西南岩溶地区找水技术方法探讨

2011-02-02朱庆俊王洪磊

地质与勘探 2011年5期

李伟，朱庆俊，王洪磊，李戍

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定 071051)

1 引言

我国西南岩溶地区的地下水主要赋存于溶洞、管道和裂隙中，由于岩溶发育的不均匀性(沈照理等，1985)及其浅部的泥质充填，给岩溶水的勘查和开发带来了极大的困难，造成了岩溶地区部分居民饮用水严重缺乏。岩溶地区供水勘探孔成功率较低，长期徘徊在30%左右(王宇等，2006)。究其原因，除了其本身勘查难度大外，应与物探技术方法的选择、水文地质与物探工作脱节息息相关。

90年代初期，岩溶地区找水主要采用音频大地电场法、甚低频法、联合剖面法、α杯法、电测深法、激发极化法等。受找水技术方法及水文地质条件认识不足等多因素限制，定井成功率约30%(陈伟海等，2001)。目前，除以上几种方法之外，又增加了高密度电阻率法、地震法(张致付等，2003)、音频大地电磁测深法和核磁共振法等。其中，音频大地电场法和(或)α杯法、联合剖面法用于确定储水构造的平面位置;直流电测深法、高密度电阻率法、地震法、音频大地电磁测深法等用于详细刻画储水构造的空间发育特征;激发极化法和核磁共振法用于判断储水构造的富水性(李淑莹等，1988;潘玉玲等，2000;朱庆俊等，2001;武毅等，2002;杨湘生，2002;李金铭，2004;郭韶华，2005)。工作中针对岩溶水的赋存条件、地形条件等，基于有效性和经济性的目的常选择不同物探方法的组合工作模式，有效提高了成井率，基本达到了70%，但是工作周期长，成本高。

2010年春季，按照国土资源部抗旱找水打井指挥部统一部署，广西隆安抗旱找水工作组在隆安县的丁当镇和屏山乡14个村屯开展了找水打井工作，以解决隆安县旱区的人畜饮水困难。工作中，采用水文地质条件分析(地形地貌、岩性、落水洞及泉点的分布等)确定找水靶区，进而利用音频大地电磁测深法刻画储水构造的空间特征、确定井位的工作模式，提高了工作效率(一至两天定井一眼)和成井率。抗旱工作共施工15眼钻孔，成井14眼，成井率达到93.3%(朱庆俊等，2011)。

本文以丁当镇红阳村板久屯定井工作为例，说明抗旱找水工作模式的具体应用及通过电性特征和水文地质条件分析判别储水构造中泥质充填问题(吴英隆，1990)。

2 区域水文地质条件

2.1 区域地质及构造背景

广西隆安县地处桂西南岩溶山地，右江自西北而入，东南而出，斜贯全境。地貌以丘陵和喀斯特为主，右江谷地及开阔地带形成的小平原，其地势为东北、西及西南部向中部右江河谷逐步倾斜。

出露地层以泥盆系－三叠系为主，碳酸盐岩涵盖了全县的绝大部分面积。构造形迹表现为纬向构造体系主导全区，多种构造体系(北西向构造、经向构造、山字型构造)复合的特征。参见图1。

构造对地形地貌具有明显地控制作用:北西向构造断裂带形成北西－南东向右江河谷平原;东北部的经向构造，产生北东向和北西向两组裂面(北东向为主)，控制了条形谷地及山地呈北东方向有规律地平行延伸;纬向构造形迹起主导作用的西部及西南部，由于产生北东向和北西向“X”断裂和节理面，构成棋盘式格局组合的谷地、洼地和山体排列(钟孝先等，1978;张永信，1993)。

2.2 地下水赋存特征

断裂构造控制着本区岩溶的发育，也控制了地下水的赋存与运移(胡海涛等，1980)。岩溶管道、溶洞、断裂构造带及其影响带不仅是地下水赋存的空间，而且是其运移的通道。由于断裂构造线性特征，造成地下水以带状、脉状为主的非均匀性分布;溶潭、溶斗、天窗、漏斗等岩溶个体形态发育，60m以浅的溶洞多被地表水携带的近地表物质填充，从而其富水性较差。地下水的非均匀性分布及浅部贫水特征，增大了地下水勘查工作的难度。

