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物探与化探, 2023, 47(3): 707-717 doi: 10.11720/wtyht.2023.1244

地质调查·资源勘查

文山小河尾水库岩溶含水渗漏通道的地球物理新证据

周建兵,1, 罗锐恒,1, 贺昌坤1, 潘晓东2,3,4, 张绍敏1, 彭聪2,3,4

1.文山壮族苗族自治州水利电力勘察设计院,云南 文山 663000

2.中国地质科学院 岩溶地质研究所,广西 桂林 541004

3.自然资源部 岩溶动力学重点实验室,广西 桂林 541004

4.联合国教科文组织国际岩溶研究中心,广西 桂林 541004

New geophysical evidence for karst water-bearing seepage pathways in the Xiaohewei reservoir,Wenshan City

ZHOU Jian-Bing,1, LUO Rui-Heng,1, HE Chang-Kun1, PAN Xiao-Dong2,3,4, ZHANG Shao-Min1, PENG Cong2,3,4

1. Institute of Wenshan Hydraulic and Electric Power Survey,Wenshan 663000,China

2. Institute of Karst Geolog of Chinese Academy of Geological Survey,Guilin 541004,China

3. Karst Dynamics Laboratory of Ministry of Natural Resources,Guilin 541004,China

4. International Research Center on Karst under the Auspieces of UNESCO,Guilin 541004,China

通讯作者: 罗锐恒(1970-),男,高级工程师,本科,主要从事水文地质工程地质研究工作。Email:sdylrh@126.com

第一作者: 周建兵(1988-),男,工程师,本科,主要从事水文地质工程地质研究工作。Email:419044071@qq.com

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2022-05-20   修回日期: 2023-02-6  

基金资助: 国家自然科学基金项目(41702278)
中国地质调查局地质调查项目(DD20190326)
社会服务项目“云南省小河尾水库岩溶渗漏水文地质勘察”(YRSF-2020-505)

Received: 2022-05-20   Revised: 2023-02-6  

摘要

小河尾水库作为文山市境内海拔最高的岩溶水库,自建成蓄水以来,存在严重的库水渗漏问题,虽经多次防渗处理,但水库渗漏的情况仍未改善。为确定小河尾水库地下岩溶渗漏通道的位置,以指导后期水库防渗工程的部署,本次研究在工程区内利用高密度电法与音频大地电磁法探测水库地下渗漏通道,通过对物探测试数据进行2D反演试算,发现将这2种方法相结合具有可行性,2种方法物探异常点位置高度吻合,能精确反映地下不同深度的地质情况,探测结果能为后期设计和施工提供参考依据。基于实测数据反演结果,并结合地表地质资料、钻探验证手段,推测水库主要存在2条NNE向且高程集中于1 800 m以上的岩溶含水渗漏通道,其中I号岩溶渗漏通道位于灰岩与硅质岩接触带附近,II号岩溶渗漏通道位于灰岩内部岩溶裂隙处。同时基于本次物理勘探结果,笔者也为小河尾水库后期防渗处理提出了帷幕灌浆工程部署建议。

关键词： 物理勘探; 岩溶水库; 渗漏通道; 音频大地电磁法; 高密度电法

Abstract

As a karst reservoir with the highest altitude in Wenshan City,the Xiaohewei reservoir has been suffering from severe water seepage since its completion.Despite several seepage control treatments,the seepage of the reservoir is still not effectively controlled.To determine the locations of underground karst seepage pathways of the reservoir and guide the later seepage control project,this study detected the seepage pathways in the project area combining the high-density resistivity method and the audio magnetotelluric method.The 2D inversion trial calculation of geophysical testing data indicates the feasibility of combining the two methods.The methods show highly consistent geophysical anomaly positions and can accurately reflect the geological conditions at different burial depths.Thus,their detection results can be referenced for later design and construction.Based on the inversion of measured data,the surface geological data,and the drilling verification means,it is speculated that the reservoir mainly has two NNE-directed karst water-bearing seepage pathways with an elevation of more than 1 800 m.These two karst seepage pathways (No.1 and No.2) are located near the contact zone between limestones and siliceous rocks,and in the karst fissures inside limestones,respectively.Based on the geophysical exploration results,this study also puts forward some suggestions on the deployment of the curtain grouting project for later seepage control of the Xiaohewei reservoir.

