腾格里沙漠南缘不仅水文补给条件差,且“泥岩”普遍较为发育、厚度大,多数地区地下水资源极度匮乏,人畜饮水非常困难,为资源性缺水和水质性缺水问题同时存在的地区^[1]。近几年,当地政府相关部门也曾在区内施工了多个水文钻探孔,但效果不太理想, 严重影响了当地群众的生产、生活质量,制约了当地政府的农牧业发展与生态建设战略^[2]。常规电阻率测深法作为一种较为成熟的水文物探找水方法,在大部分地区取得了显著的找水效果,但由于方法本身存在“多解性”的局限,往往容易在地质、水文地质条件较为复杂的地区出现误判。笔者在详细研究区域地质、水文地质特征和电性参数特征的基础上,对电阻率测深曲线的细微变化进行了精细的定性、定量综合解释,划分出了相对富水区段,有效地克服了“多解性”的局限,该项成果为实现阿拉善盟其他严重缺水区的找水突破提供了有益的借鉴和示范效应。

腾格里沙漠南缘的温都尔勒图镇、腾格里额里斯镇、嘉尔嘎勒赛汉镇行政区划属阿拉善盟阿拉善左旗,地处甘肃、宁夏、内蒙古三省区交界地带,为阿拉善高原西南、腾格里沙漠南部边缘干旱荒漠区。区内降水量小,蒸发量大,属典型的大陆性干旱气候。区内无地表水,地下水资源也非常贫乏,且多水质较差(矿化度多大于3 g/L)。

区域地下水的赋存与分布严格受地形条件、地层岩性、构造、地貌等因素控制。地下水按含水介质可分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水及基岩裂隙水三类。

松散岩类孔隙水主要赋存在腾格里沙漠及第四系沟谷中,多见一些“小而浅”的民井,单井涌水量一般小于100 m³/d,矿化度多在3.0 g/L以上。

碎屑岩类裂隙孔隙水主要赋存在新近系地层中,碎屑岩粒度混杂,泥质含量高,多为隔水岩层,只部分砂岩、砂砾岩可构成含水层,也分布不稳定、不连续,所见已知井亦极少,单井涌水量多小于100 m³/d,矿化度多在2.0 g/L以上。

基岩裂隙水主要赋存在基岩风化裂隙和构造裂隙中,由于基岩长期裸露地表,地形陡峻,基岩风化壳保存困难,故富水性较差。

由区域内各主要地层或岩性的电性参数特征(表1)可知,隔水层(非含水层或微含水层)与含水层之间的电阻率存在一定的电性差异,具备地球物理勘探前提^[3],可以通过对电阻率测深曲线的定性、定量解释,划分出含水层在垂直断面上的分布范围、深度、厚度及其相对富水程度。

结合水文地质调查成果进行综合分析,认为本次水文物探工作的主要目标层位应是新近系砂岩、砂砾岩与泥岩互层这一层位,可通过电阻率测深工作在新近系地层中寻找相对高阻层,从而达到寻找砂岩、砂砾岩层相对较厚区段的目的^[4]。

野外工作采用常规垂向对称四极测深法,以剖面工作为主,剖面方向垂直主构造线走向或沟谷走向布设。基本点距100 m或200 m,局部地段进行加密。观测参数为视电阻率ρ_s,最大供电极距AB=1 500 m。对测深曲线进行定性、定量精细综合解释,解释结果为各电性层的电阻率、岩性、厚度及其相对富水性。

红湾子位于温都尔勒图镇东北方向约25 km处。区内地表为第四系含砂砾壤土层所覆盖,局地见新近系红色泥岩出露,厚度不详,下伏地层不详(附近无水文孔及相关资料),外围见有三叠系地层零星出露(图1)。区内构造总体不太发育,只在其外围见2条呈NW向展布的正、逆断层,且局部被第四系地层所覆盖。在区内布置了2条测深剖面(Ⅴ、Ⅵ)。

Ⅴ、Ⅵ两条测深剖面各点曲线类型多为HK、KHQ型^[5]。在对部分较薄电性层进行合并处理后,结合区域地质、水文地质特征和电性特征,该区可大体分为4个电性层(图2):第一层ρ₁=32~46 Ω·m,为第四系含砂砾壤土层的反映;第二层ρ₂=147 Ω·m,为第四系砂砾石层的反映;第三层ρ₃=24~65 Ω·m,为砂砾岩夹薄层泥岩的反映;第四层ρ₄=25 Ω·m,为砂岩与泥岩互层的反映。

