阜平縣變質(zhì)巖地區(qū)基巖裂隙水的電性特征

盧放+閻紅霞+胡文廣

摘要：查明太行山缺水地區(qū)變質(zhì)巖裂隙水水文地質(zhì)特征與其電性特征之間的關(guān)系，有助于分析該地區(qū)基巖裂隙水的賦存規(guī)律。阜平縣是典型的太行山變質(zhì)巖缺水地區(qū)，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，采用音頻大地電場法、放射性法、音頻大地電磁法和激電法對(duì)比研究了變質(zhì)巖裂隙水的電性特征，形成了一套高效合理的尋找地下水富水部位的技術(shù)方法組合。結(jié)果表明，阜平縣變質(zhì)巖裂隙水地區(qū)水文地質(zhì)特征與其電性特征之間具有明顯的一致性。阜平縣變質(zhì)巖基巖裂隙水地區(qū)的地下水勘查具有很強(qiáng)的實(shí)踐意義，為此類變質(zhì)巖分布區(qū)地下水的找尋起到了示范作用。

關(guān)鍵詞：電性特征；地層特征；變質(zhì)巖裂隙水；斷層

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）03-0126-06

Abstract：To find out the relationship between the hydrogeological properties and electrical characteristics of metamorphic rock fissure water in water-shortage areas of Taihang Mountains contributes to analyse occurrence patterns of metamorphic rock fissure water.The metamorphic rock area in Fuping County is a typical water-shortage area.Based on the regional geological data，we studied the electrical properties of metamorphic rock fissure water using audio frequency telluric electricity field method，radioactivity exploration，audio frequency magnetotelluric method，and induced polarization method.An efficient and rational combination of technical methods to search rich part of underground water was formed.The results showed that there is evident consistence between the hydrogeological properties and electrical characteristics of the metamorphic rock fissure water in Fuping County.The groundwater exploration in the metamorphic rock fissure water area in Fuping County has huge practical significance， and it will serve as an example for finding groundwater in other metamorphic rock areas of this type.

Key words：electrical characteristics；strata characteristics；metamorphic rock fissure water；fault

位于太行山和五臺(tái)山余脈交匯處的河北省保定市阜平縣，其區(qū)域地下水分布規(guī)律主要受新華夏系構(gòu)造體系的控制，地下水類型主要為松散巖類孔隙水和變質(zhì)巖類裂隙水，地下水分布規(guī)律較為復(fù)雜。該縣地表水、淺層地下水水質(zhì)差，泉水水量小，深部地下水開采程度低，嚴(yán)重影響人民生活、制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。

近六十年來，太行山變質(zhì)巖地區(qū)的基巖裂隙水研究積累了豐富的資料[6-8]。廖資生認(rèn)為地質(zhì)構(gòu)造制約了基巖裂隙水的分布和富集規(guī)律。宋獻(xiàn)方認(rèn)為基巖裂隙水循環(huán)機(jī)理不清，急需各類技術(shù)手段成果對(duì)水文參數(shù)的研究提供技術(shù)支持。

20世紀(jì)50年代，太行山變質(zhì)巖地區(qū)的水文地質(zhì)工作開始起步，近60年來積累了各類豐富的資料[6-8]。廖資生認(rèn)為基巖裂隙水以裂隙為主要的貯、導(dǎo)向空間，其地下水運(yùn)動(dòng)和富集規(guī)律主要受地質(zhì)構(gòu)造條件所控制。宋獻(xiàn)方認(rèn)為山區(qū)徑流減少原因缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，山區(qū)水保工程及水利工程對(duì)山區(qū)基巖水循環(huán)影響機(jī)理不清，水文參數(shù)缺乏，地下水補(bǔ)給機(jī)制急需查明。