Keywords： geophysical exploration; karst reservoir; seepage pathway; audio magnetotelluric method; high-density resistivity method

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本文引用格式

周建兵, 罗锐恒, 贺昌坤, 潘晓东, 张绍敏, 彭聪. 文山小河尾水库岩溶含水渗漏通道的地球物理新证据[J]. 物探与化探, 2023, 47(3): 707-717 doi:10.11720/wtyht.2023.1244

ZHOU Jian-Bing, LUO Rui-Heng, HE Chang-Kun, PAN Xiao-Dong, ZHANG Shao-Min, PENG Cong. New geophysical evidence for karst water-bearing seepage pathways in the Xiaohewei reservoir,Wenshan City[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(3): 707-717 doi:10.11720/wtyht.2023.1244

0 引言

我国是岩溶发育强烈、广泛分布的国家,特别是西南地区的碳酸盐岩分布面积达426 240 km2[1-2],其中因岩溶裂隙、溶洞发育,往往容易形成形状极不规则的地下水流通道,并且呈集中发育,或呈网络状分布,导致该区域水文地质条件极为复杂,因此在岩溶地区修建水利设施,岩溶渗漏往往成为影响水利设施正常运行的主要工程地质问题之一[3-4],如美国的赫尔斯·巴尔坝、土耳其的凯班水库和我国已建成的琅琊山抽水蓄能电站、猫跳河四级水电站、官地五级水电站、猫跳河六级水电站、南门峡水库、东缘水库、横泉水库、盘石头水库等都存在水库岩溶渗漏问题[5⇓⇓⇓-9]。小河尾水库作为文山市境内海拨最高的岩溶水库,自2007年竣工后未能正常蓄水,水库存在一系列近EW向串珠状的渗漏塌陷点,于2019年11月25日~12月22日对水库入库水量、出库水量进行不间断水文观测。期间库水位1 924.11~1 924.54 m,水库水位未上升;日平均入库流量为0.61 m3/s,水库供水出库流量为0.27 m3/s,水库库容日平均增量为-0.05 m3/s,呈负增长,库区日平均渗漏流量为0.35 m3/s。因此水库存在较为严重的渗漏问题,查明库水渗漏通道,进行防渗处理已是刻不容缓,而地球物理方法可以利用地下介质的物性差异查明岩溶渗漏通道的分布情况,为岩溶地区水库渗漏治理提供地球物理依据。

国内外探测地下岩溶空洞的地球物理方法有高密度电阻率法[10-11]、超高密度电阻率法[12]、探地雷达法[13-14]、地震映象法[15]、瞬变电磁法[16]、音频大地电磁法[17]、可控源音频大地电磁法[18],其中高密度电阻率法是迄今为止最有效的电阻率法,其数据采集迅速,在强干扰环境下信噪比高,具有较好的分层和探测细小目标的能力[18-19],并在勘探溶洞方面取得了丰硕成果[20⇓-22]。音频大地电磁法(AMT)具有受地形影响小,仪器轻便,无近场效应影响,观测频带宽,探测深度大(>2km),对二维构造反应逼真等优点,特别在探测深部地下构造的位置、宽度、产状方面具有较高的分辨率,其测量的电阻率参数对断裂带反应非常灵敏,电阻率呈现中间低、两边高的非常简单的异常特征[23-24]。前人就高密度电法与音频大地电磁法的联合应用也开展过研究。陈旭乐[25]将高密度电法和音频大地电磁法联合应用于隧道岩溶的识别,对比研究其在隧道勘查中的勘查成果及局限性,通过钻探验证其联合勘探的有效性,证明了两者联合解释能有效解决相关地质问题。叶益信等[26]在城市输水隧道勘查中采用高密度电法和音频大地电磁法相结合的综合物探技术用以探测断裂构造,结果证明两者结合可以提高勘察成果的准确性和可靠性。陈松等[27]在城市地质调查中联合使用高密度电法和音频大地电磁法对隐伏断裂进行了探测分析,确定了多条断裂位置及其空间展布形态,证明了2种方法的结合能够满足隐伏断裂探测的需求。因此本文选择高密度电法和音频大地电磁法对文山小河尾水库的渗漏通道进行联合勘探研究。

