大別山西南麓變質(zhì)巖貧水區(qū)綜合找水方法研究
——以湖北孝昌縣衛(wèi)店鎮(zhèn)汪家灣地區(qū)為例

馬文寧，周丁揚(yáng)，劉振夏，安靜

(1.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875；2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250109；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

0 引言

大別山區(qū)是我國(guó)著名的紅色革命老區(qū)，也是我國(guó)14 個(gè)特殊困難地區(qū)之一。汪家灣地區(qū)地處長(zhǎng)江與淮河的分水嶺一帶，是我國(guó)重要的生態(tài)功能區(qū)和長(zhǎng)江中游地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障。汪家灣地區(qū)內(nèi)地表水資源相對(duì)較為貧乏，地層以元古界變質(zhì)巖為主，受地下含水介質(zhì)的影響，地下水資源也很缺乏(李智民等，2014)。本文以1∶5萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查為基礎(chǔ)，結(jié)合大別山變質(zhì)巖山區(qū)特殊地形地貌及水文地質(zhì)條件，探尋在變質(zhì)巖貧水山區(qū)找水的系統(tǒng)方法，通過(guò)建立找水的工作模式，評(píng)價(jià)不同找水方法在變質(zhì)巖山區(qū)的適用性，探尋一套適宜變質(zhì)巖貧水區(qū)的找水方法。

無(wú)論在什么類型的巖性地區(qū)，水文地質(zhì)條件分析是尋找地下水的重要基礎(chǔ)。水文地質(zhì)條件分析最主要的就是對(duì)地下水系統(tǒng)的形成與劃分以及特征進(jìn)行分析。通過(guò)前人研究發(fā)現(xiàn):在影響基巖地下水的諸因素中，地質(zhì)構(gòu)造是控制地下水埋藏、分布和運(yùn)移的最主導(dǎo)的因素，而地層巖性是地下水賦存的最重要的基礎(chǔ)(許廣明和張燕君，2004；武選民等，2010)。

80 年代我國(guó)水文地質(zhì)學(xué)家將地下水系統(tǒng)理論引入到我國(guó)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，結(jié)合我國(guó)具體水文地質(zhì)條件，使之更加成熟，應(yīng)用更加廣泛。地下水系統(tǒng)理論在我國(guó)平原區(qū)有了廣泛應(yīng)用。劉光亞(1981)較為系統(tǒng)的對(duì)基巖蓄水構(gòu)造類型進(jìn)行了劃分，明確了不同的基巖蓄水構(gòu)造類型。張之淦和陳偉海(2000)在廣西來(lái)賓巖溶地區(qū)的研究表明，通過(guò)水文地質(zhì)面上調(diào)查找出蓄水構(gòu)造，可以很大程度上減少找水的目標(biāo)靶區(qū)面積，提高找水效率。蘭自亭和劉玉忠(2005)通過(guò)對(duì)缺水的豫北山區(qū)進(jìn)行構(gòu)造找水應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)地下水的富集規(guī)律受構(gòu)造的影響明顯，并總結(jié)歸納出不同的構(gòu)造富水區(qū)，作為找水目標(biāo)區(qū)。劉寶華和宋茂峰(2006)通過(guò)對(duì)松嫩平原變質(zhì)巖地區(qū)地下水的賦存規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，變質(zhì)巖地區(qū)斷層破碎帶，大多數(shù)被充填固結(jié)，富水性較差，但經(jīng)后期構(gòu)造作用和風(fēng)化作用，富水性能得到顯著增強(qiáng)，富水地下構(gòu)造的尋找方向應(yīng)為尚未膠結(jié)或經(jīng)過(guò)再破壞的構(gòu)造帶、年代較新或活動(dòng)的構(gòu)造破碎帶、多條構(gòu)造交匯的破碎帶等。劉新號(hào)(2011)提出斷裂構(gòu)造是各類貧水山區(qū)的主要控水、導(dǎo)水和富水構(gòu)造，斷裂蓄水構(gòu)造是在貧水區(qū)尋找地下水的主要目標(biāo)區(qū)。鄧啟軍等(2013)以唐縣史家佐村地下水勘查為例，對(duì)貧水山區(qū)的構(gòu)造裂隙富水性進(jìn)行了探究。劉偉朋等(2018)在結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查，在太行山貧水山區(qū)的找水研究中提出，風(fēng)化殼蓄水構(gòu)造和斷層蓄水構(gòu)造是主要找水目標(biāo)區(qū)。汪云等(2019)在泰萊盆地找水工作中，提出了基巖風(fēng)化殼蓄水構(gòu)造、斷裂蓄水構(gòu)造、水平巖層蓄水構(gòu)造這三類典型蓄水構(gòu)造。

