水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)合直流電法在贛南地區(qū)找水中的應(yīng)用

歐陽(yáng)波羅，易 強(qiáng)，路 韜，黃 超，邵長(zhǎng)生*，肖立權(quán)，劉聲凱

1. 湖南省水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測(cè)所，湖南 長(zhǎng)沙 410129；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心（中南地質(zhì)科技創(chuàng)新中心），湖北 武漢 430205

贛南地區(qū)作為革命老區(qū)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展一直低于全國(guó)平均水平，是自然資源部定點(diǎn)扶貧地區(qū)，其中水資源缺乏是經(jīng)濟(jì)落后的主要原因之一（黃長(zhǎng)生等，2021）。該地區(qū)農(nóng)村人口多，貧困人口基數(shù)大、分布廣，部分村落季節(jié)性缺水現(xiàn)象嚴(yán)重，遇干旱天氣時(shí)人畜飲水困難，飲水安全問(wèn)題亟待解決。因此，選擇科學(xué)合理的方法勘察進(jìn)而快速找到滿足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的水源成了該區(qū)脫貧摘帽和鄉(xiāng)村振興的重要抓手。

國(guó)內(nèi)外在地下水勘查方面采用的方法具有一定的相似性和普遍性，均通過(guò)地質(zhì)手段或者物探等方法來(lái)探查地下水源（劉磊等，2015），并通過(guò)鉆探工程驗(yàn)證。使用的地質(zhì)手段有水文地質(zhì)調(diào)查及地質(zhì)測(cè)繪（劉聲凱等，2021）、遙感等；而物探方法則有常規(guī)的直流電法（聯(lián)合剖面法、高密度電法、激電測(cè)深法、自然電場(chǎng)法、充電法、電阻率測(cè)井等）和電磁法（瞬變電磁法、大地電磁法、可控源音頻大地電磁法等）。從單一電法來(lái)看，高密度電法在花崗巖分布區(qū)（王曉龍等，2020）、變質(zhì)巖分布區(qū)（劉振夏等，2019）、巖溶發(fā)育地區(qū)（歐陽(yáng)偉和徐曉英，2013；梁海等，2017；王永生和張玉池，2018；鄭智杰等，2019）等均有比較普遍的應(yīng)用；激電測(cè)深法在內(nèi)蒙古（劉慧娥等，2013）和河北省張家口（夏凡，2014）等地區(qū)找水均取得了成功；電法測(cè)井方法為海南石碌礦區(qū)地下水文地質(zhì)勘查和地下水評(píng)價(jià)提供了可靠的水文地質(zhì)資料（王紫維等，2019）；綜合電法在地下水勘查工作中也有著廣泛的應(yīng)用，并取得了較好的成果，例如四川“紅層地區(qū)”（王鵬飛等，2019）、甘肅北山地區(qū)（朱曉泉等，2019）、河西走廊（王偉，2010）、貴州巖溶地區(qū)（劉永鋒等，2017）、祁連山山前缺水區(qū)（劉得福等，2006）、湖南懷化巖溶地區(qū)（鄔健強(qiáng)等，2020）等。任磊等（2021）則采用音頻大地電磁測(cè)深和高密度電阻率法相結(jié)合對(duì)海南省瓊中縣榕木村花崗巖區(qū)深部賦水?dāng)嗔哑扑閹У奈恢谩⑸疃?、?guī)模和產(chǎn)狀特征進(jìn)行了探測(cè)，為該區(qū)的水文地質(zhì)鉆井孔位設(shè)計(jì)提供了有效技術(shù)支撐。綜合上述，各方法均有其適用性及針對(duì)性，要想高效、準(zhǔn)確地找到地下水，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況選擇相應(yīng)的物探方法。

本文在前人工作和研究的基礎(chǔ)上，分別在贛南地區(qū)花崗巖地區(qū)和寒武紀(jì)變質(zhì)巖地區(qū)選擇了兩處缺水區(qū)，通過(guò)地質(zhì)手段（水文地質(zhì)調(diào)查及測(cè)繪）與綜合物探方法（直流電法）相結(jié)合來(lái)尋找地下水，進(jìn)行地下水源目標(biāo)靶區(qū)選擇，進(jìn)而滿足缺水地區(qū)的用水需求。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)地貌條件，首先開(kāi)展水文地質(zhì)調(diào)查，確定目標(biāo)含水層，進(jìn)而采用直流電法開(kāi)展物探勘查工作，圈定含水有利區(qū)域，確定鉆孔位置，后期經(jīng)鉆探和抽水試驗(yàn)驗(yàn)證，7處鉆井打出了能滿足當(dāng)?shù)卮迕裥枨蟮纳钣盟?/p>

