基于高密度电法的岩溶储水构造识别

2022-02-21李新斌丁廉超朱一龙韩朝辉

工程地球物理学报 2022年1期

李新斌，田辉，丁廉超，赵浩,朱一龙,韩朝辉

(中国地质调查局西安矿产资源调查中心，陕西西安 710100)

1 引言

勉县西部山区广泛分布碳酸盐岩，发育的裂隙和节理构造，对岩石有极强的切割和破裂作用，为大气降水和地表水的渗透和渗流创造了条件，形成了典型的岩溶水富集区。然而，由于复杂构造和地形起伏的影响，岩溶水的赋存具有时间上、水平方向和垂直方向上的差异性，这种时空分布的不均匀性造成了部分岩溶山区居民生活缺水的困难现状。在2020年全国脱贫攻坚战役全面收官之际，开展找水定井工作为岩溶山区居民解决饮水问题意义重大。

近年来，各类地球物理方法被成功应用于地下水资源调查工作，其中高密度电法作为一种高效成熟的地球物理勘探方法[1]，已经被广泛地用于水文地质、矿产地质、工程地质和灾害地质勘探等领域，取得了丰硕的勘探成果，国内外利用高密度电法来开展地下水资源探测已经有了诸多成功的案例[2-11]。张德实等利用高密度电法在贵州地区开展岩溶塌陷探测，建立了半物质填充模型反演分析方法，取得了较好的勘探效果[12]；王洁成功将三维高密度电法运用于武汉城市地质调查项目中，较好地揭露了城市地下岩溶塌陷发育情况[13]；A. Tassy等利用高密度电法成功刻画了法国东南米欧港口沿岸地下岩溶含水系统的特征[1]；郑智杰等利用高密度电法在湖南省三个岩溶缺水山区开展了岩溶探测，较为精细地追踪了岩溶破碎带的发育特征和延伸方向，为找水定井工作指明了方向[14]；王红兵[15]、董茂干等[16]、谭道远等[17]分别利用高密度电法进行了不同角度的地下岩溶的探测研究工作，并得到了良好的勘探效果；何国全在云南某水库岩溶勘察中使用高密度电法精确地刻画了地下岩溶形态[18]。覃小群等通过对岩溶水赋存特征及规律的梳理总结，归纳了6种常见的成井模式[19]，潘晓东等研究了贵州毕节岩溶斜坡地带的地下水赋存规律，并提出了适宜该区的4种钻探成井模式[20]。

本文在对汉中地区勉县幅1∶5万水文地质调查的基础上，针对地面调查过程中遇到的极度贫水山区，充分论证区内已知地质及物性资料，确立具有岩溶水找水前景的目标区域，开展高密度电法勘探综合研究工作，确定了岩性接触带和岩溶发育带的位置，为找水定井工作提供了有力依据。

2 测区概况

2.1 基本情况

测区位于陕西省勉县武侯镇西侧的宋家院子，地形总体切割严重，高差较大，宏观地貌为北东向-近南北走向的山谷，北高南低，东西两侧为山地，山顶坡度较陡，靠近山脚地形稍缓，其间分散居住数十户人家，地表饮用水源随季节变化极大，旱季严重缺水。

2.2 水文地质特征

测区属阳平关地层小区，主要出露地层为震旦系陡山沱组粉砂岩、上震旦统-下寒武统的灯影组白云岩、寒武系下统牛蹄塘组砂岩以及志留系茂县群(表1)。其中灯影组与下伏陡山沱组之间为整合或断层接触，与志留系茂县群呈断层接触，与寒武系地层为断层接触。在油坊沟一带以寒武系牛蹄塘组为核部构成一个向斜构造，灯影组为其两翼地层，二者之间呈平行不整合接触(图1)。

表1 测区主要地层岩性

图1 研究区地质简图(根据勉县幅1∶5万区域地质图I48E018019修改)(a)和测线测点布设示意图(b)Fig.1 (a)Geological sketch of the study area(modified according to the 1∶50 000 regional geological map I48E018019 of Mian county); (b) Schematic diagram of survey line and survey point layout

测区地下水类型主要以碳酸盐岩类岩溶水和碎屑岩类孔隙裂隙水为主。测区地表多见裸露基岩，浅部岩溶发育，具典型的地下水浅循环带岩溶发育特征，岩溶水主要补给来源为大气降水，岩溶水主要动态要素如水位、流量等变化幅度大，对降雨反应敏感。

2.3 地球物理特征

地下勘探目标和环境介质显著的电性差异是开展高密度电阻率法的重要前提。根据工作区及邻区已有电法工作的电性资料[21]，整理归纳出测区主要岩石电性参数表(表2),由表2可见，地表耕植土、黏土常见电阻率值在15～50 Ω·m之间，砂岩电阻率值在18～337 Ω·m之间，白云岩电阻率值在252～7 863 Ω·m之间，各类岩土体之间具有明显的电性差异，且同种岩性岩石随着风化程度和裂隙发育程度的不同也具有较大的电性差异，构成了较好的电法工作前提。