我國(guó)的物探工作起步于二十世紀(jì)三十年代，到八十年代開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模物探找水工作(吳海成等，1998)。21 世紀(jì)以來(lái)隨著地球物理科學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展，同時(shí)也為了提高找水效率和準(zhǔn)確度，越來(lái)越多的物探方法被應(yīng)用于不同地區(qū)的找水工作中(唐慧杰等，2004；劉振夏等，2020)。其中，電法由于探測(cè)精度高、開(kāi)展簡(jiǎn)便被廣泛應(yīng)用，主要包括音頻大地電磁法、高密度電阻率法、激發(fā)極化測(cè)深法等(姬廣柱等，2001；馬延君，2013)。研究表明，音頻大地電磁法勘探分辨率高，受地形影響較小，對(duì)隱伏構(gòu)造具有很好的探測(cè)效果(李霞等，2018)。激發(fā)極化測(cè)深法不受地形起伏和圍巖不均影響，對(duì)裂隙水的水位埋深和富水帶反映比較直觀，含水層埋深越淺、厚度越大，則電測(cè)深法效果越好(鄭東明等，2005)。高密度電阻率法精度高，施工簡(jiǎn)便，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的構(gòu)造具有很好的識(shí)別效果(冼詩(shī)盛，2015)。聯(lián)合剖面法受地形影響較大，但具有水平分辨能力強(qiáng)、異常明顯的特點(diǎn)(劉偉等，2018)。

汪家灣地區(qū)地質(zhì)、地形條件復(fù)雜，由于單一物探方法受其原理制約，往往具有不可避免的缺點(diǎn)。因而，根據(jù)不同的地質(zhì)、水文條件選擇不同的物探方法，開(kāi)展多方法的綜合物探找水工作，對(duì)于準(zhǔn)確識(shí)別富水異常，降低鉆探失敗率，提高找水效率具有重要意義(于紀(jì)玉等，2009；舒勤峰等，2013；余京，2017；張立劍等，2019)。本文以湖北孝昌縣衛(wèi)店鎮(zhèn)汪家灣地區(qū)為例，通過(guò)高密度電阻率法、電阻率聯(lián)合剖面法、音頻大地電磁法開(kāi)展了綜合找水研究工作，為今后變質(zhì)巖貧水山區(qū)找水提供了參考。

1 研究區(qū)概況

孝昌縣衛(wèi)店鎮(zhèn)汪家灣地區(qū)位于湖北省北部，坐標(biāo)范圍113°45′～114°00′E，31°20′～31°30′N。研究區(qū)地處大別-桐柏造山帶南緣，江漢平原東北方位。區(qū)域?qū)賮啛釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候，降雨時(shí)間分布不均，季節(jié)性缺水嚴(yán)重。研究區(qū)主要屬于府河流域。區(qū)內(nèi)紅層及河谷第四系區(qū)域水系、堰塘、小型水庫(kù)分布較多，但大范圍分布的變質(zhì)巖山區(qū)地表水較為匱乏。

