綜合電法在西南巖溶區(qū)地下水勘查實(shí)例解析

宋洪偉，夏 凡

（1．中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050061；2．河北省環(huán)境科學(xué)研究院 ，石家莊 050037）

0 前言

我國西南地區(qū)喀斯特地貌發(fā)育，廣泛分布峰叢、峰林及孤峰。受巖溶作用的影響，在西南巖溶地區(qū)進(jìn)行地下水勘查工作難度大，開展水文地質(zhì)物探工作也更為謹(jǐn)慎。地下水勘查物探工作的物探方法為大功率激發(fā)激化法，其在各種類型巖性地區(qū)的找水工作中發(fā)揮著重要作用。由于其勘探深度大的特點(diǎn)在內(nèi)蒙、新疆、西藏等西北、華北缺水地區(qū)的地下水勘查工作中有著很好的應(yīng)用效果。考慮到巖溶地區(qū)特殊的儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)，僅僅依靠激電測深法有很大的局限性，如果配合高密度電法，在探尋地下暗河及儲(chǔ)水溶洞的工作中可以達(dá)到事半功倍的效果[1～3]。

1 物探方法介紹

1.1 大功率激發(fā)極化法

大功率激發(fā)極化法又稱激電法，是一種以不同巖礦石的激電效應(yīng)之差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過觀測和研究大地激電效應(yīng)，以探查地下地質(zhì)情況的一種勘探方法，是最傳統(tǒng)、有效的地下水勘查方法之一。不僅在區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查工作中發(fā)揮了重要作用，而且在抗旱搶險(xiǎn)工作中解決了旱區(qū)人民的飲水困難。因此，在進(jìn)行地下水地球物理勘探中，激發(fā)極化法一直被水文地質(zhì)工作者廣泛應(yīng)用。

研究表明，充水裂隙、破碎帶及由粘土礦物組成的巖石等，充、放電速度很快，而顆粒較粗(如砂或砂礫組成)的巖石和完整巖石充放電速度則較慢。這對(duì)評(píng)價(jià)激電異常和利用激電法找水很有實(shí)際意義，也是用激電法尋找地下水的地球物理前提。其電阻率公式為：

式中:ρs——視電阻率（Ω?m）；

K——由AB、MN各極點(diǎn)相對(duì)距離得出的系數(shù)。本次激電工作設(shè)計(jì)如下：

（1）由于本次任務(wù)找水目標(biāo)為300m之下的深層水，因此確定采用AB/2最大極距為1000m以達(dá)到勘探深度要求。

（2）為保證勘探精度，采用了7.5kW的大功率發(fā)電機(jī)，一次場電位必須達(dá)到30mV以上。由于本次勘探區(qū)處于農(nóng)田中，接地效果較好，即便如此為保證供電效果，在AB極兩端采取了十幾根經(jīng)過打磨的鋼釬，并澆上大量水來降低接地電阻。

（3）完整巖石電阻率相對(duì)較高，電測深ρs曲線一般表現(xiàn)為“A”型，斜率一般在45°左右。由于斷裂構(gòu)造充水、溶蝕，巖溶發(fā)育地段電阻率將明顯降低，形成低阻異常。在斷裂構(gòu)造上及巖溶裂隙發(fā)育帶上ρs同步下降低阻呈“H”型曲線，曲線出現(xiàn)平臺(tái)、拐折異常特征。勘探中要把握這樣的原則，注意所謂平臺(tái)、臺(tái)階的存在[4～6]。

1.2 超高密度電阻率法

超高密度直流電法勘探反演系統(tǒng)是近幾年才剛剛引進(jìn)我國的一種新型直流電法勘探儀器，其不同于傳統(tǒng)高密度電法的數(shù)據(jù)采集方式，忽略偶極、溫納等裝置的選擇。而采取全自動(dòng)、自由組合的數(shù)據(jù)采集方式，采取的數(shù)據(jù)主要為不同電極組合之間的電勢差，使得同樣電極數(shù)的情況下，采集的數(shù)據(jù)量將超過常規(guī)方法40倍以上，無須顧及各種不同的數(shù)據(jù)采集裝置的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)，其多通道的工作模式能夠同時(shí)采集61組V/I數(shù)據(jù)，所以不會(huì)因采集數(shù)據(jù)過大而影響采集速度。同時(shí)由于其操作簡單、容易上手、便捷、有效的工作方式，近年來在水工環(huán)物探工作中越來越得到重視[7～11]。

2 巖溶區(qū)含水結(jié)構(gòu)物性特征分析

2.1 巖溶區(qū)含水結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

巖溶區(qū)巖性主要是以可溶性的碳酸鹽類巖石（主要是石灰石）為主，在以水的溶蝕為主的內(nèi)外力作用下形成的地下溶洞和暗河。此類地區(qū)第四系覆蓋一般較薄，地下水主要為巖溶水，儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)以地下暗河及地下溶洞為主。

2.2 物性特征分析

巖溶段或斷裂構(gòu)造與完整基巖的電性存在明顯的差異，為開展電法工作提供了可靠的地球物理前提。但是，不能忽視的是在溶洞及裂隙中出現(xiàn)的泥質(zhì)充填物，其成分一般為鈣泥質(zhì)與鐵泥質(zhì)薄膜泥水混合物也會(huì)呈現(xiàn)與水一樣的低阻特征，給物探解譯工作帶來極大干擾。因此，總結(jié)巖溶地區(qū)不同含水結(jié)構(gòu)的特征后再進(jìn)行解譯工作能夠很好地提高物探解譯精確度。