1 地质背景

1.1 水文地质概况

研究区地处云贵高原南缘,区内喀斯特岩溶地貌突出,地形坡度一般在35°~45°,总体地势西南高、东北低,属构造侵蚀、溶蚀中山沟谷地貌。区内主要出露的地层包括沉积地层和岩浆岩地层,上覆第四系沉积物,沉积地层主要由奥陶系、泥盆系、石炭系和二叠系地层组成;岩浆岩地层主要包括基性喷出玄武岩和基性侵入辉绿岩脉(图1)。

图1

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图1   研究区水文地质简图

Fig.1   Hydrogeological map of the study area


在大地构造位置上,研究区位于华南褶皱系滇东南褶皱带文山—富宁褶皱束薄竹山拱褶内,受红河断裂、个旧褶皱束以及丘北—广南褶皱束等不同等级构造体系的相互干扰、切割以及复合,导致该地块遭受强烈的改造,区内沉积建造复杂多变,区内断裂构造发育,总体方向以NE向为主,NW向及近EW向次之,其中前者形成最早,是区域内构造的主体,后者形成较晚,具有良好的连续性,对NE向构造产生明显的破坏、改造和利用。该区受到强烈的区域构造活动、破碎的岩体、复杂的地形地貌等因素的叠加作用,为区内岩溶发育渗漏通道提供了极为有利的条件。

研究区出露碳酸盐岩、碎屑岩和岩浆岩,岩性、岩相变化复杂,地下水赋存于不同含水层之中,它的埋藏、分布、径流等都受到地质因素的制约。区内的含水岩组可以分为较纯灰岩溶洞裂隙水、不纯灰岩溶洞裂隙水、碎屑岩裂隙水和火成岩裂隙水等4个含水层组。较纯灰岩类溶洞裂隙含水岩组为泥盆系分水岭组(D2f),石炭系坝达组(C1bd)、他披组(C3tp),二叠系岩头组(P2y)灰岩夹硅质岩、白云岩,富水强。其中泥盆系分水岭组(D2f)灰岩夹硅质岩地层为小河尾水库岩溶地下水系统主要含水层;不纯灰岩类溶洞裂隙含水岩组为泥盆系达莲塘组(D2dl)、石炭系顺甸河组(C2sh)灰岩、硅质灰岩、硅质岩,岩溶发育一般,富水较强;碎屑岩类裂隙含水岩组为奥陶系和泥盆系硅质岩、硅质泥岩、含锰硅质页岩及泥岩、砂岩、粉砂岩不等厚互层,富水性差,为研究区地下水的隔水层;火成岩类裂隙含水岩组为二叠系他痴组(P3t)喷出岩岩体玄武质凝灰岩、微粒玄武岩和白垩系(K)侵入岩岩体花岗岩,火成岩岩石致密,透水性弱,为研究区地下水的隔水层。

1.2 地球物理特征

高密度电法及音频大地电磁法是以地层电阻率的差异来区分岩性及构造体,因地质构造发育,地下水丰富,基岩中如出现断裂、构造破碎带或不同岩性接触带等地质构造,其岩层电阻率会相应表现出明显降低等差异,在电阻率断面上围岩呈现高阻区,溶洞呈现低阻区,并根据电阻率值的差异大小以及在地下的展布形式来识别地下地质体的空间分布和性质[26,28-29]。前人研究表明,区内第四系覆盖层厚度小于10 m,基岩埋深一般小于10 m,土层及岩石的电阻率变化见表1。完整岩体与岩溶发育、破碎及碎屑岩岩体之间存在一定的电性差异,可形成不同的电性界面。因此研究区具备开展高密度电阻率法、音频大地电磁法的地球物理勘探前提条件。

表1   研究区岩土介质电性参数

Table 1  Electrical parameters of rock and soil medium in the study area

介质类型相对介电常数εr电阻率/(Ω·m)
淡水8110~100
湿黏土15~4010~200
砂页岩5~1510~1000
裂隙灰岩7~10500~5000
完整灰岩4~8>5000
硅质岩3.5~10500~20000