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)基本情況

研究區(qū)1位于江西省贛州市贛縣區(qū)田村鎮(zhèn)根山村，根山村缺水人數(shù)為21戶，94人，屬第Ⅲ類“水質(zhì)達(dá)標(biāo)，水量不足”需求點(diǎn)。村民通過(guò)挖大口井蓄水模式，分散開(kāi)采淺層第四系孔隙水為飲用水源，局部村民接山泉水作為飲用水。由于第四系孔隙水及山泉水主要補(bǔ)給源為大氣降水，受季節(jié)變化影響較大，尤其是干旱季節(jié)，村民的飲用水難以得到保障。

研究區(qū)2位于江西省贛州市贛縣區(qū)大田鄉(xiāng)杜屋村。2017年以前，季節(jié)性缺水較為明顯，2017年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心通過(guò)實(shí)施1口鉆井解決了缺水問(wèn)題。本次工作目標(biāo)是在杜屋村實(shí)施一口礦泉水井，致力于當(dāng)?shù)氐泥l(xiāng)村振興。

1.2 地質(zhì)概況

根山村位于一近東西向的溝谷內(nèi)，相對(duì)高差小于100 m，地勢(shì)西高東低，周邊大面積出露晚三疊世細(xì)粒白云二長(zhǎng)花崗巖（T3ηγ），溝谷內(nèi)以農(nóng)業(yè)種植為主，底部為花崗巖風(fēng)化砂土層覆蓋。

杜屋村位于一北西向沖溝內(nèi)，相對(duì)高差100～200 m，沖溝東側(cè)出露的地層為寒武系牛角河組（?1nj）絹云母板巖、變余細(xì)砂巖，西側(cè)為侏羅紀(jì)中粒斑狀（似斑狀）黑云母花崗巖（J1γ）、二云母花崗巖，二者為侵入接觸，溝谷底部為第四系覆蓋。

1.3 水文地質(zhì)概況

根據(jù)含水介質(zhì)的不同將研究區(qū)的地下水類型分為風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水和構(gòu)造裂隙水。

根山村地下水類型為風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水，主要賦存于花崗巖強(qiáng)風(fēng)化層當(dāng)中。地下水多呈散流形式排泄于溝谷或洼地中，泉流量一般較小。該層地下水受巖石裂隙發(fā)育程度及風(fēng)化層厚度控制，在巖石風(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、大氣降水較豐富的地區(qū)，水量較為豐富，反之則水量貧乏，富水性差。

杜屋村的地下水類型為構(gòu)造裂隙水，受圍巖地層巖性和裂隙發(fā)育程度制約，不同構(gòu)造帶的富水性差異巨大。裂隙發(fā)育地段一般充水裂隙較多，富水性較好。地形地貌及降水條件也是影響構(gòu)造裂隙水富水性的重要因素。地勢(shì)越高，植被越發(fā)育，降水量一般越大。因此基巖裂隙水富水性在分水嶺地帶往往較之山麓或坡谷地帶富水性好。

2 找水技術(shù)與方法

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，因地制宜開(kāi)展工作。找水工作的主要流程為：（1）水文地質(zhì)調(diào)查、確定物探布線位置；（2）根據(jù)調(diào)查結(jié)果選擇合適的物探工作手段并開(kāi)展工作；（3）綜合分析物探結(jié)果，確定布孔位置。

2.1 水文地質(zhì)調(diào)查

結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景及地形地貌等條件，分別在根山村、杜屋村開(kāi)展水文地質(zhì)調(diào)查工作，通過(guò)調(diào)查確定研究區(qū)的富水部位（表1）。

表1 水文地質(zhì)條件及富水部位一覽表Table 1 List of hydrogeological conditions and water prospecting distract

2.2 地球物理勘探

2.2.1 地球物理特征

研究區(qū)地層巖性為花崗巖和變質(zhì)巖，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及前期物探資料（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局416隊(duì)，2017），結(jié)合對(duì)本次物探工作野外巖石物性測(cè)試可知：風(fēng)化層視電阻率均小于200.0 Ω·m，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖視電阻率為200.0～600.0 Ω·m，中至微風(fēng)化花崗巖在600.0 Ω·m以上，其值隨巖體完整程度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、充填程度稍有變化 ；當(dāng)花崗巖、變質(zhì)巖類或紅層區(qū)中含有充填地下水的構(gòu)造裂隙破碎帶時(shí)，電阻率相對(duì)降低，形成低阻異常。高密度電法工作效率高、數(shù)據(jù)密度大、點(diǎn)距小、施工方便，能直觀、準(zhǔn)確的獲得地下目標(biāo)地的電性異常形態(tài)，可以獲得較豐富的地電斷面特征的地質(zhì)信息，提高了解釋精度，因此高密度電法在花崗巖地區(qū)推斷風(fēng)化層厚度優(yōu)勢(shì)明顯。

