综合电法在西南岩溶区地下水勘查实例解析

2015-01-28宋洪伟

城市地质 2015年3期

宋洪伟，夏凡

（1．中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄 050061；2．河北省环境科学研究院，石家庄 050037）

0 前言

我国西南地区喀斯特地貌发育，广泛分布峰丛、峰林及孤峰。受岩溶作用的影响，在西南岩溶地区进行地下水勘查工作难度大，开展水文地质物探工作也更为谨慎。地下水勘查物探工作的物探方法为大功率激发激化法，其在各种类型岩性地区的找水工作中发挥着重要作用。由于其勘探深度大的特点在内蒙、新疆、西藏等西北、华北缺水地区的地下水勘查工作中有着很好的应用效果。考虑到岩溶地区特殊的储水结构，仅仅依靠激电测深法有很大的局限性，如果配合高密度电法，在探寻地下暗河及储水溶洞的工作中可以达到事半功倍的效果[1～3]。

1 物探方法介绍

1.1 大功率激发极化法

大功率激发极化法又称激电法，是一种以不同岩矿石的激电效应之差异为物质基础，通过观测和研究大地激电效应，以探查地下地质情况的一种勘探方法，是最传统、有效的地下水勘查方法之一。不仅在区域水文地质调查工作中发挥了重要作用，而且在抗旱抢险工作中解决了旱区人民的饮水困难。因此，在进行地下水地球物理勘探中，激发极化法一直被水文地质工作者广泛应用。

研究表明，充水裂隙、破碎带及由粘土矿物组成的岩石等，充、放电速度很快，而颗粒较粗(如砂或砂砾组成)的岩石和完整岩石充放电速度则较慢。这对评价激电异常和利用激电法找水很有实际意义，也是用激电法寻找地下水的地球物理前提。其电阻率公式为：

式中:ρs——视电阻率（Ω•m）；

K——由AB、MN各极点相对距离得出的系数。本次激电工作设计如下：

（1）由于本次任务找水目标为300m之下的深层水，因此确定采用AB/2最大极距为1000m以达到勘探深度要求。

（2）为保证勘探精度，采用了7.5kW的大功率发电机，一次场电位必须达到30mV以上。由于本次勘探区处于农田中，接地效果较好，即便如此为保证供电效果，在AB极两端采取了十几根经过打磨的钢钎，并浇上大量水来降低接地电阻。

（3）完整岩石电阻率相对较高，电测深ρs曲线一般表现为“A”型，斜率一般在45°左右。由于断裂构造充水、溶蚀，岩溶发育地段电阻率将明显降低，形成低阻异常。在断裂构造上及岩溶裂隙发育带上ρs同步下降低阻呈“H”型曲线，曲线出现平台、拐折异常特征。勘探中要把握这样的原则，注意所谓平台、台阶的存在[4～6]。

1.2 超高密度电阻率法

超高密度直流电法勘探反演系统是近几年才刚刚引进我国的一种新型直流电法勘探仪器，其不同于传统高密度电法的数据采集方式，忽略偶极、温纳等装置的选择。而采取全自动、自由组合的数据采集方式，采取的数据主要为不同电极组合之间的电势差，使得同样电极数的情况下，采集的数据量将超过常规方法40倍以上，无须顾及各种不同的数据采集装置的优缺点。同时，其多通道的工作模式能够同时采集61组V/I数据，所以不会因采集数据过大而影响采集速度。同时由于其操作简单、容易上手、便捷、有效的工作方式，近年来在水工环物探工作中越来越得到重视[7～11]。

2 岩溶区含水结构物性特征分析

2.1 岩溶区含水结构特点

岩溶区岩性主要是以可溶性的碳酸盐类岩石（主要是石灰石）为主，在以水的溶蚀为主的内外力作用下形成的地下溶洞和暗河。此类地区第四系覆盖一般较薄，地下水主要为岩溶水，储水结构以地下暗河及地下溶洞为主。