图1 广西隆安县地质及构造体系略图Fig.1 Sketch geological and tectonic map of Long’an county1－第四系;2－第三系;3－三叠系;4－二叠系;5－石炭系;6－泥盆系;7－寒武系;8－性质不明断裂;9－压扭性断裂; 10－多期活动断裂;11－活动性断裂;12－背斜;13－向斜;14－井位;15－岩层产状;16－河流1－Quaternary;2－Tertiary;3－Triassic;4－Permian;5－Carboniferous;6－Devonian;7－Cambrian;8－unknown fault;9－compressional and shear fault;10－polyphase active fault;11－active fault;12－anticline;13－syncline;14－wells;15－attitude of rocks;16－river

3 典型实例分析

3.1 工作区概况

红阳村位于丁当镇西北部的山间谷地，该村三个屯共1082人，人畜饮水困难，需到3km外村屯拉水解困。

在构造部位上处于新南背斜的东翼，出露基岩为石炭系－泥盆系厚层灰岩，发育北东向和北西向两组断裂，以北东向断裂占优，控制着各谷地沿北东向发育，近平行排列。背斜的核部一带，成为当地地表、地下水分水岭，地下水接受大气降水补给，循北东向收敛运动，形成地下河，排泄于东部的武鸣河。

3.2 物探方法选择

为精细刻画储水构造的空间特征，选择基岩裂隙水勘查中成熟的方法－音频大地电磁测深法(EH－4电导率成像系统)展开工作。

EH－4电导率成像系统磁头高频响应范围为10Hz～100kHz，一个对数间距内的采样频点为10个，具备纵向高分辨率和灰岩区勘探盲区(通常埋深＜20m)小、地形影响小、场地条件要求宽松、快捷方便等特点，在山区找水工作中具有广泛适宜性和优越性(郭建强等，1998;伍岳，1999;孙升林等，2001;武毅等，2001;刘伟等，2010)。

3.3 物探工作布置及测量结果分析

红阳村西部山地与谷地交界处形成陡崖，其下季节性泉水(S1)出露，并有落水洞发育，判断存在NNE向断裂构造(F1);南部山脊发育一垭口，中间深凹、两侧陡立，走向NEE方向，判断存在断层F0;北部山坡发育NW向凹地，在其方向上谷地内存在落水洞，暴雨时亦有水从中冒出，认为其为沿断裂构造(F2)发育的溶洞。

由于北部施工进场困难，工作重点为查明F0、F1断层的空间发育特征，判断其富水性，布置两条物探测线(见图2)。

EH－4测量结果见图3。Ⅰ线断面图于剖面40m处存在明显垂向低阻异常，异常带视电阻率值与完整围岩的视电阻率比值小于1/3;测线西侧的山脊垭口发育北东向断层，推断该低阻异常为此断层反映(F0，断层倾向剖面起始端，倾角陡)，宽约30m，发育深度大于200m。Ⅰ线尾端(120～150m)亦出现低阻特征，异常深度小于60m，由于未能完整反映，不能确定其是落水洞亦或发育较浅的断层的反映。

图2 隆安县红阳村物探工作部署示意图Fig.2 Schematic diagram of geophysical layout in the Hongyang village，Long’an county1－第四系;2－石炭系－泥盆系;3－地质界线;4－正断层;5－推测断层;6－井位及编号;7－落水洞;8－季节性泉及编号;9－EH－4测线;10－地表水流向;11－等高线及高程点1－Quaternary;2－Carboniferous－Devonian;3－Geological boundary;4－normal fault;5－inferred fault;6－wells and number;7－sinkholes;8－seasonal springs and number;9－EH－4 survey line;10－surface water flow direction;11－elevation contour and point

Ⅱ线与Ⅰ线交于123m(Ⅰ线)处，断面图显示:在剖面起始端(0～10m)和60～80m处存在两处垂向低阻带，推测前者为沿山前发育的NNE向断层(F1)，受工作条件限制，断面图未能完整反映其形态;后者为另一条断层，从平面位置及低阻异常特征判断，此断层与Ⅰ线所显示的断层为同一断层，即F0。F1断层发育深度120m左右，倾向剖面尾端，倾角较陡，其中深度80m以上岩石破碎，有低阻圈闭特征，具有富水可能性。F0断层中心位于剖面70m处，发育深度可达160m，断层近乎直立，倾向剖面尾端。

