综合物化探方法在地下水勘查中的应用——以嘉鱼县官桥镇为例

李 强， 肖友发， 赵子良， 龙少秋， 洪 标

(湖北省地质局 第四地质大队，湖北 咸宁 437100)

地下水的贮存有如在地下形成一个巨大的水库，以其稳定的供水条件、良好的水质而成为农业灌溉、工矿企业及居民生活用水的重要水源，尤其是在地表缺水的干旱、半干旱地区，地下水常常成为当地的主要供水水源[1-2]。随着经济社会的快速发展，用水量不断增加，地下水的开采难度越来越大，为破解场地要求、岩石含水性等因素对地下水勘查的不利影响，亟需更高效的勘查技术手段。

“十三五”期间，随着嘉鱼县官桥镇扶贫工作的不断推进，该地区农牧业日渐壮大，饮水用水日趋不足，尤其是在每年的旱季，用水更加紧张。受当地政府委托，研究团队分别在大牛山村、观音寺村开展找水扶贫工作。该区处于三叠系下—中统嘉陵江组(T1-2j)与三叠系上统九里岗组(T3j)接触地带，并被第四系(Q)覆盖。前人在嘉陵江组施工多口水井，但单井涌水量仅10～15 m3/d[3]，难以满足当地用水需求。在该区找水需探索一套合适的勘查方法，重点是寻找构造裂隙较发育地段，因其有利于地下水的运移和富集[4-6]。此次在碳酸盐岩地区开展地下水勘查，采取的主要工作手段为土壤氡气测量和天然电场选频法测量，根据含(隔)水层特征、氡气释放强度和基岩电阻率差异来寻找基岩裂隙和断裂构造；然后使用空气潜孔锤成功实施2口探采结合井。此次采用的综合物化探找水方法不仅有效解决了当地旱季饮水用水难题，还可以为类似地区的地下水勘查提供借鉴。

1 地质及水文地质背景

区域地层属扬子地层区下扬子分区，主要出露侏罗系、第四系，三叠系隐伏于第四系之下。区域褶皱构造十分发育，自北向南背斜、向斜相间并相互衔接，轴向近EW-NE向(图1)。区域断裂构造较发育，主要为NE、NW、近EW向，多为隐伏断裂。勘查区位于米埠—宝塔山倒转背斜南翼，地层倾向单一，均为SE向。勘查区断裂不发育，南东部可能发育隐伏断裂。

勘查区属亚丘陵垄岗地貌，地势总体北西高南东低，高程为30～65 m，山顶浑圆，山坡平缓。该区属区域水文地质单元的径流区，接受大气降水补给后，一部分直接随地形汇流至冲沟，一部分沿孔隙裂隙下渗补给地下水，地表水和地下水由南向北径流汇入蜜泉湖。

①.桐梓铺—五洪山倒转背斜；②.蒲圻倒转向斜；③.斗门桥—望江楼倒转背斜；④.洪山—大庄王倒转向斜；⑤.米埠—宝塔山倒转背斜；⑥.蜜泉湖倒转向斜；⑦.蛇屋山倒转背斜图1 区域构造略图Fig.1 Sketch of regional structure

勘查区地下水类型分为松散岩类孔隙水、碎屑岩孔隙裂隙水、碳酸盐岩裂隙溶洞水三大类。

(1) 松散岩类孔隙水。含水层在地表分布广泛，主要由冲洪积层含砾亚黏土、黏土及残坡积层亚黏土、亚砂土组成，厚9～19 m。其含水量与大气降水量呈正相关关系，丰水期单井涌水量为10～50 m3/d，枯水期地下水水位严重下降或者干枯。

(2) 碎屑岩孔隙裂隙水。含水层在研究区南东侧出露，主要为孔隙裂隙和层间裂隙发育的九里岗组石英砂岩、(粉)砂岩、泥(页)岩。该套地层相变复杂，(粉)砂岩与泥(页)岩互层，(粉)砂岩层中裂隙有一定规模且张开性较好，而泥(页)岩层泥质含量较高，裂隙密集且大多闭合，切穿性极差，因此处于泥(页)岩层上下的(粉)砂岩层很难与其他含水层发生水力联系。在一些出露区或盖层较薄的斜坡和洼地，该类含水层中赋存少量裂隙水，但地下水水位随季节性变化明显，无统一潜水面，缺乏实际供水意义。

(3) 碳酸盐岩裂隙溶洞水。含水层由嘉陵江组白云质灰岩、泥灰岩组成，地表未见基岩露头。根据前人钻孔资料，该含水层隐伏于第四系之下，岩溶发育程度不一，水位埋藏深，水量变化大，地下水赋存条件复杂。