本次工作以典型的太行山變質(zhì)巖裂隙水分布區(qū)-阜平縣為例，研究了該區(qū)基巖地下水的電性特征。在搜集、分析區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，廣泛進(jìn)行了多種方法的探測(cè)工作，對(duì)各類電性參數(shù)分布特征進(jìn)行了合理的地質(zhì)-地球物理解釋，對(duì)比分析了研究區(qū)基巖裂隙水的電性特征和水文地質(zhì)特征。在此基礎(chǔ)上，形成了一套高效合理的適合研究區(qū)尋找地下水富水部位的技術(shù)方法組合。實(shí)踐證明，該技術(shù)方法組合具有高效、快捷、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，能為地下水的合理利用與保護(hù)提供決策依據(jù)，具有明顯的社會(huì)意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

選擇阜平縣史家寨鄉(xiāng)凹里村為例對(duì)太行山區(qū)典型片麻巖局部富水部位進(jìn)行研究，其地質(zhì)特征簡述如下：

①研究區(qū)屬于風(fēng)化片麻巖地區(qū)。

②第四系為沖積物，主要為砂、礫石和卵石。

③基巖為阜平期坊里片麻巖，巖性主要為黑云斜長片麻巖、淺粒巖和角閃斜長片麻巖。

④研究區(qū)巖脈發(fā)育，輝綠巖、正長斑巖為主，閃長玢巖、石英鈉長斑巖次之。

⑤研究區(qū)各類地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育。

⑥片麻巖節(jié)理發(fā)育，呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)。

⑦斷層破碎帶為主要控水構(gòu)造。

2 研究區(qū)電性特征及電探方法的選擇

在收集分析前人研究資料的基礎(chǔ)上，在凹里村進(jìn)行了多種電探方法的物性試驗(yàn)工作[9-12]，總結(jié)了凹里村研究區(qū)地層的電性特征（見表1）。

分析前期物性試驗(yàn)成果，凹里村的電性特征研究選擇了音頻大地電場法（audio frequency telluric electricity field method，簡稱TEF）、放射性法（radioactivity exploration，簡稱RE）、音頻大地電磁法[15-18]（audio frequency magnetotelluric method，簡稱AMT）和激電法（induced polarization method，簡稱IP）。根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，上述方法測(cè)線的布置應(yīng)盡量垂直于地質(zhì)構(gòu)造體的走向。在滿足各種場地的前提條件下，盡可能多的采用兩種及其兩種以上的方法，多參數(shù)、多角度的總結(jié)和提高研究效果。

3 研究區(qū)變質(zhì)巖基巖裂隙水電性特征

阜平縣變質(zhì)巖基巖裂隙水主要賦存于太行山北、中段構(gòu)造隆起部位的各類變質(zhì)巖裂隙中，其巖性一般為黑云斜長片麻巖、角閃斜長片麻巖、淺粒巖、斜長片麻巖和斜長角閃巖等。

在阜平縣凹里村進(jìn)行了地質(zhì)調(diào)查。（1）地表出露第四系沖積物，主要由砂、礫構(gòu)成。（2）局部出露角閃斜長片麻巖風(fēng)化殼，呈現(xiàn)全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，裂隙發(fā)育明顯。（3）巖脈發(fā)育，主要為閃長巖，條帶狀產(chǎn)出，走向近東西。（4）地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，大致呈東西向展布，為正斷層，具供水意義。（5）斷層破碎帶為主要控水構(gòu)造，也是導(dǎo)水通道。因此，找水方向?yàn)轱L(fēng)化殼裂隙水、斷層構(gòu)造水以及基巖裂隙水。

在凹里村重點(diǎn)部位布置了地質(zhì)剖面A-B（地質(zhì)剖面A-B位置見圖1），地質(zhì)剖面見圖2。剖面顯示，凹里村地表分布為第四系砂、礫，厚度約為5 m。下伏地層由淺到深依次為角閃斜長片麻巖、淺粒巖和黑云斜長片麻巖。角閃斜長片麻巖為風(fēng)化殼，裂隙十分發(fā)育，厚度不足20 m。剖面前部有閃長巖脈出露地表。剖面中后部有北傾正斷層出現(xiàn)。相對(duì)下盤，斷層上盤基巖裂隙更為發(fā)育。