3.4 钻孔情况分析

Ⅰ线断面图低阻异常明显，断层明确，与本区主要发育的北东向断裂的方向相吻合，井位(1#)定于剖面38m处，以断层带富水段为取水目的层，设计井深140m。钻进方法采用泡沫空气潜孔锤技术，钻进至88m，其间除在50～80m间揭穿3层1.0～2.0m厚的灰岩外，其余各段均为粘土或含碎石粘土，无水，由于潜孔锤钻进施工困难，停钻。

图3 EH－4测量成果图Fig.3 Measurement results of line EH－4

综合分析钻孔资料、物探成果及已有的水文地质调查结果:低阻异常确为断层带反映，且沿断层带岩溶发育，井位处为垂向发育的溶井，其深度大于88m，被地表水携带的近地表物质所充填;由于垂向上没有完整灰岩相隔，视电阻率断面图上完全显示为断层带的低阻特征;埋深100m～140m，视电阻率出现低阻圈闭，表明断层带充填物发生变化，判断其为断层带破碎程度不同或溶洞发育，仍有富水的可能性。

对比分析断层的低阻异常带的电性特征，可看出，F1断层带的视电阻率明显高于F0断层带。据调查，该区表层岩溶发育，S1泉水即使在洪水期也为清水。故此，判断F1较于F0储水构造的泥质充填少、富水性好，利于成井，2#井位移至视电阻率值相对较高的F1断层位置。受施工条件限制，井位定于剖面起始端处。

2#孔成井深度110m，单井出水量达1000m3/d。全孔整体上较为破碎，证明钻孔位于断裂带上。沿断裂带0～110m深度内发育四层溶洞，见表1。孔内地下水位埋深46.0m，而第三层溶洞埋深51.0～54.0m，且为半充填状态，但无水，说明此层及其60m以浅岩溶溶洞由于被粘土充填而不富水。

表1 钻孔揭露溶洞状况一览表Table 1 Status of karst caves revealed by boreholes

4 结论

(1)在西南岩溶石山地区，采用水文地质条件分析确定找水靶区，进而利用音频大地电磁测深法刻画储水构造的空间特征、确定井位的工作模式，提高了工作效率。

(2)音频大地电磁测深法(EH－4)适用于西南岩溶区找水工作。物探资料的解释应与水文地质条件分析相结合，分析物探断面的电性特征，判断断裂构造的发育特征和岩溶发育程度及充填物性质等。

(3)井位的确定宜依据物探测量结果，综合考虑本区的水文地质条件，避开储水构造的泥质充填，提高成井率、降低成井难度。工作中总结出的高阻中找低阻、低阻中找高阻的找水定井经验，提高了成井率:一是在水文地质调查基础上，有目的性的增加物探工作量，研究工作区不同含水体的电性特征，结合工作区已有水井、落水洞等发育和充填情况，以泥质充填少、电阻率值较高的储水构造作为取水目的层;二是对物探成果进行细致的分析，判断断层的发育规模及产状，分析断层带与围岩间电阻率的差异，在表层岩溶发育区，井位定于电阻率值稍高的断层影响带上。

Chen Wei－hai，Zhang Zhi－gan.2011.Study on borehole location techniques of peak forest－plain area－giving an example in laibin county，Guangxi［J］.Guangxi Geology，14(2):58－62(in Chinese with English abstract)

Guo Jian－qiang，Wu Yi，Shao Ru－jun，Cao Fu－xiang.1998.A brief description of the STRATAGEM EH－4 electrical conductivity image－forming system and its application［J］.Geophysical and geochemical exploration.22(6):458－464

Guo Shao－hua.2005.Probe into induced polarization method in water research in karstic region［J］.Coal Geology of China，17:85－86(in Chinese with English abstract)

Hu Hai－tao，Xu Gui－sen.1980.On the structural system and groundwater network［J］.Hydrological Geology Engineering Geology，3:1－7(in Chinese)

Li Jin－Ming.2004.Induced polarization method of technical guidelines［M］.Beijing:Geological Publishing House:50－73(in Chinese)

Li Shu－ying，Shen Bin.1988.The research of eElectrical prospecting methods in hydrology and engineering geology［M］.Guilin:Guangxi Normal University Press:10－35(in Chinese)

Liu Wei，Li Ze－Kun.2010.Advanced geophysical means on groundwater exploration in drinking－water lacking regions［J］.Geology and Exploration，46(1):147－152(in Chinese with English abstract)

Pan Yu－ling，Zhang Chang－da.Surface nuclear magnetic resonance theory and methods［M］.Wuhan:China University of Geosciences Press:5－20(in Chinese)