在構(gòu)造裂隙破碎帶上聯(lián)合剖面曲線呈正交點(diǎn)異常特征，或ρsa、ρsb同步下降低阻異常特征（雷宛等，2006）；高密度電阻率法或視電阻率測(cè)深法確定的視電阻率等值線呈低阻“V”字型或疏密不均等異常特征，使用聯(lián)合剖面法能根據(jù)此異常特征快速圈定構(gòu)造裂隙等地質(zhì)信息。因此高密度電法和聯(lián)合剖面法均能在構(gòu)造破碎帶的探查中發(fā)揮巨大優(yōu)勢(shì)。

在充填地下水的構(gòu)造裂隙破碎帶或相對(duì)富水有利地段，激電測(cè)深法中視電阻率曲線ρs呈拐折狀或平臺(tái)狀異常特征，視極化率ηs、半衰時(shí)TH、衰減度D呈相對(duì)高值異常（李金銘，2004）。因此，充填地下水的構(gòu)造裂隙破碎帶與完整基巖的電阻率存在明顯的差異。激電測(cè)深方法能觀測(cè)垂直方向由淺到深的視電阻率及對(duì)應(yīng)的視極化率變化情況，通過(guò)分析激電測(cè)深曲線來(lái)了解測(cè)點(diǎn)下部沿垂向變化的地質(zhì)情況。因此激電測(cè)深法多用于固定點(diǎn)不同深度的富水性探查。

基于以上物探方法的特征，結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果來(lái)選擇物探組合方法。根山村的主要目標(biāo)含水層為花崗巖風(fēng)化裂隙水，首先采用高密度電法來(lái)探查風(fēng)化層厚度是非?？茖W(xué)的選擇，在高密度電法基礎(chǔ)上輔之以聯(lián)合剖面法和激電測(cè)深法進(jìn)行組合勘探能進(jìn)一步提高解譯的準(zhǔn)確性。杜屋村的目標(biāo)含水層為構(gòu)造裂隙水，因此首先采用聯(lián)合剖面法探查斷層的發(fā)育特征，輔之以高密度電法和激電測(cè)深法勘探，能大幅增加成功率。

2.2.2 野外工作部署

基于水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果及目標(biāo)含水層的地球物理特征，在兩個(gè)研究區(qū)用多種方法分別布置了物探測(cè)線（表2）。

表2 研究區(qū)測(cè)線布置一覽表Table 2 Survey line layout in the study area

為查明根山村沖溝內(nèi)第四系和花崗巖風(fēng)化層厚度，沿沖溝底部布置一條北東東走向的測(cè)線，編號(hào)為7線，同時(shí)采用高密度電法和聯(lián)合剖面法進(jìn)行勘探，如圖1所示，在此基礎(chǔ)上于異常點(diǎn)采用激電測(cè)深法（2點(diǎn)）探查花崗巖風(fēng)化層的富水性。

圖1 田村鎮(zhèn)根山村物探工程布置圖Fig. 1 Layout of the geophysical prospecting project in Genshan Village, Tiancun Town1.三疊系細(xì)粒白云二長(zhǎng)花崗巖；2.物探測(cè)線及編號(hào)；3.實(shí)際鉆孔位置及孔深；4.聯(lián)剖、高密度物探線；5.物探有效解譯的起點(diǎn)/終點(diǎn)

為了查明杜屋村沖溝底部斷層的發(fā)育特征，以沖溝底部為中點(diǎn)，布置了兩條近平行的北東向測(cè)線用于追索構(gòu)造走向，編號(hào)為42線、43線，分別采用高密度電法和聯(lián)合剖面法進(jìn)行勘探。另外沿沖溝布置一條北西向測(cè)線補(bǔ)充勘探，編號(hào)為44線，用高密度電法查明斷層的次生構(gòu)造（圖2）。

