物探技術(shù)在城鎮(zhèn)水源地勘查中的應(yīng)用研究與實(shí)踐

摘 要：該研究采用DZD-8型多功能直流電法儀對(duì)卓尼縣木耳鎮(zhèn)大峪溝地區(qū)進(jìn)行物性參數(shù)測(cè)定，結(jié)合地質(zhì)資料和水文信息，確定區(qū)內(nèi)主要巖石類型對(duì)應(yīng)的電阻率變化范圍。通過高精度視電阻率剖面測(cè)量，對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件及地球物理屬性進(jìn)行深入分析，旨在精確描繪區(qū)域地下結(jié)構(gòu)特征、基巖面分布及富水地質(zhì)體的賦存狀態(tài)。研究結(jié)果顯示，第四紀(jì)沖洪積形成的砂卵礫石層不僅具備優(yōu)良的儲(chǔ)水性能，其電阻率值也相對(duì)較高；而三疊紀(jì)中統(tǒng)砂板巖的含水性能較差，電阻率明顯降低。通過對(duì)采集的試驗(yàn)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化處理與解釋，成功確定地下水主要儲(chǔ)存在淺部第四系砂卵礫石層中，估算其厚度在5～20 m之間。此外，地電異?，F(xiàn)象與斷裂破碎帶位置相互對(duì)應(yīng)，表明構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致該區(qū)域電阻率急劇下降，形成明顯的低電阻率異常區(qū)。該研究解譯結(jié)果與地質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及鉆孔觀測(cè)記錄高度一致，證實(shí)地球物理勘探方法在揭示地下水資源及評(píng)估地質(zhì)環(huán)境狀況方面的有效性和可靠性。這一成果不僅能為研究區(qū)水資源開發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)，還可為類似地質(zhì)背景下的水資源勘查與開發(fā)利用樹立參考典范，進(jìn)一步表明高密度電阻率法在現(xiàn)代地質(zhì)勘查實(shí)踐中具有重要地位和廣泛應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高密度電阻率法；地下水；含水率；電阻率；水源地勘查

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）22-0082-05

Abstract： In this study， the physical parameters of Dayugou area， Muer Town， Zhuoni County were measured by using DZD- 8 multi-function DC electric instrument. Combined with geological data and hydrological information， the corresponding resistivity variation range of the main rock types in the area was determined. Through the high-precision apparent resistivity profile measurement， the hydrogeological conditions and geophysical properties of the study area are deeply analyzed in order to accurately describe the characteristics of the regional underground structure， the bedrock surface distribution and the occurrence state of the water-rich geological body. The results show that the sand-gravel layer formed by Quaternary alluvium not only has excellent water storage performance， but also has relatively high resistivity， while the water-bearing performance of Middle Triassic sand slate is poor and the resistivity decreases obviously. Through the fine processing and interpretation of the collected test section data， it is successfully determined that the groundwater is mainly stored in the shallow Quaternary sand gravel layer， and its thickness is estimated to be between 5 and 20 meters. In addition， the geoelectric anomaly corresponds to the location of the fault fracture zone， indicating that the tectonic activity leads to a sharp decrease in resistivity in this area， forming an obvious abnormal area of low resistivity. The interpretation results of this study are highly consistent with the geological measured data and borehole observation records， which confirms the effectiveness and reliability of the geophysical exploration method in revealing groundwater resources and evaluating the geological environment. This achievement not only provides a solid scientific basis for the development of water resources in the study area， but also sets a reference example for the exploration， development and utilization of water resources under similar geological background. It further highlights the important position and wide application value of high-density resistivity method in modern geological exploration practice.