研究區(qū)內(nèi)廣泛分布元古界變質(zhì)巖與侵入巖，第四系松散堆積物、白堊系-古近系碎屑巖，地層出露于澴水支流兩岸，出露范圍小且相對(duì)分散。元古界變質(zhì)巖分布廣泛，變質(zhì)巖風(fēng)化裂隙含水巖組是研究區(qū)內(nèi)主要含水巖組。不同時(shí)代的侵入巖在元古界變質(zhì)巖區(qū)域零星分布。研究區(qū)內(nèi)廣泛分布多種構(gòu)造現(xiàn)象，主要包括斷層、韌性剪切帶等，這些構(gòu)造為研究區(qū)內(nèi)的地下水富集提供了富集條件。

根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查及水文地質(zhì)鉆探成果，依據(jù)地下水埋藏條件、含水介質(zhì)類型，研究區(qū)內(nèi)地下水可分為松散巖類孔隙水、碎屑巖孔隙裂隙水、變質(zhì)巖風(fēng)化裂隙水和巖漿巖風(fēng)化裂隙水。研究區(qū)水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 孝昌縣衛(wèi)店鎮(zhèn)汪家灣地區(qū)1∶5萬(wàn)水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖(自測(cè))

2 確定找水靶區(qū)及物探布置

研究區(qū)內(nèi)存在一蘆葦蕩，附近泉眼眾多，沿北東-南西向出露，其中單泉最大流量約0.5 L/s，泉水流量變幅小，常年不干，推測(cè)地下水來(lái)源于深處，為遠(yuǎn)源補(bǔ)給，地下水類型為構(gòu)造裂隙水。汪家灣地區(qū)主要巖性為馬鞍山超單元Pt3βμ和大鶴山單元Sβμ輝綠巖，該處輝綠巖局部變質(zhì)作用明顯，根據(jù)地面露頭，巖層中裂隙發(fā)育，未見(jiàn)明顯泥質(zhì)填充，推測(cè)導(dǎo)水性較好。由于有泉水出露，推測(cè)此處地下存在隱伏構(gòu)造，為潛在富水地區(qū)，因此在此處布置物探測(cè)線，探測(cè)該找水靶區(qū)的地層結(jié)構(gòu)及地層富水條件。該處選用音頻大地電磁法、激發(fā)極化法、高密度電阻率法、電阻率聯(lián)合剖面法四種物探方法進(jìn)行聯(lián)合勘探，對(duì)比四種物探方法在基巖山區(qū)找水的優(yōu)劣勢(shì)。

在該處使用的四種物探方法遵循先從平面上尋找異常位置，再在垂向上確定異常深度的思路，因而先在此處自西向東方向布置相同起點(diǎn)和終點(diǎn)的高密度電阻率法、音頻大地電磁法和電阻率聯(lián)合剖面法測(cè)線，通過(guò)這三種方法確定鉆孔位置后，再以目標(biāo)鉆孔位置進(jìn)行激發(fā)極化法測(cè)深，確定含水層深度，如圖2 所示。

圖2 汪家灣地區(qū)高密度電阻率法、電阻率聯(lián)合剖面法、音頻大地電磁法測(cè)線布置圖

3 物探異常解譯

高密度電阻率反演圖(圖3)所示，從圖中可以看出地表上覆層大概0～20 m，為沖積層、坡積土、殘積黏性土、風(fēng)化地層等，電阻率值相對(duì)較低，電阻率值約為10～20 Ω·m；下伏基巖，主要為馬鞍山超單元Pt3βμ輝綠巖，電阻一般大于20 Ω·m。地表里程830 m 附近呈相對(duì)高阻，推測(cè)為裂隙不發(fā)育的變輝長(zhǎng)輝綠巖，而地表里程950 m 附近呈現(xiàn)相對(duì)低阻，推測(cè)為裂隙發(fā)育的輝綠巖，因而推測(cè)此處為相對(duì)富水的裂隙集中發(fā)育區(qū)域。