圖2 大田鄉(xiāng)杜屋村物探工程布置圖Fig. 2 Layout drawing of geophysical prospecting project in Duwu Village, Datian Township1.侏羅系中粒斑狀（似斑狀）黑云母花崗巖；2.寒武系牛角河組（?1nj）絹云母板巖、變余細(xì)砂巖；3.物探測(cè)線及編號(hào)；4.建議鉆孔位置及孔深；5.實(shí)際鉆孔位置及孔深；6.物探推斷斷層；7.地質(zhì)界線；8.物探有效解譯的起點(diǎn)/終點(diǎn)；9.聯(lián)剖、高密度物探線；10.高密度物探線

3 物探資料解譯

3.1 田村鎮(zhèn)根山村

根據(jù)高密度電法視電阻率斷面圖及二維反演斷面圖（梁開(kāi)華等，2013）（圖3a、3b），推斷花崗巖風(fēng)化層平均厚度為10.0～25.0 m；在460～540號(hào)點(diǎn)段，視電阻率等值線呈疏密不均勻的異常特征，同時(shí)在二維反演斷面圖中，呈低阻條帶狀異常特征，推斷為裂隙發(fā)育段，同時(shí)結(jié)合聯(lián)合剖面法曲線（圖3c），在480號(hào)點(diǎn)附近，視電阻率大小極距曲線均呈低阻正交異常特征，推斷為花崗巖中裂隙發(fā)育部位，推測(cè)該處相對(duì)富水。

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)上述異常點(diǎn)處的垂向地質(zhì)信息及富水情況，在480號(hào)點(diǎn)、510號(hào)點(diǎn)開(kāi)展了激電測(cè)深探測(cè)，從510號(hào)點(diǎn)激電測(cè)深曲線圖（圖3d）上可見(jiàn)，在AB/2=30 m、80 m即深度20.0～30.0 m、60.0～ 80.0 m位置，視電阻率ρs呈拐折或平臺(tái)狀異常特征，同時(shí)視極化率ηs、半衰時(shí)TH、衰減度D呈相對(duì)峰值異常，推斷為含水段，富水性好（李國(guó)占和王璇，2009）。綜合物探解譯結(jié)果，建議在510號(hào)點(diǎn)處施工探水鉆孔，孔深120 m。

圖3 田村鎮(zhèn)根山村物探解譯圖Fig. 3 Geophysical interpretation map of Genshan village, Tiancun town（a）高密度電法視電阻率擬斷面圖；（b）高密度電法電阻率二維反演斷面圖；（c）聯(lián)合剖面法曲線圖；（d）510號(hào)點(diǎn)激電測(cè)深曲線圖

3.2 大田鄉(xiāng)杜屋村

物探結(jié)果顯示，42線、43線高密度電法視電阻率斷面圖（圖4a、5a）均在460～500號(hào)點(diǎn)附近視電阻率等值線呈梯度帶異常特征，同時(shí)二維電阻率反演斷面圖（圖4b、5b）在460～500號(hào)點(diǎn)附近等值線不連續(xù)且呈低阻帶異常特征，據(jù)此推斷此處為斷裂構(gòu)造帶（張彪等，2015）；同時(shí)結(jié)合異常點(diǎn)處的聯(lián)合剖面法曲線（圖6a），在460號(hào)點(diǎn)附近，大小極距視電阻率曲線均呈相對(duì)低阻正交異常特征，與高密度電法結(jié)果相吻合；綜合高密度電法和聯(lián)合剖面法結(jié)果，推斷斷裂構(gòu)造帶傾角約75°左右，傾向北東（易強(qiáng)等，2020），其平面位置見(jiàn)圖2。

圖4 42線高密度電法斷面圖Fig. 4 High density electrical method section of Line 42（a）視電阻率擬斷面圖；（b）電阻率二維反演斷面圖

為在斷裂構(gòu)造帶上推斷其垂向地質(zhì)信息及其富水性，同時(shí)結(jié)合高密度電法視電阻率等值線斷面圖、聯(lián)合剖面法曲線圖中異常特征，在42線460號(hào)點(diǎn)、43線500號(hào)點(diǎn)開(kāi)展了激電測(cè)深法，從42線460號(hào)點(diǎn)激電測(cè)深曲線圖（圖6b）可知，460號(hào)點(diǎn)測(cè)深曲線在AB/2=100 m、150 m位置，即深度70.0～80.0 m、100.0～110.0 m段，視電阻率ρs呈拐折或平臺(tái)狀異常特征，視極化率ηs、半衰時(shí)TH、衰減度D呈相對(duì)峰值異常，建議在此點(diǎn)位施工探水孔，孔深100 m。

