大別山西南麓變質巖貧水區綜合找水方法研究
——以湖北孝昌縣衛店鎮汪家灣地區為例

馬文寧，周丁揚，劉振夏，安靜

(1.北京師范大學地理科學學部，北京 100875；2.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250109；3.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

0 引言

大別山區是我國著名的紅色革命老區，也是我國14 個特殊困難地區之一。汪家灣地區地處長江與淮河的分水嶺一帶，是我國重要的生態功能區和長江中游地區重要的生態安全屏障。汪家灣地區內地表水資源相對較為貧乏，地層以元古界變質巖為主，受地下含水介質的影響，地下水資源也很缺乏(李智民等，2014)。本文以1∶5萬水文地質調查為基礎，結合大別山變質巖山區特殊地形地貌及水文地質條件，探尋在變質巖貧水山區找水的系統方法，通過建立找水的工作模式，評價不同找水方法在變質巖山區的適用性，探尋一套適宜變質巖貧水區的找水方法。

無論在什么類型的巖性地區，水文地質條件分析是尋找地下水的重要基礎。水文地質條件分析最主要的就是對地下水系統的形成與劃分以及特征進行分析。通過前人研究發現:在影響基巖地下水的諸因素中，地質構造是控制地下水埋藏、分布和運移的最主導的因素，而地層巖性是地下水賦存的最重要的基礎(許廣明和張燕君，2004；武選民等，2010)。

80 年代我國水文地質學家將地下水系統理論引入到我國，在此基礎上進行更進一步的研究，結合我國具體水文地質條件，使之更加成熟，應用更加廣泛。地下水系統理論在我國平原區有了廣泛應用。劉光亞(1981)較為系統的對基巖蓄水構造類型進行了劃分，明確了不同的基巖蓄水構造類型。張之淦和陳偉海(2000)在廣西來賓巖溶地區的研究表明，通過水文地質面上調查找出蓄水構造，可以很大程度上減少找水的目標靶區面積，提高找水效率。蘭自亭和劉玉忠(2005)通過對缺水的豫北山區進行構造找水應用研究，發現地下水的富集規律受構造的影響明顯，并總結歸納出不同的構造富水區，作為找水目標區。劉寶華和宋茂峰(2006)通過對松嫩平原變質巖地區地下水的賦存規律研究發現，變質巖地區斷層破碎帶，大多數被充填固結，富水性較差，但經后期構造作用和風化作用，富水性能得到顯著增強，富水地下構造的尋找方向應為尚未膠結或經過再破壞的構造帶、年代較新或活動的構造破碎帶、多條構造交匯的破碎帶等。劉新號(2011)提出斷裂構造是各類貧水山區的主要控水、導水和富水構造，斷裂蓄水構造是在貧水區尋找地下水的主要目標區。鄧啟軍等(2013)以唐縣史家佐村地下水勘查為例，對貧水山區的構造裂隙富水性進行了探究。劉偉朋等(2018)在結合區域水文地質調查，在太行山貧水山區的找水研究中提出，風化殼蓄水構造和斷層蓄水構造是主要找水目標區。汪云等(2019)在泰萊盆地找水工作中，提出了基巖風化殼蓄水構造、斷裂蓄水構造、水平巖層蓄水構造這三類典型蓄水構造。

我國的物探工作起步于二十世紀三十年代，到八十年代開始進行大規模物探找水工作(吳海成等，1998)。21 世紀以來隨著地球物理科學的進步和發展，同時也為了提高找水效率和準確度，越來越多的物探方法被應用于不同地區的找水工作中(唐慧杰等，2004；劉振夏等，2020)。其中，電法由于探測精度高、開展簡便被廣泛應用，主要包括音頻大地電磁法、高密度電阻率法、激發極化測深法等(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，對隱伏構造具有很好的探測效果(李霞等，2018)。激發極化測深法不受地形起伏和圍巖不均影響，對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，則電測深法效果越好(鄭東明等，2005)。高密度電阻率法精度高，施工簡便，對復雜地質條件下的構造具有很好的識別效果(冼詩盛，2015)。聯合剖面法受地形影響較大，但具有水平分辨能力強、異常明顯的特點(劉偉等，2018)。

汪家灣地區地質、地形條件復雜，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。因而，根據不同的地質、水文條件選擇不同的物探方法，開展多方法的綜合物探找水工作，對于準確識別富水異常，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店鎮汪家灣地區為例，通過高密度電阻率法、電阻率聯合剖面法、音頻大地電磁法開展了綜合找水研究工作，為今后變質巖貧水山區找水提供了參考。