Keywords： high-density resistivity method; groundwater; water content; resistivity; water source exploration

在地球物理勘查中，精確揭示地下結(jié)構(gòu)對(duì)資源勘探和環(huán)境評(píng)估至關(guān)重要。同時(shí)，基巖面的分布影響地下水賦存與流動(dòng)，對(duì)水資源和地質(zhì)環(huán)境保護(hù)尤為關(guān)鍵。高密度電阻率法通過電流和電勢(shì)響應(yīng)測(cè)量地下介質(zhì)的電阻率分布，可以揭示地下巖石類型、裂隙發(fā)育程度和含水層分布等信息，是研究地下電性結(jié)構(gòu)的重要手段[1-2]。

近年來(lái)，甘肅省卓尼縣木耳鎮(zhèn)農(nóng)村飲水安全狀況已顯著得到改善，大部分村民得以享有穩(wěn)定水源。然而，鄉(xiāng)村地區(qū)，尤其是分散居住的住戶，仍面臨一系列挑戰(zhàn)：原有的小型、分散式供水設(shè)施難以滿足日益增長(zhǎng)的需求，加之自然環(huán)境和地質(zhì)變化的影響，部分水源已出現(xiàn)枯竭現(xiàn)象。另外，隨著養(yǎng)殖業(yè)的蓬勃發(fā)展，原有供水設(shè)施的能力顯得不足，無(wú)法支撐產(chǎn)業(yè)的持續(xù)增長(zhǎng)。

因此，查明該區(qū)域地球物理特征，分析區(qū)域基巖面及富水地質(zhì)體賦存狀態(tài)，可為后期工程鉆孔設(shè)計(jì)提供地球物理依據(jù)[3-5]。

本研究依托先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及精密的電極布設(shè)方案，實(shí)現(xiàn)了地電信息的連續(xù)詳盡獲取。在數(shù)據(jù)反演和綜合解釋的基礎(chǔ)上，揭示了研究區(qū)域內(nèi)層分布的基本形態(tài)。通過綜合地質(zhì)文獻(xiàn)、物性測(cè)試成果以及鉆孔數(shù)據(jù)，全面深入地分析和認(rèn)識(shí)了該區(qū)域地下結(jié)構(gòu)和含水性條件，準(zhǔn)確推測(cè)了基巖面波動(dòng)特征及富水地質(zhì)體的分布狀況。

1 研究區(qū)地質(zhì)及地球物理特征概況

1.1 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于卓尼縣木耳鎮(zhèn)大峪溝溝道內(nèi)，地形地貌主要為構(gòu)造侵蝕中山地貌及侵蝕堆積溝谷地貌，區(qū)內(nèi)地下水主要分為淺層第四系孔隙潛水和深層基巖裂隙水兩種類型，淺層潛水主要儲(chǔ)存于第四系沖洪積形成的砂卵礫石層中，含水層厚度約為5～6 m，并會(huì)隨河流水位的變化而發(fā)生相應(yīng)的變動(dòng)，顯示出較好的富水性；深層基巖裂隙水則主要存在于三疊系的裂隙含水巖組中，這些含水層埋藏較深，分布在大約10～12 m及23～24 m的深度區(qū)間，累計(jì)含水層厚度約為3 m，其富水性處于一般水平。研究區(qū)第四系松散巖類孔隙水的主要來(lái)源為大氣降水、地下水側(cè)向補(bǔ)給及大峪溝地表水。其中，地下水側(cè)向補(bǔ)給與大峪溝地表水是主要來(lái)源。徑流方向與河流方向基本一致，自南向北流動(dòng)。此外，地下水主要以向下游側(cè)向補(bǔ)給為排泄方式。

1.2 地球物理特征

根據(jù)以往水文地質(zhì)勘查及鉆探工作，地層結(jié)構(gòu)自表層向下分別為第四紀(jì)沖洪積形成的砂卵礫石層和三疊紀(jì)中期形成的砂板巖層。砂卵礫石層由砂巖、石英巖、花崗巖及變質(zhì)巖等硬質(zhì)巖石組成，三疊系中統(tǒng)砂板巖層礦物主要為方解石、黏土礦物等。本次研究使用DZD-8多功能直流電法儀，采用露頭小極距測(cè)深法進(jìn)行電阻率參數(shù)測(cè)定工作[6]，悉數(shù)巖性資料以及測(cè)定鉆孔巖性數(shù)據(jù)，物性詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