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2 测线布设与数据处理

2.1 高密度电法

高密度电法属于直流电阻率法的范畴,兼具电测深和电剖面的功能,基本原理与传统电阻率法相同,并在布极方式上更加简便,布极方式参见杨天春等[22],测线上电极较多,通过密集采样来提高采样率和“多次覆盖”的方法提高信噪比,提供的地电信息量丰富,结果更加准确[11]。高密度电法勘探共布置测线3条(图2),其中L1测线方位36°,测线长度890 m。L2测线方位35°,测线长度890 m。L3测线方位342°,测线长度590 m。其中L1测线布设位置相对孤立,其主要目的是为调查了解测区各地层的电阻率分布与大小。

图2

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图2   工作区地质概况及物探工作布置

Fig.2   Geological survey of work area and layout of geophysical prospecting work


目前,高密度电法的装置类型有十多种,常用的主要包括温纳装置、偶极—偶极装置、温纳—斯伦贝谢装置等。而本次高密度电法勘探选择施伦贝尔(α2)装置进行对称四极电测深测量,仪器采用重庆奔腾仪器厂生产的WDJD-3型多功能数字直流激电仪,采用90根电极排列,道间距10 m,供电电压180~360 V,剖面层数22层,最大供电极距A0=B0=225 m,重复30道采集,重复数据取平均值,反演深度大于50 m。采用GEOTOMO公司的RES2DINV软件处理数据,对原始数据进行噪声剔除、叠加部分取平均值反演、后期正反演参数调试、成果文件输出与制图,其中噪声剔除主要针对最小电压、最大重复误差及最小视电阻率等不符合预设范围的数据。

2.2 音频大地电磁法

音频大地电磁法(AMT)是基于大地电磁法(MT)发展起来的,利用不同介质体具有不同导电率与导磁率特性,将地下不同介质体的电阻率分布情况反映出来,通过对电阻率的分析计算,就能判断不同介质体的埋藏深度。其理论基础为麦克斯韦方程,直接获取电场强度Ex和磁场强度Hy来计算电阻率。计算所得到的电阻率为卡尼亚电阻率。计算公式如下:

ρs=15fEx2Hy2

式中:ρs为卡尼亚电阻率,单位为Ω·m;f为频率,单位为Hz;Ex为x方向的电场强度,单位为V/m;Hy为y方向的磁场强度,单位为A/m。

音频大地电磁法勘探共布置测线3条(图2),L4、L5测线方位315°,测线长度分别为560、460 m,L6测线方位340°,测线长度450 m,测量点距10 m。测量仪器为美国Geometrics公司和EMI公司联合生产的音频大地电磁剖面仪(EH4),采用高精度RTK GPS测量仪布置测线,保证测线方位、点位、高程的准确。每次观测之前,测量不极化电极极差,使其值小于2 mV以获得稳定的电场信号和较高的信噪比。不极化电极罐埋设时在地上挖浅坑,浇盐水,将松土搅拌成泥浆,用力旋进电极罐,使电极罐与泥浆充分接触,同时测量接地电阻,保证接地电阻小于2 kΩ,在接地困难条件下不大于5 kΩ·m。用森林罗盘定向,使磁探头与供电电极AB方向垂直,用水平尺保证磁探头水平放置[18,30-31]。数据处理采用二维大地电磁资料处理和解释集成系统,采集的原始时间域谱信号经过傅里叶变换成频率域电阻率和相位曲线,经过跳点剔除、静校正处理后,再设置适宜的反演参数进行二维反演成像,反演最大迭代次数设置为150,最小均方误差设置为5%,通过自动迭代得到地下电阻率的分布特征,最后结合实际地质资料对电阻率反演断面进行地质解释。

3 结果分析

3.1 高密度电法成果及解释

高密度电法实测数据反演结果如图3所示。其中L1测线有效展示了测区各地层的电阻率分布大小,该测线电阻率变化纵向分层明显,其中110~390 m测点段岩性电阻率介于27.2~5 856 Ω·m,变化幅度较大,在距离地表20 m深处出现由深处延伸的条带状低阻封闭带L1-1,且该测点段位于D1pj、D2dl泥岩、粉砂岩、硅质岩夹灰岩及硅质灰岩等多岩性地层,推测该测点段岩性电阻率变化幅度较大的原因为地层岩性的不均一性所致;390~690 m测点段岩性电阻率普遍较高,表明为岩性完整性较好的硅质岩及灰岩,而在高程1 860~1 910 m间出现电阻率为399~977 Ω·m的低阻带L1-2,并介于纵向高阻带之间,推测为电阻率相对较低的硅质页岩;L1-3低阻带位于660~1 000 m测点段,电阻率变化横向分层明显,岩性电阻率普遍偏低,小于1 000 Ω·m,该测点段位于D2f与D3l地层接触带及D3l硅质岩地层,表明测区内D2f与D3l地层接触带及D3l硅质岩地层低电阻率及岩体完整性差的岩性特征。

