高密度电法在第四系地层找水中的应用研究

2021-11-26毛聪聂小力王世界欧泽文谢翔张洪潮

西部资源 2021年1期

毛聪聂小力王世界欧泽文谢翔张洪潮

摘要：高密度电法在水文地质调查中具有广泛应用，尤其是在地质环境较复杂、地下水资源缺乏地区，具有低成本，高效率，方便解译等特点。本文以大别山西段生态地质修复支撑调查中的找水为实例，采用高密度电阻率法，解译出目标找水靶区的电阻率剖面，结合地球物理特征、钻探验证等，说明高密度电法在第四系地层找水工作中有显著效果，能作为第四系地层找水的有效方法。

关键词：高密度电阻率法；第四系地层；找水

大别山地区是我国重要的生态功能区，山地海拔1500m左右，是長江与淮河的分水岭，长江中下游地区重要的生态安全屏障。研究区内每逢旱季，人畜用水十分紧张，大别山西段生态修复支撑调查项目为扶贫工作开展找水，物探是重要勘察手段，有着方便快捷的优点。本文以找水项目实例分析总结了高密度电阻率法在找水工作中的成功经验，对类似工作有一定的借鉴意义。

1.研究区地质

大别造山带作为岩浆活动最强烈的地区之一，中生代岩浆岩广泛发育，并伴有少量早古生代和新元古代岩体。新元古代岩体主要赋存于大别南部红安地区和西大别地区，少量分布于北淮阳地区。这些岩体变形强烈，糜棱岩和片麻岩频繁出现。区内有广泛发育的以中酸性为主的中生代岩浆岩，并伴有少量基性—超基性岩。

大别山区水系发达，水资源丰富，时空分布不均匀。入淮河流主要有史河、灌河、白鹭河、潢河、寨河、竹竿河、狮河等。包括长台关以上的淮河源头及河南境内的狮河、小潢河、竹竿河、寨河、潢河、自露河、史灌河、淠河等上游地区，主要涉及桐柏、罗山、狮河、平桥、新县、光山、潢川商城、固始、金寨、霍山以及隋州、广水等地。共有9座大型水库，为南湾、石山口、花山、跋山、五岳、响洪甸、梅山、佛子岭、磨子潭等。

研究区位于大别山西段，北部发育商丹（SD）蛇绿混杂岩，为秦岭造山带中早古生代重要的缝合带，从甘肃武山、天水到陕西、河南信阳，基本连续出露1000多公里，分布在北秦岭的秦岭杂岩南侧。主要包括丹凤、松树沟蛇绿岩（Pt3-Pz1）和罗汉寺弧前增生楔（Pz1）等次级构造单元。陈隽璐和徐学义等（2008）研究了秦岭商丹蛇绿混杂岩带的重要组成部分岩湾—鹦鸽咀蛇绿混杂岩（由变质基性火山岩（玄武岩）、蛇纹岩、变辉长岩、硅质岩、变复理石（云母石英片岩）等构造岩块组成。研究区南部为大别—苏鲁地块。大别高压—超高压变质折返带由中-高温变质岩+高压-超高压变质岩等组成，其中由北大别变质杂岩、晋宁期深熔花岗片麻岩及一些构造就位的变质超镁铁质岩块等，构成造山带剥露最深的古老陆核基底，划归中-高温变质；南大别高压-超高压变质杂岩、宿松岩群、张八岭岩群为折返的高压-超高压变质；大量晋宁期变形变质侵入岩为深成同碰撞岩浆岩亚相。各构造单元或构造亚相与相邻单元（亚相）间被韧性剪切带分隔，由变质火山—沉积杂岩建造、变质海相火山—细碧岩建造等组成，共同构成造山带基底堆叠体。该单元是印支期南、北两大陆块及其间微陆块（岛弧）聚合碰撞长期发展演化的巨型构造混杂岩带。燕山期大量花岗岩就位并产生一系列浅层推覆、滑覆构造，最终完成大别山区造山带的抬升和再造过程。

晋宁期以后经过多次造山运动，不同动力系统的热构造事件复合、叠加、改造，致其长期处于强应变状态，表现出较复杂的剪切流变构造、伸展滑脱构造、断层构造、推覆构造、穹隆构造、弧构造和复杂的褶皱变形构造，具有长期多阶段的发展演化历史。印支期扬子地块向北俯冲，向深俯冲，是造山带形成的主因。

