泰山群变质岩地下水的富集条件与寻找方法

徐光瑜，刘福臣，李凌宵

（山东水利职业学院，山东日照276826）

泰山群变质岩地下水的富集条件与寻找方法

徐光瑜，刘福臣，李凌宵

（山东水利职业学院，山东日照276826）

泰山群变质岩的地下水类型为风化裂隙水和构造裂隙水，风化带厚度及裂隙发育不均匀，裂隙水连通性差，储水空间有限，造成地下水富水性严重不均。根据变质岩的岩性、结构、构造，总结出风化壳蓄水构造、断裂带蓄水构造、岩脉蓄水构造、粗粒岩石蓄水构造；根据野外电测找水经验，在泰山群变质岩土地区，有低阻正交点、V形低阻异常、麻花低阻异常、半衰时窄幅单峰异常、宽幅单峰异常等富水构造特征，找水可取得明显的效果。

泰山群变质岩；地下水；蓄水构造；联合剖面；半衰时

山东省太古界泰山群变质岩，主要分布在鲁西隆起区内，出露面积约占基岩面积的42%，构成鲁西隆起区的结晶基底。泰山群变质岩地区地下水主要为裂隙水，由于岩石裂隙发育细小，储水空间有限，因此，地下水富水性严重不均，开发利用难度大，是山东省比较严重的缺水区之一。对于富水性较弱的泰山群地下水，电测手段方法不当，盲目定井、挖井，花费了大量人力、物力，造成巨大的经济损失。因此，研究泰山群变质岩地下水的富集条件，探求地下水行之有效的勘探方法，对解决贫困落后地区的生产、生活用水，提高人民生活水平，具有现实意义。

1 泰山群变质岩的蓄水构造

1．1岩性

泰山群变质岩的岩性不同，对于裂隙的发育、透水性和含水量，均有明显的差异。当片岩夹片麻岩时，片麻岩富水好；当花岗岩或伟晶花岗岩脉穿插于角闪岩中时，前者裂隙发育，含水性好，后者则差；当石英岩夹在千枚岩中，前者裂隙发育，破碎强烈，富水性好，后者裂隙较少。根据多年的野外实践经验，一般情况是万山庄组、太平顶组比雁岭关组、山草峪组颗粒较粗，在同样条件下易风化破碎，含水较好。

1．2结构、构造

变质岩的结构不同，其风化程度不相同，地下水的富水性不相同。等粒变晶结构抗风化能力较强，而不等粒变晶结构或斑状变晶结构，则有利于进行风化，引起矿物表层结构松散，易使岩石结构发生碎裂；斑状变晶结构中的斑晶与基质抗风化程度不等，斑晶容易脱离基质出现裂隙，赋存风化裂隙水；变质岩的碎斑结构，大小颗粒破碎不均，中间出现裂隙，为岩石风化提供了有利条件，所以破裂结构最易风化，含水较多；块状构造在动力作用下易产生裂隙，故富水性好；带状构造中的矿物排列成层状，其中条带矿物柔性大，易填充在矿物之间，起到阻水作用；片状构造各矿物之间很紧密，缺少空隙，风化缓慢，富水性差；片麻状构造的粒状矿物夹在片状矿物之间，粒状矿物易风化，故片麻状的岩石比片状的岩石容易风化破碎，含水也多。

1．3蓄水构造

经过多年的野外找水实践经验，总结出了风化壳蓄水构造、断裂带蓄水构造、岩脉蓄水构造、粗粒岩体蓄水构造。

1．3．1风化壳蓄水构造

（1）汇水洼地风化壳富水构造：在岩石性质及地质构造条件比较均一的地区，岩石风化的差异性很小，地下水从分水岭向河谷洼地汇集，低洼汇水部位就成了风化裂隙水富集的地带。如肥城市某村的大口井就是位于一条河沟的底部，岩性为片麻岩，井深20 m，出水量达30 m3／h。

（2）侵入接触型风化壳富水构造：受岩浆侵入作用的影响，在古老的变质岩地层中，常有软硬性质不同的岩脉相间出现，由于软岩石一侧的全风化带粘土充填较为严重，透水性及富水性较差；而脆性岩石一侧的半风化带裂隙发育，透水性强及富水性较强。所以在塑性岩石一侧一般形成隔水边界，在脆性岩石的接触带附近形成相对富水带。