圖3 汪家灣地區(qū)高密度電阻反演剖面圖

音頻大地電磁法反演圖(圖4)所示，在地表里程830 m 處呈現(xiàn)相對(duì)高阻現(xiàn)象，地表里程950 m 處呈現(xiàn)相對(duì)低阻，推測(cè)此處為巖體破碎區(qū)，同時(shí)可見(jiàn)，音頻大地電磁法有著更大的探測(cè)深度，可見(jiàn)其低阻延伸較深，推測(cè)該處為大型構(gòu)造裂隙。

圖4 汪家灣地區(qū)音頻大地電磁法反演剖面圖

電阻率聯(lián)合剖面法視電阻率曲線圖(圖5)所示，地表里程830 m 附近呈相對(duì)高阻，而地表里程950 m 附近大極距呈正交點(diǎn)，因而推測(cè)830 m 附近為裂隙不發(fā)育的輝綠巖，950 m 附近為裂隙發(fā)育的輝綠巖。

圖5 汪家灣地區(qū)電阻率聯(lián)合剖面法視電阻率曲線圖

通過(guò)高密度電阻率反演圖、音頻大地電磁法反演圖和電阻率聯(lián)合剖面法視電阻率曲線圖的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，三者均能反映地表里程830 m 附近的高阻現(xiàn)象和950 m 的低阻現(xiàn)象。相對(duì)于高密度電阻率反演圖反映的區(qū)域上的局部低阻異常，聯(lián)合剖面法視電阻率曲線圖的正交現(xiàn)象可以更好的確定低阻異常在平面上的位置。

根據(jù)三種物探方法的綜合判斷，確定地表里程950 m 為潛在富水區(qū)，以此處為目標(biāo)進(jìn)行激發(fā)極化法測(cè)深，探明該處垂向上的巖性變化。

激發(fā)極化法測(cè)深曲線圖(圖6)所示，在AB/2 ＝3 m 即深度為3 m 時(shí)，視電阻率存在一個(gè)最小值，隨后隨著深度的增加視電阻率不斷增加，該處激發(fā)極化法的視電阻率對(duì)地下含水層并沒(méi)有一個(gè)較好的反映。在AB/2 ＝10～20 m、80～90 m 即深度為10～20 m、80～90 m 左右的位置視極化率呈峰值異常，因而，推斷10～20 m 為表層風(fēng)化裂隙水含水層，80 m 附近裂隙發(fā)育，富含基巖裂隙水，為目標(biāo)找水層位。

圖6 汪家灣地區(qū)950 m 處激發(fā)極化法測(cè)深曲線圖

4 探采結(jié)合孔驗(yàn)證

根據(jù)綜合物探技術(shù)方法解譯結(jié)果，在剖面950 m 處布置鉆孔ZK01，坐標(biāo)31°20′29.86″N、113°54′39.03″E，鉆孔深度170.75 m，驗(yàn)證物探結(jié)果和地層富水情況。

根據(jù)鉆孔取芯，0～14.28 m 為第四系覆蓋物和輝綠巖風(fēng)化層，為風(fēng)化裂隙含水層，初見(jiàn)水位11.3 m，與激發(fā)極化法測(cè)深曲線圖10～20 m 視極化率峰值異常相符合。39.93～62.33 m 為碎裂狀輝綠巖，巖芯呈短柱狀或碎塊狀，裂隙發(fā)育，其中兩方向裂隙傾角相反，傾角分別為55°和45°，蝕變普遍而強(qiáng)烈。該處裂隙發(fā)育，但并未在激發(fā)極化法測(cè)深曲線上有所反映。98.86～163.65 m 為碎裂狀輝綠巖，巖芯呈短柱狀或碎塊狀，破碎嚴(yán)重，蝕變強(qiáng)烈，推測(cè)為隱伏構(gòu)造。該處裂隙發(fā)育，與激發(fā)極化法測(cè)深曲線圖80～90 m 視極化率峰值異常較符合，由于深度較深，在數(shù)值上有一定的誤差。