在凹里村布置了各類電探方法測(cè)線（見圖1），對(duì)比分析了各測(cè)線的電性研究成果。

圖3顯示，TEF01測(cè)線（橫軸為距離X，單位為m；縱軸為電位差ΔV，單位為mV）的220 m（電位差為1.2 mV）和TEF03測(cè)線的250 m（電位差為1.2 mV）對(duì)應(yīng)出現(xiàn)電位差低值，推測(cè)為斷層的反映。需要注意的是，其中TEF01測(cè)線在220～260 m之間存在一個(gè)寬緩的低值帶（電位差為1.0～1.3 mV），說明該區(qū)域內(nèi)基巖裂隙十分發(fā)育。TEF01測(cè)線10 m處以及TEF02測(cè)線30 m處出現(xiàn)電位差高值，推測(cè)為閃長巖脈的影響。阜平至史家寨公路西側(cè)為山體，凹里村向東約400 m為板峪河，第四系覆蓋層由西向東逐步增厚，導(dǎo)致由西向東電位差異常變化幅度由TEF01測(cè)線的陡峭變?yōu)門EF03測(cè)線的平緩。

圖4顯示，RE01測(cè)線（橫軸為距離X，單位為m；左側(cè)縱軸為電位差ΔV，單位為mV；右側(cè)縱軸為3分鐘內(nèi)放射性讀數(shù)counts/3min，無單位）放射性讀數(shù)異常高值出現(xiàn)在190 m處（放射性讀數(shù)值高達(dá)36），對(duì)應(yīng)的TEF01電位差異常低值在220 m處，據(jù)此可推測(cè)前述斷層北傾。需要注意的是，RE01測(cè)線190～270 m的放射性讀數(shù)高值異常帶（放射性讀數(shù)值為21～36），正好與圖3中TEF01測(cè)線220～260 m之間的電位差低值寬緩異常帶相對(duì)應(yīng)，證明該區(qū)域內(nèi)基巖裂隙十分發(fā)育。

圖5顯示，AMT01測(cè)線（地電斷面解譯圖中橫軸為距離X，單位為m；縱軸為深度D，單位為m；等值線為電阻率，單位為Ω·m）210 m附近，埋深50～150 m電阻率曲線出現(xiàn)近乎陡立的下降，推測(cè)該處存在前述近東西向斷層，并可根據(jù)電阻率等值線變化趨勢(shì)推測(cè)斷層大致北傾，結(jié)論與放射性法和音頻大地電場法一致。AMT01測(cè)線210～270 m之間出現(xiàn)電阻率低值“洼地”（電阻率值低于500 Ω·m），推測(cè)該區(qū)域內(nèi)基巖裂隙十分發(fā)育。

在上述結(jié)論的基礎(chǔ)上，考慮場地條件對(duì)布置鉆機(jī)的限制，設(shè)置了兩個(gè)激電點(diǎn)IP01和IP02。IP01和IP02分別位于AMT01測(cè)線的165 m和210 m處。初步推測(cè)210 m處變質(zhì)巖基巖裂隙水富水性比165 m處優(yōu)越。