2 勘查及推斷

2.1 方法選擇

本次城鎮(zhèn)水源地勘查選擇高密度視電阻率剖面測(cè)量，該方法利用地下巖土體的電學(xué)性質(zhì)差異，通過布置密集的電極排列，進(jìn)行大范圍的電阻率測(cè)量，以獲取連續(xù)的電阻率數(shù)據(jù)剖面[6]。該方法可用于尋找水源、評(píng)估水質(zhì)和地下水資源的開發(fā)潛力。同時(shí)，該方法還可用于研究地下水與周圍地質(zhì)環(huán)境的相互關(guān)系，為地下水資源的管理和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 解釋依據(jù)

2.2.1 巖性特征

巖性的地電特征與其成分和結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，電阻率變化在一定范圍內(nèi)恒定，為電阻率法判斷巖性界線提供物理基礎(chǔ)。當(dāng)巖層受損，水分滲入裂隙導(dǎo)致電阻率驟降，可據(jù)此判斷巖石完整性。

2.2.2 斷層的電阻率特征

斷層處地層運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地質(zhì)特征和地電特征發(fā)生顯著變化，表現(xiàn)為電阻率等值線扭曲、擠壓、突變及跳躍等異常現(xiàn)象，為地質(zhì)異常提供有力證據(jù)。

2.2.3 斷裂破碎帶電阻率特征

在地質(zhì)破碎帶區(qū)域，由于長(zhǎng)期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，使得該地段原有的地質(zhì)特性發(fā)生了顯著變化。巖石在此過程中遭受嚴(yán)重破壞和強(qiáng)烈風(fēng)化，導(dǎo)致裂隙發(fā)育密集，并具有良好的蓄水性能，形成了高效的導(dǎo)電環(huán)境。由此，這一區(qū)域的電阻率大幅度下降，呈現(xiàn)出明顯的低電阻率異常特征，形成所謂的電阻率凹陷區(qū)。

2.2.4 地下水賦存情況的判斷特征

地下巖層中若含有地下水，其電阻率通常會(huì)發(fā)生顯著降低，偏離未含水狀態(tài)下的常規(guī)值域。通過深入剖析地層結(jié)構(gòu)特征及地質(zhì)構(gòu)造背景，對(duì)測(cè)得的電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致解讀和分析，可有效地推測(cè)與揭示地下水的存在狀態(tài)及分布規(guī)律。

2.3 實(shí)驗(yàn)工作

為了確?？辈槌晒吭?，選擇適宜的觀測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)從已知至未知的探究，并驗(yàn)證方法之有效性、可行性與精確性。研究在已知1號(hào)井和3號(hào)井上方采用溫納α裝置、溫納β裝置和溫納γ裝置進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn)。

1號(hào)井最終成井深度為41 m，0～7.1 m為卵石層，7.2～41 m為板巖層。經(jīng)過抽水試驗(yàn)確定，該井靜止水位埋深1.87 m，經(jīng)計(jì)算卓尼縣木耳鎮(zhèn)供水1號(hào)井滲透系數(shù)為19.69 m/d，影響半徑R為17.68 m，1號(hào)井流量為719.90 m3/d。1號(hào)井含水巖組為第四系沖洪積砂卵礫石層，三疊系中統(tǒng)砂板巖含水性很差。

3號(hào)井最終成井深度為41 m，0～2.0 m為卵石層，2.0～41 m為板巖層。經(jīng)過抽水試驗(yàn)確定，該井靜止水位埋深2.12 m，經(jīng)計(jì)算供水井滲透系數(shù)為0.441 m/d，影響半徑達(dá)166 m，3號(hào)井流量為60 m3/d，建議開采強(qiáng)度為20 m3/d。

通過綜合處理和分析試驗(yàn)斷面數(shù)據(jù)，并結(jié)合1號(hào)井和3號(hào)井現(xiàn)有的水文地質(zhì)勘查成果，本次研究主要針對(duì)的層位是第四系沖洪積砂卵礫石層。該含水巖組在地球物理勘探中的主要特征如下：使用溫納裝置測(cè)量時(shí)，表現(xiàn)為高電阻率特性；而進(jìn)行反演處理后，則呈現(xiàn)低電阻率特性。此外，含水巖層的T比值參數(shù)小于1.0。這些特征構(gòu)成了本次研究解釋工作的核心依據(jù)（圖1）。