图2 高密度电法温纳装置工作原理示意图Fig.2 Schematic diagram of the high density method Wenner device

表2 研究区物性参数

3 技术方法

3.1 野外工作方法

高密度电法是集电测深法和电剖面法一体的阵列式直流电阻率勘探方法，具有点距小、数据采集密度大、分辨率高等特点。其基本原理和常规地电方法一样，都是以地下介质的电性差异为基础，通过在地表观测人工激发电场的变化情况，计算地下介质电阻率参数，从而推断地下地质结构，达到勘探的目的。在野外观测时，每个测点的视电阻率计算公式为：

(1)

式(1)中，ρs为视电阻率(单位：Ω·m);K为装置系数，随供电电极和测量电极的切换而不同；ΔV为测量电极之间的实测电位差(单位：mV)，I为供电电流(单位：mA)。

本次数据采集使用中地装(重庆)地质仪器厂生产的DUK-4级联式全波形高密度电阻率测量系统，根据高密度电法各装置工作特性，结合测区实际情况选用靠干扰能力较强、生产效率较高的温纳装置进行数据采集，温纳装置的工作原理如图2所示。于村落北侧相对平缓的斜坡上布设2条北东向测线，斜交穿越牛蹄塘组砂岩和灯影组白云岩地层不整合接触面，线距50 m，最小电极距3 m，每条测线布设60道电极，观测16层剖面数据。施工过程中采用厘米级精度的RTK卫星定位测量方法实地放点，精确获取测点位置和高程信息，针对水泥路面和裸露基岩等接地情况不好的点位，采用加盐水和泥以改变接地条件，使各电极接地电阻小于1 000 Ω·m，保证数据采集质量。

3.2 数据处理及反演方法

野外实测获取二维视电阻率断面数据，推断解释时需借助二维反演技术获得更加贴合实际的地电模型，其数学实质是：寻找一个地电模型，通过不断迭代计算使其对应的理论电阻率值与实测视电阻率值在一定条件下拟合误差最小(图3)。

本次数据处理，首先利用二维高密度电法数据分析软件对原始数据进行编辑，剔除个别畸变数据点，而后利用平滑约束的高斯—牛顿最小二乘反演方法进行反演计算，该方法基于以下公式：

(JT+μF)d=JTg

(2)

式(2)中，J为偏导数矩阵，JT为J的转置，μ表示阻尼系数，d为模型参数修改矢量，g为残差矢量，fx为横向平滑滤波因子，fz为纵向平滑滤波因子。该反演算法的优点是阻尼系数μ和平面过滤器能随着数据类型而调整。根据反演工作经验，反演均方差值最小时的模型并不一定最符合实际地质情况，通常当迭代后均方误差不再明显变化时，反演模型最佳。

在电法勘探中，沿测线方向起伏的地形相当于在原本理论均匀无限半空间的基础上叠加了一层不均匀地电体，实际观测的视电阻率数据是真实地电异常和地形影响共同作用的结果。本次高密度电法工作测线地形起伏较大，实测视电阻率数据受地形起伏影响，因此在数据处理过程中必须进行地形改正。本次数据处理地形改正使用RES2DINV软件中的地形改正模块完成，该方法是基于有限单元法，将地形起伏信息添加到反演模型中进行反演迭代计算，以消除纯地形引起的异常，达到地形改正的目的。具体的实现过程为：将RTK实测得到的每个测点的高程数据按照数据格式要求添加到原始数据文件中，在利用RES2DINV软件反演计算时读取带地形的数据文件，选择地形改正模型，进行反演迭代计算及含地形的反演模型显示。

图3 高密度电法数据处理流程Fig.3 Data processing flow chart of the high density electrical method

4 结果分析与讨论

4.1 高密度电法资料分析

sjyz-01测线方位15°，测线长度177 m，剖面反演结果如图4所示，电阻率结构总体上表现为横向分层，纵向分块的特征。横向上，近地表0～5 m为低阻薄层，电阻率值<50 Ω·m，代表了浅表耕植土或黏土；5 m以下高阻和低阻团块相间分布，蕴含了岩性界面和岩层内部的风化、溶蚀和充填等地质体的电性信息，以剖面长度70 m为界，左右两侧具有显著的电性差异，左侧以电阻率值<138 Ω·m的低阻为主，右侧总体电阻率值大于左侧，最大值>6 000 Ω·m。结合测区岩石物性参数统计结果(表2)及地表露头显示信息，推断左侧低阻体为牛蹄塘组砂岩，为向斜核部地层，在复杂的挤压构造背景下，岩石内部广泛发育裂隙-微裂隙，在靠近地表的区域，因降雨入渗补给，裂隙中充满水分并互相连通，构成了电性结构上的低阻特征；相比左侧，sjyz-01剖面右侧电阻率结构较为复杂，根据地表露头和物性参数统计，推断为岩溶发育的白云岩地层。其中电阻率值>1 500 Ω·m为未被溶蚀的致密白云岩，岩体之间的低阻(20～150 Ω·m)可能为溶蚀通道，其间充填黏土、碎石等岩土体，空隙空间相互连通并含水，因此表现为低阻特征。80～110 m之间，深度20 m以下，发育长度30 m，厚度大于10 m的超低阻空间(0.3～5 Ω·m)，根据物性参数特征推断为白云岩地层中的岩溶空洞，其间充满水分，故而表现低阻。剖面图上70 m处电阻率梯度带推断为牛蹄塘组砂岩地层和灯影组白云岩地层的接触带。

