渝东南地区出露地层除缺失第三系地层外, 从青白口系板溪群至第四系地层皆有出露, 主要为沉积岩。地层岩性以三叠系、二叠系、奥陶系、寒武系碳酸盐岩为主。渝东南地区为川鄂湘黔隆起褶皱带(金佛山穹褶束、武隆凹褶束、黔江凹褶束、秀山穹褶束), 川鄂湘黔隆起褶皱带位于川东褶皱带的东南侧, 褶皱轴线由一系列彼此平行的北东向背斜和向斜相间组成。主要褶皱规模较大, 延伸远, 轴线长度一般数十公里以远, 七曜山背斜轴线全长达 300 km, 总体轴向呈北东向的弧形。区内大断层沿构造走向发育, 共发育7条规模较大的断裂:马武山正断层、旦子岩正断层— 郁山正断层— 胜地坝逆断层、筲箕滩冲断层、马喇湖— 咸丰正断层、马家厂正断层、三阳枢纽断层、新华枢纽断层, 走向NE。

渝东南含水岩组统计结果见表1。

表1

表1

表1 渝东南含水岩组统计 分布地层 岩性 厚度/m 岩溶发育情况 三叠系下统嘉陵江组(T1j) 灰岩、生物碎屑灰岩、白云质灰岩 300~800 岩溶发育 三叠系下统大冶组/飞仙关组(T1d/ T1f) 以灰岩、生物灰岩、鲕粒灰岩为主, 顶部 及下部夹钙质页岩; 泥页岩夹灰岩。 380~480 灰岩中岩溶发育 二叠系上统长兴组、中统茅口、栖霞组 (P3c、P2q、P2m) 灰岩、生物碎屑灰岩、含燧石结核灰岩 170~370 岩溶发育 奥陶系下统桐梓组、分乡组、红花园组 (O1t、O1f、O1h) 龟裂纹灰岩、瘤状灰岩、生物碎屑灰岩 266~485 岩溶发育 寒武系下统清虚洞(∈ 1q) 白云岩、白云质灰岩 150~293 岩溶发育一般 奥陶系中统高台组(∈ 2g) 灰岩、白云质灰岩 54~70 岩溶较发育 奥陶系中统平井组(∈ 2p) 白云质灰岩, 钙质白云岩 330~490 岩溶发育一般 奥陶系上统耿家店组(∈ 3g) 竹叶状、角砾状白云岩 296~379 岩溶较发育 奥陶系上统毛田组(∈ 3m) 灰岩、钙质白云岩、白云岩 118~205 岩溶发育 三叠系中统雷口坡组(T2l) 灰岩、白云岩夹盐溶角砾岩及砂质泥岩, 含石膏、岩盐 0~400 岩溶发育一般 奥陶系中上统(O2+3) 龟裂纹泥质灰岩、瘤状灰岩、粉砂质页岩夹生物碎屑灰岩 26~95 岩溶较发育 奥陶系下统大湾组(湄潭组)(O1d/O1m) 生物灰岩夹泥质灰岩、页岩 40~70 岩溶不发育

表1 渝东南含水岩组统计

渝东南大部属于裸露型岩溶区, 区内溶蚀漏斗大量分布, 岩溶强烈发育, 含水岩组埋藏较深, 规律性较差, 单凭地质、水文地质条件分析一般是不能准确确定含水层位置和井位的, 而应用物探方法与之配合进行勘查分析, 能取得事半功倍的效果^{[5, 6, 7]}。

大量的生产实践证明, 高密度电阻率法在岩溶区找水中效果明显^{[8, 9, 10, 11]}。

2013年、2014年, 重庆市先后完成了渝东南8个工区75条高密度电法测线的物探岩溶找水工作并实施了57眼钻孔, 积累了丰富的岩溶石山地区找水经验。依据高密度电法成果及钻孔成井情况, 统计渝东南岩溶石山地区高密度电法定孔找水成功率(表2), 地质物探综合应用成井率为66.67%(包含直接、间接应用高密度电法成果), 单一地质方法成井率为42.86%(包含未应用高密度电法成果、未实施物探工作)。

表2

表2

表2 渝东南岩溶地区找水成功率统计 工作类型 成井孔数/个 失败孔数/个 成功率/% 直接应用物探成果 20 9 68.97 间接应用物探成果 4 3 57.14 未应用物探成果 6 7 46.15 未做物探工作 3 5 37.50 注:1) 钻孔50 m3/d以上出水量为成功并最终成井; 2) 物探推断异常范围内钻孔为直接应用; 3) 物探推断异常顺构造、岩溶走向外推50~100 m钻孔为间接应用

