花岗岩地区浅部地下水井位的快速确定

杨天春，张正发，许德根，曹书锦

(1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院, 湖南 湘潭 411201; 2.湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测省重点实验室, 湖南 湘潭 411201; 3.湖南科技大学页岩气资源利用湖南省重点实验室, 湖南 湘潭 411201)

花岗岩地区浅部地下水井位的快速确定

杨天春1,2，张正发1，许德根1，曹书锦3

(1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院, 湖南 湘潭 411201; 2.湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测省重点实验室, 湖南 湘潭 411201; 3.湖南科技大学页岩气资源利用湖南省重点实验室, 湖南 湘潭 411201)

文章探讨在花岗岩地区地下水井位的快速定位问题，结合工程实践，采用三极电阻率测深法和天然电场选频法开展综合探测研究。首先实施三极电阻率测深剖面工作，对采集结果进行二维有限元反演研究，获得二维测深断面上低阻导电体的分布规律；在测深剖面上进一步开展天然电场选频法剖面勘探工作，得到低阻含水构造的水平精确位置，并进一步开展选频测深法的实践。后期的成井结果表明：三极电测深勘探成果的剖面异常比较直观，选频法则在异常体的地表水平定位方面比较精确，施工非常方便，两种方法相结合对地下水进行综合勘探是一种行之有效的办法。

测深；天然电场选频法；地下水；花岗岩

花岗岩地区地下水相对贫乏，一般认为花岗岩地区是找水的禁区，期望在花岗岩地区寻找100 t/d以上的水井难度非常大。为此，一些地质工作者针对花岗岩地区的地下水赋存特征以及其勘探问题开展过相关的研究工作[1～3]。花岗岩地区的地下水主要赋存于断层破碎带中，少部分赋存于风化层中；此外，构造裂隙或节理裂隙中亦有极少量地下水。段佳松认为花岗岩地区风化层及断层破碎带的含水性皆可用地球物理方法探测，为此，提出并采用浅层地震折射波法与电测深法相结合的方法，在广东、海南、浙江等地取得较好的勘探效果[4]；赵广涛以青岛地区为例，探讨了花岗岩区找寻地下水源需注意的问题[5]；乔喜祥研究了黑龙江省和呼伦贝尔盟地区花岗岩裂隙水类型及其赋存规律[6]；曹光奇等采用地面核磁共振方法在花岗岩地区开展找水实践，根据在河北、内蒙古等地的大量水资源勘探实践成果，表明地面核磁共振法(Nuclear Magnetic Resonance，简称NMR)能够在含有花岗岩的复杂地层中探测到100 m以内的地下水[7]。李国占等采用激发极化法、音频大地电场法等综合物探方法，通过查明花岗岩地区蓄水构造的空间分布特征、判断构造的富水性，从而确定地下水的空间位置分布，取得了令人满意的效果[8]。

在花岗岩地区，花岗岩的岩性致密，孔隙度较小，地下水赋存一般较深，受地表影响较小，水质优良，具有一定的经济开发利用价值[9]。因此，开展对花岗岩地区地下水的勘探研究具有重要的现实意义。本文主要采用电阻率测深法和天然电场选频法在花岗岩地区开展地下水勘探工作，根据应用效果，总结花岗岩地区地下水勘探的找水经验，说明综合方法的有效性，这对今后花岗岩地区的水文地质工作、地下水资源的勘探、开发利用有很好的指导意义。

1 方法原理与技术

1.1三极电测深法

常规的对称四极电测深法是在地面的同一测深点上逐次增大电极距，探测测深点处由浅至深，沿垂直方向上视电阻率的变化，通过对电测深曲线或电测深剖面的分析推断地下垂向上地质结构的变化。对称四极电测深在施工时需相反方向同时移动供电电极A、B，工作量较大，在地形起伏较大、植被非常发育的山区施工时，施工难度增大；而在城镇附近施工时，可能会受到建筑物和场地的限制，此时选用三极电测深法比较方便适用。

三极电测深法的供电电极AB和测量电极MN是分开的，可减少电磁干扰，且供电电极B位于无穷远处，测量电极M、N的中点O为测深点，AMN排列在一条直线上[10]。在实际施工中，一般只需要移动供电电极A。所以，相对于对称四极电测深法来说，既减小了工作量，又提高了测深方法的场地适应性。本次工作的测深点点距为20 m，所采用的仪器为DDC-5电法仪。

1.2天然电场选频法

式中：ρ——地下介质的电阻率/(Ω·m)；

f——测量仪器工作时所使用的频率/Hz。

当地下电阻率ρ为定值时，使用工作频率f越高，则电磁波穿透越浅；反之，f越小穿透越深。当频率f一定时，ρ越大，电磁波穿透越深，ρ越小则穿透越浅。

式中：Ex——x方向的电场强度/(mV·km-1)；

Hy——y方向的磁场强度/nT；

Ex和Hy——地表相互正交的两个水平分量；

Hy——在地下水勘探和特定方向时可以不考虑。

在本次现场实际勘探中，实测方法采用平移法，即电极M、N保持固定的间距10 m沿测线移动；测量点距为5 m，异常地段加密为2 m；测量两电极之间的电位差，并以M、N的中点O作为记录点；采用的仪器为自行研制的MFE-1天然电场选频仪。