图4 高密度电法剖面反演模型电阻率断面Fig.4 Resistivity profile of high-density electrical method profile inversion model

sjyz-02测线方位17°，位于测线sjyz-01北侧50 m，长度也为177 m，反演模型电阻率结构与sjyz-01剖面具有密切的联系(图4)，同时也存在一定的差异。总体来看，该剖面电性结构仍然表现为横线分块和纵向分层的特征，5 m以浅仍为电阻率值<50 Ω·m的低阻层，为浅表耕植土或黏土的电性反映；sjyz-01剖面揭露的牛蹄塘组砂岩地层和灯影组白云岩地层的接触带在sjyz-02剖面仍然清晰显示，表现为明显的高低阻梯度带。与sjyz-01剖面不同的是,sjyz-02剖面北段的高阻地层中没有出现与sjyz-01剖面一样的电阻率值小于5 Ω·m的超低阻空间，而是在相应位置发育一向北倾的条带状低阻异常，同样推断为岩溶发育条带，sjyz-01剖面位于sjyz-02剖面东侧地势相对低洼处，因而，sjyz-02剖面中这一位置的相对低阻条带同样为岩溶通道，推断通道中充填风化物和表层土质，因地势较高，含水率小于sjyz-01剖面揭露的富水溶洞。

4.2 岩溶储水构造识别与成井模式探讨

sjyz-02测线位于sjyz-01测线北西侧，直线距离50 m，地势较高，sjyz-01测线的起始电极和sjyz-02测线第3根电极平齐，两条测线基本平行，均穿越牛蹄塘组砂岩地层和灯影组白云岩地层(图1)，在利用相同仪器，相同标准，相同施工条件及相同数据处理方法的前提下，根据上述对高密度电法资料的分析，2个断面的反演结果具有较好的一致性，与实际地质资料基本吻合。根据其空间关系，和研究区地质构造特征，推断向斜构造活动、地层岩性差异和地形地势特征共同控制了研究区岩溶储水构造的孕育和空间格局，基于这一认识，本文建立了研究区岩溶储水构造的模型(图5)。

图5 研究区岩溶储水构造模型Fig.5 The structure model of karst water storage

宏观上，研究区处于以牛蹄塘组砂岩地层为核部的向斜构造东翼山谷地带，褶皱活动是构造应力集中作用的结果。伴随着向斜构造的形成，牛蹄塘组砂岩地层和灯影组白云岩地层内部形成了众多小型断裂和微裂隙。经过漫长的地质历史时期，风化作用和大气降水溶蚀作用使得牛蹄塘组砂岩内部微裂隙中充填水分；而灯影组白云岩则在含有碳酸的雨水渗入岩石缝隙后发生溶蚀反应，长期的溶蚀作用使白云岩内部形成了溶蚀通道和溶洞空洞，靠近地表的溶蚀通道被风化碎屑充填，而深层的岩溶空间则保留了下来，形成了丰富的储水空间。

该储水构造地下水补给主要来源于大气降水，丰富的碎屑岩裂隙和岩土溶蚀通道具有较好的持水性，使得丰沛的雨水得以保存下来。其次，该区位于北东向-近南北走向的山谷，北高南低、东西高中间低的地形为水源补给创造了良好的地势条件，在重力势能的作用下，储水构造东、西、北三侧的砂岩裂隙或白云岩溶蚀通道中地下水源源不断地侧向补给，最终汇聚于研究区所处的山谷地下岩溶空间中储存下来，形成了良好的地下水富集区，其中北侧和东侧白云岩地层溶蚀通道中的地下水为主要补给来源。同时，储水空间西侧的牛蹄塘组砂岩地层作为相对隔水构造能够起到阻水墙的作用，为地下水在此汇流聚集提供了更好的条件。

综合上述讨论，确定于高密度电法sjyz-01剖面95 m处钻井，经钻探验证，该钻孔于地下25 m处见水，成井深度65.8 m，含水层厚度为32.5 m，水位降深1.6 m，单位涌水量2.67 L/(s·m)，含水较好。对于向斜构造、岩性接触带和地形共同控制的岩溶储水构造，建议将钻井布设于向斜构造轴部、地势相对较低的靠近可溶性碳酸盐岩一侧。