以39.93～62.33 m 和98.86～163.65 m 兩段為主要含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)。經(jīng)抽水試驗(yàn)，測(cè)得最大單位涌水量為0.1956 L/m·s，地層平均滲透系數(shù)1.85 ×10-4cm/s，屬于豐富富水性、中等透水地層。

該處找水達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，鉆孔揭露到該處裂隙集中發(fā)育的地下含水層。鉆孔結(jié)果也很好的驗(yàn)證了物探結(jié)果。

5 討論

5.1 物探技術(shù)方法應(yīng)用特點(diǎn)分析

通過(guò)孝昌縣衛(wèi)店鎮(zhèn)汪家灣地區(qū)的多物探方法聯(lián)合勘探進(jìn)行找水勘探實(shí)例，說(shuō)明了高密度電阻率法、激發(fā)極化法、音頻大地電磁法、聯(lián)合剖面法四種物探方法在變質(zhì)巖貧水山區(qū)找水中的不同特點(diǎn):

(1)高密度電阻率法在揭示地層巖性、隱伏地質(zhì)構(gòu)造方面可以達(dá)到比較好的效果，可準(zhǔn)確圈定異常區(qū)域，但對(duì)于部分多期構(gòu)造疊加地區(qū)精確度有待加強(qiáng)。由于其呈現(xiàn)形式為二維平面圖，所反映的異常為區(qū)域異常，因而在找水打井的過(guò)程中，具體井位的選擇需要其他的輔助手段，或以經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷。由于極距和測(cè)線長(zhǎng)度限制，高密度電阻率法的勘測(cè)深度較淺，對(duì)于一些區(qū)域深部構(gòu)造，其往往做不到有效的識(shí)別。

(2)音頻大地電磁法作為一種剖面方法，其呈現(xiàn)形式也為二維平面圖，可同時(shí)反映地層巖性在水平向和垂向上的變化，較于高密度電阻率法，有著更深的探測(cè)深度，對(duì)于那些區(qū)域性的深部隱伏構(gòu)造有著很好的識(shí)別效果，對(duì)于這種由于深部隱伏構(gòu)造導(dǎo)致的地下水富集具有很好的識(shí)別效果。

(3)聯(lián)合剖面法由于其橫向分辨率高，異常幅度大，且呈現(xiàn)形式為一維曲線的形式，因而其對(duì)于在平面上判斷異常的準(zhǔn)確位置有著很好的指示作用，可以根據(jù)異常點(diǎn)的具體位置來(lái)選擇找水打井的鉆孔位置。但由于其并不能進(jìn)行垂向上的異常識(shí)別，且異常幅度大，往往會(huì)對(duì)異?，F(xiàn)象起到放大作用，因而還需結(jié)合其他方法來(lái)剔除干擾異常和識(shí)別垂向上的異常埋藏深度。

(4)激發(fā)極化法測(cè)深由于其為垂向上的異常識(shí)別，往往作為在平面上確定異常位置后的輔助性勘探，用以確定異常的埋深。激發(fā)極化法測(cè)深在對(duì)淺層異常的識(shí)別上具有較高的精度，但由于其測(cè)量方式的限制，其識(shí)別單位深度往往呈指數(shù)上升，因而對(duì)于較深部的異常位置的識(shí)別有一定誤差。通過(guò)實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，實(shí)際異常的埋深往往較測(cè)深曲線上識(shí)別的深部異常位置要偏深。

5.2 找水經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)對(duì)上述四種方法的特點(diǎn)分析，以及孝昌縣衛(wèi)店鎮(zhèn)汪家灣地區(qū)的找水實(shí)際情況，在變質(zhì)巖區(qū)的實(shí)際找水工作中，建立“面-線-點(diǎn)”的找水工作模式，即通過(guò)野外面上調(diào)查，進(jìn)行水文地質(zhì)分析，尋找潛在富水區(qū)，在潛在目標(biāo)富水區(qū)布置物探剖面，確定鉆孔位置點(diǎn)，再以鉆孔位置點(diǎn)為目標(biāo)進(jìn)行激發(fā)極化法測(cè)深，準(zhǔn)確確定富水地層的埋深，確定鉆孔進(jìn)尺。