經(jīng)過試驗(yàn)調(diào)查、資料分析得知，溶洞或裂隙中的含水特征一般分為以下3種：

（1）干涸或半充水狀態(tài)，物探反應(yīng)主要體現(xiàn)為中高阻低極化；

（2）充滿水的狀態(tài)，物探反應(yīng)為低阻高極化特征；

（3）充滿泥質(zhì)填充物的狀態(tài)，物探反應(yīng)為低阻中低極化。

3 勘查實(shí)例解析

3.1 A村地下水勘查實(shí)例

（1）地質(zhì)地貌條件

A村地處峰叢地貌區(qū)，地表出露巖性以灰?guī)r為主，低洼處有不足10m的第四系松散沉積物。村莊南部有一規(guī)模較大的沖溝，深約7m、寬度超過20m，根據(jù)已有地質(zhì)資料及地質(zhì)調(diào)查工作推斷此溝為一背斜構(gòu)造原地風(fēng)化剝蝕所致，結(jié)合村民用水的實(shí)際情況，將此處定位“靶區(qū)”。

（2）物探工作

經(jīng)分析靶區(qū)的水文地質(zhì)條件，將工作重點(diǎn)放在利用物探確定從向斜構(gòu)造中向外“伸出”的導(dǎo)水通道，也就是所謂的地下暗河。

采用超高密度電法在平行沖溝的方向拉了兩條測線。極距10m，電極數(shù)64根，兩條測線相互平行，相距約300m。兩條超高密度測線反演后的等值斷面圖，見圖1。

圖1 超高密度電法電阻率反演斷面等值線圖

由圖1可明顯地看出在1號(hào)線220m處有電阻率變大、等值線聚集成團(tuán)狀的情況出現(xiàn)，深度為30～40m，推斷應(yīng)為溶洞或地下空穴，同時(shí)在2號(hào)線280m處相同深度也出現(xiàn)了同樣特征。再結(jié)合地面地質(zhì)調(diào)查工作可知兩處異常的連接應(yīng)為一條導(dǎo)水通道。因此，在推斷導(dǎo)水通道處進(jìn)行了激電測深工作，如圖2所示。

圖2 擬定井位電測深曲線圖

在激電測深電阻率極化率曲線圖上可以看出，在AB/2大于96m時(shí)出現(xiàn)所謂的電阻率變大變緩的“臺(tái)階”，同時(shí)還出現(xiàn)極化率相對(duì)較高的特征，完全符合完整基巖下的裂隙含水電性特征，估計(jì)50m深度富水。同時(shí)，考慮巖溶發(fā)育情況，設(shè)計(jì)探采結(jié)合孔深為150m，70m處涌水量為15m3/h，滿足了當(dāng)?shù)睾导竟喔刃枰?/p>

3.2 B村地下水勘查實(shí)例

（1）地質(zhì)地貌條件

B村位于山谷中，南北皆有大山，村莊處于山谷低洼處，第四系覆蓋約5m左右，地表有基巖出露，巖性大部分為砂巖。村莊被群山包圍匯水條件較為理想，在村南鄰山處第四系較厚，推斷應(yīng)有構(gòu)造存在。因此，該村地下水勘查工作應(yīng)以圈定構(gòu)造裂隙水走向?yàn)橹攸c(diǎn)。

（2）物探工作

由于該村莊地形起伏較大，物探工作不易進(jìn)行，因此綜合考慮多方條件，在村東南方向垂直推斷山前斷裂帶處布置高密度電法測線一條。高密度電阻率斷面等值線圖見圖3，圖中很明顯看到，在距離起點(diǎn)為300～320m之間等值線直立且兩邊電阻率差異明顯，基本可以判斷下伏有裂隙構(gòu)造的存在，斷層走向與地形地貌特征基本吻合。同時(shí)為了進(jìn)一步驗(yàn)證高密度電法測量工作的準(zhǔn)確性并且為了保證成井率，高密度測線320m處的位置上進(jìn)行了激電測深工作如圖4所示。在激電測深電阻率極化率曲線圖中可以看出在AB/2大于70m時(shí)電阻率曲線出現(xiàn)變高變緩的“臺(tái)階”狀現(xiàn)象，同時(shí)在臺(tái)階處出現(xiàn)高極化特征，根據(jù)前文所述各種含水結(jié)構(gòu)的電阻率極化率特征可知，此處為理想定位。最終探采孔成井147m，涌水量超過20m3/h。井位成功確定，為在相同地質(zhì)情況的地區(qū)進(jìn)行地下水勘查工作提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

圖3 超高密度電法電阻率反演斷面等值線圖

4 總結(jié)

（1）在各類地質(zhì)條件下地下水勘查的工作中，物探工作仍是不可或缺的，尤其是直流電法更是因其抗干擾能力強(qiáng)、原理成熟、解譯簡單快捷等優(yōu)點(diǎn)為井位選取工作提供了可靠的理論指導(dǎo)。

（2）在利用電法判斷巖溶水和巖溶裂隙泥質(zhì)充填物的性質(zhì)、富水情況時(shí)，除根據(jù)電測深的曲線形態(tài)進(jìn)行分析外，絕對(duì)不可忽視水文地質(zhì)條件。必須掌握靶區(qū)的構(gòu)造和匯水條件，才可提高解釋判斷的準(zhǔn)確性。

（3）超高密度電法儀因其多通道同時(shí)采集數(shù)據(jù)的工作方式顯著提高勘探效率，操作方便簡單，在進(jìn)行定性圈定潛伏構(gòu)造的工作中有著一定的優(yōu)勢，是今后水工環(huán)物探發(fā)展中值得關(guān)注的一種勘探形式。

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