2.2 物性特征分析

岩溶段或断裂构造与完整基岩的电性存在明显的差异，为开展电法工作提供了可靠的地球物理前提。但是，不能忽视的是在溶洞及裂隙中出现的泥质充填物，其成分一般为钙泥质与铁泥质薄膜泥水混合物也会呈现与水一样的低阻特征，给物探解译工作带来极大干扰。因此，总结岩溶地区不同含水结构的特征后再进行解译工作能够很好地提高物探解译精确度。

经过试验调查、资料分析得知，溶洞或裂隙中的含水特征一般分为以下3种：

（1）干涸或半充水状态，物探反应主要体现为中高阻低极化；

（2）充满水的状态，物探反应为低阻高极化特征；

（3）充满泥质填充物的状态，物探反应为低阻中低极化。

3 勘查实例解析

3.1 A村地下水勘查实例

（1）地质地貌条件

A村地处峰丛地貌区，地表出露岩性以灰岩为主，低洼处有不足10m的第四系松散沉积物。村庄南部有一规模较大的冲沟，深约7m、宽度超过20m，根据已有地质资料及地质调查工作推断此沟为一背斜构造原地风化剥蚀所致，结合村民用水的实际情况，将此处定位“靶区”。

（2）物探工作

经分析靶区的水文地质条件，将工作重点放在利用物探确定从向斜构造中向外“伸出”的导水通道，也就是所谓的地下暗河。

采用超高密度电法在平行冲沟的方向拉了两条测线。极距10m，电极数64根，两条测线相互平行，相距约300m。两条超高密度测线反演后的等值断面图，见图1。

图1 超高密度电法电阻率反演断面等值线图

由图1可明显地看出在1号线220m处有电阻率变大、等值线聚集成团状的情况出现，深度为30～40m，推断应为溶洞或地下空穴，同时在2号线280m处相同深度也出现了同样特征。再结合地面地质调查工作可知两处异常的连接应为一条导水通道。因此，在推断导水通道处进行了激电测深工作，如图2所示。

图2 拟定井位电测深曲线图

在激电测深电阻率极化率曲线图上可以看出，在AB/2大于96m时出现所谓的电阻率变大变缓的“台阶”，同时还出现极化率相对较高的特征，完全符合完整基岩下的裂隙含水电性特征，估计50m深度富水。同时，考虑岩溶发育情况，设计探采结合孔深为150m，70m处涌水量为15m3/h，满足了当地旱季灌溉需要。

3.2 B村地下水勘查实例

（1）地质地貌条件

B村位于山谷中，南北皆有大山，村庄处于山谷低洼处，第四系覆盖约5m左右，地表有基岩出露，岩性大部分为砂岩。村庄被群山包围汇水条件较为理想，在村南邻山处第四系较厚，推断应有构造存在。因此，该村地下水勘查工作应以圈定构造裂隙水走向为重点。

（2）物探工作

由于该村庄地形起伏较大，物探工作不易进行，因此综合考虑多方条件，在村东南方向垂直推断山前断裂带处布置高密度电法测线一条。高密度电阻率断面等值线图见图3，图中很明显看到，在距离起点为300～320m之间等值线直立且两边电阻率差异明显，基本可以判断下伏有裂隙构造的存在，断层走向与地形地貌特征基本吻合。同时为了进一步验证高密度电法测量工作的准确性并且为了保证成井率，高密度测线320m处的位置上进行了激电测深工作如图4所示。在激电测深电阻率极化率曲线图中可以看出在AB/2大于70m时电阻率曲线出现变高变缓的“台阶”状现象，同时在台阶处出现高极化特征，根据前文所述各种含水结构的电阻率极化率特征可知，此处为理想定位。最终探采孔成井147m，涌水量超过20m3/h。井位成功确定，为在相同地质情况的地区进行地下水勘查工作提供了宝贵的经验。