湘西北巖溶石山缺水地區(qū)直流電法找水實例

李望明，易強，劉聲凱，肖利權，李俊

(湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 四一六隊,湖南 株洲 412003)

0 引言

湘西北巖溶石山地區(qū)位于湖南省西部,屬云貴高原東緣、武陵山脈東北部，有7個國家級深度貧困縣位于此區(qū)域，降水極不均勻；區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖廣布，屬于典型的巖溶石山缺水地區(qū)，解決用水困難已成為當?shù)卣腿罕姷男念^大事，也是作為國家級貧困縣打贏脫貧攻堅戰(zhàn)的重要保障和必然要求。該地區(qū)地形地貌主要分為兩類：一類是侵蝕溶蝕型低山溶丘洼地、溶丘谷地地貌，洼地、落水洞、溶洞等巖溶形態(tài)發(fā)育，山丘較圓滑；另一類是溶蝕構造型中低山急陡坡峰叢峽谷地貌，山峰尖叢，地形坡度較陡，常形成懸崖陡壁，溝谷深切狹窄，呈“V”型或“U”型溝谷[1-2]。近年來國家加大了對湘西北農(nóng)村電網(wǎng)改造力度，新建了大量10 kV電力線及其變電站，電磁干擾明顯增多。因此，湘西北巖溶石山缺水地區(qū)地形條件復雜、電磁干擾較強，在地下水勘查時，優(yōu)先選用抗干擾能力較強的直流電法較為適宜。筆者針對湘西北巖溶石山缺水地區(qū)不同地形地貌及地質(zhì)條件特征，采用視電阻率聯(lián)合剖面法、高密度電阻率法、三極激電測深等直流電法，并進行適當?shù)姆囱菖c解釋，取得了較好的找水效果。

1 方法與技術

1.1 方法依據(jù)

湘西北巖溶石山缺水地區(qū)地層主要有寒武系、奧陶系、第四系等；寒武系和奧陶系為海相碳酸鹽巖建造，巖性主要為灰?guī)r、白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r；第四系主要為沖洪積、坡積松散堆積物。

由《永順幅1∶20萬區(qū)域水文地質(zhì)普查報告》測井數(shù)據(jù)可知：灰?guī)r、白云巖電阻率較高，變化范圍為490～3 800 Ω·m，平均值為2 590 Ω·m；泥質(zhì)灰?guī)r次之，變化范圍在180～1 500 Ω·m，平均值為583 Ω·m，但它們都與地下水(<100 Ω·m)的電阻率差異明顯，這就為采用直流電法找水提供了地球物理依據(jù)；湘西北巖溶石山缺水地區(qū)主要是探測巖溶裂隙水和斷裂構造水，對應地電模型為高阻中找球狀或板狀低阻；因此，采用視電阻率聯(lián)合剖面法、高密度電阻率法、激電測深法找水依據(jù)充分。

1.2 直流電法方法技術

1.2.1 視電阻率聯(lián)合剖面法

視電阻率聯(lián)合剖面法是尋找裂隙型地下水常用的、效果顯著的方法，但容易受地形影響，并且在急陡坡峰叢峽谷地貌中，“無窮遠”電極的距離往往難以達到AO的5倍以上；因此，在湘西北巖溶石山缺水地區(qū)常采用小極距(50m

湘西北巖溶石山地區(qū)充填第四系黏土的淺部溶溝溶槽較發(fā)育，小極距聯(lián)合剖面法勘探深度較淺，對巖溶裂隙帶和淺部溶溝溶槽均有異常反映；為了更好區(qū)分上述異常，一方面應平行布置多條測線，連續(xù)性較好的異常往往為斷層或巖溶裂隙帶的反映，局部測線的異常往往為溶溝溶槽的反映，另一方面在同一測線采用其他直流電法(如高密度電法或激電測深法)探測以進行對比、驗證。

1.2.2 高密度電阻率法

高密度電阻率法具有許多優(yōu)點[5]，但其勘探深度一般較淺(小于150 m)，而湘西北巖溶石山缺水地區(qū)地下水位埋深變化較大，地表不均勻，局部基巖淺埋或裸露，高密度視電阻率擬斷面圖易形成“八”字型干擾，因此，測量點距選擇相對較大，一般為10～20 m，工作裝置主要采用溫納或施侖貝謝裝置，對高密度電法數(shù)據(jù)的壞點應進行剔除，然后采用最小二乘法進行反演[6-8]；解釋推斷時應充分了解地下水位埋深，選擇的異常深度應在地下水位以下。

1.2.3 激電測深

激發(fā)極化法是利用含水巖石在人工電流場作用下產(chǎn)生的激電效應及其時間特性尋找地下水，由于這種方法受地形影響小，所以最適用于山區(qū)找水。激電測深裝置主要為對稱四極和三極裝置，在測線兩端可進行人工跑極時，一般采用對稱四極裝置，而湘西北巖溶缺水地區(qū)，地勢陡峻或一側為懸崖、峽谷，往往采用三極裝置。為使勘探深度、數(shù)據(jù)信息量和工作效率得到兼顧，三極激電測深采用人工跑極和陣列式觀測相結合，即供電采用人工跑極，測量采用多通道陣列式觀測方式，野外獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)預處理，然后采用最小二乘意義下的變阻尼共軛梯度法進行二維反演[9-13]，獲得反演斷面圖進行解釋推斷。

