基于城市地质水资源调查的综合电法勘探技术应用研究——以福建省三明城市地质调查为例

陈志伟

（福建省121 地质大队 福建龙岩 364021）

0 引言

为实现“绿水青山就是金山银山”的可持续发展理念，福建省持续推进生态文明建设，在加速城市化进程的同时，通过开展城市地质调查等工作为城市规划和“数字城市”建设提供科学依据。根据《三明城市地质调查总体设计》要求，三明城市地质调查以1∶5 万水文、工程、环境地质调查为主线，重点查明海西三明生态工贸区规划区的地质条件，尤其是地表以下50 m深度的地层、岩石及地质构造特征，并根据调查结果建立基础地质、水文地质、工程地质标准地层及地下水含水层划分标志，为区域地下空间开发适宜性评价、沙溪河两岸的工程建设风险评价、地下水应急水源地规划、岩溶塌陷防治及构建海西三明生态工贸区规划区的三维地质结构模型等专题研究提供基础数据，为解决城市规划区所面临的地质资源保障及地质环境安全问题提供方案。由此可见，水资源调查是城市地质调查中的重中之重。

目前，国内外用于水资源勘探的方法主要有IP、CSAMT、TEM、EH4，SNMR 等，传统的电法勘探方法如高密度电法、视电阻测深等技术因探测深度较浅，已经逐渐被新的方法取代。由于城市地质调查区内多存在强电磁干扰、地面硬化等不利因素，且其工区范围大、点多面广，单一物探方法无法满足工作需求，如何合理利用有限的调查经费达到项目成果最优化成为电法工作的难点问题。

本文通过采用CSAMT 法与高密度电法、视电阻测深综合电法勘探技术，在充分收集和利用已有资料的基础上，综合考虑工作区地层岩性、含水层性质、断裂构造发育程度、岩溶发育及其充填情况等多方面因素，并结合场地实际施工条件，因地制宜选择探测方法、参数，达到有效避免、压制干扰、提高探测数据信噪比的目的。通过方法试验和已知资料正演计算，利用综合电法勘探技术充分发挥高密度电法快捷高效、视电阻率测深法的灵活布极和CSAMT 法的深部探测等多重优势，成功解决了城市地质中的水资源调查重点问题，取得了良好的社会效益和经济效益。

1 地质概况

1.1 地形地貌

三明城市地质调查以“海西三明生态工贸区”规划区为主。调查区介于武夷山脉和戴云山脉之间，属陡坡尖脊状中低山高丘地貌，海拔高程在200 m～1 500 m，地形起伏，陡坡尖顶，沟谷深切，多呈“V”字型河谷，山坡的坡度较大，植被也较发育。沙溪河从西南到东北贯穿全区，其南东岸地势陡峻，多为中山、低山；北西岸地势较缓，以低山、丘陵为主，并嵌有山间河谷小盆地。本文例举的剖面主要分布在三明市区瑞云山附近，为丘陵地貌单元。

1.2 水文条件

地表水。沙溪河是区内最大的河流，从西南到东北贯穿全区，区内水系均为沙溪水系。沙溪河属雨水补给型河流，大气降水为其主要补给来源，地下水为次要的补给来源。

地下水。测区内地下水受构造裂隙、地层岩性及岩溶发育等多因素控制，主要由松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐类裂隙溶洞水和基岩裂隙水等组成：

（1）松散岩孔隙水赋存于第四系全新统－更新统的冲洪积层中的砂砾卵石层中，含水层厚度变化较大，一般厚度2 m～46 m。水力性质多为潜水，局部微承压，富水性为贫乏。

（2）碎屑岩类孔隙裂隙水多赋存于侏罗系长林组、梨山组，三叠系文宾山组、溪口组，二叠系童子岩组、翠屏山组地层中，含水层厚度变一般为岩层风化厚度，一般厚10 m～60 m，地下水赋存于孔隙裂隙中，以层间承压水为特征，富水性为中等-贫乏。

（3）碳酸盐类裂隙溶洞水主要赋存于石炭系黄龙组、船山组和二叠系栖霞组灰岩地层中，埋深10 m～100 m，富水性为丰富-中等。

（4）基岩裂隙水赋存于层状岩类（包括碎屑岩和变质岩）、块状岩类（包括侵入岩和火成岩）及脉状断裂构造带等各种成因的裂隙中，富水性受断裂性质及规模影响从贫乏到丰富均有可能。

1.3 地层及含水岩组

区内地层发育较全，除志留系、中下泥盆系和第三系缺失外，从上元古界至第四系均有出露，但各时代地层发育程度较悬殊，分布零乱，各测线内地层需具体分析。其主要含水岩组及探测目标地层情况如下：