天然电场选频法在灰岩区地下水勘探和其它工程地质勘查中已经取得过较好的应用效果[11]，但其场源是较复杂的。根据前期的研究成果[12]，认为天然电场选频法的场源来自地球之外的自然因素、地球表面人文因素产生的交变电磁场的共同作用。相对于音频大地电磁法而言，由于选频法的勘探深度较小(一般小于150 m)，自然因素和人文因素所形成的水平交变磁场、水平交变电场对地下地质体共同作用，形成了选频法的异常，其作用效果与音频大地电磁法一样，满足式(1)、(2)。

2 工作区概况

本次地下水勘探的地点位于湖南省绥宁县水口乡宝鼎山附近的一小山顶区域，大唐国际发电股份有限公司正在此修建一座风力发电站，见图1。该处属于雪峰山脉区域，位置较偏僻且地势较高，图2中变电站建设场地的海拔高度约1 100 m，基本位于山顶附近，周围山地植被茂密。

图1 现场工作布置示意图Fig.1 Sketch map of the field work layout

图2 变电站实地照片Fig.2 A field photo of the substation

从区域构造看，工作区位于新华夏系第三隆起带的雪峰山隆起带中南段。北东向褶皱及断裂均较发育，可能为新华夏系构造的局部转向部位；北北东向褶皱及断裂均十分发育，与之相伴生的北西向、北北西向、北东东向和东西向的断裂亦发育，属新华夏构造体系。出露的岩性为加里东期花岗闪长岩(γδ)。

本次勘探工作期间，电站设施已基本建成，但还未运行，图2中高压电缆中均没有电流，现场电站施工用电是采用临时线缆接入。电站边坡宽度约120 m，占地面积约120 m×130 m。为保证电站今后运行过程中5～6名工作人员的生活需要，需在电站征地范围内或附近寻找地下水，业主对水量的要求为15 t/d以上。前期工程地质技术人员根据水文地质情况在附近山沟中确定了两处井位(图1)，其中钻孔ZK1成井深度60 m，0～4 m为洪积层，4～13 m为全风化或强风化花岗岩，13～30 m岩石比较破碎，30～40 m岩石较完整，40 m以下为完整的花岗岩；钻孔ZK2成井深度为68 m，0～5 m为强风化花岗岩，5～40 m岩石裂隙比较发育，但是裂隙张开度不好，40～68 m岩石比较完整。ZK1、ZK2都基本上为干井(水量约为3 t/d)，为进一步寻找地下水源，作者采用天然电场选频法、三极电阻率测深法进行综合勘探。

3 勘探结果与分析

为确定找水靶区，布置了3条三极电测深剖面，共完成60个测深点。测线1、测线2分别位于变电站西南的边坡坡脚和边坡半腰台阶处，图1中点号从左至右依次增大；测线3在征地范围外，基本沿公路斜交测线1、2。图3为测线1、2上三极电阻率测深成果的二维有限元反演成果图，图件绘制时的等值线为电阻率的对数值。

图3 测线1、2的视电阻率测深二维反演成果图Fig.3 2D inversion results of the apparent resistivity sounding in the survey lines 1 and 2

测线1线上发现3处较明显的相对低阻异常区(图3a)。其中，该测线剖面50～100 m、标高1 060 m附近的低阻异常非常明显，结合当地地貌情况，该异常靠近该测线25 m处的山沟，推测该异常段含水性大，该异常可能与山沟的汇水有一定的联系，但由于现场山沟汇水面积较小，且本次测深工作勘探期间雨水充沛，故需考虑雨水对该处异常的影响。测线1的200 m、标高1 080 m附近也存在一埋藏较浅的相对低阻异常区，推测异常的埋深小于30 m，该位置位于两个山头的鞍部，推测该处含水性较强，但位于征地范围之外。测线1的290～340 m范围内为竹林，该处存在冲积型沟谷，含水性较强，所以表现为相对低阻区域；由于竹林沟谷中受地表水的影响，且在征地红线范围之外，非有利的成井位置，钻孔ZK1对应于该测线300 m附近，钻进60 m基本为干井，埋深13 m以下为较完整的花岗岩。

与测线1相比较，测线2上无非常明显的低阻异常区(图3b)。该测线穿过图2中电站边坡的中部台阶位置，除了竹林区域外，该测线的测点高程总体大于测线1的测点高程，边坡附近的测点更加接近山头，该处含水性降低，从而导致该处电阻率升高，低阻异常不是十分明显，但总体上也可分为3处低值异常区。在该测线100 m附近、高程1 120 m存在一处浅部的视电阻率的低电阻异常，它位于图2中边坡台阶中部两山的凹陷区域，推测该位置下方含水性较强，推测该异常与图2中测线1的200 m剖面位置异常具有一定的相关性，两处异常分别位于边坡凹陷区域的上下方。在该测线200 m下方存在相对低电阻趋势，该异常位于公路边，且位于两个山头的鞍部，推测该处含水性较强。测线2的260～300 m区域位于竹林中，该处存在冲积型沟谷，该处浅部覆盖层有少量含水，但深部不一定存在地下水，因为前期测线1上的钻孔ZK1已经验证。