在AMT01測(cè)線的165 m和210 m處分別設(shè)置激電點(diǎn)IP01和激電點(diǎn)IP02。圖6顯示，當(dāng)激電點(diǎn)IP01和激電點(diǎn)（橫軸為供電極距AB/2，單位為m；縱軸為極化率polarizability，單位為%）的AB/2小于20 m時(shí)（據(jù)AB/2=20 m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式推測(cè)埋深大致應(yīng)該約為14 m），IP01的極化率（范圍為2.16%～2.47%）基本上大于IP02（范圍為1.85%～2.16%），測(cè)線165 m處淺部地層呈現(xiàn)高極化特征，推測(cè)該處淺部角閃斜長片麻巖風(fēng)化殼裂隙水的富水性比210 m處優(yōu)越。AB/2大于20 m后，IP02的極化率（范圍為2.30%～2.98%）基本上大于IP01（范圍為2.31%～2.86%），測(cè)線210 m處深部地層呈現(xiàn)高極化特征，推測(cè)該處由淺到深分布有淺粒巖裂隙發(fā)育區(qū)以及黑云斜長片麻巖斷層破碎帶，變質(zhì)巖破碎程度高，裂隙十分發(fā)育，深部富水性更佳，該處深部富水性比165 m處優(yōu)越。

在AMT01測(cè)線210 m處布置ZK01，實(shí)施探采結(jié)合井1眼，井深100 m，進(jìn)行了抽水試驗(yàn)（見圖7）。

抽水試驗(yàn)證明：（1）第四系松散砂、礫層厚度為4.0 m，富水性一般，涌水量為3 m3/h。（2）角閃斜長片麻巖風(fēng)化殼，厚度為13.21 m，風(fēng)化程度高，富水性好，涌水量為21 m3/h。（3）斷層鉆遇深度為76.52 m。下盤基巖較完整，具阻水作用。上盤破碎程度較高，為重要的富水部位，涌水量為31 m3/h。斷層破碎帶為主要的控水構(gòu)造，也是導(dǎo)水通道。（4）斷層北側(cè)的淺粒巖基巖裂隙十分發(fā)育，基巖厚度為59.31 m，富水性好，涌水量為25 m3/h。該井總涌水量達(dá)80 m3/h。

凹里村電探方法研究成果顯示，基巖裂隙水的電性特征與地層特征之間具有一致性，且電性特征參數(shù)之間能夠互相驗(yàn)證，大大增加了電探方法地質(zhì)解釋的可靠性。

適用于該研究區(qū)水文地質(zhì)特征的電探技術(shù)方法組合可總結(jié)如下：根據(jù)不同方法的適用性和物性前提，認(rèn)為音頻大地電場法、放射性法、音頻大地電磁法和激電法等方法組合適宜于太行山片麻巖地區(qū)局部富水部位的勘查。首先利用音頻大地電場法進(jìn)行掃面，初步確定研究區(qū)可能存在的基巖裂隙發(fā)育帶和斷層構(gòu)造帶，然后在基巖裂隙發(fā)育帶和斷層構(gòu)造帶使用放射性法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該構(gòu)造的可靠性。隨后應(yīng)用音頻大地電磁法確定其具體位置及其含水構(gòu)造特征，最后布置激電法，利用極化率特征推斷含水構(gòu)造的富水性。

4 結(jié)論

在阜平縣開展了變質(zhì)巖基巖裂隙水的電探方法研究，分析了各類方法成果，研究了電性特征分布規(guī)律和變質(zhì)巖裂隙水的賦存特性。

（1）研究區(qū)地下水主要為風(fēng)化殼裂隙水、斷層構(gòu)造水以及基巖裂隙水。風(fēng)化殼裂隙水廣泛分布在風(fēng)化殼裂隙中，埋藏淺，富水性一般。斷層構(gòu)造水一般受到斷層走向的控制，埋藏深，富水性好?；鶐r裂隙水主要分布在變質(zhì)巖裂隙發(fā)育處，埋藏深度中等，富水性好。

（2）研究區(qū)變質(zhì)巖裂隙水的電性特征，一般體現(xiàn)為TEF電位差低值、RE放射性讀數(shù)高值、AMT電阻率低值以及IP極化率高值的組合，各特征參數(shù)能夠互相驗(yàn)證，且電性特征與地層特征之間具有一致性。

（3）適用于該研究區(qū)水文地質(zhì)特征的電探技術(shù)方法組合具有快捷、高效和準(zhǔn)確的特點(diǎn)，值得在類似地區(qū)推廣使用。

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