（3）断裂构造型风化壳富水构造：由于风化作用沿着构造裂隙带发育，形成带状、囊状风化壳。这种局部加深的风化壳，两侧以未风化的岩石作为隔水边界，向下与构造裂隙带相沟通，形成断裂构造型风化壳富水带，这种富水带常可以得到深部构造裂隙水的补给，因而水量比较丰富。

1．3．2断裂带蓄水构造

变质岩中的断层很发育，大小断层密集，破碎带宽窄不一，断层裂隙中不仅含有浅层水，而且也有深层水，既适合大口井开采，也可用深机井开采。

1．3．3岩脉蓄水构造

岩脉蓄水构造是以岩脉与围岩中的裂隙为蓄水空间，呈带状分布。根据野外找水实践经验，影响岩脉蓄水构造富水的因素，主要有岩脉及围岩的性质、岩脉的延伸性、岩脉走向、岩脉宽度等方面。

（1）岩脉延伸性：由于岩脉是一种带状或脉状的蓄水构造，其蓄水空间小，开采量主要来自侧向补给量。侧向补给量的大小主要取决于岩脉的延伸性，水平方向延伸愈远，垂直方向切割愈深，其蓄水空间愈大，补给也就愈充沛，富水性也就愈好。如泰山脚下著名的王母池泉，就是沿NW走向的辉绿岩岩脉的接触带形成的，该岩脉延伸10余km，汇水作用十分显著，所以该泉历年以来从未干涸。

（2）岩脉走向：对阻水的岩脉来说，若岩脉的走向垂直于地下水的流向时，其阻水性较好，岩脉的上游一侧为富水部位；对导水岩脉而言，若岩脉的走向平行于地下水流向时，会加速地下水的排泄，不利于地下水的储存，一般不会形成富水构造；若岩脉的走向垂直于地下水的流向时，则岩脉起到汇水和储水的作用，往往形成富水构造，在岩脉的中间部位或岩脉的下游一侧选择井的位置较为有利。

（3）岩脉宽度：若岩脉本身含水时，宽度的大小对其富水性影响较大。其宽度愈大，蓄水空间愈大，富水性也就愈好。如山东省宁阳县程花村在一条宽度约20 m的花岗岩的岩脉中钻孔，井深39 m，单井出水量可达30 m3／h。

1．3．4粗粒岩石蓄水构造

泰山群变质岩中有黑云母斜长片麻岩、长石石英片麻岩、伟晶岩等岩石，这些粗粒变质岩一般颗粒直径约1～4 mm，大者可达8 mm左右。由粗粒岩石组成的岩层，一般是比较好的蓄水构造，机井出水量都很大。如泰安市某村的某机井打在粗粒片麻岩中，风化碎屑粗粒透水性良好，井深32 m，出水量28 m3／h。

目前地下水勘探方法很多，这些方法大都适用于电性差异较大、水量丰富的第四系孔隙水和岩溶水［1］。对于富水性较弱的变质岩裂隙水，所探测的地质体与围岩的电性差异较小，致使常规的电测方法失效，常常造成定井失败。结合近年来野外找水实践，利用联合剖面法、激发极化法不同类型的含水异常，成井率很高，在变质岩地区找水取得了成功的经验。

2 联合剖面法

2．1联合剖面法的装置［2］

联合剖面法是由2个对称的三极装置（A、M、N和B、M、N）联合而成，其公用供电电极C垂直于测线方向，通常称C极为无穷远极。在每一测点分别用A、C及B、C轮流供电，分别测出M、N电极之间的电位差值ΔUAC、ΔUBC，并计算出视电阻率，根据两曲线的特征，了解某一装置沿测线一定深度范围内水平方向上电阻率的变化特点，结合水文地质条件分析，以推断含水层或含水构造带的部位。

2．2联合剖面法确定富水构造

在实际工作实践中，根据不同的地电条件，总结出低阻正交点、V形低阻异常、麻花低阻异常等不同富水构造。

2．2．1低阻正交点［3］富水构造

正交点的形态多样，如果联剖曲线的正交点两支分离不大，在低阻交点处一般为断裂带富水构造，因此，井的位置选择交点处，单井出水量一般会很大，是联合剖面法主要的蓄水构造；如果正交点的两支分离很大，并且不对称，则往往是地形干扰所造成的，井的出水量一般不大。

图1 宁阳县某村联合剖面曲线的低阻正交点Fig．1 The low resistanceorthogonal point for the united cross section curvein Ningyang County