對(duì)于野外面上調(diào)查中，有明顯構(gòu)造現(xiàn)象出露，且地形條件較好的潛在富水區(qū)，這類地區(qū)的富水構(gòu)造往往埋深較淺，由于高密度電阻率法其淺部分辨率較高，因而可選擇高密度電法作為剖面方法來(lái)確定鉆孔位置。對(duì)于野外面上調(diào)查中，未見(jiàn)明顯構(gòu)造現(xiàn)象出露的潛在富水區(qū)，這類地區(qū)的富水構(gòu)造往往為深埋隱伏構(gòu)造，因而可發(fā)揮音頻大地電磁法探測(cè)深部較深的優(yōu)勢(shì)，選擇音頻大地電磁法作為剖面方法確定鉆孔位置。對(duì)于那些地質(zhì)條件復(fù)雜，地層、構(gòu)造條件多變的地區(qū)，還可增加電阻率聯(lián)合剖面法作為補(bǔ)充，發(fā)揮電阻率聯(lián)合剖面法異常幅度大、分辨率高的優(yōu)勢(shì)，作為高密度電阻率法或音頻大地電磁法的補(bǔ)充，在剖面上準(zhǔn)確定性，以電阻率聯(lián)合剖面法中的低阻正交點(diǎn)為依據(jù)，準(zhǔn)確進(jìn)行含水層在剖面上的位置的確定，提高識(shí)別準(zhǔn)確率。在確定含水層埋深的時(shí)候，高密度電阻率法或音頻大地電磁法這類定量測(cè)量往往受解譯人的經(jīng)驗(yàn)影響較大，難以從剖面上直觀的判斷出低阻異常埋深，因而可通過(guò)激發(fā)極化法測(cè)深這種定性測(cè)深方式，以視電阻率或者視極化率的變化拐點(diǎn)為依據(jù)，來(lái)進(jìn)行直觀的判斷，確定地下含水層的埋深，進(jìn)行輔助判斷。

6 結(jié)論

(1)音頻大地電磁法在探測(cè)深度上具有較大優(yōu)勢(shì)，對(duì)一些深部構(gòu)造引起的地下水富集的低阻異常具有較好的識(shí)別效果。高密度電法在探測(cè)精度及效率上擁有較大的優(yōu)勢(shì)，因而對(duì)淺層地下水富集的低阻異常具有較好的識(shí)別效果。

(2)聯(lián)合剖面法和激發(fā)極化法能有效確定鉆孔布設(shè)的平面位置和鉆進(jìn)深度。聯(lián)合剖面法橫向分辨率高，異常幅度大，對(duì)于在平面上判斷異常的準(zhǔn)確位置有著很好指示作用，可以作為音頻大地電磁法和高密度電法的輔助來(lái)準(zhǔn)確確定鉆孔位置。激發(fā)極化法測(cè)深對(duì)地層垂向上的巖性變化有著很好的識(shí)別作用，雖然在對(duì)深部異常的位置識(shí)別有一定誤差，但較于音頻大地電磁法和高密度電法更為直觀，因而可以用來(lái)輔助確定鉆孔深度。

(3)在變質(zhì)巖區(qū)的實(shí)際找水工作中，建立“面-線-點(diǎn)”的找水工作模式。首先通過(guò)野外面上調(diào)查，進(jìn)行水文地質(zhì)分析，尋找潛在富水區(qū)，然后在潛在目標(biāo)富水區(qū)布置物探剖面，確定鉆孔位置點(diǎn)，最后再以鉆孔位置點(diǎn)為目標(biāo)進(jìn)行激發(fā)極化法測(cè)深，準(zhǔn)確確定富水地層的埋深，確定鉆孔進(jìn)尺。這一工作模式為今后變質(zhì)巖貧水山區(qū)找水提供了參考。