图3

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图3   高密度电法反演电阻率断面

Fig.3   Inversion of resistivity section by high density electrical method


L2、L3测线勘查区域为水库渗漏重点勘察区域,由 L2、L3测线高密度电法实测数据反演结果可得,L2测线共圈定低阻封闭带5个(L2-1、L2-2、L2-3、L2-4、L2-5),L3测线圈定低阻封闭带3个(L3-1、L3-2、L3-3)。其中L2测线中L2-1、L2-2低阻带位于库盆区,L2-1由浅至深,电阻率呈减低趋势,推测L2测线670~710 m测点段高程1 860 m以下存在破碎带;L2-2低阻带位于近地表,为库盆区渗漏点;L2-3低阻带位于790~860 m测点段,岩性电阻率纵向分层明显,介于高阻带之间,测点段位于D2f灰岩段,推测该测点段高程1 870~1 900 m间为岩溶破碎带;L2-4低阻带位于900~960 m测点段,该测点段岩性电阻率总体偏低,均小于1 194 Ω·m,随着深度的增加,岩性电阻率逐渐减小至几十Ω·m,推测该测点段岩体完整性差,存在库水渗漏通道及岩溶发育带。L3测线中L3-1低阻封闭带位于340~440 m测点段,岩性电阻率小于100 Ω·m,且该测点段位于D2p与D2f地层接触带及D2f灰岩地层内,表明在该测点段高程1 860~1 890 m之间存在强岩溶发育带及库水渗漏通道;L3-3低阻带位于高程1 880 m以上,主要分布于500~620 m测点段,该低阻带纵向分层明显,横向延伸较长,介于岩体高阻带之间,推测该低阻带为近地表岩层破碎带。其中L2-5、L3-2低阻带圈闭面积较大,且均靠近探测范围的底边界和侧边界,受研究区域边界影响比较大,异常分析存在可靠性不足的问题,本次研究不对该低阻带进行异常分析。

3.2 音频大地电磁法成果及解释

图4~图6分别为第4~第6测线音频大地电磁法二维反演电阻率等值断面和地质推断解释剖面,从图4可以看出,反演电阻剖面纵向上具有明显的层状结构,横向电性界面差异较小,近地表30 m以上显示为低阻区域,推断是由于风化作用造成基岩的破碎,加上大气降水的渗透作用,造成了大片的相对低阻区域,而随着埋深的增加,基岩电阻率逐渐升高,为基岩完整性较好的反映。其中80~120 m测点段地表以下近80 m为相对低阻层(L4-2),地层岩性为D2f灰岩,根据低阻层的规模和形态可推断为风化作用及溶蚀作用引起的强岩溶发育带。在250~270 m测点段电阻率与两端呈现相对低阻异常,存在向下贯通的低阻带(L4-3),且该测点段位于地表塌陷点T01(图3),根据该低阻贯穿带特征推断平距250~270 m及高程1 790~1 870 m之间存在岩溶破碎带及岩溶空洞,这也是造成地表塌陷的主要原因。300~460 m测点段D3l硅质岩视电阻率偏低,与下伏D2f灰岩接触带具明显的电性差异界面(L4-4),推断为分水岭组灰岩岩石破碎、风化严重、溶蚀现象较发育所致,同时推断碳酸盐岩与碎屑岩接触带为强岩溶发育带(图4b)。

图4

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图4   第4测线AMT二维反演电阻率等值断面(a)和地质推断解释剖面(b)

Fig.4   Equivalent section of AMT 2D inversion resistivity of line 4(a) and geological inference interpretation section(b)


图5

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图5   第5测线AMT二维反演电阻率等值断面(a)和地质推断解释剖面(b)

Fig.5   Equivalent section of AMT 2D inversion resistivity of line 5(a) and geological inference interpretation section(b)


图6

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图6   第6测线AMT二维反演电阻率等值断面(a)和地质推断解释剖面(b)