从Ⅵ剖面等视电阻率断面图(图3a)上看:在AB/2小于65 m时,剖面东南部视电阻率相对较底,多在30 Ω·m左右,最低处小于20 Ω·m,西北部视电阻率相对较高,多在120 Ω·m以上,最高达300 Ω·m以上;之后随着供电极距AB/2以及勘探深度的增大^[6],视电阻率呈小幅下降趋势,由50 Ω·m左右逐渐降到了30 Ω·m以下,局部降到了20 Ω·m以下。

从由各条电测深曲线反演解释求取的各电性层电阻率值及其厚度绘制的地电断面图^[7](图3b)中可以看出:Ⅵ剖面浅地表电性层电阻率变化较大, 在10~800 Ω·m之间,厚1~4 m不等,推测为第四系含砂砾壤土层的反映,基本不含水。第二电性层电阻率总体较高,在120~600 Ω·m之间,厚2~25 m不等,且总体上东南薄西北厚,推测为第四系砂砾石层的反映,微含水(该电性层458~489点之间缺失)。第三电性层电阻率在20~120 Ω·m之间,埋深5~50 m不等,厚度、底板形态变化较大,最薄处厚约45 m(在510点附近),最厚处未见底(在530点附近),推测为砂砾岩夹薄层泥岩的反映,含(或弱含)水。第四电性层电阻率相对略低一些,在18~25 Ω·m之间,顶板埋深变化较大,未见底,530点附近缺失该层,为砂岩与泥岩互层的反映,含(或弱含)水,且当其阻值相对较高时,说明砂岩、砂砾岩层相对较厚,泥岩相对较薄,其渗透性、含水性相对更好^[8,9,10]。另外,在540~560点间第四电性层为相对低阻层,电阻率在8~13 Ω·m之间,推测为泥岩、砂质泥岩的反映,基本不含水。综合分析认为第三、第四电性层为该区的主要含水层。

为进一步确定相对含水层位的稳定性及顶板埋深,又在Ⅵ线500点及旁侧50 m处进行了“十字测深”,并将供电极距AB/2加大到了750 m,结果显示“第三、第四电性层”较为稳定。

Ⅵ线500点上WK3孔的验证结果显示:涌水量670 m³/d,静止水位埋深15.4 m;深度80 m之下为砂岩与泥岩互层,浅地表至80 m之间为砂砾岩夹薄层泥岩,与解释推断成果基本一致。

甘员井位于温都尔勒图镇西北方向约30 km处,地表多为第四系含砂砾壤土层所覆盖,厚度不详,下伏地层不详(附近无水文孔及相关资料,见图1)。北部为寒武系中统地层出露区,表现为正地形;南部见有三叠系地层零星出露,地形起伏不大。区内构造总体不太发育,只在其外围见有2条呈NWW、近EW向展布的逆断层。先在区内布置了2条测深剖面(ⅩⅥ、ⅩⅦ)。

ⅩⅥ、ⅩⅦ两条测深剖面相距约1 km,地形、地质特征类似,测深曲线形态、类型亦类似,但定性、定量综合解释结果差异较大^[11,12,13]。认为ⅩⅥ剖面在80 m之下为新近系含水砂岩夹薄层泥岩,ⅩⅦ剖面在50 m之下为三叠系不含水砂岩地层。鉴于此,又在其间布设了ⅩⅩ剖面佐证,以排除干扰因素影响,避免以曲线论曲线^[9]。结果显示,ⅩⅥ、ⅩⅩ两剖面的曲线特征及解释成果类似(图4)。

从ⅩⅩ剖面等视电阻率断面图(图4a)上看:小极距时视电阻率值相对较低,多在30 Ω·m左右,最低(340点附近)仅17.40 Ω·m;其后视电阻率值逐渐增大,形成相对较厚的高阻层,局部地段在供电极距AB/2为65 m时增至66 Ω·m;AB/2大于150 m后视电阻率值又逐渐降低,多数在AB/2为500 m时降到了30 Ω·m以下。

