辽西基岩山区物探找水方法应用与实例分析

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(中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳 110032)

辽宁省西部缺水地区主要是指阜新至朝阳等地区的8个县市,缺水面积达2 000 km2以上,饮用水困难人口130余万[1]。缺水问题成为制约当地经济的重要因素。近几年在东北地区，相关部门开展了的针对缺水地区的地下水勘查等工作，本次研究结合项目工作部署，选择在辽宁省凌源市地区进行地下水勘查及供水安全示范工作，针对工作开展中使用的几种物探技术方法在找水工作中的应用与示范作一些阐述。本次项目中选择的是在碎屑岩类的地下水、碳酸盐岩类的地下水和基岩裂隙地下水等基岩山区开展工作，采用的物探手段有联合剖面法、高密度法和激发极化法。依据不同的地下水类型的赋存条件,按照物探技术探找地下水的地质条件和地球物理方法构建的模型,结合物探的方法技术特点,有序地实施工作地开展。按照物探方法的经济性、实用性和有效性,提出不同地下水类型物探勘查技术方案和钻探成井建议。

1 研究区概况

1.1 区域地质

辽宁西省西部地区简称辽西地区,属于燕山山脉东段。自东往西,包括医松岭山、巫闾山、努鲁儿虎山三个北东向山脉和七老图山组成盆岭相间中低山的丘陵地形。此中低山丘陵区分布范围较广,面积约占70%,海拨大多在300～700 m。地貌侵蚀作用强烈,冲沟发育。属温带大陆性季风气候,年降雨量500～1 000 mm。大凌河为区内主要水系,贯穿全区。燕山东段辽西区位于华北台地北部前中生代近东西向古亚洲构造域与中新生代时期北东向太平洋构造域交接复合部位,两大构造域的交接复合,使得区域构造变形非常复杂[2]。区内断层规模较大。区内前第四纪地层较为齐全发育,除志留系、泥盆系、三叠系之外,均有出露。出露面积较大的有白垩系、侏罗系、蓟县系及寒武-奥陶系。石炭系、二叠系、太古宇建平群皆为零星出露。尤其中生代地层广布于各大山间盆地,岩性主要为砂泥质碎屑岩类。侵入岩不发育,呈零星点状分布。第四系地层主要分布于山间谷地等,成因类型主要是冲洪积和坡洪积。

1.2 地下水类型

根据地下水赋存的条件,研究区地下水类型[3]主要包括松散孔隙地下水、碎屑岩类孔隙裂隙地下水、碳酸盐岩类地下水。松散层孔隙地下水主要赋存在第四系松散堆积物地层中,含水层岩性主要为砂、砂砾(碎)、卵石构成,作为辽宁西部地区的主要可供水水源。其富水性程度主要受地形、地貌等补给的条件控制,还受含水层厚度、分选磨圆程度、松散程度、分布的连续性、亚粘砂土隔水层分布范围等条件的控制,以含水层厚度的影响最为突出。碎屑岩类孔隙裂隙地下水赋存在一些白垩系和侏罗系的砂岩、砾岩和砂砾岩等局部构造裂隙中。一般白垩系碎屑岩类孔隙、裂隙发育,富水性好。而对于侏罗系碎屑岩类,其胶结类型方式不同,孔隙渗透率很低,砂岩以裂隙含水为主,岩层蓄水性变化较大,畜水构造仅在构造轴部或转折端形成张性构造裂隙。碳酸盐岩类岩地下水主要赋存在寒武-奥陶系、元古宇的灰岩、白云岩中的局部构造裂隙溶隙中。该类地下水受构造控制,分布极不均匀,蓄水性差异较大。基岩构造裂隙地下水含水层岩性主要是侵入岩、变质岩和火山岩类组成。该类岩组节理裂隙一般不发育,地下水赋存于断层及岩脉、侵入体接触带中。

2 方法综述

物探找寻地下水的方法很多,主要包括视电阻率联合剖面法(以下简称联剖法)、高密度电阻率法(以下简称高密度法)、激发极化法(以下简称极化法)、放射法、甚低频法等等。本次工作开展主要应用联剖法、高密度法、极化法。