綜上所述，在湘西北巖溶石山缺水地區(qū)進行物探工作，在地勢相對平坦且勘探深度相對較淺(0～150 m左右)的地方采用小極距視電阻率聯(lián)合剖面法+高密度電阻率法找水效果較理想，在地形條件較差或勘探深度相對較深(0～400 m左右)且電磁干擾較強的地方采用小極距聯(lián)合剖面法進行普查，然后選取異常較好的測線(≥1條)進行三極激電測深法效果較佳。

2 應用實例

2.1 聯(lián)合剖面法+高密度電法找水實例

湘西北A村為干旱缺水村，地形地貌屬于溶蝕構造型中低山急陡坡峰叢峽谷，村子建在NE向的溝谷中，溝谷較窄，兩側為急陡坡峰，村子上空有一組10 kV電力線及少量220 V民用電力線穿過(圖1)。根據(jù)地質(zhì)資料，該村出露地層巖性主要為寒武系白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，地下水位埋深約50 m，該村附近發(fā)育一條NNW向壓性斷層，富水性較弱。找水思路為：受構造應力影響，該斷層兩側巖溶裂隙可能相對發(fā)育，為此，垂直斷層并沿NE向溝谷布置了2條物探測線(2線、4線)，長度均為600 m。

圖1 A村平面示意Fig.1 Plan of village A

根據(jù)測區(qū)的地形、地質(zhì)條件， 選擇了抗電磁干擾較強的小極距聯(lián)合剖面法+高密度電祖率法，在同一條測線上用兩種方法進行探測，使用重慶奔騰數(shù)控研究所研制的WDJD-4型多功能激電儀，聯(lián)合剖面法極距AO=100 m，點距10 m，高密度電阻率法點距10 m，采用溫納裝置，采集層數(shù)為14層。

圖2為該村4線的物探成果圖。從圖中分析：聯(lián)合剖面曲線在950點、1040點呈相對低阻異常、在1120點附近呈正交點異常，高密度電阻率擬斷面在1120點附近呈低阻“U”字型異常，但斷面圖上“八”字型干擾較明顯；采用最小二乘法進行反演，得到高密度電阻率反演斷面圖。綜合分析：960點附近淺部巖溶裂隙發(fā)育，發(fā)育深度與地下水位深度(50 m)相當，推斷其充填黏土；1040點附近為淺部溶溝溶槽；1120點附近為巖溶裂隙發(fā)育，發(fā)育深度大于120 m，位于地下水位以下，推斷其富水性較好。因此，水文地質(zhì)鉆孔ZK1位置選擇在4線1120點，經(jīng)鉆探驗證及抽水試驗：地下122～185 m處溶蝕裂隙發(fā)育，涌水量為470 t/d，可解決約 3 000人的飲水問題。

圖2 A村4線聯(lián)合剖面曲線(a)、高密度視電阻率擬斷面(b)、高密度電阻率反演斷面(c)Fig.2 Joint profile curve(a), high density apparent resistivity profile(b) and inversion profile(c) of village A line 4

2.2 聯(lián)合剖面法+三極激電測深找水實例一

湘西北B村為干旱缺水村，屬于溶蝕構造型中低山急陡坡峰叢峽谷，該村附近有一條NE向溝谷，延伸長度約4 km，溝谷東南側為高差超過120 m的急陡坡峰，無法展布測線，村子上空有10 kV電力線及少量220 V民用電力線穿過，電磁干擾較強(圖3)。根據(jù)地質(zhì)資料，該村出露地層巖性主要為寒武系白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，地下水位埋深約15 m。地質(zhì)人員推斷溝谷附近發(fā)育一條NE向斷層，找水思路為探測該斷層的位置及傾向，達到間接找水目的。為此，在垂直溝谷且地形相對平坦的位置布置2條NW向測線。為了盡可能多地獲取NE向溝谷附近的地質(zhì)信息，采用了小極距聯(lián)合剖面+三極激電測深法，使用重慶奔騰數(shù)控研究所研制的WDJD-4型多功能激電儀，聯(lián)合剖面法極距AO=70 m，三極激電測深極距為指數(shù)形式遞增，最大AO=410 m。

圖3 B村平面示意Fig.3 Plan of village B

圖4為該村6線聯(lián)合剖面法測量結果，從圖中分析：聯(lián)合剖面曲線在950、1180、1260點附近呈相對低阻異常，通過與其他平行測線對比，其中1260點低阻異常連續(xù)性較好，因此，選取在1260點附近開展三極激電測深工作，圖5為激電測深擬斷面與反演斷面圖，圖6為推斷結果。由于三極測深視電阻率擬斷面圖往往易形成“掛面條”現(xiàn)象，而最小二乘意義下的變阻尼共軛梯度二維反演可減弱上述效應[10-11]，因此，三極激電測深解釋推斷時以電阻率反演斷面圖、視極化率擬斷面圖為主，其他斷面圖為輔。依據(jù)電阻率反演成果圖推斷，1260點附近的低阻異常為斷層的反映，斷層傾向ES(大號)；依據(jù)視極化率擬斷面圖分析，1270點視極化率較高，推斷其富水性較好。