圖6 42線聯(lián)合剖面法（a）和激電測(cè)深（b）曲線圖Fig. 6 Cross section and IP sounding curve of line 42

3.3 鉆探驗(yàn)證情況

3.3.1 田村鎮(zhèn)根山村

物探解譯結(jié)果顯示花崗巖風(fēng)化層厚度為10.0 ～ 25.0 m（裂隙發(fā)育帶）。在推薦的點(diǎn)位施工了一口鉆井，孔深101 m（圖1），其中4～17 m為花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶，為主要富水段。鉆探結(jié)果與物探解譯基本吻合。經(jīng)抽水試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)測(cè)最大涌水量達(dá)146.89 m3/d，水量水質(zhì)均滿足了根山村的需求（表3）。

3.3.2 大田鄉(xiāng)杜屋村

物探解譯結(jié)果顯示在42線460點(diǎn)施工鉆孔能取得較好的效果，但由于該點(diǎn)不具備施工條件，實(shí)際鉆孔施工位置沿推斷的斷裂構(gòu)造帶往334°方向平移約240 m（圖2），孔深110.3 m，其中在深度約80.0 m處發(fā)現(xiàn)破碎帶，與物探推斷深度70.0 ～ 80.0 m基本吻合。本鉆探孔并未施工在物探建議位置，而是在物探推斷斷裂構(gòu)造帶上施工，并在相應(yīng)深度揭露破碎帶，足以說(shuō)明物探結(jié)果的可靠性，最終涌水量為126.23 m3/d，偏硅酸含量38.55 mg/L，滿足供水要求，達(dá)到了工作目的（表3）。

圖5 43線高密度電法斷面圖Fig. 5 High density electrical method section of Line 43（a）視電阻率擬斷面圖；（b）電阻率二維反演斷面圖

表3 鉆孔描述及抽水試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Borehole description and pumping test results

4 討論

根山村位于一東西向溝谷內(nèi)，經(jīng)地質(zhì)調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)明顯構(gòu)造活動(dòng)跡象，溝谷內(nèi)花崗巖風(fēng)化程度較高，因此找水重點(diǎn)為具層狀富水特征的花崗巖風(fēng)化裂隙水。由于高密度電法在推斷風(fēng)化層厚度方面優(yōu)勢(shì)明顯，因此首選高密度電法進(jìn)行勘探，同時(shí)選用聯(lián)合剖面法來(lái)探查溝谷內(nèi)是否存在隱伏斷層，最后采用激電測(cè)深法探查不同深度的富水性，為推薦鉆孔孔深提供數(shù)據(jù)支撐。

杜屋村位于一北西向溝谷內(nèi)，地勢(shì)北高南低。根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查，溝谷兩側(cè)地層巖性存在明顯差異，因此存在斷層的可能性較大，找水目標(biāo)主要為垂向結(jié)構(gòu)的構(gòu)造裂隙水，因此首選對(duì)探測(cè)地下良導(dǎo)板狀體有較好效果的聯(lián)合剖面法進(jìn)行勘探，以圈定構(gòu)造裂隙帶在平面上的分布位置，輔之以高密度電法和激電測(cè)深法減小干擾誤差。

綜上所述，綜合物探作為一種工作手段，需要與水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)合起來(lái)才能發(fā)揮最大的作用。綜合物探工作的開(kāi)展需要建立在明確工作目標(biāo)，掌握地形地貌、地質(zhì)背景及目標(biāo)含水層等基礎(chǔ)上，再根據(jù)目標(biāo)含水層的不同選用合適的物探工作方法，在工作量允許的條件下應(yīng)盡可能采用多種物探方法互相驗(yàn)證，從而減少因單一方法多解性問(wèn)題對(duì)推斷結(jié)果的干擾誤差，為后續(xù)的鉆探工作提供更為可靠的選點(diǎn)參考。

5 結(jié)論

本文以贛州市贛縣區(qū)根山村和杜屋村為實(shí)例，探討了水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)合綜合物探方法在地下找水中的應(yīng)用。實(shí)踐證明，野外水文地質(zhì)調(diào)查確定含水目標(biāo)層是找水工作的基礎(chǔ)，采用適合含水目標(biāo)層的物探方法可準(zhǔn)確高效地查明勘查區(qū)含水層分布、埋深、結(jié)構(gòu)以及賦水特征等，從而為鉆孔孔位比選及精準(zhǔn)定位提供數(shù)據(jù)支撐，在找水勘查中具有較好的應(yīng)用前景，可為后續(xù)的找水工作提供借鑒和參考。