（1）第四系覆盖层。覆盖层除局部有人工填土层外，主要以第四系冲洪积层和残坡积层为代表，其中冲洪积层主要分布于河谷、山间盆地，厚度0 m～79.40 m；残坡积层分布于山区缓坡地带及坡脚，一般厚度3 m～20 m。第四系覆盖层内主要为孔隙型潜水，一般与地表水体联系密切，且其埋藏深度较浅，可采用高密度电法和视电阻率测深法进行综合探测。

（2）岩溶地层。岩溶及塌陷主要分布在三明盆地、三明的陈大和岩前、大湖-永安盆地等覆盖型和埋藏型石灰岩发育区，岩溶地层主要为组包括石炭系黄龙组、船山组和二叠系栖霞组灰岩，埋深以10 m～100 m 为主，局部为通天溶洞。岩溶裂隙水大多属于承压水，与上部潜水水力联系不明显，对岩溶地层赋存的岩溶水一般可用高密度电法结合视电阻率测深进行探测。

（3）断裂构造［1］。三明市位于闽西南拗陷带东部的胡坊-永定隆起与大田-龙岩拗陷的交接地带［2］，在漫长的地质发展过程中，经历了多次剧烈的构造变动。每次变动都留下了众多的构造形迹，主要有东西向、南北向、华夏系、新华夏系、北西向等构造体系。项目需要重点查明的有走向NE45°，倾向NW 的高砂断裂带及走向NW330°，倾向SW 的瑶奢-岩前断裂带。区内断裂构造多为大角度深切断层，断裂带含水普遍埋深较大，且场地内地形起伏较大，探测深度要求大于1 500 m。因此，对断裂构造含水带多采用CSAMT 法进行探测。

2 物性特征与参数选择

2.1 物性特征

电法勘探技术能通过获取地下目标地质体电阻率等物性特征，并通过软件转化成等值线图、曲线图及切片图等图件成果，能直观推测地下目标体的形状、规模及埋深。城市地质水资源调查物探工作主要结合地面调查和专题研究的需要，测线多布置在野外调查工作中难以判断而又需要查明地质条件的地段、钻探试验地段以及在钻探困难或仅需进行初步探测的地段、重要工程建设区以及地下水潜在水源地分布区，主要目的任务如下：

（1）确定含水层、隔水层的分布、含水层厚度、埋藏深度、富水性及富水地段。

（2）确定区内应急水源地并指导温泉开发利用钻探孔位布设。

综合区域地质条件及以往工作资料成果：张性断裂带岩因石破碎、裂隙发育，储水条件好的富水区易形成低电阻率异常，电阻率值一般为10 Ωm～100 Ωm，压扭性断裂因富水性较差，当处于潜水或承压水连通区域时电阻率值一般为20 Ωm～200 Ωm。在可溶性岩石发育地段，因溶蚀裂隙及溶洞的发育，形成的地下水赋存富集区和地下水流动通道也表现为低电阻率异常，电阻率值一般为10 Ωm～100 Ωm。而在侵入岩和基岩发育区，电阻率普遍较高，平均电阻率值超过500 Ωm～3 000 Ωm，局部地区可达到8 000 Ωm 以上，其具体数值与岩体大小、裂隙发育及其富水情况等因素有关。综合认为：富水异常区的圈定以电阻率值小于100 Ωm 为基础，根据异常体形态及规模结合以往工作经验进行综合解释。

2.2 方法及参数选择

为做到“一法多用、一线多用、一点多用”的综合探测效果，三明城市地质调查物探工作从建立正演模型出发，结合地质目标体物性特征，根据现场仪器标定曲线、参数试验成果及施工场地干扰源情况进行工作方法的合理选择：考虑到中心城区多为硬化地面且电磁干扰严重，采用CSAMT 法探测隐伏地质构造、断裂破碎带空间分布及其富水性分析；采用高密度电阻率法进行城郊覆盖层厚度范围内孔隙水的探测；采用电阻率测深对CSAMT 法及高密度电法进行验证探测。主要探测方法及其工作参数选择见表1。