圖4 B村6線聯(lián)合剖面曲線Fig.4 Joint profile curve of village B line 6

圖5 B村6線三極激電測深擬斷面與反演斷面Fig.5 Pseudo section and inversion section of village B line 6

圖6 B村6線地質(zhì)推斷結果Fig.6 Geological inference results of village B line 6

SK1鉆孔位置選定在6線1270點(斷層上盤)，經(jīng)鉆探驗證，43.5～52.9 m為斷裂帶，52.9～98.7 m溶蝕裂隙發(fā)育，鉆探至115 m后，經(jīng)抽水試驗涌水量為220 t/d，超過100 t/d的設計要求，選擇終孔。

2.3 聯(lián)合剖面法+三極激電測深找水實例二

湘西北C村為干旱缺水村，屬于溶蝕構造型中低山急陡坡峰叢峽谷，地形條件較差，電磁干擾較強(圖7)。根據(jù)地質(zhì)資料：該村出露地層巖性主要為奧陶系灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，局部有志留系砂頁巖覆蓋于奧陶系灰?guī)r上，地質(zhì)調(diào)查資料顯示該村附近有NW向斷層或裂隙帶。本次勘探要求出水量為 1 000 t/d，擬勘探深度為300 m，找水思路：探測NW向斷層或裂隙帶的位置及傾向，并依據(jù)視極化率比較其富水性，選擇富水性相對好的位置實施鉆探，從而達到找水目的。因此，沿NE向平行布置了3條測線，采用小極距(AO=110 m)聯(lián)合剖面法+三極激電深法；聯(lián)合剖面曲線顯示3線950點高低阻梯度異常明顯(圖8)且連續(xù)性較好，因此選擇在950點附近開展三極激電測深工作；三極激電測深最大AO=600 m，二維反演采用最小二乘意義下的變阻尼共軛梯度法。

圖9為3線三極激電測深成果，從電阻率反演斷面圖中分析,800～950點電阻率等值線呈高、低阻層狀相間，結合地質(zhì)資料推斷：由淺到深依次為砂頁巖、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r；950點附近等值線明顯不連續(xù)，推斷為斷層F1，傾向WS(小號)；950～1100點電阻率呈高阻，推斷為灰?guī)r，其中980點附近低阻封閉圈異常推斷為淺部巖溶裂隙發(fā)育，1040號點附近電阻率呈相對低阻“V”字型異常，推斷為次級斷層F2，傾向EN(大號)。從視極化率擬斷面圖分析,斷層F1附近的極化率明顯高于巖溶裂隙發(fā)育區(qū)(980點附近)及斷層F2附近的極化率，推斷斷層F1富水性相對較好。

圖7 C村平面示意Fig.7 Plan of village C

最終選定在3線930點(F1斷層上盤)進行鉆探(ZK1)，經(jīng)鉆探驗證，70～90 m為斷裂破碎帶，120～170 m溶蝕裂隙發(fā)育，經(jīng)抽水試驗該孔涌水量為 1 100 t/d，達到了預設工作目的。

3 結論

從應用實例可以看出，在湘西北巖溶石山缺水、強電磁干擾地區(qū)采用直流電法找水時，在地勢相對平坦且勘探深度相對較淺(0～150 m左右)的區(qū)域采用小極距視電阻率聯(lián)合剖面法+高密度電阻率法，在地形條件較差或勘探深度相對較深(0～400 m左右)的地方采用小極距聯(lián)合剖面法+三極激電測深法，既提高了工作效率又解決了實際問題，取得了較好的找水效果。

先采用小極距聯(lián)合剖面法，再有針對性地開展三極激電測深工作，可提高工作效率。對于非板狀型(如管道型巖溶)地質(zhì)體[14]，小極距聯(lián)合剖面法難以探測到明顯異常，應考慮采用其他找水方法(如核磁共振法)[15]。三極激電測深數(shù)據(jù)采用最小二乘意義下的變阻尼共軛梯度法進行二維反演效果較好，但視極化率反演后異常中心可能會偏移。因此，物探推斷解釋時應將不同測線與不同方法、擬斷面圖與反演圖同時進行對比分析，遵循從已知到未知的解釋原則，并將物探工作與地質(zhì)工作至始至終緊密結合，從而提高物探工作質(zhì)量，有效解決找水問題。

圖9 3線三極激電測深視電阻率與視極化率擬斷面、反演斷面及推斷地質(zhì)剖面Fig.9 3-line apparent resistivity and apparent polarization of three pole IP sounding cross section、inversion section map and geological inference map