Shen Zhao－li，Liu Guang－ya，Yang Cheng－tian，Sun Shi－xiong，Chen Bao－ren.1985.Hydrological geology［M］.Beijing:Science press: 147－150(in Chinese)

Sun Sheng－lin，Ni Xin－hui，Gong Hui－min.2001.Applications of EH4 electromagnetic imaging system on exploration of underground water in karst region of central－western China［J］.Coal Geology of China.13(3):67－68

Wang Yu，Zhang Gui，Li Li－hui，Lv Ai－Hua，Li Yan.2006.Karst water exploration and development technology［M］.Beijing:Geological Publishing House:1－6(in Chinese)

Wu Yi，Guo Jian－qiang，Cao Fu－xiang，Sun Sheng.2002.The combination of varied geophysical techniques in exploring deep－seated kKarstic water of south ningxia［J］.Geophysical and Geochemical Exploration，26(2):113－116(in Chinese with English abstract)

Wu Yi，Guo Jian－qiang，Zhu Qing－jun.2001.New techniques application in the exploration of ningnan deep－seated karst waters［J］.Hydrological Geology Engineering Geology，45(2):5－48(in Chinese with English abstract)

Wu Ying－long.1990.The several problems on electrical prospecting for groundwater in the karst area［J］.Journal of Gulin college of geology，10(4):426－433(in Chinese with English abstract)

Wu Yue.1999.The application of EH4－electromagnetic image system to groundwater exploration in sandstone area［J］.Geophysical and geochemical exploration，23(5):335－346.

Yang Xiang－sheng.2002.Some practical examples illustrating geophysical water exploration in karst stone hill areas of northwestern Hunan［J］.Geophysical and Geochemical Exploration，26(3):198－202 (in Chinese with English abstract)

Zhang Yong－xin.1993.Hydrogeology and engineering geology of guangxi［M］.Nanning:Guangxi geological prospecting bureau:156－326 (in Chinese)

Zhang Zhi－fu，Chen Zhi－ping.2003.Application of geophysical methods in exploring karst structure，Guangxi［J］.Journal of Guilin Institute of Technology，23(1):41－45(in Chinese with English abstract)

Zhong Xiao－xian，Huang Ri－rao.1978.Regional hydrogeology survey［R］.F－48－(12)，Nanning:The team on hydrogeology and engineering geology of Guangxi:11－55(in Chinese)

Zhu Qing－jun，Li Wei，Li Feng－zhe，Sun Yin－hang，Li Shu.2011.A-nalysis on geologic－geophysical model and geophysical response of groundwater reservoir in longan county，Guangxi［J］.Carsolohica Sinica Karst in China，30(1):34－40(in Chinese with English abstract)

Zhu Qing－jun，Yang Gui－xin.2001.The application of intergrated geophysical exploration to prospecting for fresh water for a certain frontier PLA unit in northwest China［J］.ACTA Geoscientia Sinica.22 (2):189－192(in Chinese with English abstract)

［附中文参考文献］

陈伟海，张之淦.2001.峰林平原区定井技术研究－以广西来宾峰林平原区为例［J］.广西地质，14(2):58－62

郭建强，武毅，邵汝君.1998.StratagemTM.EH－4电导率成像系统简介及应用［J］.物探与化探，22(6):458－464

郭韶华.2005.激发极化法在岩溶区找水的探讨［J］.中国煤田地质，17(增刊):85－86

胡海涛，许贵森.1980.论构造体系与地下水网络［J］.水文地质工程地质.3:1－7

李金铭.2004.激发极化法方法技术指南［M］.北京:地质出版社:50－73

李淑莹，沈斌.1988.电法探测岩溶地下水的方法研究［M］.桂林:广西师范大学出版社:10－35

刘伟，李泽坤.2010.饮水困难区地下水勘察新技术的应用.地质与勘探［J］，46(1):147－151

潘玉玲，张昌达.2000.地面核磁共振找水理论和方法［M］.武汉:中国地质大学出版社:5－20

沈照理，刘光亚，杨成田，孙世雄，陈葆仁.1985.水文地质学［M］.北京:科学出版社:147－150

孙升林，倪新辉，龚惠民.2001.EH4电磁成像系统在中西部岩溶区地下水勘查中的应用［J］.中国煤田地质，13(3):67－68

王宇，张贵，李丽辉，吕爱华，李燕.2006.岩溶找水与开发技术研究［M］.北京:地质出版社:1－6