从其地电断面图上可以看出,浅地表层的电阻率变化较大,多在7~130 Ω·m之间,厚1~5 m不等,推测为第四系含砂砾壤土层的反映,基本不含水;第二电性层电阻率多在35~90 Ω·m之间,总体上具有从西到东逐渐变薄的趋势,西端最厚可达150 m,东端最薄处为70 m,推测为砂岩夹薄层砂砾岩、泥岩的反映,为弱含水;第三电性层电阻率最低,在20~26 Ω·m之间,顶板埋深变化较大,总体上具有从西到东逐渐变浅的趋势,厚度较大且未见底,推测为砂岩夹薄层泥岩的反映,认为是该区的主要含水层,且当其阻值相对较高时,说明砂岩相对较厚,颗粒较粗,其渗透性、含水性亦相对较好^[14,15]。

从ⅩⅦ剖面视电阻率断面图(图4b)上可以看出视电阻率等值线形态与ⅩⅩ剖面基本类似,从地电断面图(图4b)上看,浅地表层的电阻率变化较大,多在15~280 Ω·m之间,厚2~6 m不等,推测为第四系含砂砾壤土层的反映,基本不含水。第二电性层电阻率多在30~140 Ω·m之间,厚度变化较大,360点处最薄为40 m,380点处最厚为75 m,推测为砂岩夹薄层砂砾岩、泥岩的反映,认为弱含水。第三电性层电阻率较为稳定,多在40~50 Ω·m之间,顶板埋深变化较大,未见底,结合地质、电性参数特征综合分析认为,该层为三叠系完整砂岩的反映,不含水。

ⅩⅥ、ⅩⅩ剖面各点测深曲线多为AK型,大体可分为四个电性层,且ρ₁<ρ₂<ρ₃>ρ₄。以ⅩⅩ线310点为例(图5)综合解释如下:第一层ρ₁=8 Ω·m,为第四系含砂砾壤土层的反映;第二层ρ₂=53~77 Ω·m,为砂岩夹薄层砂砾岩、泥岩的反映;第三层ρ₃=23 Ω·m,为砂岩夹薄层泥岩的反映。结合电性参数特征分析,电阻率在23 Ω·m左右的砂岩夹薄层泥岩,总体上砂岩相对较厚,颗粒较粗,含水性相对较好,故认为第三电性层为该区的主要含水层。

为进一步确定富水性相对较好的“砂岩夹薄层泥岩”的稳定性及顶板埋深,在ⅩⅩ线310点及旁侧50 m处进行了“十字测深”,并将供电极距AB/2增大到了750 m,结果显示“砂岩夹薄层泥岩”层位较为稳定。

Ⅵ线310点WK8孔的验证结果显示:该井涌水量达357 m³/d,静止水位埋深95.1 m,且85 m之下的砂岩夹薄层泥岩为主要含水层,浅地表至85 m之间为砂岩夹薄层砂砾岩、泥岩,弱含水,与电阻率测深解释推断成果基本一致。

依据电阻率测深成果,在温都尔勒图镇施工了钻孔WK4、WK5、WK6、WK7,在腾格里额里斯镇施工了ZK7、ZK15、ZK17、WK19,在嘉尔嘎勒赛汉镇施工了ZK04、ZK18、ZK20,涌水量均在130 m³/d以上,取得了较好的找水效果。

腾格里沙漠南缘干旱荒漠区所进行的常规电阻率测深工作总体上来说较为成功,而且充分发挥了常规电阻率测深法轻便、经济的特点。

1) 测深剖面工作布置、综合解释,应在充分了解地形、地质、水文地质特征的基础上进行,同时要注意目标层视电阻率值高低的细微变化,以便通过精细解释推测相对富水层位和区段。

2) 类似的测深曲线、视电阻率断面有可能反映不同的地质、水文地质特征,只有把地质、水文地质特征与电性参数特征有机结合起来,测深曲线的定性、定量精细综合解释才会更加接近实际。

3) 新近系为一套砂岩、砂砾岩与泥岩(普遍较厚)互层的地层,当泥岩厚度较大时,含水性较差,电阻率趋近于泥岩呈相对低阻;当砂岩、砂砾岩厚度较大时,电阻率趋近于砂岩、砂砾岩呈相对高阻,含水性亦随砂岩、砂砾岩厚度的增大而变好。