地球物理勘察技术在成县岩溶水水源地勘查的应用

杨绍虎

（甘肃省地矿局第二地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730030）

据《甘肃省武都 -天水地区区域水文地质普查报告》（1：50万）中也认为碳酸盐岩是我国北方的重要分布区，岩溶水受断裂构造控制显著，含水层呈弱 -强富水性，有进一步勘查开发利用前景。本文根据此次勘查实践对岩溶水及基岩裂隙水水文地质特征进行分析，为成县县城及周边石炭系、三叠系石灰岩岩溶水指出了方向，特别是对受断裂控制的岩溶裂隙水有了一定的认识。

成县碳酸盐类地区找岩溶裂隙水成果是在对资料的研究、多种物探方法及地面勘查的基础上取得的，对抛沙河一带断裂发育进行重点勘查，充分对比研究直流激电测深测量、广域电磁法测量（抗干扰电磁法）和浅层人工地震等物探技术手段，结合钻探勘查成果，随着钻探深度的增加岩溶水显示出富水性愈强、地下水头压力愈大趋势，证明深部有更丰富的岩溶承压含水层存在。

1 地质背景

境内河流属长江流域嘉陵江水系，主要河流有东河、南河、犀牛江和洛河，抛沙河是东河支流南河的一级支流，自北向南流穿越勘查区，干流长约 46km，至抛沙镇附近汇入南河，据有关资料，抛沙河年平均径流量 4352万m3。抛沙河河谷两侧和丰泉河河谷两侧，海拔 1030m ～ 1500m，相对高差为 150m ～ 470m。以基岩梁、峁间峡谷地貌为主，微地貌可见岩溶漏斗、孤立的石牙，谷坡壁上发育有溶洞、溶槽、溶沟等岩溶地貌。因长期受水流侵蚀切割作用，地形较强烈，树枝状冲沟发育，局部发育宽浅短沟。

（1）地层岩性。区内地层比较复杂，概括起来主要为泥盆系（D）、石炭系（C）、三叠系（T）、新近系(N)和第四系（Q），除新近系与下覆的地层呈不整合接触外，泥盆系、石炭系、三叠系之间均为断层接触。现由老至新简述如下 ：泥盆系（D）：出露于抛沙河流域水泥厂西侧谷坡，岩性为灰 -灰白色钙质砂岩、粉砂岩、灰岩、大理岩、千枚岩夹灰岩、片岩夹变质页岩。石炭系（C）：分布并出露于抛沙河磨坝峡西南北山地区，岩性为灰 -灰白色中厚层块状灰岩、深灰色中薄层燧石灰岩，局部夹板岩，在磨坝峡与三叠系西坡组之间呈断层接触，产状 310°∠ 40 ～ 50°。三叠系（T）：出露于马家崖一带，岩性为灰色、灰黄色中厚层角灰岩夹钙质板岩、板状灰岩。在勘查区西部磨坝峡水库坝址区以中厚层灰岩夹薄层灰岩，产状 210°∠ 40 ～ 50°。新近系（N）：主要出露于小庄至转弯里西部一带，岩性为红色砂砾岩、粉砂、粉砂岩夹石英砂岩，覆盖于上述老基岩之上。第四系中上更新统（Q2-3）：指分布于本区的马兰、离石黄土及其高阶地冲洪积物。

（2）构造。本勘查区地处徽 -成盆地西南边缘，对区内影响最大的是云屏 -成县断裂，该断裂为徽 -成盆地的西南边界，为多条断裂组成的束状构造带，从勘查区西南部外围附近通过。该断裂系近东西向展布，长达 170km，由一系列高角度断层组成。在岩溶含水层中，断层带常常是岩溶集中发育的地段，富水性强，常形成岩溶地下水的强径流带。特别需要注意的是，同一条断层沿走向和倾向的不同部位，其导水性能也有明显差异。经收集已有区域地质资料，结合野外踏勘验证，在勘查区西部的基岩出露段发育两条走向分别为 NEE、NNE断层（图 1），依次编号为 F1断层、F2断层。F1断裂 ：为压扭性质，出露于牛斜山基岩山地，将泥盆系与三叠系分割开来，向东没入抛沙河河谷，被第四系、新近系所覆盖。实测走向 70°～ 80°，倾向南，倾角70°～ 85°。F2断裂 ：属压扭性断层，出露于磨坝峡出口地段，断层线呈“弧”形展布，沿吊沟北侧 -磨坝峡口发育，倾向西北，倾角 70°～ 82°。