如宁阳县某村南布置一条东西向测线，点距20 m，MN＝20 m，AO＝70 m，其联合剖面曲线见图1。在联合剖面曲线上，测点22＃、23＃之间出现一低阻正交点，在交点处定一钻孔，孔深62 m，出水量为46 m3／h。

2．2．2 V形低阻异常富水构造

规模较窄的断层破碎带在联合剖面曲线上常表现为尖底的V形低阻异常，是含水地带的反映，井的位置应选择在凹斗的底部。V形低阻异常的幅度越大，其含水性越好，井的出水量也越大；如果仅有少数点组成的V字形不明显，或者下降幅度不大，一般来讲含水意义不大，不宜成井。

如泰安市北集坡某村，地层为泰山群花岗片麻岩，是有名的缺水村。在村北布置一联剖测线，由23＃、24＃、25＃、26＃、27＃等5个测点组成一个非常明显的V字形曲线，推测为一条断裂破碎带（图2）。在凹斗底部布置一钻孔，井深60 m，出水量为50 m3／h。

2．2．3麻花低阻异常富水构造

图2 泰安市北集坡某村联合剖面曲线的V形低阻异常Fig．2 The V shape low resistance for the united cross section curve in Taian City

在联合剖面曲线上有2～3个测点，双支产生正反相交时，称为麻花低阻异常。麻花低阻异常一般是含水层的反映，井的位置应选择在麻花中间部位。如东平县某地的联合剖面曲线，在18＃测点出现正反两个交点（图3）。在18＃测点布井，井深37 m，出水量24 m3／h。

图3 东平县某地联合剖面曲线的麻花低阻异常Fig．3 The twist-type low resistance for the united cross section curve in Dongping County

3 激发极化法

3．1激发极化法主要参数

激发极化法主要是研究地下介质二次场的强度和衰减速度。采用不同的激发极化仪，所描述激发极化现象的参数也不同。SDJ—X系列积分式激发极化仪是用半衰时S05、衰减度D等参数来描述激发极化现象的［4］。

在每一个极距（AB／2）上，一次供电，仪器板面上2个表依次显示6个数据，即一次场的ΔV，I，和二次单位是mv·s，每一积分时段内的平均电位差即可求ΔV2-4＝A4，单位为mv。

3．1．1半衰时S0．5

半衰时S0．5是二次场电位衰减至一半（50%）时

其中：A＝（101．6A2-17．6A3-84A4）／A1，B＝（38．7A2＋12．8A3-1．55A4）／A1。

半衰时S0．5越大，二次场衰减速度越慢，则说明地质体的含水性越好。

3．1．2衰减度D

衰减度D是二次场电位衰减速度的反映，由于不同时间衰减速度不同，所以用3个不同时段的衰减速度来表示其衰减过程，即所需的时间，由下式计算：衰减度D越大，二次场衰减的过程越慢，说明地质体的含水性越好。

3．2确定背景值

背景值是指地下岩层不含水时衰减参数值的大小，即将覆盖层、隔水层、含水层综合在一起时，所测定参数的临界值。背景值的大小，对分析含水层、评价地下水的富水程度非常重要。在同一测区内，背景值的变化不会太大。但当测区面积较大时，由于地质条件的变化，背景值可能会有较大的变化，因此应考虑背景值的不均匀性。

确定背景值可以利用干孔来确定，即在无水的干孔附近，做激发极化法的井旁测深，从S0．5，D的测深曲线上，求出S0．5，D的大致平均值，作为该测区的S0．5，D背景值，也可以利用视电阻曲线的无水段确定各参数的背景值。根据多年的野外实践经验，泰山群变质岩地层，如果半衰时S0．5小于1．5～2．0 s，一般是无水或含水性较差，可作为背景值的参考值。

3．3含水层的辨认［5］

激电测深曲线（S0．5，D曲线）呈峰值变化的线段是含水层的反映，即没有遇到含水层时，曲线比较平直，参数大小接近背景值；遇到含水层后，参数逐渐增大，达到极大值后，又逐渐降低，形成一个高值异常，此高值异常则对应含水层部位。一般用半衰时S0．5、衰减度D的异常来辨别含水层。半衰时S0．5主要有窄幅单峰异常、宽幅单峰异常、窄幅多峰异常和宽幅多峰异常等4种形式；衰减度D曲线的变化规律基本上和半衰时S0．5曲线相同。