1 研究區概況

孝昌縣衛店鎮汪家灣地區位于湖北省北部，坐標范圍113°45′～114°00′E，31°20′～31°30′N。研究區地處大別-桐柏造山帶南緣，江漢平原東北方位。區域屬亞熱帶大陸性季風氣候，降雨時間分布不均，季節性缺水嚴重。研究區主要屬于府河流域。區內紅層及河谷第四系區域水系、堰塘、小型水庫分布較多，但大范圍分布的變質巖山區地表水較為匱乏。

研究區內廣泛分布元古界變質巖與侵入巖，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，出露范圍小且相對分散。元古界變質巖分布廣泛，變質巖風化裂隙含水巖組是研究區內主要含水巖組。不同時代的侵入巖在元古界變質巖區域零星分布。研究區內廣泛分布多種構造現象，主要包括斷層、韌性剪切帶等，這些構造為研究區內的地下水富集提供了富集條件。

根據水文地質調查及水文地質鉆探成果，依據地下水埋藏條件、含水介質類型，研究區內地下水可分為松散巖類孔隙水、碎屑巖孔隙裂隙水、變質巖風化裂隙水和巖漿巖風化裂隙水。研究區水文地質簡圖如圖1 所示。

圖1 孝昌縣衛店鎮汪家灣地區1∶5萬水文地質簡圖(自測)

2 確定找水靶區及物探布置

研究區內存在一蘆葦蕩，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，推測地下水來源于深處，為遠源補給，地下水類型為構造裂隙水。汪家灣地區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作用明顯，根據地面露頭，巖層中裂隙發育，未見明顯泥質填充，推測導水性較好。由于有泉水出露，推測此處地下存在隱伏構造，為潛在富水地區，因此在此處布置物探測線，探測該找水靶區的地層結構及地層富水條件。該處選用音頻大地電磁法、激發極化法、高密度電阻率法、電阻率聯合剖面法四種物探方法進行聯合勘探，對比四種物探方法在基巖山區找水的優劣勢。

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和終點的高密度電阻率法、音頻大地電磁法和電阻率聯合剖面法測線，通過這三種方法確定鉆孔位置后，再以目標鉆孔位置進行激發極化法測深，確定含水層深度，如圖2 所示。

圖2 汪家灣地區高密度電阻率法、電阻率聯合剖面法、音頻大地電磁法測線布置圖

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、風化地層等，電阻率值相對較低，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 附近呈相對高阻，推測為裂隙不發育的變輝長輝綠巖，而地表里程950 m 附近呈現相對低阻，推測為裂隙發育的輝綠巖，因而推測此處為相對富水的裂隙集中發育區域。

圖3 汪家灣地區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 處呈現相對高阻現象，地表里程950 m 處呈現相對低阻，推測此處為巖體破碎區，同時可見，音頻大地電磁法有著更大的探測深度，可見其低阻延伸較深，推測該處為大型構造裂隙。

圖4 汪家灣地區音頻大地電磁法反演剖面圖

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

圖5 汪家灣地區電阻率聯合剖面法視電阻率曲線圖

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

根據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，以此處為目標進行激發極化法測深，探明該處垂向上的巖性變化。

激發極化法測深曲線圖(圖6)所示，在AB/2 ＝3 m 即深度為3 m 時，視電阻率存在一個最小值，隨后隨著深度的增加視電阻率不斷增加，該處激發極化法的視電阻率對地下含水層并沒有一個較好的反映。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 為表層風化裂隙水含水層，80 m 附近裂隙發育，富含基巖裂隙水，為目標找水層位。

圖6 汪家灣地區950 m 處激發極化法測深曲線圖

4 探采結合孔驗證

根據綜合物探技術方法解譯結果，在剖面950 m 處布置鉆孔ZK01，坐標31°20′29.86″N、113°54′39.03″E，鉆孔深度170.75 m，驗證物探結果和地層富水情況。

根據鉆孔取芯，0～14.28 m 為第四系覆蓋物和輝綠巖風化層，為風化裂隙含水層，初見水位11.3 m，與激發極化法測深曲線圖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°，蝕變普遍而強烈。該處裂隙發育，但并未在激發極化法測深曲線上有所反映。98.86～163.65 m 為碎裂狀輝綠巖，巖芯呈短柱狀或碎塊狀，破碎嚴重，蝕變強烈，推測為隱伏構造。該處裂隙發育，與激發極化法測深曲線圖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行抽水試驗。經抽水試驗，測得最大單位涌水量為0.1956 L/m·s，地層平均滲透系數1.85 ×10-4cm/s，屬于豐富富水性、中等透水地層。

該處找水達到預期目標，鉆孔揭露到該處裂隙集中發育的地下含水層。鉆孔結果也很好的驗證了物探結果。

5 討論

5.1 物探技術方法應用特點分析

通過孝昌縣衛店鎮汪家灣地區的多物探方法聯合勘探進行找水勘探實例，說明了高密度電阻率法、激發極化法、音頻大地電磁法、聯合剖面法四種物探方法在變質巖貧水山區找水中的不同特點:

