综合电法在岩溶山区地下水勘探中的应用——以湖南怀化长塘村为例
The application of electrical prospecting method to groundwater exploration in karst mountainous areas:A case study of Changtang Village, Huaihua area, Hunan Province
责任编辑: 沈效群
收稿日期: 2019-02-19 修回日期: 2019-11-19 网络出版日期: 2020-02-20
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Received: 2019-02-19 Revised: 2019-11-19 Online: 2020-02-20
作者简介 About authors
邬健强(1990-),男,实习研究员,2016年毕业于中国地质大学(武汉)地球探测与信息技术专业,主要从事岩溶灾害及地下水勘探方法研究工作。Email:wjqkarst@karst.ac.cn 。
岩溶山区水文地质条件复杂,地下水的分布规律对不同的物探方法可能存在不同的响应特征。综合采用高密度电阻率法和音频大地电磁法,在湖南怀化长塘村进行找水勘探,综合勘探结果很好地指示出异常特征和比较具体的异常位置。推断结果与钻井结果基本一致,最大涌水量大于146.88 m 3/d/。此次成果表明:对称四极反演结果能有效对地下横向电阻率的变化进行响应,且纵向上能够利用电阻率测深曲线(单支曲线)进行分层;音频大地电磁法探测深度大,能有效对地下断层构造进行响应。
关键词:
The hydrogeological conditions in karst mountainous areas are complex, and the distribution of groundwater may have different response characteristics to different geophysical methods. In this paper, the high density resistivity method and audio magnetotelluric method were synthetically used to study the application of groundwater exploration in Changtang Village, Huaihua area. The comprehensive exploration results are better indicate the anomalous characteristics and specific anomalous locations. The inferred results are basically consistent with the drilling results, and the maximum water inflow is greater than 146.88 m 3/d。The study results show that symmetrical four-pole sounding inversion can effectively respond to the changes of underground transverse resistivity, and the resistivity sounding curve (single branch curve) can be used to make stratification vertically, the results of stratification are basically consistent with the results of drilling.The audio magnetotelluric method has a large detection depth and can effectively respond to subsurface fault structures.
Keywords:
本文引用格式
邬健强, 赵茹玥, 甘伏平, 张伟, 刘永亮, 朱超强.
WU Jian-Qiang, ZHAO Ru-Yue, GAN Fu-Ping, ZHANG Wei, LIU Yong-Liang, ZHU Chao-Qiang.
0 引言
文中以地处岩溶山区的湖南怀化长塘村为例,为了解决当地的灌溉水和饮用水问题,综合采用高密度电阻率法和音频大地电磁法进行了优化组合找水应用研究。通过对两种方法所得结果的综合讨论与分析,相互验证,确定井位并成功出水,最大涌水量大于146.88 m3/d。
1 测区概况
1.1 测区水文地质特征
表1 地层岩性一览
Table 1
地层 | 地层代号 | 岩性 |
---|---|---|
第四系 | Q | 暗灰色砂质黏土,黏质砂土,砂卵石层 |
二叠系下统茅口组 | P1m | 浅灰色厚层状灰岩、白云质灰岩,含少量硅质团块 |
二叠系下统栖霞组灰岩段 | P1q2 | 灰、深灰色厚层灰岩、白云质灰岩,含硅质条带、团块 |
二叠系下统栖霞组含煤段 | P1q1 | 灰白色中细粒石英砂岩,黏土岩夹黑色页岩 |
石炭系上统船山群 | C3ch | 浅灰白色中~厚层状灰岩、白云质灰岩,泥质灰岩 |
石炭系中统黄龙群 | C2hn | 灰、灰白色厚层灰岩、白云质灰岩及白云岩 |
震旦系下统南沱冰碛岩组 | Zant | 含砾粉砂岩,冰碛砾岩,泥砾岩 |
马底驿组第三段 | Ptbnm3 | 灰色绢云母粉砂质板岩,灰、灰黑色含炭凝灰质板岩 |
图1
1.2 测区地球物理特征
通过野外踏勘可知测区内出露地层依次为:上部为第四系覆盖物(Qh)——褐灰色粉砂质黏土、粉质砂土及砂卵石层,厚度在8 m左右;底部为石炭系黄龙群(C2hn)白云质灰岩。土层及岩石的电阻率变化见表2。地下介质除卵石层和灰岩层电阻率较高外,其他介质电阻率均很小。但随着地层岩性变化、岩石风化程度等不同,介质电性的差异也会发生改变。根据地层岩性及水文地质条件分析,测区内的含水地层为碳酸盐岩岩溶含水层,为相对低阻区,而且在音频大地电磁法(EH-4)的电阻率等值线断面图上会有低阻的异常圈闭反映。综上所述,本测区存在地球物理勘探前提。
