引用本文
屈利军, 李波, 周佩. 综合物探方法在湘中贫水山区找水中的应用[J]. 物探与化探, 2017,41(5): 835-839.
QU Li-Jun, LI Bo, ZHOU Pei. The application of multiple geophysical methods to water exploration in the arid areas of central Hunan Province[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(5): 835-839.
Doi:10.11720/wtyht.2017.5.07  
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综合物探方法在湘中贫水山区找水中的应用
屈利军1,2, 李波1, 周佩1
1.湖南省地球物理地球化学勘查院,湖南 长沙 410000
2.中国地质大学(武汉) 地球物理与空间信息学院,湖北 武汉 430070

作者简介: 屈利军(1988-),男,工程师,在职硕士研究生,主要从事电磁法勘探应用研究工作。

收稿日期: 2016-08-12
基金: 湖南省国土资源厅2016年矿山地质环境及水工环项目(湘财建指[2016] 56号)
摘要

湖南省隆回县荆枝村为典型贫水山区,其中龙潭组砂页岩大面积出露于村落四周,灰岩分布面积十分有限。为解决该地区饮水困难问题,在综合研究该区地形地貌特征和地质情况的基础上,投入高密度电阻率法、激电测深和音频大地电磁测深进行地下水资源勘查。通过靶区刷选,在典型异常处布设了3个钻孔,出水量分别为32 m3/d、347 m3/d和256 m3/d,有效解决了当地饮水问题,证明了综合物探方法在该地区地下水资源勘查中的重要性。

关键词: 高密度电阻率法; 音频大地电磁测深; 激电测深; 地下水勘探
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)05-0835-05
The application of multiple geophysical methods to water exploration in the arid areas of central Hunan Province
QU Li-Jun1,2, LI Bo1, ZHOU Pei1
1. Geophysical and Geochemical Institute of Hunan Province, Changsha 410000, China
2. Institute of Geophysics and Geomatics, China University of Geosciences, Wuhan 430070, China
Abstract

Longhui County in Hunan Province is a national poverty area. Jingzhi Village in this county has an arid area. Sandstone and shale of Longtan Formation are exposed extensively in the village, and the distribution of limestone is very limited in the northwest and the south. In addition, the relatively high ground level leads to surface water scarcity, which seriously affects the normal life of local villagers. To solve the problem of drinking water in this area, the authors carried out a comprehensive study of the topography and geological features of the area and, on such a basis, employed the high-density electrical method, AMT sounding and IP sounding methods and arranged drill holes ZK01, ZK02 and ZK03 These three holes all meet water, with the outburst water quantity being respectively 32 m3/d, 347 m3/d and 256 m3/d, thus solving the problem of drinking water. It is proved that the comprehensive geophysical method is effective in the exploration of groundwater resources in this area.

Keyword: high-density electrical method; audio magnetotelluric sounding; IP sounding; groundwater exploration
0 引言

目前用于找水的物探方法很多, 但由于各地区地质背景条件存在差异, 通过单一物探手段往往很难对隐伏地质构造取得充分的认识。为弥补其不足之处, 同时在一定程度上相互验证, 减少多解性, 对不同物探方法进行优化组合显得十分必要[1,2,3,4,5]。

湖南省隆回县是国家级贫困县, 该县所辖的桃洪镇荆枝村是典型的贫水山区。该区位于湖南省中部偏西南, 地处衡邵干旱走廊地带。工作区中部地势相对较低, 但主要分布二叠系龙潭组、孤峰组相对隔水层, 地下水主要靠大气降水直接渗入补给, 地表水渗入量十分有限, 多形成北东方向径流, 流失严重; 在工区西北分布有大冶组灰岩, 但该地段海拔较中部高约110 m, 地下水埋藏较深且汇水面积小; 栖霞组灰岩在该区南部分布面积亦十分有限, 南部平均海拔较中部高约52 m, 地下水埋藏相对较深, 在南部工作区外分布有下降泉, 最高流量可以达到 1.1 L/s。湖南省地质调查院在2012~2013年实施的《湖南重点岩溶流域水文地质环境地质调查》1∶ 5万滩头幅项目中, 初步查明了工区内地层以碎屑岩为主, 含贫乏基岩裂隙水, 穿过工作区中部的压扭性断裂为阻水断裂, 泉涌水量在0.18~0.231 L/s之间。

综上可知, 在该工作区内找水存在较大难度, 以往工作虽认为穿过工作区中部的压扭性断裂为阻水断裂, 含贫乏基岩裂隙水, 但对深部含水层分布特征、地下水系统边界及地下水补给途径等问题认识不够深入。因此, 为解决该地区饮水问题, 在水文地质填图工作基础上, 结合前人资料及地形地貌特征, 决定投入综合物探方法进行地下水资源勘查。

