阜平县变质岩地区基岩裂隙水的电性特征

卢放+阎红霞+胡文广

摘要：查明太行山缺水地区变质岩裂隙水水文地质特征与其电性特征之间的关系，有助于分析该地区基岩裂隙水的赋存规律。阜平县是典型的太行山变质岩缺水地区，根据区域地质资料，采用音频大地电场法、放射性法、音频大地电磁法和激电法对比研究了变质岩裂隙水的电性特征，形成了一套高效合理的寻找地下水富水部位的技术方法组合。结果表明，阜平县变质岩裂隙水地区水文地质特征与其电性特征之间具有明显的一致性。阜平县变质岩基岩裂隙水地区的地下水勘查具有很强的实践意义，为此类变质岩分布区地下水的找寻起到了示范作用。

关键词：电性特征；地层特征；变质岩裂隙水；断层

中图分类号：P631 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）03-0126-06

Abstract：To find out the relationship between the hydrogeological properties and electrical characteristics of metamorphic rock fissure water in water-shortage areas of Taihang Mountains contributes to analyse occurrence patterns of metamorphic rock fissure water.The metamorphic rock area in Fuping County is a typical water-shortage area.Based on the regional geological data，we studied the electrical properties of metamorphic rock fissure water using audio frequency telluric electricity field method，radioactivity exploration，audio frequency magnetotelluric method，and induced polarization method.An efficient and rational combination of technical methods to search rich part of underground water was formed.The results showed that there is evident consistence between the hydrogeological properties and electrical characteristics of the metamorphic rock fissure water in Fuping County.The groundwater exploration in the metamorphic rock fissure water area in Fuping County has huge practical significance， and it will serve as an example for finding groundwater in other metamorphic rock areas of this type.

Key words：electrical characteristics；strata characteristics；metamorphic rock fissure water；fault

位于太行山和五臺山余脉交汇处的河北省保定市阜平县，其区域地下水分布规律主要受新华夏系构造体系的控制，地下水类型主要为松散岩类孔隙水和变质岩类裂隙水，地下水分布规律较为复杂。该县地表水、浅层地下水水质差，泉水水量小，深部地下水开采程度低，严重影响人民生活、制约经济发展[1]。

近六十年来，太行山变质岩地区的基岩裂隙水研究积累了丰富的资料[6-8]。廖资生认为地质构造制约了基岩裂隙水的分布和富集规律。宋献方认为基岩裂隙水循环机理不清，急需各类技术手段成果对水文参数的研究提供技术支持。

20世纪50年代，太行山变质岩地区的水文地质工作开始起步，近60年来积累了各类丰富的资料[6-8]。廖资生认为基岩裂隙水以裂隙为主要的贮、导向空间，其地下水运动和富集规律主要受地质构造条件所控制。宋献方认为山区径流减少原因缺乏实验数据的支持，山区水保工程及水利工程对山区基岩水循环影响机理不清，水文参数缺乏，地下水补给机制急需查明。

本次工作以典型的太行山变质岩裂隙水分布区-阜平县为例，研究了该区基岩地下水的电性特征。在搜集、分析区域地质、水文地质资料的基础上，广泛进行了多种方法的探测工作，对各类电性参数分布特征进行了合理的地质-地球物理解释，对比分析了研究区基岩裂隙水的电性特征和水文地质特征。在此基础上，形成了一套高效合理的适合研究区寻找地下水富水部位的技术方法组合。实践证明，该技术方法组合具有高效、快捷、准确的特点，能为地下水的合理利用与保护提供决策依据，具有明显的社会意义。