2.4 推斷解譯

研究區(qū)共布設(shè)測(cè)量斷面3條（1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)），合計(jì)長(zhǎng)度977 m，共計(jì)有效測(cè)點(diǎn)350個(gè)。

1號(hào)斷面的視電阻率普遍呈現(xiàn)中到高電阻率特性（圖2），整體上展現(xiàn)出清晰的水平分層。在較淺的地層中，常觀察到相對(duì)低電阻率的異常閉合區(qū)域，這可能與人類活動(dòng)暴露出的第四系砂卵礫石層以及降水的下滲有關(guān)[7]。在中到深部地層，視電阻率等值線表現(xiàn)為水平層狀分布。地表調(diào)查顯示，大部分區(qū)域被第四系沖洪積砂卵礫石層所覆蓋，只有小部分區(qū)域?yàn)楦?。根?jù)早期的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，該區(qū)域的巖性比較單一，主要由第四系沖洪積砂卵礫石層和砂板巖組成，其中第四系沖洪積砂卵礫石層的電阻率約為2 000～12 000 Ω·m，顯示中到高電阻率特性；而板巖的電阻率大約在200～400 Ω·m，表現(xiàn)出低電阻率特性。結(jié)合斷面的地質(zhì)特征和該區(qū)域典型的侵蝕堆積溝谷地貌，推斷斷面淺部的高電阻率區(qū)主要是由第四系沖洪積砂卵礫石層形成的。人為揭露和降水下滲會(huì)降低巖土的電阻率，其影響隨深度增加而減弱[8]；斷面中到深部表現(xiàn)為低電阻率特性，視電阻率等值線間隔較寬，梯度變化較小。綜合地電特性、早期地質(zhì)研究成果和物性測(cè)試結(jié)果推斷：1號(hào)斷面的表層主要由第四系沖洪積砂卵礫石層組成，厚度大約在5～15 m之間，下面是基巖砂板巖。依據(jù)地球物理勘探數(shù)據(jù)，結(jié)合已有的鉆孔資料以及1號(hào)井和3號(hào)井的物探試驗(yàn)結(jié)論，估計(jì)砂卵礫石層的厚度約為12 m。

2號(hào)斷面視電阻率呈現(xiàn)中到高電阻率特性，并且水平分層特征明顯。淺部頻繁出現(xiàn)低電阻率異常閉合現(xiàn)象，這與第四系砂卵礫石層受到人為活動(dòng)和降水影響有關(guān)。在斷面的中深部區(qū)域，視電阻率等值線呈水平層狀分布。地表主要是耕地，只有少部分地方露出第四系砂卵礫石層。通過對(duì)該區(qū)典型的構(gòu)造侵蝕堆積溝谷地貌分析，結(jié)合物性資料，推斷淺部高電阻率主要由砂卵礫石層引起，而人為揭露和降水下滲會(huì)降低電阻率，影響隨深度減弱；中深部表現(xiàn)為低電阻率，等值線稀疏，梯度變化小。綜合地電特征、地質(zhì)和物性測(cè)試結(jié)果，2號(hào)斷面表層主要為5～20 m厚的砂卵礫石層覆蓋，下層為基巖砂板巖。依據(jù)地球物理數(shù)據(jù)和1號(hào)井、3號(hào)井試驗(yàn)結(jié)論，預(yù)計(jì)砂卵礫石層厚約15 m。