激发极化法(简称IP法)近些年来，不管从理论上或是方法和技术上都有很大提升,一直被广泛地应用在金属矿的普查、详勘中,还普遍地应用在探寻地下水资源。一般的直流电法勘探有下列几类缺点:(1)地形变化所显示的假异常。(2)地表的异常电阻率,把视电阻率的曲线变的复杂化,对视电阻率的曲线推断和解释变的十分困难。激发极化勘测方法能够填补直流电法勘测的弊端,使地形的变化不会显示出假异常;地表的异常电阻率也不会产生干扰;能够有效地利用激电场在时间上(频率)特性。此方法不受地形变化和围岩岩性变化异常的影响,所以在基岩山区勘探地下水的工作中受到重视[4]。虽然多年来，物探方法已被用于水文地质专业方向找地下水，电阻率法对含水层的直接探测是有效的，但费时费力。在基岩裂隙中勘查地下水使用联合剖面法，勘测效果突出，成功率极高，在低阻地层或破碎带中，其最大特征是在上方曲线的″低阻正交点”。此特征正是判别地下低电阻率地层或断裂破碎带存在的显著标志。根据实测，可查明基岩破碎带，准确定位钻探位置，不至盲目布井，大大降低了风险，节省了资金的投入，起到了积极地作用，因此，这种方法在基岩山区勘查地下水时得到广泛应用[5]。高密度电法实际上是融合了电剖面法和电测深法，在原理上是与普通的电阻率勘测方法大致相同。突出的方面是电极布设可以实现一次性完成，不但降低了因电极设置而导致的干扰和故障问题，并且增加了工作效率；可以采用多种电极排列方法进行勘测，可获获得丰富的地电断面相关信息；野外工作中采集数据可以达到自动化或半自动化程度，使采集数据速度大大提高，也可消除因人为因素带来的误操作。高密度法对第四系松散结构含水层的富水性；岩溶地区的溶洞或破碎带充填物的主要成份及确定基岩裂隙地下水的具有良好的效果[6]。

3 综合应用实例

3.1 碎屑岩类孔隙裂隙水勘查

图1 Ⅸ线联剖曲线图

图2 Ⅹ线联剖曲线图

Ⅸ、Ⅹ线高密度电阻率法实测视电阻率拟断面图、反演模型电阻率断面图图形形态一致，水平方向上色带层次分布较连续，垂直方向随深度增加，视电阻率值逐渐加大，以深蓝色、浅蓝色、绿色、黄色、红褐色彩带显示，推断表层为第三系黄土状土的反映；下部为页岩、砂岩、砾岩夹泥灰岩及油页岩。见图3、图4。

通过附近民井及硬仗子村一带机井调查，岩性为黄土状土、砂砾卵石、砂岩、页岩，水量5～10 T/h。建议井位175/Ⅸ附近，井深80 m。

图3 Ⅸ线高密度断面与反演断面图

图4 Ⅹ线高密度断面与反演断面图

3.2 碳酸盐岩类裂隙水勘查

在辽西凌源市河坎子乡苏杖子村更新组，采用联剖曲线、高密度电阻率法、激发极化法结合应用，Ⅺ线联剖曲线小极距140/Ⅺ、大极距180/Ⅺ处出现“正交点”异常，曲线对称性一般，视电阻率值平均在350～630 Ωm之间。见图5。

图5 Ⅺ线联剖曲线图

Ⅺ线布设在半山坡上，经现场对露头观察及高密度电阻率法实测视电阻率拟断面图、反演模型电阻率断面图，推断215/Ⅺ为花岗岩与灰岩接触界线，向小号倾，花岗岩覆盖在灰岩上。表层第四系碎石土厚度小于3.0 m。见图6。

图6 Ⅺ线高密度断面与反演断面图

Ⅻ线高密度电阻率法实测视电阻率拟断面图、反演模型电阻率断面图图形形态一致，水平方向上色带层次分布连续，垂直方向随深度增加，视电阻率值逐渐加大，以深蓝色、浅蓝色、绿色、黄色、红褐色彩带显示，推断表层为第四系碎石土的反映；下部为花岗岩及灰岩的反映。160/Ⅻ附近风化壳较厚10 m左右。见图8。

