湘西北岩溶石山缺水地区直流电法找水实例

李望明，易强，刘声凯，肖利权，李俊

(湖南省地质矿产勘查开发局 四一六队,湖南 株洲 412003)

0 引言

湘西北岩溶石山地区位于湖南省西部,属云贵高原东缘、武陵山脉东北部，有7个国家级深度贫困县位于此区域，降水极不均匀；区内碳酸盐岩广布，属于典型的岩溶石山缺水地区，解决用水困难已成为当地政府和群众的心头大事，也是作为国家级贫困县打赢脱贫攻坚战的重要保障和必然要求。该地区地形地貌主要分为两类：一类是侵蚀溶蚀型低山溶丘洼地、溶丘谷地地貌，洼地、落水洞、溶洞等岩溶形态发育，山丘较圆滑；另一类是溶蚀构造型中低山急陡坡峰丛峡谷地貌，山峰尖丛，地形坡度较陡，常形成悬崖陡壁，沟谷深切狭窄，呈“V”型或“U”型沟谷[1-2]。近年来国家加大了对湘西北农村电网改造力度，新建了大量10 kV电力线及其变电站，电磁干扰明显增多。因此，湘西北岩溶石山缺水地区地形条件复杂、电磁干扰较强，在地下水勘查时，优先选用抗干扰能力较强的直流电法较为适宜。笔者针对湘西北岩溶石山缺水地区不同地形地貌及地质条件特征，采用视电阻率联合剖面法、高密度电阻率法、三极激电测深等直流电法，并进行适当的反演与解释，取得了较好的找水效果。

1 方法与技术

1.1 方法依据

湘西北岩溶石山缺水地区地层主要有寒武系、奥陶系、第四系等；寒武系和奥陶系为海相碳酸盐岩建造，岩性主要为灰岩、白云岩、泥质灰岩；第四系主要为冲洪积、坡积松散堆积物。

由《永顺幅1∶20万区域水文地质普查报告》测井数据可知：灰岩、白云岩电阻率较高，变化范围为490～3 800 Ω·m，平均值为2 590 Ω·m；泥质灰岩次之，变化范围在180～1 500 Ω·m，平均值为583 Ω·m，但它们都与地下水(<100 Ω·m)的电阻率差异明显，这就为采用直流电法找水提供了地球物理依据；湘西北岩溶石山缺水地区主要是探测岩溶裂隙水和断裂构造水，对应地电模型为高阻中找球状或板状低阻；因此，采用视电阻率联合剖面法、高密度电阻率法、激电测深法找水依据充分。

1.2 直流电法方法技术

1.2.1 视电阻率联合剖面法

视电阻率联合剖面法是寻找裂隙型地下水常用的、效果显著的方法，但容易受地形影响，并且在急陡坡峰丛峡谷地貌中，“无穷远”电极的距离往往难以达到AO的5倍以上；因此，在湘西北岩溶石山缺水地区常采用小极距(50m

湘西北岩溶石山地区充填第四系黏土的浅部溶沟溶槽较发育，小极距联合剖面法勘探深度较浅，对岩溶裂隙带和浅部溶沟溶槽均有异常反映；为了更好区分上述异常，一方面应平行布置多条测线，连续性较好的异常往往为断层或岩溶裂隙带的反映，局部测线的异常往往为溶沟溶槽的反映，另一方面在同一测线采用其他直流电法(如高密度电法或激电测深法)探测以进行对比、验证。

1.2.2 高密度电阻率法

高密度电阻率法具有许多优点[5]，但其勘探深度一般较浅(小于150 m)，而湘西北岩溶石山缺水地区地下水位埋深变化较大，地表不均匀，局部基岩浅埋或裸露，高密度视电阻率拟断面图易形成“八”字型干扰，因此，测量点距选择相对较大，一般为10～20 m，工作装置主要采用温纳或施仑贝谢装置，对高密度电法数据的坏点应进行剔除，然后采用最小二乘法进行反演[6-8]；解释推断时应充分了解地下水位埋深，选择的异常深度应在地下水位以下。

1.2.3 激电测深

激发极化法是利用含水岩石在人工电流场作用下产生的激电效应及其时间特性寻找地下水，由于这种方法受地形影响小，所以最适用于山区找水。激电测深装置主要为对称四极和三极装置，在测线两端可进行人工跑极时，一般采用对称四极装置，而湘西北岩溶缺水地区，地势陡峻或一侧为悬崖、峡谷，往往采用三极装置。为使勘探深度、数据信息量和工作效率得到兼顾，三极激电测深采用人工跑极和阵列式观测相结合，即供电采用人工跑极，测量采用多通道阵列式观测方式，野外获得高质量数据后进行数据预处理，然后采用最小二乘意义下的变阻尼共轭梯度法进行二维反演[9-13]，获得反演断面图进行解释推断。