3．3．1窄幅单峰异常

如果激电测深曲线上有2～3个极距组成单峰形

一般取平均衰减度态，称为窄幅单峰异常。窄幅单峰异常峰值对应的一般是较小的含水体，如裂隙密集带、小型断裂带。其富水程度主要取决于峰值幅度的大小，如果异常幅度很大，出水量还是比较客观的。如宁阳某村岩性为泰山群花岗片麻岩，是远近闻名的缺水村。半衰时S0．5曲线见图4，半衰时S0．5明显呈窄幅单峰异常，20～50 m为单峰异常，推断为小型断层。经钻探岩芯破碎，井深50 m，出水量为32 m3／h。

图4 半衰时S0．5单峰异常曲线Fig．4 S0．5unimodal abnormalcurve for half time

3．3．2宽幅单峰异常

一般由4～5个高值点组成，异常值越大，幅度越宽，含水越丰富。在泰山群变质岩中，出现这种异常的可能性不大，仅在规模较大的断裂中偶尔出现。如泰安市某地的激电测深曲线，为典型的宽幅单峰异常，半衰时S0．5最大值达3．7 s，衰减度D最大值达89%。考虑到该测点地处泰山大断裂的次生断裂带内，推断为大型断裂富水构造，经施工证实，花岗片麻岩岩石破碎，坍孔严重，出水量达80 m3／h，在变质岩地层中罕见。

另外，在泰山群变质岩中，可能出现窄幅多峰异常、宽幅多峰异常。多峰异常一般由4～5个高值点组成，呈多峰形态。这类异常是由连续出现2个以上缓升缓降的小型异常组成，反映了多个含水层的存在，每一个峰值对应一个含水层，一般来讲含水比较丰富。宽幅多峰异常在变质岩地区出现的可能性不大。

4 结论

（1）泰山群变质岩的地下水类型为风化裂隙和构造裂隙水，由于风化带厚度及裂隙发育不均匀性，裂隙水连通性差，储水空间有限，造成地下水富水性严重不均。根据变质岩的岩性、结构、构造总结出泰山群变层岩中有以下几种蓄水构造：风化壳蓄水构造、断裂带蓄水构造、岩脉蓄水构造、粗粒岩石蓄水构造。

（2）联合剖面法具有灵敏度高，异常反应明显的特点。根据野外电测实践经验，有低阻正交点、V形低阻异常、麻花低阻异常等3种富水构造，成井率很高。

（3）激发极化法曲线反映异常直观，解释方便。当富含地下水时，二次场衰减速度慢，半衰时S0．5、衰减度D异常明显。利用半衰时S0．5的窄幅单峰异常、宽幅单峰异常、窄幅多峰异常和宽幅多峰异常等富水异常，找水效果明显。

［1］姬广柱，周强，侯国强．综合多种物探方法在贫水区找水的实践［J］．地下水，2001，（4）：208-210．

［2］陈仲候．工程与环境物探教程［M］．北京：地质出版社，1993．

［3］刘福臣，程兴奇，王启田．联合剖面法探测鲁东中生界地层地下水［J］．节水灌溉，2008，（5）：208-210．

［4］刘福臣，潘东兴．水资源勘察技术与方法［R］．山东泰安：山东农业大学，1999．

［5］关建斌．激发极化法找水实践［J］．地下水，2006，（5）：73-74．

（编辑：曾小汉）

Condition of Storage Structure and Seeking Groundwater below Taishan-group Metamorphic Rock

XU Guang-yu，LIU Fu-chen，LI Ling-xiao
（Shandong Water Polytechnic，Rizhao Shandong 276826，China）

The weathering crevice water and the structure crevice water are main ground waters in Taishan

group metamorphic rock．Because of the uneven weathering zone thickness，bad connectivity of the crevice water and limited store water space，the ground water of rich-water area is seriously uneven．According to the rock property，structure and rock-fabric，there exists the crust of storage structure conditions such as weathering rock，fracture zone rock，dyke rock，coarse grained rock and so on．By finding the low resistance orthogonal point，the unimodal abnormal“V”shape low resistance，abnormal twist-shape low resistance，unimodal abnormal curve of narrow width，unimodal abnormal curve of broad width and so on，in the field measures，seeking the ground water in the Taishan-group metamorphic rock is very successful．

Taishan-group metamorphic rock；ground water；storage structure；united cross section method；half-decline time

P631．32

A

1001-5485（2009）03-0024-04

2008-05-13

徐光瑜（1964-），男，北京市人，副教授，主要从事于水利工程的教学及科研工作，（电话）13516335917（电子信箱）qfrz64007＠163．com。