找水靶区位于研究区中部，上覆第四系中更新统（Qpp12），上部为黄褐色粉砂质黏土，垂直节理发育；中部为棕色、黄褐色中粗—细粒砂层；下部为紫红色、红褐色砂砾层夹细砂层，第四系全新统（Qha12）：灰黄色粉细砂土、粉砂质黏土，下覆白垩系下统陈鹏组K1c，主要地层岩性为：灰紫色安山玢岩、流纹质晶屑凝灰岩、流纹质凝灰熔岩、玻屑晶屑凝灰岩、浅红色凝灰质砂岩等火山碎屑沉积岩、紫红色或棕红色凝灰质钙质页岩。靶区主要地下水类型为第四系孔隙水。

2.高密度电法勘探

2.1工作原理

高密度电阻率法简单地说是集电剖面法和电测深为一体的一种地学层析成像（Geotomography，简称GT）技术，把全部电极（几十至上百根）置于剖面上，然后，再使用程控电极转换开关以及微机工程电测仪，实现剖面中不同的电极距，不同电极排列方式的数据快速、自动的采集，节省了测量时间，也实现了自动采集化的发展。高密度电法是一种阵列勘探方法，其原理与普通电阻率法相同，但在观测中设置了密度较高的测点。其原理是通过发电机或蓄电池发电经AB电极发射向地面下，电流在地面下产生等位线分布，再测得电极MN之间的电位差，而后计算得到MN中央点位即目标点位的视电阻率。

进行高密度电法勘查工作前，为确保电极接地良好，需要进行接地电阻测试，并且记录测线上地形变化。根据不同的勘探对象、地质及地形条件来选择相应的测量装置。工作中，如遇超出设定误差范围的测点，则需进行单点重复测量，直至误差符合标准。高密度电法勘探提供的成果包括视电阻率随深度变化的剖面图以及推断的地质断面图。

2.2地球物理特征

找水目标是找出靶区内的蓄水构造，但工区内并无明显构造，故所找目标为埋深较厚的第四系松散孔隙水，工区内径钻探施工能力条件下具有较好的基岩基底，具备储水条件。地下水具有良好的导电性，与周围介质电性差异明显，此差异是开展高密度电法勘查的物理前提。

2.3找水工区布置

此次找水靶区位于罗山县子路镇南约5km处兴隆村内，服务于人工及养殖用水，区内覆盖第四系，为探明其所含孔隙水，结合当地民众需求，布置有一条近南北向主测线测线G701（图1，标红部分），点距为10m，采用偶级装置。

2.4高密度电阻率剖面特征

野外施工采用重庆地质仪器厂的DUK-4型高密度电法仪，点距10m，供电时长0.5s，停供时长0.2s，主测量参数为视电阻率。

数据处理采用仪器设备配套的二维高密度电法分析软件和瑞典高密度（Res2Dinv）反演软件，首先通过二维高密度电法分析软件删除测量过程中的明显故障电极，再根据一次电位大小，供电电流大小以及Vp误差等参数，人工剔除数据质量较差的数据点，最后整合测地工作中获取的点位高程信息，对高密度电法剖面做相应地形校正，最后通过瑞典高密度反演软件进行反演，得到二维电阻率断面图（图2）。

由电阻率剖面图（图2）可推出覆盖层大约为0m～30m，电阻率普遍较低，为冲积物层、坡积物层和风化层等，其内存在多个低阻异常带，电阻率值为30欧姆米以下，推测为孔隙含水带。下部电阻率较高，推测为下覆基岩，且有一定的倾斜角度。

2.5水文地质解释

根据高密度剖面解译成果显示（图3），第四系覆盖层厚度约30m，为坡积物层、冲积物层和风化层等，含水性较好，地下10m～40m有一低阻异常带，推测为含水层，含水层较厚，多为孔隙水，具备开采价值，结合地形与当地需求布置钻孔进行验证。

3.成果验证

根据高密度剖面解译成果，钻孔位置设在地表里程630m处，即高密度剖面G701第64号测点处，据钻探结果显示，此处0m～22m为黏土、砂土等覆盖层，较松散，含水性较好为主要含水层位，22m～66m为安山玢岩，灰紫色，斑状结构，块状结构，期间有些许破碎带，其下部為凝灰岩，岩芯完整，青灰色—浅紫色，凝灰结构，块状结构，开采价值不大。含水层中日最大涌水量达105m3/d，基本满足当地民众生活需求。

4.结论

高密度电法的本质是直流电法。与常规电阻率法相比，高密度电阻率法不仅减少了电极设置带来的故障和干扰，而且提高了效率。它还可以选择多种电极排列进行测量，并可以获得丰富的地电截面信息。现场数据采集也实现了自动化或半自动化，提高了数据采集速度，避免了人工误操作。

本次研究依托大别山西段生态修复支撑调查，以兴隆村找水为实例，根据剖面解译成果结合钻探验证，证明高密度电法在第四系孔隙找水方面是行之有效的，日涌水量达到要求，基本解决民众需求，为同类工程探测提供了借鉴依据。

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