2 勘查部署试验

2.1 勘查思路

区内第四系松散岩类孔隙含水层受季节影响较大，作为抗旱备用水开采意义不大；而隐伏于第四系之下的碎屑岩、碳酸盐岩因受地层空间结构的影响，不利于地下水的富集和运移，前人已施工2口水井效果不理想便是力证。因此本次在充分研究该区地层岩性及构造特征后，确定勘查思路为：首先在已施工钻孔的失败地段开展氡气测量，进行有效性试验分析；然后在选定靶区采取氡气测量和天然电场选频法测量寻找裂隙发育及富水地段；在此基础上，通过分析论证确定钻孔孔位，施工钻孔进行验证。

2.2 勘查试验

氡(Rn)是一种放射性气体，由镭(Ra)衰变产生，半衰期为3.825天[7]。介质的粒径大小、孔隙度、孔隙结构等条件对氡气的迁移速度有较大影响，在基岩疏松或孔隙相对较多的地段，氡气能迅速地从地下深处运移至地表，并常常在断裂破碎带、裂隙带的上方形成氡异常[8-9]。

测量仪器为成都核盛科技有限公司生产的HS01测氡仪，该仪器由壤氡取样器和测氡仪主机两部分组成，采用瞬时测氡法，测量对象是氡衰变的第一代短寿命子体RaA，具有灵敏度高、操作方便的优势，可在-10～40℃、相对湿度≤90%的条件下正常运行，测量不确定度≤20%。本次测量采用“井”字形测网，SE向剖面线7条，NE向剖面线5条，密度150 m×50 m(图2)；测点采用长80 cm的专用钢钎打孔，孔深60 cm，成孔后将取样器快速放入孔中，对采样孔进行密闭处理，避免抽气过程中有空气渗入。

图2 试验段氡气测量工作布置图Fig.2 Layout of radon measurement in test section

野外共测得数据203点，剔除异常值后，绘制出试验段的氡浓度等值线图，并标注推测的隐伏断裂(图3)。由图3可看出，在前人已施工钻孔ZK01的北侧存在明显氡异常，氡异常呈NE向串珠状分布，而南部整体未见氡异常。观察发现ZK01岩芯中构造角砾、溶洞溶孔等现象不发育，仅局部可见方解石细脉，结合其单井涌水量仅10～15 m3/d的事实，说明ZK01布点位置不太合理。因此，在碳酸盐岩区施工钻孔不一定能达到找水目的。通过此次氡气测量试验，笔者认为找水靶区应圈定在构造裂隙较发育地段，构造裂隙越密集，有效孔隙度越大，降雨入渗和径流能力越大，找水成功率也就越高。

图3 试验段氡浓度等值线图Fig.3 Layout of radon measurement in test section

3 实例分析

3.1 大牛山村勘查区

大牛山村勘查区位于试验段55°方向约3 km处，地质条件与试验段相似，南东侧出露九里岗组石英砂岩、泥岩，其余地段被第四系覆盖。前人已施工钻孔ZK02孔深200 m，0～15 m为第四系覆盖层，16～200 m为嘉陵江组微晶灰岩、泥灰岩，但该孔为干孔。

3.1.1氡气测量

该勘查区共布设9条氡气测量剖面线，1-6线为171°方向，总长2.2 km；7-9线为92°方向，总长2.2 km(图4)。野外共测得数据88点，据此绘制了氡浓度等值线图(图5)，可以看出勘查区中部存在明显的氡异常，异常强度向四周逐渐减弱，推测该异常为NW、NWW向断裂交汇部位。该处岩石较破碎，孔隙度较高，氡气向上运移富集的能力相对较强，因此将该处选择为下一步物探测量工作区，以进一步查明含水带空间分布特征。

3.1.2天然电场选频法测量

本次物探测量采用天然电场选频法，该方法由音频大地电磁法(AMT)演化而来，以地下岩石导电性差异为工作基础，以大地电磁场为工作场源[10-11]。已有地质工作者开展过天然电场选频法在水文地质勘查中的应用研究，杨天春等[10]采用该方法在湖南省炎陵县探寻到涌水量约300 t/d的地下水；张启等[11]以贵州省盘县某煤矿工程为例，采用该方法确定了煤矿采空充水区，因此该方法在水文地质勘查中是有效的。

图4 大牛山村勘查区氡气测量工作布置图Fig.4 Layout of radon measurement in Daniushan Village exploration area

物探测量所选仪器为北京杰科创业科技有限公司生产的JK天然电场选频仪，该仪器共有三档频率供选择，分别为25 Hz、67 Hz、170 Hz。本次共布设10条测线(图6)，1-6线为NNW向，7-11线为NEE向，线距20～25 m，点距5 m。勘探路线采用平行移动法，即保持电极M和N的极距为10 m，沿着测线移动，以M和N的中点为记录点，测量电极M和N的电位差。

