0 引言
湘西北岩溶石山地区位于湖南省西部,属云贵高原东缘、武陵山脉东北部,有7个国家级深度贫困县位于此区域,降水极不均匀;区内碳酸盐岩广布,属于典型的岩溶石山缺水地区,解决用水困难已成为当地政府和群众的心头大事,也是作为国家级贫困县打赢脱贫攻坚战的重要保障和必然要求。该地区地形地貌主要分为两类:一类是侵蚀溶蚀型低山溶丘洼地、溶丘谷地地貌,洼地、落水洞、溶洞等岩溶形态发育,山丘较圆滑;另一类是溶蚀构造型中低山急陡坡峰丛峡谷地貌,山峰尖丛,地形坡度较陡,常形成悬崖陡壁,沟谷深切狭窄,呈“V”型或“U”型沟谷[1,2]。近年来国家加大了对湘西北农村电网改造力度,新建了大量10 kV电力线及其变电站,电磁干扰明显增多。因此,湘西北岩溶石山缺水地区地形条件复杂、电磁干扰较强,在地下水勘查时,优先选用抗干扰能力较强的直流电法较为适宜。笔者针对湘西北岩溶石山缺水地区不同地形地貌及地质条件特征,采用视电阻率联合剖面法、高密度电阻率法、三极激电测深等直流电法,并进行适当的反演与解释,取得了较好的找水效果。
1 方法与技术
1.1 方法依据
湘西北岩溶石山缺水地区地层主要有寒武系、奥陶系、第四系等;寒武系和奥陶系为海相碳酸盐岩建造,岩性主要为灰岩、白云岩、泥质灰岩;第四系主要为冲洪积、坡积松散堆积物。
由《永顺幅1:20万区域水文地质普查报告》测井数据可知:灰岩、白云岩电阻率较高,变化范围为490~3 800 Ω·m,平均值为2 590 Ω·m;泥质灰岩次之,变化范围在180~1 500 Ω·m,平均值为583 Ω·m,但它们都与地下水(<100 Ω·m)的电阻率差异明显,这就为采用直流电法找水提供了地球物理依据;湘西北岩溶石山缺水地区主要是探测岩溶裂隙水和断裂构造水,对应地电模型为高阻中找球状或板状低阻;因此,采用视电阻率联合剖面法、高密度电阻率法、激电测深法找水依据充分。
1.2 直流电法方法技术
1.2.1 视电阻率联合剖面法
湘西北岩溶石山地区充填第四系黏土的浅部溶沟溶槽较发育,小极距联合剖面法勘探深度较浅,对岩溶裂隙带和浅部溶沟溶槽均有异常反映;为了更好区分上述异常,一方面应平行布置多条测线,连续性较好的异常往往为断层或岩溶裂隙带的反映,局部测线的异常往往为溶沟溶槽的反映,另一方面在同一测线采用其他直流电法(如高密度电法或激电测深法)探测以进行对比、验证。
1.2.2 高密度电阻率法
1.2.3 激电测深
综上所述,在湘西北岩溶石山缺水地区进行物探工作,在地势相对平坦且勘探深度相对较浅(0~150 m左右)的地方采用小极距视电阻率联合剖面法+高密度电阻率法找水效果较理想,在地形条件较差或勘探深度相对较深(0~400 m左右)且电磁干扰较强的地方采用小极距联合剖面法进行普查,然后选取异常较好的测线(≥1条)进行三极激电测深法效果较佳。
2 应用实例
2.1 联合剖面法+高密度电法找水实例
湘西北A村为干旱缺水村,地形地貌属于溶蚀构造型中低山急陡坡峰丛峡谷,村子建在NE向的沟谷中,沟谷较窄,两侧为急陡坡峰,村子上空有一组10 kV电力线及少量220 V民用电力线穿过(图1)。根据地质资料,该村出露地层岩性主要为寒武系白云岩、白云质灰岩,地下水位埋深约50 m,该村附近发育一条NNW向压性断层,富水性较弱。找水思路为:受构造应力影响,该断层两侧岩溶裂隙可能相对发育,为此,垂直断层并沿NE向沟谷布置了2条物探测线(2线、4线),长度均为600 m。
图1
根据测区的地形、地质条件, 选择了抗电磁干扰较强的小极距联合剖面法+高密度电祖率法,在同一条测线上用两种方法进行探测,使用重庆奔腾数控研究所研制的WDJD-4型多功能激电仪,联合剖面法极距AO=100 m,点距10 m,高密度电阻率法点距10 m,采用温纳装置,采集层数为14层。
图2为该村4线的物探成果图。从图中分析:联合剖面曲线在950点、1040点呈相对低阻异常、在1120点附近呈正交点异常,高密度电阻率拟断面在1120点附近呈低阻“U”字型异常,但断面图上“八”字型干扰较明显;采用最小二乘法进行反演,得到高密度电阻率反演断面图。综合分析:960点附近浅部岩溶裂隙发育,发育深度与地下水位深度(50 m)相当,推断其充填黏土;1040点附近为浅部溶沟溶槽;1120点附近为岩溶裂隙发育,发育深度大于120 m,位于地下水位以下,推断其富水性较好。因此,水文地质钻孔ZK1位置选择在4线1120点,经钻探验证及抽水试验:地下122~185 m处溶蚀裂隙发育,涌水量为470 t/d,可解决约 3 000人的饮水问题。
图2
图2
A村4线联合剖面曲线(a)、高密度视电阻率拟断面(b)、高密度电阻率反演断面(c)
Fig.2
Joint profile curve(a), high density apparent resistivity profile(b) and inversion profile(c) of village A line 4