(1)高密度電阻率法在揭示地層巖性、隱伏地質構造方面可以達到比較好的效果，可準確圈定異常區域，但對于部分多期構造疊加地區精確度有待加強。由于其呈現形式為二維平面圖，所反映的異常為區域異常，因而在找水打井的過程中，具體井位的選擇需要其他的輔助手段，或以經驗來判斷。由于極距和測線長度限制，高密度電阻率法的勘測深度較淺，對于一些區域深部構造，其往往做不到有效的識別。

(2)音頻大地電磁法作為一種剖面方法，其呈現形式也為二維平面圖，可同時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，有著更深的探測深度，對于那些區域性的深部隱伏構造有著很好的識別效果，對于這種由于深部隱伏構造導致的地下水富集具有很好的識別效果。

(3)聯合剖面法由于其橫向分辨率高，異常幅度大，且呈現形式為一維曲線的形式，因而其對于在平面上判斷異常的準確位置有著很好的指示作用，可以根據異常點的具體位置來選擇找水打井的鉆孔位置。但由于其并不能進行垂向上的異常識別，且異常幅度大，往往會對異常現象起到放大作用，因而還需結合其他方法來剔除干擾異常和識別垂向上的異常埋藏深度。

(4)激發極化法測深由于其為垂向上的異常識別，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。激發極化法測深在對淺層異常的識別上具有較高的精度，但由于其測量方式的限制，其識別單位深度往往呈指數上升，因而對于較深部的異常位置的識別有一定誤差。通過實際工作中發現，實際異常的埋深往往較測深曲線上識別的深部異常位置要偏深。

5.2 找水經驗總結

通過對上述四種方法的特點分析，以及孝昌縣衛店鎮汪家灣地區的找水實際情況，在變質巖區的實際找水工作中，建立“面-線-點”的找水工作模式，即通過野外面上調查，進行水文地質分析，尋找潛在富水區，在潛在目標富水區布置物探剖面，確定鉆孔位置點，再以鉆孔位置點為目標進行激發極化法測深，準確確定富水地層的埋深，確定鉆孔進尺。

對于野外面上調查中，有明顯構造現象出露，且地形條件較好的潛在富水區，這類地區的富水構造往往埋深較淺，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確定鉆孔位置。對于野外面上調查中，未見明顯構造現象出露的潛在富水區，這類地區的富水構造往往為深埋隱伏構造，因而可發揮音頻大地電磁法探測深部較深的優勢，選擇音頻大地電磁法作為剖面方法確定鉆孔位置。對于那些地質條件復雜，地層、構造條件多變的地區，還可增加電阻率聯合剖面法作為補充，發揮電阻率聯合剖面法異常幅度大、分辨率高的優勢，作為高密度電阻率法或音頻大地電磁法的補充，在剖面上準確定性，以電阻率聯合剖面法中的低阻正交點為依據，準確進行含水層在剖面上的位置的確定，提高識別準確率。在確定含水層埋深的時候，高密度電阻率法或音頻大地電磁法這類定量測量往往受解譯人的經驗影響較大，難以從剖面上直觀的判斷出低阻異常埋深，因而可通過激發極化法測深這種定性測深方式，以視電阻率或者視極化率的變化拐點為依據，來進行直觀的判斷，確定地下含水層的埋深，進行輔助判斷。

6 結論

(1)音頻大地電磁法在探測深度上具有較大優勢，對一些深部構造引起的地下水富集的低阻異常具有較好的識別效果。高密度電法在探測精度及效率上擁有較大的優勢，因而對淺層地下水富集的低阻異常具有較好的識別效果。

(2)聯合剖面法和激發極化法能有效確定鉆孔布設的平面位置和鉆進深度。聯合剖面法橫向分辨率高，異常幅度大，對于在平面上判斷異常的準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準確確定鉆孔位置。激發極化法測深對地層垂向上的巖性變化有著很好的識別作用，雖然在對深部異常的位置識別有一定誤差，但較于音頻大地電磁法和高密度電法更為直觀，因而可以用來輔助確定鉆孔深度。

(3)在變質巖區的實際找水工作中，建立“面-線-點”的找水工作模式。首先通過野外面上調查，進行水文地質分析，尋找潛在富水區，然后在潛在目標富水區布置物探剖面，確定鉆孔位置點，最后再以鉆孔位置點為目標進行激發極化法測深，準確確定富水地層的埋深，確定鉆孔進尺。這一工作模式為今后變質巖貧水山區找水提供了參考。