1 研究区地质概况

选择阜平县史家寨乡凹里村为例对太行山区典型片麻岩局部富水部位进行研究，其地质特征简述如下：

①研究区属于风化片麻岩地区。

②第四系为冲积物，主要为砂、砾石和卵石。

③基岩为阜平期坊里片麻岩，岩性主要为黑云斜长片麻岩、浅粒岩和角闪斜长片麻岩。

④研究区岩脉发育，辉绿岩、正长斑岩为主，闪长玢岩、石英钠长斑岩次之。

⑤研究区各类地质构造较为发育。

⑥片麻岩节理发育，呈强风化状态。

⑦断层破碎带为主要控水构造。

2 研究区电性特征及电探方法的选择

在收集分析前人研究资料的基础上，在凹里村进行了多种电探方法的物性试验工作[9-12]，总结了凹里村研究区地层的电性特征（见表1）。

分析前期物性试验成果，凹里村的电性特征研究选择了音频大地电场法（audio frequency telluric electricity field method，简称TEF）、放射性法（radioactivity exploration，简称RE）、音频大地电磁法[15-18]（audio frequency magnetotelluric method，简称AMT）和激电法（induced polarization method，简称IP）。根据研究区水文地质条件，上述方法测线的布置应尽量垂直于地质构造体的走向。在满足各种场地的前提条件下，尽可能多的采用两种及其两种以上的方法，多参数、多角度的总结和提高研究效果。

3 研究区变质岩基岩裂隙水电性特征

阜平县变质岩基岩裂隙水主要赋存于太行山北、中段构造隆起部位的各类变质岩裂隙中，其岩性一般为黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩、浅粒岩、斜长片麻岩和斜长角闪岩等。

在阜平县凹里村进行了地质调查。（1）地表出露第四系冲积物，主要由砂、砾构成。（2）局部出露角闪斜长片麻岩风化壳，呈现全风化、强风化状态，裂隙发育明显。（3）岩脉发育，主要为闪长岩，条带状产出，走向近东西。（4）地质构造发育，大致呈东西向展布，为正断层，具供水意义。（5）断层破碎带为主要控水构造，也是导水通道。因此，找水方向为风化壳裂隙水、断层构造水以及基岩裂隙水。

在凹里村重点部位布置了地质剖面A-B（地质剖面A-B位置见图1），地质剖面见图2。剖面显示，凹里村地表分布为第四系砂、砾，厚度约为5 m。下伏地层由浅到深依次为角闪斜长片麻岩、浅粒岩和黑云斜长片麻岩。角闪斜长片麻岩为风化壳，裂隙十分发育，厚度不足20 m。剖面前部有闪长岩脉出露地表。剖面中后部有北倾正断层出现。相对下盘，断层上盘基岩裂隙更为发育。

在凹里村布置了各类电探方法测线（见图1），对比分析了各测线的电性研究成果。

图3显示，TEF01测线（横轴为距离X，单位为m；纵轴为电位差ΔV，单位为mV）的220 m（电位差为1.2 mV）和TEF03测线的250 m（电位差为1.2 mV）對应出现电位差低值，推测为断层的反映。需要注意的是，其中TEF01测线在220～260 m之间存在一个宽缓的低值带（电位差为1.0～1.3 mV），说明该区域内基岩裂隙十分发育。TEF01测线10 m处以及TEF02测线30 m处出现电位差高值，推测为闪长岩脉的影响。阜平至史家寨公路西侧为山体，凹里村向东约400 m为板峪河，第四系覆盖层由西向东逐步增厚，导致由西向东电位差异常变化幅度由TEF01测线的陡峭变为TEF03测线的平缓。

图4显示，RE01测线（横轴为距离X，单位为m；左侧纵轴为电位差ΔV，单位为mV；右侧纵轴为3分钟内放射性读数counts/3min，无单位）放射性读数异常高值出现在190 m处（放射性读数值高达36），对应的TEF01电位差异常低值在220 m处，据此可推测前述断层北倾。需要注意的是，RE01测线190～270 m的放射性读数高值异常带（放射性读数值为21～36），正好与图3中TEF01测线220～260 m之间的电位差低值宽缓异常带相对应，证明该区域内基岩裂隙十分发育。

图5显示，AMT01测线（地电断面解译图中横轴为距离X，单位为m；纵轴为深度D，单位为m；等值线为电阻率，单位为Ω·m）210 m附近，埋深50～150 m电阻率曲线出现近乎陡立的下降，推测该处存在前述近东西向断层，并可根据电阻率等值线变化趋势推测断层大致北倾，结论与放射性法和音频大地电场法一致。AMT01测线210～270 m之间出现电阻率低值“洼地”（电阻率值低于500 Ω·m），推测该区域内基岩裂隙十分发育。

