音频大地电磁测深法对岩溶水位巨大差异分析

苏 慧，武亚遵，侯宏冰，母海东

（1.河南理工大学，河南 焦作 454000；2.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061）

岩溶地下水由于其储存空间分布和相互连通的高度不均一性，导致在岩溶地区打井的成井率极低。中国不少地区的岩溶成井率低于50%，隔墙不打井的观念始终提醒着人们在岩溶地区打井要谨慎[1-3]，为此，水文地质工作者做了大量的研究，梁永平根据鄂尔多斯周边岩溶含水层的岩性、层组结构划分了四种各具特色的岩溶含水结构介质类型；梁永平、韩行瑞等从区域构造与地貌背景出发，将鄂尔多斯22 个岩溶地下水子系统归结为具有相似岩溶地下水系统循环特征的5 种模式；梁永平、王维泰等将中国北方岩溶水系统划分为119 个岩溶水系统，并将119 个岩溶水系统归结为5 种系统模式。音频大地电磁是以天然交变电磁场为场源，当交变电磁场以波的形式在地下介质中传播时，由于电磁感应作用，地面电磁场的观测值将包含有地下电阻率分布的信息，其接收频段为0.1—1000Hz，与大地电磁相比，其抗干扰能力更强，数据更可靠。电法找水工作具有透视性、效率高、成本低等优点，但也有其局限性和条件性，解释结果经常具有多解性的缺点。文章以大地电测深的应用实例，分析了短距离岩溶水位巨大差异的原因，从而为该类地区岩溶水巨大差异的解译提供了一个有益的参考方法，为已有水井重新确定新岩溶水井井位提供了物探方面的技术方法。

1 问题的提出

在水文地质调查过程中，研究区内YX104 井（西）与YX115 井（东）相距972 m，YX104 井位于棋子山地垒主断裂以西，地貌上属于山前洪积带，YX115井位于棋子山地垒主断裂附近，属于山前，二者相对位置NW-SE 向，同属兰村泉域泥屯盆地岩溶水系统。YX115 水位标高与区域地下水水位整体流场相一致，符合区域地下水流动规律，YX104 井水位标高明显高于YX115 井89 m，二者之间的水力坡度远大于区域地下水流场的水力坡度，出现了水位异常。在综合分析成井工艺、观测日期、气象资料、地质资料的基础上，认为在此位置可能存在一小规模的阻水地质体，导致两井之间无水力联系，即在棋子山地垒形成产生正断层过程中，派生出了一系列的逆断层（阻水次级逆断层），也可能是由于地壳抬升使得寒武系底界馒头组页岩抬升而存在的阻水现象。为了验证这一观点，沿着两口岩溶水井连线的方向，布设音频大地电磁测深法剖面，以期查明两口水井之间的阻水构造。

2 研究区概况

研究区位于山西省阳曲县泥屯盆地北部（图1），棋子山地垒西侧。区内东、西、北三个方向被丘陵、群山环抱，海拔多在1 000 m 左右，最高峰棋子山1 418 m。研究区属兰村泉域，地处兰村泉主径流带上，区内岩性相对较为简单，上部覆盖层为第四系中、上更新统和第三系上新统。岩性以黏土、亚黏土、亚砂土为主，中间夹有卵石、中粗砂。含水层为奥陶系上下马家沟组灰岩及寒武系鲕状灰岩，基底为砂岩。

根据已有钻孔柱状图（钻孔位置见图2，图中黑色为第四系松散堆积，灰色为中奥陶系灰岩），YX104 孔口标高1 015.38 m，孔深450 m，第四系与第三系总厚度260 m，其下为奥陶系马家沟组灰岩，岩溶水位埋深136 m，标高879.38 m。第四系含水层止水良好。

图1 研究区交通位置图

YX115 孔口标高1 051.899 4 m，孔深390 m，第四系与第三系总厚度72m，其下为奥陶系灰岩、泥灰岩，寒武系灰岩、鲕状灰岩，岩溶水位埋深281.94 m，含水层为寒武系灰岩，水位标高769.959 4 m。第四系含水层止水良好。

YX104 孔自2013 年4 月成井至2017 年9 月，供归朝村饮用，水位至今无变化。YX115 孔为石料厂绿化生活用水，用水量较小，水位自2005 年7 月—2018 年8 月，水位上升了4.75 m。

3 研究区物性

研究区内地层的地球物理性质相对简单，上部覆盖层为第四系中、上更新统和第三系上新统，电阻率值为17～25 Ω。基底奥陶系上马家沟组灰岩，由于岩性破碎程度不同，电阻率值的变化范围较大，电阻率值为200～10 000 Ω。根据区域地质资料及物探目的，测线布设垂直拟探测地质体，受地质体规模限制，测线穿越YX104、YX115 两个钻孔。测线走向NE-SW，点距50 m，测线1 000 m，依据区域地层及已有钻孔拟探测深度3 000 m。

4 结果分析

图3 Ⅰ线物探综合解译剖面图

第一，根据二维反演电性剖面图（见图3），推测如图14 号点附近存在一正断裂F1，近南北走向，倾向西，倾角60～70°；根据野外地质踏勘，YX104 号井以西，为河谷地貌，堆积物为冲洪积，向西延伸为冲洪积扇，YX104 井以东为黄土坡地，典型风成堆积物，与东邻棋子山地垒相连，故推测F1 断层为棋子山主断层的次一级断层。

图4 水文地质剖面图

第二，在7—10 号点埋深200～500 m 附近，电阻率等值线密集陡立，推测此处存在一断层F2，倾向南东，倾角约70°，根据F1 正断层反映，F2 上盘上升，下盘奥陶系下降，推测断层性质为逆断层。

第三，在8—12 号点埋深200～500 m 低电阻率区为低阻破碎带，为断层F1、F2 交汇位置的反映。

第四，综上，通过物探工作并结合已知地质钻孔资料，推测由于次级逆断层F2 的存在，形成阻水构造，造成YX104 井与YX115 井距离很近，但是水位差异较大。

第五，根据此物探剖面，结合实际钻孔数据，绘制了该区域的水文地质剖面图（见图4）。水文地质剖面图显示，水位差是由于棋子山地垒在隆升过程产生正断层的过程中，派生了一系列的逆断层，后期被断层角砾及黏土充填胶结，导致断层两侧含水层不能沟通，造成两口水井水位的巨大差异。

5 结论

根据音频大地电磁勘测结果，结合实际钻孔资料绘制出了研究区的水文地质剖面，剖面显示，水位差是由于棋子山地垒在隆升过程产生正断层的过程中，派生了一系列的逆断层，后期被断层角砾及黏土充填胶结，导致断层两侧含水层不能沟通，造成两口水井水位的巨大差异。