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

doi:10.11720/wtyht.2020.1089

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

邬健强¹^,², 赵茹玥³, 甘伏平¹^,², 张伟¹^,², 刘永亮¹^,², 朱超强¹^,²

1. 中国地质科学院岩溶地质研究所,广西桂林 541004

2. 自然资源部广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林 541004

3. 武汉市测绘研究院,湖北武汉 430022

The application of electrical prospecting method to groundwater exploration in karst mountainous areas:A case study of Changtang Village, Huaihua area, Hunan Province

WU Jian-Qiang¹^,², ZHAO Ru-Yue³, GAN Fu-Ping¹^,², ZHANG Wei¹^,², LIU Yong-Liang¹^,², ZHU Chao-Qiang¹^,²

1. Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin 541004, China

2. Karst Dynamics Laboratory, MLR&GZAR, Guilin 541004, China;

3. Wuhan Geomatics Institute, Wuhan 430022, China

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

基金资助:

国家重点研发项目.  2017YFC0406104
中国地质调查局地质调查项目.  DD20190562
国家自然科学基金项目.  41572232

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 。

摘要

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： 高密度电阻率法 ; 音频大地电磁法 ; 岩溶 ; 地下水勘探

Abstract

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： high density resistivity imaging ; audio magnetotelluric method ; Karst ; groundwater exploration

PDF (3361KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

邬健强, 赵茹玥, 甘伏平, 张伟, 刘永亮, 朱超强. 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. 物探与化探[J], 2020, 44(1): 93-98 doi:10.11720/wtyht.2020.1089

WU Jian-Qiang, ZHAO Ru-Yue, GAN Fu-Ping, ZHANG Wei, LIU Yong-Liang, ZHU Chao-Qiang. The application of electrical prospecting method to groundwater exploration in karst mountainous areas:A case study of Changtang Village, Huaihua area, Hunan Province. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2020, 44(1): 93-98 doi:10.11720/wtyht.2020.1089

0 引言

岩溶山区碳酸盐岩溶蚀作用强烈,水文地质条件复杂,常形成孔隙、裂隙、断(层)裂破碎带等,而地表水能够通过这些通道渗漏于地下,导致地表干旱缺水,严重威胁了粮食的生产和居民的生活。岩溶山区地下水的勘探主要是以物探为常用手段 ^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]},焦彦杰等^[12]综合利用电导率成像系统和高密度电法圈定了含水岩溶带并确定了井位,有效解决了当地饮水问题;陈玉玲等^[13]通过不同物探方法的对比,分析了岩溶山区可控源音频大地电磁法、三级电测深法和充电法在探测地下暗河的优缺点;张银松等^[14]利用高密度电法确定了岩溶区异常分布范围,接着利用联合剖面法进一步确定异常的具体位置。

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

工作区位于湖南怀化市长塘村,地形地貌上属于构造溶蚀低丘谷区,谷地开阔,宽3~7 km,残留缓坡孤丘高差10~30 m,地表均被黏土夹碎石覆盖,未见溶蚀漏斗,地下岩溶管道发育,是岩溶水的汇集、排泄区。测区出露主要地层为石炭系中统黄龙群组(C₂hn)与震旦系下统南沱冰碛岩组(Zant)、黄龙群组(C₂hn)岩性为灰、灰白色厚层灰岩,白云质灰岩及白云岩,地下水类型为碳酸盐岩裂隙岩溶水,为测区的含水层,南沱冰碛岩组(Zant)岩性为含砾粉砂岩、冰啧砾岩、泥砾岩,为相对隔水层。测区详细的地层岩性见表1。测区内发育一条近EW向断层(图1)。

表1 地层岩性一览

Table 1 Strata in the survey area

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

新窗口打开| 下载CSV

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 测区水文地质略图

Fig.1 Hydrogeological map of measured area

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 Parameter of resistivity for various media

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

新窗口打开| 下载CSV

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E_x,用磁棒垂直测线方向测量磁场H_y,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

对采集到的对称四极电测深数据采用RES2DINV软件进行反演,反演结果见图2、图3。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

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

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

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。

对比图2、图3发现,1线和2线这两条平行线异常段有很好的对应关系,推测的断层倾向也一致,为同一断层,平行测线在消除旁侧影响的同时,也提高了异常解释的可靠性。为了进一步提高解释的可靠性,对两条测线的异常段进行了EH-4音频大地电磁测量。具体为:1线测线段365~463 m,点距7 m;2线测线段350~450 m,点距5 m。使用IMAGEM软件对探测结果进行二维反演,在地形比较陡的地段取平滑因子为0.1,较平缓的地段取 0.5^[17],最后采用Surfer软件成图。图4和图5分别为1线和2线音频大地电磁测深电阻率反演断面。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

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

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

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

由图4可知,在小号段存在明显的低阻异常圈闭,主要在测线段365~400 m,电阻率值偏小,而大号段电阻率值偏大,横向上形成电阻率值突变现象,推测突变处存在局部断层,倾角较陡,倾向往小号方向。由图5可知,小号段相对于大号段整体电阻率值偏小,横向上有明显电阻率值突变现象,推测突变处存在局部断层,倾角较陡,倾向往小号方向。而在小号段还存在低阻异常圈闭,主要在测线段360~400 m。

综上所述,基本可以确定1线365~421 m异常段和2线360~415 m异常段存在断层,且为同一断层,而根据低阻异常圈闭的位置可以初步确定钻井位置为1线375 m和2线375 m处。为了最终确定钻井的具体位置,分别抽取了1线375 m和2线375 m附近的3条电阻率测深曲线(单支曲线)进行分析讨论,见图6、图7。

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

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

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

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

由图6可知,3条单支曲线形态上大体相似,最小极距从10.5 m开始,电阻率值从大约75 Ω·m开始增大至约200 Ω·m,期间增速有所变化;初始阶段电阻率增大得较快,表明覆盖层薄,接着快速进入高阻层,后续增速有所下降,但下降得不明显,表明存在些许破碎;之后从极距大约60 m处电阻率值开始减小,随后又增大,表明存在明显破碎或存在充水溶洞等现象。而由图7可知,最小极距从7.5 m开始,电阻率值在不同测点有增大有减小,表明部分地方有基岩出露;之后的形态与图6很相似,电阻率值增大进入高阻层,期间有增速变化表明存在些许破碎;随后有一段增速平缓然后又加快,表明存在明显破碎或充水溶洞等现象。

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

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

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。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

McGrath

, Styles

, Zhao

, et al.

Integrated high-resolution geophysical investigations as potential tools for water resource investigations in karst terrain

[J]. Environmental Geology, 2002,42(5):552-557.