Fig.6   Equivalent section of AMT 2D inversion resistivity of line 6 (a) and geological inference interpretation section (b)


从图5可看出,反演电阻剖面纵、横向电性界面变化具有明显的差异特征,110~130 m、190~210 m测点段电阻率与两端呈现相对低阻异常,存在往深部延伸的低阻带(L5-1、L5-2),推测该平距段高程1 820 m以上存在强岩溶发育带。240~350 m测点段、高程1 850 m处为中心形成1个低阻封闭圈(L5-3),该低阻封闭圈中心介于榴江组(D3l)硅质岩与分水岭组(D2f)灰岩接触带,根据低阻封闭圈的规模和形态可推断该测点段两地层接触带为地下岩溶渗漏径流带,接触面岩溶裂隙发育,在长期接受地下流水侵蚀、溶蚀下形成溶隙、溶洞。同时,由图5可知,坡脚组(D1pj)、达莲塘组(D2dl)及坡折落组(D2p)地层岩体较图4相比,其电阻率值总体偏低,如榴江组(D3l)硅质岩L5-4低阻带,推断是由岩石完整性较差、岩体破碎所致。图6中,近地表岩体电阻率值偏低,往深部逐渐升高,与L4测线类似,推断是由风化作用及降水渗透作用所致。L6测线反演电阻剖面横向电性变化差异明显,450~470 m测点段、520~570 m测点段、高程1 850~1 900 m分别形成低阻封闭圈(L6-1、L6-2),低阻封闭圈中心均位于分水岭组(D2f)灰岩地层,推断该区域为强岩溶发育带,带内发育岩溶通道,通道高程介于1 860~1 870 m。

4 讨论

综合高密度电法与音频大地电磁法解释结果可得,测区岩性电阻率变化幅度较大,纵、横向分层明显,特别在高密度电法反演剖面图中无明显分层规律,表明测区地层岩性复杂多变的特征。另外不同地层岩体的分界面在音频大地电磁法二维反演电阻率等值断面图上得到较好地体现,表明本次物探工作中高密度电法所呈现出的优点在于反映地下岩体完整性及电阻率大小的特征,而音频大地电磁法较好反映地下不同岩层的产出规律特征及地层接触带。同时,测区内D3l硅质岩地层在高密度电法与音频大地电磁法反演结果中均显示低阻带的岩性特征,与D2p硅质岩地层高阻带形成较为显著的差异特征,表明测区内D3l硅质岩地层低电阻率及岩体完整性差的岩性特征。

根据2种物探异常点及解释结果可得,物探异常点主要分布于分水岭组(D2f)灰岩及榴江组(D3l)硅质岩与分水岭组(D2f)灰岩接触带,表明分水岭组(D2f)灰岩岩溶裂隙发育,深部存在强岩溶发育带,岩溶管道主要发育于榴江组(D3l)硅质岩与分水岭组(D2f)灰岩接触带,而岩溶管道又控制着岩溶塌陷的平面分布特征,管道高程多集中于1 800 m以上。此外共推断了2个主要渗漏通道的走向,Ⅰ号岩溶渗漏通道分布于D2f灰岩与上覆硅质岩接触带附近,Ⅱ号渗漏通道分布于D2f灰岩地层,渗漏通道走向为NEE向(图2)。推断小河尾水库岩溶渗漏通道渗漏机理:地下水流在分水岭组(D2f)灰岩、分水岭组(D2f)灰岩与上覆地层榴江组(D3l)硅质岩以及下伏地层坡折落组(D2p)硅质岩的接触面上受阻,流线密集于灰岩与硅质岩的交界面上,使得灰岩发生溶蚀作用,经过长期的溶蚀形成了岩溶裂隙和小溶洞,灰岩与硅质岩接触带附近成为地下水的I号径流通道,灰岩内部岩溶裂隙成为地下水的II号径流通道,即小河尾水库库水渗漏通道。其中高密度电法L3测线500~620 m测点异常段分别与音频大地电磁法L4测线80~120 m测点异常段及L5测线110~130 m、190~210 m测点异常段位置吻合(图2)。高密度电法L2测线900~960 m测点异常段与L5测线190~210 m测点异常段位置近趋同(图2),高密度电法与音频大地电磁法二维平面异常点高度吻合,表明这2种物探方法相结合具有可行性。