此外，在 F1南侧还发育有一条近东西向逆断层，断层北侧为泥盆系灰岩夹大理岩，而断层以南为石炭系中厚层状灰岩。

上述不同走向、不同规模断层的发育，不仅使地层岩性发生急剧变化，而且也促使沿这些断裂带产生密集的构造裂隙，加速了这一地区石灰岩岩溶裂隙的发育。

2 水文地质特征

（1）碳酸盐岩类岩溶裂隙水。按照区域地层岩性条件，成县岩溶水主要分布于抛沙镇、沙坝乡、小川镇的石炭系灰岩大面积隆起裸露区。表部含水层主要为灰岩顶部的强风化带，岩溶裂隙较发育，这些溶隙的发育还受局部断裂及岩性变化多重影响，形成弱－中等富水性含水层，多数表现为潜水，动态变化较大，单泉流量 3L/s ～ 10L ／ s。

据《天水 -武都区域水文地质普查报告》，一般在地形切割较深的沟谷底部，岩溶泉呈股状流出。在枯水季节地下水径流模数小于 0.2L ／ s·km2～ 0.9L ／ s·km2。该类岩溶水水质良好，矿化度小于 0.5g/L，除大部分自然排泄转化为地表水和其它类型地下水外，一部分为当地人畜饮用水源。

（2）岩溶裂隙水。深层岩溶水的分布完全受断裂构造的控制，呈带状沿断裂带和断裂影响带分布，为岩溶裂隙承压水，含水层厚度、底界、透水性及富水性等决定于断裂发育规模。抛沙河上游最近打成的三叠系岩溶水勘探孔（K1）孔深 250m，水头埋深7.23m，降深 70.4m时，单井涌水量 1220m3/d。

K1从地面物探解释和钻探过程水文地质观测显示，深部还有多层岩溶裂隙水存在。而在沙坝与小川镇附近施工的石灰岩钻孔（秦基 -12和秦基10），孔深分别为160m和200m，流量仅36m3/d ～ 6m3/d。说明本地区岩溶裂隙水遵循断裂构造发育规律，富水性极不均匀。受断裂构造控制的深层岩溶含水层埋藏较深加之地层覆盖，普遍具有承压性，水文地质条件有利地段可作为城镇集中供水水源。

3 地球物理勘察技术方法

（1）可控源音频大地电磁测深。可控源音频大地电磁法在抛沙河重点勘查区，总共布设2条剖面，K1剖面长4.0km，K2剖面长1.4km，测量点距为 50m，总长5.40km。K1剖面解译断层2个分、别为FK1-1、FK1-2。其中 FK1-1为正断层，倾向南东、倾角70°，FK1-2为逆断层倾向北西、倾角 43°。K2剖面解译断层 1个，编号为FK2-1，为逆断层，倾向北西、倾角 52°。

（2）人工浅层二维地震反射法。人工浅层地震反射法在抛沙河及上游重点勘查区并与可控源音频大地电磁测深剖面线位置重叠，共布设2条剖面，DZ1剖面长4.27km ；DZ2剖面长1.1km ；道距5m、炮距 20m。总长 5.37km。本次地震勘探经过严密的野外数据采集和数据处理，基本查明了勘测区内的 500m 以浅构造发育及地层岩性情况。2 条地震剖面上共发现断点 4 处，编号分别为 ：DZ1 线 F1-1、F1-2、F1-3 ；DZ2 线 F2-1。

（3）可控源与地震综合分析。本次可控源音频大地电磁测深法 2条剖面共解译断层 3个，分别为FK1-1、FK1-2、FK2-1 ；人工浅层地震反射法勘测 2 条剖面共解译断层 4 个，分别为 F1-1、F1-2、F1-3、F2-1。其中，浅层地震解译 F1-2与可控源音频大地电磁测解译 FK1-1平面位置基本吻合，相距 17m 左右 ；浅震解译 F1-3 与可控源音频大地电磁测解译 FK1-2 平面位置基本吻合，相距 25m 左右。浅震解译出的F1-1断层但在可控源音频大地电磁测深 K1剖面中因外界电磁场干扰显示不明显（图 2）。

图2 可控源音频大地电磁测深与浅层二维地震推测断层平面位置对比图

（4）新技术新方法的运用。首先通过地面调查和物探方法手段，发现并初步圈定了应急水源和后备水源的分布范围，确定了实施钻探的有力靶点，并制定了科学的施工打井方案。采用了超高压大排量潜孔锤冲击钻工艺，有效的解决了过去泥浆钻探对含水层堵塞的问题，在较短的时间内完成了钻探及成井。本次采用潜孔锤钻探工艺克服了地层岩性变化下掉块、卡钻等多种不利因素，钻探深度达到 250m，为我省首例。

4 结论与建议

该项目的成果实施，实现了成县及陇南地区岩溶水勘查的重大突破，具有重要的示范意义。推翻了过去认为成县没有深层岩溶水的资源，为今后类似地区提供了重要水文地质依据。并解决了成县城区 12万城镇居民饮水问题。