表2 渝东南岩溶地区找水成功率统计

统计结果表明:①合理利用物探成果可以提高岩溶石山地区找水的成井率; ②物探成果间接应用效果一般, 间接反应了渝东南岩溶发育的不均匀性; ③高密度电法仅得到电阻率参数, 无法判断溶蚀区的充填(充水、充泥或半水半泥)情况, 降低了依据其解译成果定孔的成井率; ④钻孔的成井率跟最低侵蚀面与终孔高程差关系密切, 最低侵蚀面高程大于钻孔终孔高程的钻孔成井率为79.2%, 最低侵蚀面高程小于钻孔终孔高程的钻孔成井率为28.0%; ⑤视电阻率< 1 000 Ω · m的储水构造含水概率为50%。

四极装置具较高的施工效率和抗干扰能力, 在实践中应用最为广泛。三电位电极系是最常用的四极装置^[13](图1)。三电位电极系是将等间距的对称四极、偶极-偶极及微分装置按照一定方式组合构成的一种测量系统。

图1

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	图1 三电位电极系电极装置示意

为了解三电位电极系不同装置对岩溶储水构造的探测效果, 先对储水构造的地球物理模型进行了正演计算, 获得温纳、偶极-偶极和微分装置的正演计算结果, 再对其进行反演成图, 最终对比分析不同装置的反演效果。图2为储水构造简化模型示意, 首层电阻率为500 Ω · m, 层厚为点距的0.5 倍, 层厚度增加系数 1.1, 电阻率取值则分别有针对性地模拟了直立状充水断层破碎带(100 Ω · m)、充填型地下溶洞(100 Ω · m)、起伏基岩(3 000 Ω · m)等 3 种不同的地质条件。

图2

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	图2 储水构造电阻率模型示意

图3为模型正反演电阻率断面, 反演结果明显优于正演计算成果, 这也进一步说明了解释工作应优先以反演结果为主要对象。从各装置模型正演模拟情况来看, 偶极-偶极装置整体分辨率和探测灵敏度均较高, 温纳装置次之, 微分装置最差。对起伏基岩面的探测效果:温纳装置> 偶极-偶极装置> 微分装置; 充水断层破碎带的探测效果:偶极-偶极装置> 微分装置> 温纳装置; 充填型地下溶洞的探测效果:偶极-偶极装置> 微分装置> 温纳装置^[13]。三种装置的电极排列方式不同, 其抗干扰能力排序为:温纳装置> 微分装置> 偶极-偶极装置; 三种装置中温纳装置受地形影响小, 微分装置次之, 偶极-偶极装置受地形影响最大^[15]。

图3

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	图3 模型正演计算和反演电阻率剖面

综合考虑3种装置对含水构造的灵敏度大小, 以及测区地形起伏大、复杂的地质构造可能产生极大的自然电位^[14]和各装置抗干扰能力等情况, 采用微分装置进行岩溶石山地区的物探找水工作。野外测量过程中采用5 m电极间距、120道、595 m排列长度, 使用DUK-2A型高密度电法测量系统采集数据, 骄佳电法软件进行反演解释(反演迭代次数一般为1~2次)。

依据渝东南岩溶石山地区岩溶发育特征、储水情况、埋藏深度, 将该地区0~150 m内的储水构造划分为3种类型。

其一为溶蚀裂隙。溶蚀裂隙分布广泛, 由原生构造裂隙伴随后期溶蚀而形成。碳酸盐岩出露区皆有分布, 为构造裂隙经地表水、地下水溶蚀而成, 其空间分布规律与构造裂隙一致。裂隙结构面经溶蚀后, 改变了原有特征, 多具波状起伏, 凹凸不平的特点, 宽度亦加大, 最宽可达数十厘米, 一般均有黏土半充填。沿溶蚀裂隙常可发育成溶沟或溶槽, 局部则可逐渐扩大成溶洞。据以往钻探资料, 溶蚀孔洞主要发育于相对较深的部位, 各类碳酸盐岩皆可发育。区内多为裸露型岩溶地区, 产状平缓地带、山垭口地带, 浅表层岩溶带^[12]相对较发育。

另一种为溶洞及岩溶管道。该类型储水构造的发育与断裂、裂隙、地层岩性、构造有关, 是地下水沿着可溶性岩石的层面、节理或断层进行溶蚀和侵蚀而成的地下水储存空间和运移通道。区内溶洞及岩溶管道主要顺层方向发育, 地表可见的有干溶洞、出水溶洞、进水溶洞、落水洞、漏斗及竖井。