2.2 联合剖面法+三极激电测深找水实例一
湘西北B村为干旱缺水村,属于溶蚀构造型中低山急陡坡峰丛峡谷,该村附近有一条NE向沟谷,延伸长度约4 km,沟谷东南侧为高差超过120 m的急陡坡峰,无法展布测线,村子上空有10 kV电力线及少量220 V民用电力线穿过,电磁干扰较强(图3)。根据地质资料,该村出露地层岩性主要为寒武系白云岩、白云质灰岩,地下水位埋深约15 m。地质人员推断沟谷附近发育一条NE向断层,找水思路为探测该断层的位置及倾向,达到间接找水目的。为此,在垂直沟谷且地形相对平坦的位置布置2条NW向测线。为了尽可能多地获取NE向沟谷附近的地质信息,采用了小极距联合剖面+三极激电测深法,使用重庆奔腾数控研究所研制的WDJD-4型多功能激电仪,联合剖面法极距AO=70 m,三极激电测深极距为指数形式递增,最大AO=410 m。
图3
图4为该村6线联合剖面法测量结果,从图中分析:联合剖面曲线在950、1180、1260点附近呈相对低阻异常,通过与其他平行测线对比,其中1260点低阻异常连续性较好,因此,选取在1260点附近开展三极激电测深工作,图5为激电测深拟断面与反演断面图,图6为推断结果。由于三极测深视电阻率拟断面图往往易形成“挂面条”现象,而最小二乘意义下的变阻尼共轭梯度二维反演可减弱上述效应[10,11],因此,三极激电测深解释推断时以电阻率反演断面图、视极化率拟断面图为主,其他断面图为辅。依据电阻率反演成果图推断,1260点附近的低阻异常为断层的反映,断层倾向ES(大号);依据视极化率拟断面图分析,1270点视极化率较高,推断其富水性较好。
图4
图5
图5
B村6线三极激电测深拟断面与反演断面
Fig.5
Pseudo section and inversion section of village B line 6
图6
SK1钻孔位置选定在6线1270点(断层上盘),经钻探验证,43.5~52.9 m为断裂带,52.9~98.7 m溶蚀裂隙发育,钻探至115 m后,经抽水试验涌水量为220 t/d,超过100 t/d的设计要求,选择终孔。
2.3 联合剖面法+三极激电测深找水实例二
湘西北C村为干旱缺水村,属于溶蚀构造型中低山急陡坡峰丛峡谷,地形条件较差,电磁干扰较强(图7)。根据地质资料:该村出露地层岩性主要为奥陶系灰岩、泥质灰岩,局部有志留系砂页岩覆盖于奥陶系灰岩上,地质调查资料显示该村附近有NW向断层或裂隙带。本次勘探要求出水量为 1 000 t/d,拟勘探深度为300 m,找水思路:探测NW向断层或裂隙带的位置及倾向,并依据视极化率比较其富水性,选择富水性相对好的位置实施钻探,从而达到找水目的。因此,沿NE向平行布置了3条测线,采用小极距(AO=110 m)联合剖面法+三极激电深法;联合剖面曲线显示3线950点高低阻梯度异常明显(图8)且连续性较好,因此选择在950点附近开展三极激电测深工作;三极激电测深最大AO=600 m,二维反演采用最小二乘意义下的变阻尼共轭梯度法。
图7
图8
图9为3线三极激电测深成果,从电阻率反演断面图中分析,800~950点电阻率等值线呈高、低阻层状相间,结合地质资料推断:由浅到深依次为砂页岩、灰岩、泥质灰岩、灰岩;950点附近等值线明显不连续,推断为断层F1,倾向WS(小号);950~1100点电阻率呈高阻,推断为灰岩,其中980点附近低阻封闭圈异常推断为浅部岩溶裂隙发育,1040号点附近电阻率呈相对低阻“V”字型异常,推断为次级断层F2,倾向EN(大号)。从视极化率拟断面图分析,断层F1附近的极化率明显高于岩溶裂隙发育区(980点附近)及断层F2附近的极化率,推断断层F1富水性相对较好。
图9
图9
3线三极激电测深视电阻率与视极化率拟断面、反演断面及推断地质剖面
Fig.9
3-line apparent resistivity and apparent polarization of three pole IP sounding cross section、inversion section map and geological inference map
最终选定在3线930点(F1断层上盘)进行钻探(ZK1),经钻探验证,70~90 m为断裂破碎带,120~170 m溶蚀裂隙发育,经抽水试验该孔涌水量为 1 100 t/d,达到了预设工作目的。
3 结论
从应用实例可以看出,在湘西北岩溶石山缺水、强电磁干扰地区采用直流电法找水时,在地势相对平坦且勘探深度相对较浅(0~150 m左右)的区域采用小极距视电阻率联合剖面法+高密度电阻率法,在地形条件较差或勘探深度相对较深(0~400 m左右)的地方采用小极距联合剖面法+三极激电测深法,既提高了工作效率又解决了实际问题,取得了较好的找水效果。
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