m，反演模型電阻率結(jié)構(gòu)與sjyz-01剖面具有密切的聯(lián)系(圖4)，同時(shí)也存在一定的差異。總體來看，該剖面電性結(jié)構(gòu)仍然表現(xiàn)為橫線分塊和縱向分層的特征，5 m以淺仍為電阻率值<50 Ω·m的低阻層，為淺表耕植土或黏土的電性反映；sjyz-01剖面揭露的牛蹄塘組砂巖地層和燈影組白云巖地層的接觸帶在sjyz-02剖面仍然清晰顯示，表現(xiàn)為明顯的高低阻梯度帶。與sjyz-01剖面不同的是,sjyz-02剖面北段的高阻地層中沒有出現(xiàn)與sjyz-01剖面一樣的電阻率值小于5 Ω·m的超低阻空間，而是在相應(yīng)位置發(fā)育一向北傾的條帶狀低阻異常，同樣推斷為巖溶發(fā)育條帶，sjyz-01剖面位于sjyz-02剖面東側(cè)地勢(shì)相對(duì)低洼處，因而，sjyz-02剖面中這一位置的相對(duì)低阻條帶同樣為巖溶通道，推斷通道中充填風(fēng)化物和表層土質(zhì)，因地勢(shì)較高，含水率小于sjyz-01剖面揭露的富水溶洞。

4.2 巖溶儲(chǔ)水構(gòu)造識(shí)別與成井模式探討

sjyz-02測(cè)線位于sjyz-01測(cè)線北西側(cè)，直線距離50 m，地勢(shì)較高，sjyz-01測(cè)線的起始電極和sjyz-02測(cè)線第3根電極平齊，兩條測(cè)線基本平行，均穿越牛蹄塘組砂巖地層和燈影組白云巖地層(圖1)，在利用相同儀器，相同標(biāo)準(zhǔn)，相同施工條件及相同數(shù)據(jù)處理方法的前提下，根據(jù)上述對(duì)高密度電法資料的分析，2個(gè)斷面的反演結(jié)果具有較好的一致性，與實(shí)際地質(zhì)資料基本吻合。根據(jù)其空間關(guān)系，和研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征，推斷向斜構(gòu)造活動(dòng)、地層巖性差異和地形地勢(shì)特征共同控制了研究區(qū)巖溶儲(chǔ)水構(gòu)造的孕育和空間格局，基于這一認(rèn)識(shí)，本文建立了研究區(qū)巖溶儲(chǔ)水構(gòu)造的模型(圖5)。

圖5 研究區(qū)巖溶儲(chǔ)水構(gòu)造模型Fig.5 The structure model of karst water storage

宏觀上，研究區(qū)處于以牛蹄塘組砂巖地層為核部的向斜構(gòu)造東翼山谷地帶，褶皺活動(dòng)是構(gòu)造應(yīng)力集中作用的結(jié)果。伴隨著向斜構(gòu)造的形成，牛蹄塘組砂巖地層和燈影組白云巖地層內(nèi)部形成了眾多小型斷裂和微裂隙。經(jīng)過漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期，風(fēng)化作用和大氣降水溶蝕作用使得牛蹄塘組砂巖內(nèi)部微裂隙中充填水分；而燈影組白云巖則在含有碳酸的雨水滲入巖石縫隙后發(fā)生溶蝕反應(yīng)，長期的溶蝕作用使白云巖內(nèi)部形成了溶蝕通道和溶洞空洞，靠近地表的溶蝕通道被風(fēng)化碎屑充填，而深層的巖溶空間則保留了下來，形成了豐富的儲(chǔ)水空間。

該儲(chǔ)水構(gòu)造地下水補(bǔ)給主要來源于大氣降水，豐富的碎屑巖裂隙和巖土溶蝕通道具有較好的持水性，使得豐沛的雨水得以保存下來。其次，該區(qū)位于北東向-近南北走向的山谷，北高南低、東西高中間低的地形為水源補(bǔ)給創(chuàng)造了良好的地勢(shì)條件，在重力勢(shì)能的作用下，儲(chǔ)水構(gòu)造東、西、北三側(cè)的砂巖裂隙或白云巖溶蝕通道中地下水源源不斷地側(cè)向補(bǔ)給，最終匯聚于研究區(qū)所處的山谷地下巖溶空間中儲(chǔ)存下來，形成了良好的地下水富集區(qū)，其中北側(cè)和東側(cè)白云巖地層溶蝕通道中的地下水為主要補(bǔ)給來源。同時(shí)，儲(chǔ)水空間西側(cè)的牛蹄塘組砂巖地層作為相對(duì)隔水構(gòu)造能夠起到阻水墻的作用，為地下水在此匯流聚集提供了更好的條件。

綜合上述討論，確定于高密度電法sjyz-01剖面95 m處鉆井，經(jīng)鉆探驗(yàn)證，該鉆孔于地下25 m處見水，成井深度65.8 m，含水層厚度為32.5 m，水位降深1.6 m，單位涌水量2.67 L/(s·m)，含水較好。對(duì)于向斜構(gòu)造、巖性接觸帶和地形共同控制的巖溶儲(chǔ)水構(gòu)造，建議將鉆井布設(shè)于向斜構(gòu)造軸部、地勢(shì)相對(duì)較低的靠近可溶性碳酸鹽巖一側(cè)。

5 結(jié) 論

綜合上述實(shí)例的分析討論可以看出，在充分論證地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌和地勢(shì)條件的基礎(chǔ)上，通過合理選區(qū)布設(shè)高密度電法勘探工作，能夠有效識(shí)別巖溶儲(chǔ)水構(gòu)造的空間位置，為找水定井工作提供依據(jù)，本文的工作對(duì)同類地區(qū)的巖溶儲(chǔ)水構(gòu)造勘探具有良好的參考意義。

1)巖溶儲(chǔ)水構(gòu)造的發(fā)育受構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度、地層巖性差異和地形地勢(shì)條件共同影響，在探查研究中應(yīng)充分結(jié)合地質(zhì)地貌條件。

2)良好的電性差異是開展高密度電法勘探工作的前提，在利用高密度電法識(shí)別巖溶儲(chǔ)水構(gòu)造時(shí)，需充分論證物性參數(shù)條件，測(cè)線布設(shè)宜結(jié)合地形條件，穿越構(gòu)造或巖性界線。

3)對(duì)于向斜構(gòu)造、巖性接觸帶和地形共同控制的巖溶儲(chǔ)水構(gòu)造，建議將鉆井布設(shè)于向斜構(gòu)造軸部、地勢(shì)相對(duì)較低的靠近可溶性碳酸鹽巖一側(cè)。