第三种是构造裂隙。构造裂隙作为岩溶水的赋存介质, 主要见于向斜纵张裂隙带、背斜倾伏端裂隙发育带、 断层裂隙带^[9]。区内断裂多分布于碳酸盐岩区, 由于断层影响, 地层破碎, 加速了岩溶化作用, 岩溶水在断裂带附近富集, 地表岩溶发育, 岩溶洼地、落水洞、漏斗沿断裂带呈串珠状分布。

渝东南岩溶储水构造电阻率值范围大多在 40~2 000 Ω · m之间, 背景电阻率值范围在2 000~10 000 Ω · m之间。依据统计结果, 常见的电阻率异常形态有四类:①表层横向条带状低阻异常; ②U、V型低阻异常; ③团状或囊状低阻异常; ④串珠状低阻异常。

5.1 表层横向条带状低阻异常

表层横向条带状低阻异常为渝东南高密度电阻率法最为常见的一种异常类型, 其特征为:由地表至完整基岩面的低阻-高阻渐变形态, 边界模糊, 异常横向延伸、纵向略有起伏, 总体呈横向渐变的条带状低阻异常。此类物探异常特征对应两类灰岩地区地质模型:①浅表层溶蚀裂隙发育带; ②第四系覆盖层及强风化基岩。渝东南地区大部属于裸露性岩溶区, 第四系覆盖层主要分布于坡、麓以及河谷地带, 厚度较薄, 一般在50 m以内, 物探成果结合地表可见的地质情况, 一般容易区分浅表层溶蚀裂隙发育带及第四系覆盖层(图4)。

图4

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	图4 地表可见的浅表层岩溶

图5为酉阳毛坝盖WT3二维反演电阻率断面, 图中可见表层横向条带状低阻异常。推断该异常为表层溶蚀裂隙发育带所致并推荐两个孔位, 最终确定在表层横向条带状低阻异常与高阻背景区之间进行钻孔, 钻孔深度129.2 m, 出水量90 m³/d, 预计解决当地1 000人的生活用水问题。

图5

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	图5 酉阳毛坝盖WT3二维反演电阻率断面

5.2 “ U” 、“ V” 型低阻异常

“ U” 、“ V” 型低阻异常为渝东南高密度电阻率法常见的异常类型, 其特征为:开口向上呈“ U” 、“ V” 字形态, 异常向上延伸至地表并常与表层横向条带状低阻异常带连通, 向下延伸至高阻背景区或贯穿整个电阻率等值线, 异常中心一般仅有一个极小值, 偶见多个极小值。此类物探异常对应两类灰岩地区地质模型:①构造裂隙被溶蚀拓宽形成的溶蚀沟槽(常见于沟谷内); ②断层及其影响带。

图6为秀山龙池WT3高密度二维反演结果, 图中可见“ V” 字型低阻异常, 推断该异常为溶蚀形成的沟槽并被低阻物质充填所致。物探推荐一个孔位, 最终综合实地地质情况及地形条件, 在“ V” 字异常一侧并偏离测线30 m处打钻, 钻孔深度118.6 m, 出水量70 m³/d。

图6

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	图6 秀山龙池WT3二维反演后电阻率等值线

图7为酉阳丁市WT8-1、WT8-2测线布置示意, 图8、图9分别2条测线的二维反演电阻率断面, 两张图中都可见“ V” 字型异常, 并且异常开口的中心位置与推断断层位置重合, 推断该异常为断层及其影响带被低阻物质充填所致。物探推荐3个孔位, 最终在WT8-1测线V字型异常中心钻孔, 钻孔深度97.2 m, 未出水。钻孔柱状图中显示:0~55 m段灰岩及泥质灰岩, 裂隙较发育, 岩芯多呈碎块状, 其中54.46~56.26 m为一干溶洞, 含大量泥沙; 55~97.2 m段裂隙较发育, 岩芯整体较不完整, 多呈碎块状及短柱状。由此可见高密度电法找水的缺点:仅依据电阻率参数, 无法判断溶蚀区的充填(充水、充泥或半水半泥)情况, 降低了定孔的成井率。