1 水文地质及地球物理前提
1.1 水文地质条件

测区总体地势呈现北、西、南三面高, 中间低特征, 地形高程一般281~455 m, 属剥蚀侵蚀构造地貌。在地表分水岭区范围内, 水体主要往北东方向径流, 汇集流量达5.5 L/s。工作区附近水系不发育, 除有季节性小溪外, 没有地表河流经过。

测区出露地层有三叠系下统大冶组(Td)灰岩, 二叠系上统大隆组(Pd)硅质岩、龙潭组(Pl)砂页岩、孤峰组(Pg)硅质岩夹页岩, 二叠系下统栖霞组(Pq)灰岩和石炭系上中统马坪组(Cmp)灰岩(图1)。

图1 工作区水文地质概况及测点布置

其中, 龙潭组砂岩、砂质页岩大面积出露于工作区中部, 与孤峰组薄层硅质岩呈断层接触关系, 孤峰组地层产状变化较大, 褶皱较发育, 含少量基岩裂隙水, 属相对隔水层; 栖霞组灰岩分布于工区南部, 属含水层, 与上覆孤峰组整合接触, 南部灰岩地层整体朝北西倾, 倾角6° ~22° 不等, 推测工区中部以南地下中深部也是灰岩, 埋藏深度有待深入研究。

构造方面, 区内除在西北角落有一NE— SW向斜外, 已知F1断裂从西延伸入工作区内, 为一压扭性断层, 倾向NW, 倾角84° , 上下两盘为二叠系龙潭组(Pl)和孤峰组(Pg)岩层。

1.2 地球物理特征

测区不同岩石电阻率统计见表1。其电性特征:栖霞组灰岩和马坪组白云质灰岩为高阻, 平均电阻率在2 000 Ω · m以上; 大冶组和孤峰组硅质岩为中高阻, 浮动于1 000~1 500 Ω · m之间; 大隆组硅质岩为中低阻, 平均电阻率为540 Ω · m; 龙潭组砂页岩则表现为低阻特征, 电阻率低于100 Ω · m; 不同地层岩石之间电性差异较大, 具备地球物理勘探前提。

表1 测区不同岩石电阻率

综合分析认为, 本次物探工作应以南部孤峰组下伏地层栖霞组灰岩为目标, 通过布置高密度电阻率法、音频大地电磁测深和激电测深寻找该地层中的断裂破碎带或岩溶发育带。

2 工作技术方法

测线共3条, 垂直地层及有利赋水构造走向布置, 由NW至SE依次穿过龙潭组、孤峰组和栖霞组地层, 分别编号6、8、10线, 测线距200 m, 点距 15 m, 方位角132° (见图1)。

首先针对浅部隐伏裂隙发育程度、分布特征, 投入重庆奔腾数控技术研究所研制生产WGMD-3高密度电阻率测量系统一套, 以点距15 m、施伦贝尔2装置进行高密度视电阻率法测量。后期利用RES2DINV二维反演程序中的最小二乘法进行反演。本次反演过程中通过反复迭代约束均方误差, 控制精度, 当误差达到允许范围内时停止迭代, 得到反演电阻率断面图 [6,7]。

在高密度视电阻率法测量成果基础上, 投入对称四极激电测深工作, 其点距为30 m, 供电极距AB/2为3~500 m, 观测延时200 ms, 供电周期16 s, 目的在于利用多参数对浅部有利低阻异常做进一步定性、定量解释[8,9,10]。

在此基础上结合水文地质工作, 遵循“ 由表及里、由浅入深、循序渐进” 的工作思路, 利用音频大地电磁测深技术对中深部空间进行探测, 一是验证浅部异常特征是否稳定可靠, 二来弥补常规电法在垂向有效探测深度方面的不足[11,12] 。工作仪器使用美国EMI公司和Geometrics公司联合生产的EH-4连续导电率成像观测系统, 观测模式为标量, TM方向, 点距30 m, 电偶极距30 m, 测频段10~100× 103 Hz。后期采用Procsamt软件对阻抗Z文件中个别突变数据进行圆滑或剔除, 选择中值滤波法进行静态位移改正, 最终利用美国ZONGE公司SCS-2D软件进行二维带地形反演。

3 成果解释
3.1 高密度电阻率法

图2为高密度电阻率法二维反演断面, 可以看出, 在6线0~300 m、8线和10线0~480 m测段视电阻率值小于100 Ω · m, 低阻特征连续稳定, 结合地表地质特征及岩石电性特征, 推断为龙潭组砂页岩引起。其余大号东南段整体电阻率相对高, 推断为上覆孤峰组和下伏栖霞组灰岩的综合反应。