综上所述，在湘西北岩溶石山缺水地区进行物探工作，在地势相对平坦且勘探深度相对较浅(0～150 m左右)的地方采用小极距视电阻率联合剖面法+高密度电阻率法找水效果较理想，在地形条件较差或勘探深度相对较深(0～400 m左右)且电磁干扰较强的地方采用小极距联合剖面法进行普查，然后选取异常较好的测线(≥1条)进行三极激电测深法效果较佳。

2 应用实例

2.1 联合剖面法+高密度电法找水实例

湘西北A村为干旱缺水村，地形地貌属于溶蚀构造型中低山急陡坡峰丛峡谷，村子建在NE向的沟谷中，沟谷较窄，两侧为急陡坡峰，村子上空有一组10 kV电力线及少量220 V民用电力线穿过(图1)。根据地质资料，该村出露地层岩性主要为寒武系白云岩、白云质灰岩，地下水位埋深约50 m，该村附近发育一条NNW向压性断层，富水性较弱。找水思路为：受构造应力影响，该断层两侧岩溶裂隙可能相对发育，为此，垂直断层并沿NE向沟谷布置了2条物探测线(2线、4线)，长度均为600 m。

图1 A村平面示意Fig.1 Plan of village A

根据测区的地形、地质条件， 选择了抗电磁干扰较强的小极距联合剖面法+高密度电祖率法，在同一条测线上用两种方法进行探测，使用重庆奔腾数控研究所研制的WDJD-4型多功能激电仪，联合剖面法极距AO=100 m，点距10 m，高密度电阻率法点距10 m，采用温纳装置，采集层数为14层。

图2为该村4线的物探成果图。从图中分析：联合剖面曲线在950点、1040点呈相对低阻异常、在1120点附近呈正交点异常，高密度电阻率拟断面在1120点附近呈低阻“U”字型异常，但断面图上“八”字型干扰较明显；采用最小二乘法进行反演，得到高密度电阻率反演断面图。综合分析：960点附近浅部岩溶裂隙发育，发育深度与地下水位深度(50 m)相当，推断其充填黏土；1040点附近为浅部溶沟溶槽；1120点附近为岩溶裂隙发育，发育深度大于120 m，位于地下水位以下，推断其富水性较好。因此，水文地质钻孔ZK1位置选择在4线1120点，经钻探验证及抽水试验：地下122～185 m处溶蚀裂隙发育，涌水量为470 t/d，可解决约 3 000人的饮水问题。

图2 A村4线联合剖面曲线(a)、高密度视电阻率拟断面(b)、高密度电阻率反演断面(c)Fig.2 Joint profile curve(a), high density apparent resistivity profile(b) and inversion profile(c) of village A line 4

2.2 联合剖面法+三极激电测深找水实例一

湘西北B村为干旱缺水村，属于溶蚀构造型中低山急陡坡峰丛峡谷，该村附近有一条NE向沟谷，延伸长度约4 km，沟谷东南侧为高差超过120 m的急陡坡峰，无法展布测线，村子上空有10 kV电力线及少量220 V民用电力线穿过，电磁干扰较强(图3)。根据地质资料，该村出露地层岩性主要为寒武系白云岩、白云质灰岩，地下水位埋深约15 m。地质人员推断沟谷附近发育一条NE向断层，找水思路为探测该断层的位置及倾向，达到间接找水目的。为此，在垂直沟谷且地形相对平坦的位置布置2条NW向测线。为了尽可能多地获取NE向沟谷附近的地质信息，采用了小极距联合剖面+三极激电测深法，使用重庆奔腾数控研究所研制的WDJD-4型多功能激电仪，联合剖面法极距AO=70 m，三极激电测深极距为指数形式递增，最大AO=410 m。