在上述结论的基础上，考虑场地条件对布置钻机的限制，设置了两个激电点IP01和IP02。IP01和IP02分别位于AMT01测线的165 m和210 m处。初步推测210 m处变质岩基岩裂隙水富水性比165 m处优越。

在AMT01测线的165 m和210 m处分别设置激电点IP01和激电点IP02。图6显示，当激电点IP01和激电点（横轴为供电极距AB/2，单位为m；纵轴为极化率polarizability，单位为%）的AB/2小于20 m时（据AB/2=20 m，根据经验公式推测埋深大致应该约为14 m），IP01的极化率（范围为2.16%～2.47%）基本上大于IP02（范围为1.85%～2.16%），测线165 m处浅部地层呈现高极化特征，推测该处浅部角闪斜长片麻岩风化壳裂隙水的富水性比210 m处优越。AB/2大于20 m后，IP02的极化率（范围为2.30%～2.98%）基本上大于IP01（范围为2.31%～2.86%），测线210 m处深部地层呈现高极化特征，推测该处由浅到深分布有浅粒岩裂隙发育区以及黑云斜长片麻岩断层破碎带，变质岩破碎程度高，裂隙十分发育，深部富水性更佳，该处深部富水性比165 m处优越。

在AMT01测线210 m处布置ZK01，实施探采结合井1眼，井深100 m，进行了抽水试验（见图7）。

抽水试验证明：（1）第四系松散砂、砾层厚度为4.0 m，富水性一般，涌水量为3 m3/h。（2）角闪斜长片麻岩风化壳，厚度为13.21 m，风化程度高，富水性好，涌水量为21 m3/h。（3）断层钻遇深度为76.52 m。下盘基岩较完整，具阻水作用。上盘破碎程度较高，为重要的富水部位，涌水量为31 m3/h。断层破碎带为主要的控水构造，也是导水通道。（4）断层北侧的浅粒岩基岩裂隙十分发育，基岩厚度为59.31 m，富水性好，涌水量为25 m3/h。该井总涌水量达80 m3/h。

凹里村电探方法研究成果显示，基岩裂隙水的电性特征与地层特征之间具有一致性，且电性特征参数之间能够互相验证，大大增加了电探方法地质解释的可靠性。

适用于该研究区水文地质特征的电探技术方法组合可总结如下：根据不同方法的适用性和物性前提，认为音频大地电场法、放射性法、音频大地电磁法和激电法等方法组合适宜于太行山片麻岩地区局部富水部位的勘查。首先利用音频大地电场法进行扫面，初步确定研究区可能存在的基岩裂隙发育带和断层构造带，然后在基岩裂隙发育带和断层构造带使用放射性法进行对比，验证该构造的可靠性。随后应用音频大地电磁法确定其具体位置及其含水构造特征，最后布置激电法，利用极化率特征推断含水构造的富水性。

4 结论

在阜平县开展了变质岩基岩裂隙水的电探方法研究，分析了各类方法成果，研究了电性特征分布规律和变质岩裂隙水的赋存特性。

（1）研究区地下水主要为风化壳裂隙水、断层构造水以及基岩裂隙水。风化壳裂隙水广泛分布在风化壳裂隙中，埋藏浅，富水性一般。断层构造水一般受到断层走向的控制，埋藏深，富水性好。基岩裂隙水主要分布在变质岩裂隙发育处，埋藏深度中等，富水性好。

（2）研究区变质岩裂隙水的电性特征，一般体现为TEF电位差低值、RE放射性读数高值、AMT电阻率低值以及IP极化率高值的组合，各特征参数能够互相验证，且电性特征与地层特征之间具有一致性。

（3）适用于该研究区水文地质特征的电探技术方法组合具有快捷、高效和准确的特点，值得在类似地区推广使用。

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