3號(hào)斷面視電阻率整體表現(xiàn)為中到高電阻率，水平分層特性明顯。淺部多次出現(xiàn)低電阻率異常，這與第四系砂卵礫石層受到人工活動(dòng)及降水的影響有關(guān)。在斷面的中深部，視電阻率等值線表現(xiàn)為水平層狀。從地表觀察，大部分區(qū)域由第四系砂卵礫石層組成，小部分區(qū)域?yàn)楦?。結(jié)合該區(qū)的溝谷地貌特征和物性資料，推斷淺部高電阻率區(qū)域主要由砂卵礫石層引起。人為揭露和降水下滲會(huì)降低巖土的電阻率，這種影響隨著深度的增加而減弱。在斷面的中深部，電阻率呈現(xiàn)低值，且等值線分布稀疏，梯度變化較小。綜合地電特性、地質(zhì)數(shù)據(jù)和物性測(cè)試結(jié)果，推斷3號(hào)斷面表層主要由5～10 m厚的第四系沖洪積砂卵礫石層構(gòu)成，下層為基巖砂板巖?；诘厍蛭锢砜碧綌?shù)據(jù)和1號(hào)井、3號(hào)井的試驗(yàn)結(jié)論，預(yù)計(jì)砂卵礫石層的厚度約為8 m。

3 結(jié)論

1）本次物性測(cè)定工作使用DUK-4超級(jí)高密度電法系統(tǒng)采用露頭小極距測(cè)深法進(jìn)行，同時(shí)還在已有1號(hào)水文井和3號(hào)水文井進(jìn)行了試驗(yàn)剖面觀測(cè)。通過分析測(cè)定結(jié)果結(jié)合試驗(yàn)剖面結(jié)論，認(rèn)為在工作區(qū)內(nèi)第四系砂卵礫石層是形成相對(duì)高阻的主要巖性，三疊系中統(tǒng)砂板巖及淺地表富水第四系是形成相對(duì)低阻異常的主要巖性。

在高密度視電阻率剖面研究中，實(shí)驗(yàn)不僅是從已知走向未知的關(guān)鍵步驟，更是科學(xué)準(zhǔn)確解釋和預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造的基礎(chǔ)。首先，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛳到y(tǒng)、連續(xù)且精確地獲取地下介質(zhì)的電阻率數(shù)據(jù)，形成高分辨率的二維或三維圖像，直觀展示出地質(zhì)界面的位置、形態(tài)以及不同巖層的分布特征。這對(duì)于揭示隱藏的地質(zhì)構(gòu)造、斷層破碎帶、地下水分布狀況及潛在礦產(chǎn)資源等具有重大價(jià)值。其次，通過實(shí)際野外實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)數(shù)據(jù)處理分析，可以檢驗(yàn)并校正理論模型，提高地質(zhì)問題解決的精度與可靠性。實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)各種參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化，有助于提升探測(cè)深度和分辨能力，能夠在復(fù)雜多變的地電環(huán)境下精準(zhǔn)識(shí)別目標(biāo)體。

2）本次地質(zhì)物探工作的綜合解釋成果與已有的翔實(shí)地質(zhì)資料及水文井觀測(cè)數(shù)據(jù)高度契合，這一現(xiàn)象有力地驗(yàn)證了本次研究所取得結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)默F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、專業(yè)處理和系統(tǒng)解釋，物探技術(shù)手段揭示出的地下構(gòu)造特征、巖性分布、含水層位置等信息，與前期積累的地質(zhì)圖件、地層剖面記錄以及水文地質(zhì)調(diào)查中水文井的實(shí)際觀測(cè)深度、水質(zhì)水量變化規(guī)律等內(nèi)容相互印證，達(dá)到了較高的吻合度。

這種一致性表明，在物探方法應(yīng)用的過程中，無(wú)論是對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的識(shí)別還是對(duì)地下水賦存狀態(tài)的判斷，均表現(xiàn)出極高的精確性。它不僅確認(rèn)了物探技術(shù)在解決復(fù)雜地質(zhì)問題時(shí)的有效性，也充分證明了在本勘查區(qū)域內(nèi)采用物探手段進(jìn)行地質(zhì)勘探活動(dòng)的可行性和科學(xué)性。同時(shí)，該案例的成功也為類似地區(qū)或相似地質(zhì)背景下的物探工作樹立了良好的示范效應(yīng)，進(jìn)一步證實(shí)了物探作為現(xiàn)代地質(zhì)勘查不可或缺的重要組成部分，在實(shí)際應(yīng)用中的巨大潛力和廣闊前景。

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作者簡(jiǎn)介：劉洋（1987-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)榈厍蛭锢砜辈榧凹夹g(shù)方法應(yīng)用。