图3 B村平面示意Fig.3 Plan of village B

图4为该村6线联合剖面法测量结果，从图中分析：联合剖面曲线在950、1180、1260点附近呈相对低阻异常，通过与其他平行测线对比，其中1260点低阻异常连续性较好，因此，选取在1260点附近开展三极激电测深工作，图5为激电测深拟断面与反演断面图，图6为推断结果。由于三极测深视电阻率拟断面图往往易形成“挂面条”现象，而最小二乘意义下的变阻尼共轭梯度二维反演可减弱上述效应[10-11]，因此，三极激电测深解释推断时以电阻率反演断面图、视极化率拟断面图为主，其他断面图为辅。依据电阻率反演成果图推断，1260点附近的低阻异常为断层的反映，断层倾向ES(大号)；依据视极化率拟断面图分析，1270点视极化率较高，推断其富水性较好。

图4 B村6线联合剖面曲线Fig.4 Joint profile curve of village B line 6

图5 B村6线三极激电测深拟断面与反演断面Fig.5 Pseudo section and inversion section of village B line 6

图6 B村6线地质推断结果Fig.6 Geological inference results of village B line 6

SK1钻孔位置选定在6线1270点(断层上盘)，经钻探验证，43.5～52.9 m为断裂带，52.9～98.7 m溶蚀裂隙发育，钻探至115 m后，经抽水试验涌水量为220 t/d，超过100 t/d的设计要求，选择终孔。

2.3 联合剖面法+三极激电测深找水实例二

湘西北C村为干旱缺水村，属于溶蚀构造型中低山急陡坡峰丛峡谷，地形条件较差，电磁干扰较强(图7)。根据地质资料：该村出露地层岩性主要为奥陶系灰岩、泥质灰岩，局部有志留系砂页岩覆盖于奥陶系灰岩上，地质调查资料显示该村附近有NW向断层或裂隙带。本次勘探要求出水量为 1 000 t/d，拟勘探深度为300 m，找水思路：探测NW向断层或裂隙带的位置及倾向，并依据视极化率比较其富水性，选择富水性相对好的位置实施钻探，从而达到找水目的。因此，沿NE向平行布置了3条测线，采用小极距(AO=110 m)联合剖面法+三极激电深法；联合剖面曲线显示3线950点高低阻梯度异常明显(图8)且连续性较好，因此选择在950点附近开展三极激电测深工作；三极激电测深最大AO=600 m，二维反演采用最小二乘意义下的变阻尼共轭梯度法。

图9为3线三极激电测深成果，从电阻率反演断面图中分析,800～950点电阻率等值线呈高、低阻层状相间，结合地质资料推断：由浅到深依次为砂页岩、灰岩、泥质灰岩、灰岩；950点附近等值线明显不连续，推断为断层F1，倾向WS(小号)；950～1100点电阻率呈高阻，推断为灰岩，其中980点附近低阻封闭圈异常推断为浅部岩溶裂隙发育，1040号点附近电阻率呈相对低阻“V”字型异常，推断为次级断层F2，倾向EN(大号)。从视极化率拟断面图分析,断层F1附近的极化率明显高于岩溶裂隙发育区(980点附近)及断层F2附近的极化率，推断断层F1富水性相对较好。

图7 C村平面示意Fig.7 Plan of village C

最终选定在3线930点(F1断层上盘)进行钻探(ZK1)，经钻探验证，70～90 m为断裂破碎带，120～170 m溶蚀裂隙发育，经抽水试验该孔涌水量为 1 100 t/d，达到了预设工作目的。

3 结论

从应用实例可以看出，在湘西北岩溶石山缺水、强电磁干扰地区采用直流电法找水时，在地势相对平坦且勘探深度相对较浅(0～150 m左右)的区域采用小极距视电阻率联合剖面法+高密度电阻率法，在地形条件较差或勘探深度相对较深(0～400 m左右)的地方采用小极距联合剖面法+三极激电测深法，既提高了工作效率又解决了实际问题，取得了较好的找水效果。

先采用小极距联合剖面法，再有针对性地开展三极激电测深工作，可提高工作效率。对于非板状型(如管道型岩溶)地质体[14]，小极距联合剖面法难以探测到明显异常，应考虑采用其他找水方法(如核磁共振法)[15]。三极激电测深数据采用最小二乘意义下的变阻尼共轭梯度法进行二维反演效果较好，但视极化率反演后异常中心可能会偏移。因此，物探推断解释时应将不同测线与不同方法、拟断面图与反演图同时进行对比分析，遵循从已知到未知的解释原则，并将物探工作与地质工作至始至终紧密结合，从而提高物探工作质量，有效解决找水问题。

图9 3线三极激电测深视电阻率与视极化率拟断面、反演断面及推断地质剖面Fig.9 3-line apparent resistivity and apparent polarization of three pole IP sounding cross section、inversion section map and geological inference map