表2 电阻率物性参数统计
Table 2
介质类型 | 变化范围/(Ω·m) | 平均值/(Ω·m) |
---|---|---|
黏土 | 0.1~55 | 25 |
卵石 | 35~300 | 150 |
白云质灰岩 | 210~10000 | 2000 |
2 野外工作方法
根据测区内构造、地形地貌等特点,布置了两条平行的物探测线(见图1)。测线方位110°,两条测线相距15 m,与区域断层有一定的交角。先对两条测线均采用高密度电阻率法,然后根据高密度电阻率法的异常结果并结合场地条件,在对应的异常段采用音频大地电磁测深法进行综合对比研究,最后确定井位。
2.1 高密度电阻率法
高密度电阻率法是以地下岩(矿)石的电阻率差异为基础,研究在供电电场作用下地下传导电流的分布规律,从而达到勘探地质体的目的。野外测量时将全部电极(几十至上百跟)一次性布设于测点上,然后通过程控多路电极转换器选择不同的电极组合方式和不同的极距间隔,从而完成野外数据的快速采集。
主要对1线、2线采用伦贝尔(α2)装置进行对称四极电测深测量[15]。其中1线测量点距7 m,采集道数57道,采集层数为20层,长度为392 m;2线测量点距5 m,采集道数60道,采集层数为29层,长度为295 m。仪器采用重庆奔腾仪器厂生产的WGMD-3型多功能数字直流激电仪。
2.2 音频大地电磁法
音频大地电磁测深法是以岩土层(体)的导电性与导磁性差异为基础,研究电磁波在地下不同介质传播过程中在地面表现的不同特征,达到了解地下介质的电性变化之目的。对测线上的异常段进行音频大地电磁测深法测量[16],不极化电极沿测线方向测量电场Ex,用磁棒垂直测线方向测量磁场Hy,测量方式为EH-4标量,采集频段为高频段(750~100 000 Hz)。仪器采用劳雷工业公司生产的EH-4连续电导率成像仪。
3 综合结果分析与讨论
图2
图2
1线对称四极电测深反演结果断面
Fig.2
Profile showing symmetrical four-pole sounding inversion results of line 1
图3
图3
2线对称四极电测深反演结果断面
Fig.3
Profile showing symmetrical four-pole sounding inversion results of line 2
1线的地表地形起伏不大。纵向上整体存在分层现象,表层介质电阻率值很小,普遍在100 Ω·m以内,是第四系覆盖层的反映;随着深度的增大,介质电阻率值明显增大,普遍大于500 Ω·m,是基岩白云质灰岩的反映。横向上覆盖层厚度变化较大,有些地方很厚,有些地方则很薄,变化范围为1~10 m,而在基岩中存在明显的横向电阻率值突变和低阻异常带,主要在274~323 m、358~421 m和449~484 m,推测在358~421 m测线段可能存在一条局部断层,倾向往测线小号方向。
由图3可知,测线地表地形起伏不大,纵向上存在分层现象,表层介质电阻率值有大有小,部分测线段有基岩裸露的情况,但整体上介质电阻率值还是偏小,主要还是第四系覆盖层的反映,随着深度的增大,介质电阻率值明显增大,是基岩白云质灰岩的反映。横向上来看覆盖层厚度变化较大,有些地方很厚,有些地方则很薄,变化范围为0~10 m,而在基岩中存在明显的横向电阻率值突变和低阻异常圈闭,主要在测线段355~415 m和450~470,其中355~415 m测线段可能存在一条局部断层,倾向往测线小号方向。
图4
图4
1线音频大地电磁法电阻率反演断面
Fig.4
Profile showing audio magnetotelluric resistivity inversion of line 1
图5
图5
2线音频大地电磁法电阻率反演断面
Fig.5
Profile showing audio magnetotelluric resistivity inversion of line 2
图6
图6
1线375 m处三条单支曲线
Fig.6
Three single apparent resistivity sounding curve of line 1 beside 375 m
图7
图7
2线375 m处三条单支曲线
Fig.7
Three single apparent resistivity sounding curve of line 2 beside 375 m
通过以上综合对比分析,可以确定钻井位置为1线375 m和2线375 m处,且异常为同一断层引起,故最终选择了钻机容易开展工作的1线375 m处。图8为1线地质推断解释剖面,其中375 m处的钻井信息显示:0~3.4 m为耕植土、粉质黏土;3.4~7.8 m为卵石;7.8~38 m为白云质灰岩,其中在12~13.6 m、14~15.6 m、19~20.5 m、21~22.7 m、26.3~26.7 m、28.5~29.3 m及31~31.7 m为全充填充水溶洞段。由此可见,推断结果与钻井结果基本一致,该处抽水试验成果显示最大涌水量大于146.88 m3/d。
图8
图8
1线地质推断解释剖面
Fig.8
The profile of geological inference and interpretation of line 1
4 结论
高密度电阻率法中的对称四极测深法能较好地对地下横向电阻率的变化进行响应,识别断层破碎带及岩溶破碎带的位置及发育方向,且纵向上可以利用电阻率测深曲线(单支曲线)对地下电性结构进行有效分层和评价。音频大地电磁法探测深度明显较大,对地下倾角较大的构造响应明显,能够很好识别断层破碎带及岩溶破碎带的位置及发育方向。两种方法互相验证,基本可以确定异常特征和具体的异常位置。
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