图7

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	图7 酉阳丁市WT8-1、WT8-2测线布置示意

图8

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	图8 酉阳丁市WT8-1二维反演后电阻率等值线

图9

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	图9 酉阳丁市WT8-2二维反演后电阻率等值线

5.3 团状或囊状低阻异常

团状或囊状低阻异常特征为:圈闭或半圈闭的团状或囊状形态, 边界比较清晰, 向上可延伸至地表与其他类型异常重合, 向下延伸至高阻背景区, 异常中心有一个或多个极小值、偶见相对高阻的极大值。此类物探异常对应三类灰岩地区地质模型: 溶洞、岩溶管道以及多个溶洞、岩溶管道的复杂组合。

图10为2014年8月所测的秀山龙池WT1线电阻率二维反演结果, 使用重庆地质仪器厂的DUK-2A测得剖面数据, 使用骄佳电法反演软件进行反演。图中间可见一个半圈闭的团状异常, 异常中心有一个高阻极大值, 推断该异常为多层溶洞或多个溶蚀区组合并被低阻物质充填所致。物探推荐3个孔位, 最终综合地质情况及地形条件, 在团状异常中心钻孔, 钻孔深度 125.6 m, 出水量357 m³/d。

图10

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	图10 秀山龙池WT1二维反演电阻率断面

5.4 串珠状低阻异常

串珠状低阻异常是在渝东南较少见的一种类型, 其特征有两点:①圈闭的豆荚状, 包含多个异常中心且异常中心大致呈一条直线; ②多个细小的团状低阻异常大致呈直线排布。此类物探异常对应灰岩地区地质模型:岩溶顺层发育, 在不同深度处形成溶洞或强烈溶蚀区。

图11为酉阳龙潭河WT5线电阻率二维反演结果, 图中间可见一个圈闭的豆荚状异常, 推断该异常为多个溶洞或多个溶蚀区组合并被低阻物质充填所致。最终综合实地地质情况及地形条件, 在豆荚状异常2/3处钻孔, 钻孔深度151.5 m, 出水量227 m³/d。钻孔柱状图中显示36.50~38.20 m、86.50~86.60 m、141.5~143.5 m、145.8~148.2 m发育规模较大的构造裂隙和溶蚀裂隙, 有少量方解石填充, 是该水井的主要含水段。

图11

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	图11 酉阳龙潭河WT5二维反演电阻率断面

高密度电法兼具电剖面和电测深优势, 具有勘测精度高、成本低、效率高、信息丰富、 解释方便等特点, 是渝东南岩溶山区找水的首选物探方法; 合理利用物探成果可以提高岩溶石山地区找水的成井率。通过对渝东南岩溶石山地区找水中8个工区57眼钻孔75条高密度电法测线成果的分析, 得出如下结论:

1) 岩溶石山地区物探成果间接应用效果一般, 间接反应了渝东南岩溶发育的不均匀性。

2) 视电阻率< 1 000 Ω · m的储水构造含水概率约为50%。

3) 高密度电法仅得到电阻率参数, 无法判断溶蚀区的充填情况(充水、充泥或半水半泥), 降低了依据其解译成果定孔的成井率。

4) 渝东南岩溶储水构造有三类:溶蚀裂隙、溶洞及岩溶管道、构造裂隙及其影响带。

5) 高密度电法异常特征有四类:表层横向条带状低阻异常、U、V型低阻异常、团状或囊状低阻异常、串珠状低阻异常。每一类异常特征对应1~3种岩溶储水构造模型, 该地区的高密度电法成果中包含多种低阻异常类型, 使得物探解译较为困难。

6) 三维高密度电法和混合装置有助于提高电法勘探的解释精度。

目前使用的高密度电法仪器装置受道距、排列长度和山区电法装置不宜笨重的限制, 其勘探深度通常仅百余米。遥控电极阵列^[18]及多极距梯度电测深^{[19, 20]}的组合方式可使高密度电法能探测深度150~300 m的岩溶储水构造, 是今后岩溶地区电阻率法勘探的一个研究方向。

由于岩溶地区的储水构造大多为三维地质体, 并非理论上的二维模型, 三维电法勘探技术可弥补传统二维高度电法勘探不足之处, 是今后岩溶地区找水的另一个研究方向。

建议对渝东南岩溶储水构造三类地质模型和四类高密度电法异常形态进一步开展综合研究和电法理论模拟研究, 逐步建立渝东南岩溶储水构造研究岩溶储水构造的地质-地球物理模型; 同时, 对渝东南岩溶储水构造开展其他电法勘探工作, 如直流激点测深、核磁共振、瞬变电磁等方法, 进一步总结渝东南岩溶储水构造的物探电性特征, 为今后岩溶石山地区的综合物探找水工作提供工作指导。