图4 测线1、2的天然电场选频法探测成果Fig.4 Results of the frequency selection method in the survey lines 1 and 2

图4分别为测线1、2上天然电场选频法的部分探测成果，图中曲线旁边的数据代表不同的探测频率。1线115 m之后、2线90 m之后曲线明显递增，这是受到地面施工用的电缆线干扰所致，所以，测线大号段受到干扰的其它数据结果在此省略，未绘制出来。由选频法探测成果可知，测线1存在两处明显的低电位异常，即81 m、91 m附近，现场工作中对这两处异常进行了加密观测，探测点距由5 m变为2 m，确定了异常的可靠性，且81 m的异常比91 m处的异常更明显，异常的相对幅度更大一些，不同频率探测结果的同步性更好(图4a)；另外，1线115 m处的低电位异常由于受到附近供电电缆的干扰，异常的可靠性受到影响；测线2上选频法的异常主要出现在45 m、70 m附近，且70 m处相对异常的幅度更明显，异常更可靠，根据两条测线的位置关系，推测2线70 m处的异常与1线81 m处的异常是相关联的。测线3与上山的施工道路大致平行，顺着施工道路有高压供电线，所以该测线上未做选频法。

图5 测点81/1处选频法测深曲线Fig.5 Sounding curves of the frequency selection method at 81/1

图6 28 m深度内的岩芯照片Fig.6 A photo of drilling cores collected at the depth of 28 m

图6为点81/1处钻井后的岩芯，其中23～26.5 m段存在含水裂隙，岩芯较破碎、不完整，经抽水试验可知该井的出水量约为30 t/d，由于满足了水量要求(大于15 t/d)，最终成井深度只到30 m。可见，在此选频测深法曲线所反映的低电位极距大小MN(20 m)与含水裂隙的平均埋深H(24.75 m)之比约为0.8。

4 结论

(1)在花岗岩地区地下水勘探方面，综合地球物理方法是行之有效的方法。

(2)从勘探成果来说，三极电阻率测深剖面可圈定出低阻异常范围，绘制出勘探线导电性的直观剖面图；天然电场选频法体积效应小，可较精确细致地确定含水构造的水平位置，便于成井孔位的较精确定位。

(3)从现场施工来讲，常规电阻率法施工较麻烦，工作量大，并且体积效应强，地形影响严重，曲线发生畸变；而选频法则克服了常规物探方法复杂、施工繁琐的缺陷，具有工作简便、效率高，场地适应性强等特点，该方法具有较好的开发和应用前景；天然电场选频法属于电磁类方法，施工中容易受到人工电磁干扰的影响，这是现场工作中需要注意的问题。

此外，天然电场选频法测深是科研工作者们最近在实践应用中提出的新方法，实践应用中也取得了较好的效果，但其资料的反演工作目前还处于经验性解释阶段，该方法的理论研究工作有待进一步深入。

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责任编辑：张若琳

Fastdeterminationofshallowgroundwaterwellsinagranitearea

YANG Tianchun1,2, ZHANG Zhengfa1, XU Degen1, CAO Shujin3

(1.SchoolofResource,EnvironmentandSafetyEngineering,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan,Hunan411201,China; 2.HunanProvincialKeyLaboratoryofGeotechnicalEngineeringStabilityControlandHealthMonitoring,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan,Hunan411201,China; 3.HunanProvincialKeyLaboratoryofShaleGasResourcesUtilization,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan,Hunan411201,China)

The main purpose of this paper is to rapidly prospect shallow groundwater by using a three-pole resistivity sounding device and the frequency selection method of natural electric field in a granite area, where groundwater is relatively poor. At first, on the basis of data of three-pole resistivity sounding, the 2D finite element inversion was studied, and the distribution of the low resistivity conductive bodies on 2D depth sounding section was obtained. Secondly, the frequency selection method of natural electric field was carriout on the same sections and the accurate horizontal position of the low resistivity water bearing structure was obtained. Thirdly, the sounding of the frequency selection method was used to determine the depth of the abnormal body. Subsequent drilling results show that the anomaly section of three-pole sounding is very intuitive, and the frequency selection method is a good method to determine the accurate horizontal position of the anomalous body and it is very simple in field work. The combination of the two methods is an effective way to explore groundwater in granite areas.

sounding; frequency selection method of natural electric field; groundwater; granite

P641.7

A

1000-3665(2017)05-0020-05

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.04

2016-09-08;

2016-12-15

湖南省教育厅资助科研项目(16K031)

杨天春(1968-),男,教授,博士,主要从事地球物理方面的教学和研究工作。E-mail:ytc6803@163.com