此外, 在6线(345~405 m)、8线(630~660 m)和10线(585~615 m)测段, 地下20~60 m埋深位置, 均有一低阻异常, 异常值低于200 Ω · m, 平面上呈带状分布, 夹于两侧高阻之间。该异常位于已知F1下盘的孤峰组硅质岩中, 水平投影相距约100 m, 推断认为该异常为次级隐伏断裂构造引起, 将其编号为F2, 其总体走向77° , 倾向北, 倾角约82° 。

图2 工作区3条测线的高密度电阻率法二维反演断面

3.2 激电测深

根据高密度电阻率法剖面测量结果, 选择10线375~645 m测段投入激电测深工作, 探测结果(图3)表明, 其视电阻率高、低阻分布特征与高密度电阻率法基本一致, 在495 m两侧视电阻率差异呈阶梯变化特征。其中, 在AB/2在220~240 m之间, F1下盘灰岩中存在一相对高极化闭合异常, 异常呈带状分布, 到615 m位置过渡到背景值。推断高极化异常由岩溶裂隙发育、方解石和矿物质充填所致。

图3 工作区10线激电测深视电阻率(左)、视极化率(右)断面

3.3 音频大地电磁测深

在10线还开展了音频大地电磁测深测量(图4), 结果表明:在海拔220~280 m、470~530 m测段为中— 高阻闭合异常, 推断为孤峰组硅质岩。

图4 测区10线音频大地电磁测深二维反演电阻率断面(上)及地质推断解释(下)

受栖霞组灰岩和马坪组白云质灰岩影响, 剖面南部大片区域呈高阻特征, 但在375~675 m测段 0~200 m埋深内为低阻特征, 位于F1断层构造上下盘附近两侧, 认为该测段受F1断裂活动影响, 两侧裂隙最为发育, 地下水赋存条件良好。

4 钻孔验证

通过以上物探工作, 认为该区域受断裂构造影响, 富水地段主要受构造控制, 故针对F1断层和推测的隐伏次级断裂F2, 沿其走向两侧布设ZK01、ZK02和ZK03钻孔进行验证(见图1)。

ZK01位于F1上盘紧邻地表出露位置, 孔深150.5 m, 14.5~19.8 m为构造角砾岩, 即F1断裂, 其充填胶结较好。在地下61.0 m见到栖霞组灰岩, 栖霞组灰岩是主要含水层, 构造裂隙不甚发育, 出水量仅为32 m3/d。

ZK02和ZK03布设在下盘孤峰组中的隐伏断裂F2处。其中, ZK02孔深114.3 m, 含水岩组为二叠系栖霞组灰岩, 0~43.2 m为孤峰组, 43.2 m以下均为灰岩, 在56.1~60.7 m岩石较破碎, 岩溶裂隙发育, 据抽水试验结果, 静止水位4.1 m, 水位降深12.1 m, 出水量为347 m3/d。ZK03孔深110.2 m, 含水岩组为二叠系栖霞组灰岩, 0~31.9 m为孤峰组, 31.9 m以下均为灰岩, 在46.8~53 m岩石较破碎, 岩溶裂隙发育, 据抽水试验结果, 静止水位9.1 m, 水位降深16.2 m, 出水量为256 m3/d。

3个钻孔累计出水量达635 m3/d, 经取样分析, 水质符合生活饮用水标准, 不仅解决了该地区饮水问题, 还能提供部分灌溉用水。

5 结论

通过本次物探工作得到以下结论:

1)通过高密度电阻率法工作进行浅部探测, 结合不同地层岩石电性特征, 有效地圈定了下伏地层栖霞组灰岩顶界面的位置, 并推断了区内存在另一条隐伏断裂构造F2。

2)在有利低阻异常段投入激电测深工作, 其高、低阻分布范围, 特征基本与高密度电阻率法结果吻合。同时, 在F1下盘孤峰组浅-中部存在一带状闭合高极化异常。以此推断F1断裂附近裂隙相对发育, 分布特征受其控制。

3)利用音频大地电磁探测技术, 进一步效验证了已知F1断裂构造的产状和埋深范围。其上下盘深部低阻异常规模大, 强度高, 说明了勘查区内受断层活动影响, 在20~200 m埋深范围内, 推测岩溶裂隙较发育。

4)从地形地貌及地质图上初步分析该区为贫水区, 但通过物探工作及钻探验证, 最终获得635 m3/d岩溶裂隙水, 说明了综合物探方法在地下水资源勘查中的有效性, 也为其他类似地区找水提供了经验。

The authors have declared that no competing interests exist.

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