验证钻孔ZK1、ZK2分别位于6测线520测点、550测点处,钻探进尺为62.3 m、85.1 m,钻孔柱状如图7所示。ZK1位于分水岭组地层,钻孔揭露地层显示:0~35.1 m灰岩溶蚀裂隙、溶孔发育,岩芯呈碎块状、沙状;35.1~43.5 m钻进过程中发生掉钻,35.1~42.8 m发育5.7 m溶洞,溶洞底部泥质堆积层至43.5 m;43.5~57.9 m溶蚀现象极其发育,岩心破碎呈沙状,溶蚀裂隙面常见黄褐色铁质浸染,岩心破碎段多为泥质胶结物,为地下水活动痕迹;57.9~62.3 m,岩心较完整,呈短柱状、长柱状。ZK2位于榴江组地层,钻孔揭露显示:0~5.6 m为第四系覆盖层;5.6~24.9 m为泥盆系榴江组硅质岩,风化严重,呈砂状、碎块状,这也是造成泥盆系榴江组(D3l)地层岩体电阻率、电阻率总体偏低的主要原因(图3~图6);24.9~85.1 m为泥盆系分水岭组(D2f)灰岩夹硅质岩地层,溶蚀裂隙、溶孔较发育,岩心破碎,主要呈沙状、碎块状,局部见有溶洞、孤石。在24.9~26.9 m、31.3~32.0 m、35.1~35.7 m、36.0~36.6 m、43.0~44.8 m、45.5~46.0 m、47.1~47.7 m、48.9~50.2 m和52.4~56.4 m共9处位置发生掉钻或卡钻现象,其中24.9~26.9 m泥盆系分水岭组(D2f)灰岩与榴江组(D3l)硅质岩岩性界线处溶洞完全充填,泥质胶结致密,但附近27.3 m处岩心见有溶蚀孔洞。验证钻孔揭露了大范围破碎灰岩和溶洞,上部的硅质岩为强风化,主要地层也能大致对应,这些较好地验证了物探地质解释的可靠性。同时建议对小河尾水库渗漏进行帷幕灌浆处理,帷幕灌浆需贯穿整个分水岭组(D2f)灰岩段,平距长度范围建议为第3测线410~590 m测点段,最优灌浆深度高程为1 800~1 850 m并逐渐增大至下伏坡折落组(D2p)硅质岩地层,最大灌浆深度要大于推断的低阻渗漏带发育深度。

图7

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图7   小河尾水库ZK1(a)、ZK2(b)钻孔岩性柱状图

Fig.7   Histogram of borehole lithology of ZK1(a) and ZK2(b) in Xiaohewei reservoir


5 结论

1)岩溶地区地质情况复杂,引起地下电阻率变化的因素很多,利用高密度电法与音频大地电磁测深法勘查岩溶深层渗漏通道,需要结合已知地质、地球物理特征和综合应用各种物探方法进行综合研究,才能做出合理的地质解释。综合分析认为,利用高密度电法与音频大地电磁法在该区探测地下渗漏通道是有效可行的,高密度电法具有较好反映地下岩体完整性及电阻率大小的特征优点,而音频大地电磁法具有较好反映地下不同年代地层的岩体产出规律特征及地层接触带的优点。本次物探工作不仅为工程区地下结构提供了地球物理资料,也为岩溶地区地下渗漏通道探测提供了很好的范例。

2)高密度电法与音频大地电磁二维反演揭示了研究区500 m以浅的电性结构特征,结果表明研究区深部岩溶发育,库水渗漏径流管道主要沿强岩溶发育带分布,主要存在2条NNE向岩溶含水渗漏通道,高程主要集中于1 800 m以上,其中I号岩溶渗漏通道位于灰岩与硅质岩接触带附近,由可溶岩与非可溶岩长期的接触溶蚀作用形成。II号岩溶渗漏通道位于灰岩内部岩溶裂隙内,由可溶岩长期接受地下水侵蚀、溶蚀作用形成。

3)建议对小河尾水库进行帷幕灌浆防渗处理,帷幕灌浆需贯穿整个分水岭组灰岩段,平距长度范围建议为第7测线410~590 m测点段,最优灌浆深度高程为1 800~1 850 m并逐渐增大至下伏坡折落组(D2p)硅质岩地层,最大灌浆深度要大于推断的低阻渗漏带发育深度。

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