图7 Ⅺ线联剖曲线图

图8 Ⅺ线高密度断面与反演断面图

Ⅻ线激发极化测深曲线基本一致，均呈AA型，曲线首支A型上升段为花岗岩，厚度一般小于70 m，曲线中后支上升段为灰岩。见图9。

图9 Ⅻ线激发极化测深曲线

图10 Ⅰ线联剖曲线图

建议井位160/Ⅻ南10 m杨树林，距公路15 m左右。设计井深80 m，以钻穿花岗岩层，揭露灰岩为宜。

3.3 基岩构造带裂隙水勘查

在辽西凌源市万元店镇大巴勿苏村，采用联剖曲线、高密度电阻率法、激发极化法结合应用。

Ⅰ线联剖曲线AB=140 m极距160/Ⅰ、AB=220 m极距230/Ⅰ处出现低阻“正交点”异常，呈“蝴蝶”状两翼张开，曲线对称性较好，推测断裂构造F1。

Ⅱ线联剖曲线AB=140 m极距145/Ⅱ、AB=220 m极距140/Ⅱ处出现 “正交点”异常，两翼张开较小，曲线对称性不好。见图10、图11。

Ⅰ线高密度电阻率法实测视电阻率拟断面图，水平方向上色带层次分布不连续，浅部梯度变化较小，相对低阻分布，视电阻率值小于100 Ωm，以深蓝色、浅蓝色、绿色或深绿色彩带显示，为第四系松散层亚砂土、亚粘土或砂砾卵石的反映。深部梯度变化较大，视电阻率值大于150 Ωm，以黄色、褐色彩带显示，推断为花岗岩的反映。见图12。

图11 Ⅱ线联剖曲线图

图12 Ⅰ线高密度断面与反演断面图

Ⅱ线高密度电阻率法实测视电阻率拟断面图，水平方向上色带层次分布不连续，浅部梯度变化较大，以165/Ⅱ为界，小号视电阻率值大，大号视电阻率值小，底部视电阻率值大于80 Ωm，以黄色、褐色彩带显示，为此推测为花岗岩的反映，隐伏岩体比较完整，不存在有规模的断层及破碎带等。见图13。

图13 Ⅱ线高密度断面与反演断面图

图14 Ⅰ线激发极化测深曲线

Ⅰ线激发极化测深曲线基本一致，均呈KHA型，曲线首支K型段0～10 m为花岗岩风化壳，K或H型下降段为花岗岩，厚度一般10～60 m，推测裂隙较发育，H或A型上升段为花岗岩。250/Ⅰ点半衰时背景值大于0.54S,曲线尾支半衰时、衰减度、极化率呈上升状态。因此推测断裂构造F1岩石较破碎，富水性较好。见图14。

综合分析Ⅰ线、Ⅱ线各种曲线，建议井位250/Ⅰ点，考虑周边选矿厂取水影响，设计井深150 m。

4 成井情况

根据水文地质勘查及水文地质物探解译成果分析为依据，根据工作量分配及缺水地区地方需求，本次工作在在辽西凌源市四合当镇大马营子村西地组钻探进尺60.0 m，单井涌水量达到131.24 m3/d；在辽西凌源市万元店镇大巴勿苏村成井150.8 m，单井涌水量达到163.68 m3/d；由于在辽西凌源市河坎子乡苏杖子村更新组附件具有相同地质、水文地质条件下，成井效果很好，单井涌水量可以达到100 m3/d以上，由于地方配套设施资金限制，因此没有在该地区示范成井，但是通过水文地质调查及水文地质物探方法的综合应用，在辽西基岩山区找水工作中起到了显著效果，还是显而易见的。

5 结语

通过本次辽西基岩山区地区几种物探找水方法联合的应用实例介绍,为该地区不同类型地下水勘查总结了可借鉴的经验。物探方法的应用并不是一味地求新,而是以方法的有效性和实用性为主要目的。针对不同类型地下水赋存条件,结合实际地形、地质条件和物探方法的技术特点,选择实用、有效的物探方法技术是地下水勘查物探技术应用的关键所在。

[1]曹福祥,王恩荣,李凤哲,等. 辽西地下水勘查示范工程中的物探技术应用[J].水文地质与工程地质.2007.(1).34-37.

[2]马寅生.燕山东段-下辽河盆地中新生代盆岭构造及应力场演化[M].北京:地质出版社.2004.

[3]王恩荣,李福明.辽宁西部丘陵缺水区地下水勘查成果总结[A].见:中国地质调查局.严重缺水地区地下水勘查论文集(第2集)[C].北京:地质出版社.2004:343-347.

[4]李世军,王力斌. 物探方法在找水方面的应用[J].吉林地质.2008.27(3).110-112.

[5]唐慧杰，陈冬君，黄海玲. 物探找水综述[J].黑龙江水利科技.2004 .(1).50-51.

[6]方前发，张宏兵. 电法勘探方法在水文和工程地质中的应用[J].大众科技.2006 .(4).29-30.