表1 物探方法及参数设置表

3 成果分析与讨论

3.1 高密度电法

高密度电阻率法实质上属直流电阻率法，其基本原理与直流电阻率法相同，是将直流电流通过电极接地供入地下，建立稳定的人工电场，并观测和研究人工电场分布规律，进而确定地下岩土介质相关信息的一种阵列电探方法［3］。重庆奔腾数控研究所WDJD-4 多功能直流电法仪进行数据采集，为加大探测深度，项目最大采用12 条分布式电缆进行滚动式测量［4］（点距10 m），由于其探测深度相对较小，主要用于覆盖层内孔隙水及岩溶富水区等浅部含水异常的圈定。项目完成15 条测线2 700 个物理点的高密度电法工作，典型电阻率断面见图1：该断面地形起伏较大，数据采用RES2DINV 二维反演并经过地形校正后得到电阻率剖面［5］。从剖面看，电阻率整体表现为测线首端电阻率较低而尾端电阻率较高，在测线250 m～500 m有低阻异常区，该异常与电阻率测深所反演的低阻异常一致，认为其有浅部小型背斜风化崩解形成的富水区所致。

图1 L13 高密度电法反演剖面图

3.2 电阻率测深

电阻率测深采用对称四极测深装置进行施工，根据以往工作经验及现场试验确定工作参数如下：AB/2 为5 m～500 m，MN/2 为1 m～20 m，测点距100 m，供电电压大于600 V。为降低电阻、提高供电电流，对供电电极和测量电极进行浇盐水，局部城市硬化区采用冲击钻打孔进行电极深埋处理以保证数据信噪比。数据处理后的电阻率测深典型曲线见图2：该点为13 线500 m 位置处的测深曲线，曲线类型为HA 型，低阻异常埋深较浅，与高密度电法反演剖面吻合。

图2 L13-5 电阻率测深曲线图

3.3 可控源音频大地电磁法（CSAMT）

CSAMT 法是人工源频率域测深方法，具有勘探深度大、抗干扰能力强等优点，能有效探测高、低阻地质异常体。本项目采用加拿大凤凰公司生产的V8 多功能网络化电法仪，选择标量共磁道测量的TE 模式，采用旁侧装置进行施工［6］，发射偶极AB 与测线严格平行，磁棒埋设与测线垂直，其方位采用森林罗盘测定，保证误差不大于1°。为避免产生近场效应，提高低频段接收数据信噪比，发射偶极避免地形差异过大并远离大型水体，发送电流控制在8 A～12 A，有效采集时长不小于45 min，频率表设计的总频点为50 个，频率范围在0.125 Hz～8 533.333 Hz之间，兼顾浅部与中深部数据点分布。受“体积效应”及“静态位移效应”等因素影响［7］，深部反演电阻率横向不均匀性未能通过滤波去除，给后期解释带来一定的困扰，但1 km 以内的数据整体效果较好，可靠性高。在项目完成11 条测线288 个物理点的CSAMT 法工作，典型电阻率断面见图3：该断面在近地表电阻率整体较高，在测线中部-300 m 至0 m 区域出现明显低阻异常，该处异常两侧浅部电阻率横向不连续，推测为断裂构造出现的破碎带异常，经钻探验证，该处为断裂富水异常。

图3 L9 CSAMT 法反演剖面图

4 总结与思考

（1）城市地质调查重点工作区往往存在地面硬化、电磁干扰等不利因素，且福建省三明市多为山区，地形切割较为严重，地层稳定性差，使用单一的物探方法无法有效避免干扰、提高数据信噪比。为消除干扰、同时兼顾深部与浅部数据密度并提高施工效率，采用综合电法因地制宜的布设工作成为城市地质水资源调查的必然选择。

（2）综合电法勘探以电性差异为物理前提，对地下水等低阻异常有较高的分辨率，具有成本低、效率高、针对性强的优点，在城市地质调查等大范围的普查性工作中对不同深度范围内地下水赋存情况勘探效果明显。

（3）单一电法勘探方法往往受供电偶极之间地形、地层、大型水体等不均匀介质等不确定因素的影响而产生假异常，综合电法勘探则可以采用少量工作量的灵活方法（装置）对重点异常区进行对比探测，提高数据成果的可靠度。

（4）综合电法勘探技术也存在一些数据处理上的难点问题，比如，它要求对测区前期资料分析程度较高，要求在数据处理过程中综合考虑地形校正、静态效应校正、不同方法之间数值的归一化处理等问题。

总之，综合电法勘探技术能快捷、高效解决城市地质中水资源调查难题，在区域性地质工作中能完成地下水勘查、基岩埋深探测、岩溶探测及隐伏断裂位置探测等勘探任务，特别是对城市地热资源开发和城市应急水源地规划等课题的研究有着不可替代的作用，但在多方法进行对比分析和成果解译时需要进一步加强地形校正、静态效应校正及电阻率值的归一化处理等细节工作的研究。