图5 大牛山村勘查区氡浓度等值线图Fig.5 Radon contour in Daniushan Village exploration area

图6 大牛山村勘查区25 Hz频率下的相对电阻率等值线图Fig.6 Relative resistivity contour at 25 Hz frequency in Daniushan Village exploration area

物探测量完成后，绘制了25 Hz频率下的相对电阻率等值线图(图6)。勘查区属碳酸盐岩地区，碳酸盐岩相对高阻，地下水发育部位为相对低阻带。从图6可看出，相对低阻带分布区较广，呈现出一条NWW向主带。

综合氡异常、相对电阻率异常、地形、水文地质情况，优选一处钻井点位，即SHK01探采结合井，推测该处为节理裂隙发育或破碎充水处。

3.1.3钻探

为了提高钻进效率，此次采用空气潜孔锤[12]钻进技术实施SHK01。该井孔深223 m，0～19 m为第四系黏土层，19～42 m为嘉陵江组灰白色微晶灰岩(33～35 m处为黏土充填溶洞)，42～63 m为灰黄色泥岩，63～223 m为灰白色微晶灰岩(在156 m处见砖红色灰岩、棱角状灰岩被胶结)。该孔主要富水位置为156～195 m的灰岩破碎带。终孔后测得地下水静水位埋深3.5 m，实际抽水降深14.21 m，涌水量为169.46 m3/d。

3.2 观音寺村勘查区

观音寺村勘查区位于试验段270°方向约1.7 km处，均被第四系覆盖，隐伏地层为嘉陵江组灰白色微晶灰岩。为保证该区大棚种植及生活用水需要，前人在大棚区西侧施工了钻孔ZK03，孔深110 m，但涌水量仅为10～15 m3/d，找水效果较差。

由于场地及用水范围的限制，本次布设1-1′剖面线同时进行土壤氡气测量及物探测量(图7)。土壤氡气测量点距15 m，实测23点；天然电场选频法测量点距5 m，实测66点。土壤氡异常曲线图(图8-a)显示，120 m处(前人施工钻孔ZK03所处位置)未见氡异常反映，与ZK03出水效果不好的事实相符；而180～240 m范围氡异常整体较明显，指示相应地段可能存在含水裂隙带。土壤相对电阻率异常曲线图(图8-b)显示，75～120 m范围为低阻异常区，其深部可能存在小型含水或泥质充填裂隙，但含水性较差；165～210 m范围具有显著低阻异常，其对应的氡值存在明显高异常，推测该地段深部裂隙较发育，含水性较强。综合考虑以上因素，选定180 m处为SHK02水井的施工位置。

图7 观音寺村勘查区工作布置图Fig.7 Sketch in Guanyinsi Village exploration area

图8 观音寺村勘查区氡异常曲线图(a)及25 Hz频率下的相对电阻率异常曲线图(b)Fig.8 Radon anomaly curve (a) and relative resistivity anomaly curve at 25 Hz frequency (b) in Guanyinsi Village exploration area

本次SHK02水井采用空气潜孔锤钻进。该井孔深165 m，0～13 m为第四系黏土层；13～38.5 m为灰白色泥质灰岩，未出水；38.5～104.5 m处为灰白色泥质灰岩，涌水量约10 m3/d；104.5～134.5 m为灰白色灰岩及方解石碎块，返水增大；134.5～165 m为灰白色灰岩，返水平稳。该孔主要富水位置为104.5～134.5 m的灰岩破碎带。终孔后测得地下水静水位埋深3.02 m，实际抽水降深7.42 m，涌水量为98.70 m3/d。

4 结论

(1) 采取水文地质调查、土壤氡气测量、天然电场选频法测量、钻探等勘探手段，成功在嘉鱼县官桥镇实施2口探采结合井，其中大牛山村勘查区SHK01水井孔深223 m，实际抽水降深14.21 m，涌水量为169.46 m3/d；观音寺村勘查区SHK02水井孔深165 m，实际抽水降深7.42 m，涌水量为98.70 m3/d。

(2) 在碳酸盐岩地区进行地下水勘查时，应尽可能寻找构造裂隙较发育地段。在基岩裂隙较发育地段，氡气浓度具高值响应，电阻率具低阻响应，两者叠加部位可能是地下水富集区。在地表有大面积第四系覆盖情况下，利用土壤氡气测量和天然电场选频法测量可精确圈定裂隙含水带，该方法组合有效避免了单一物探方法的多解性，是一种有效且快速的地下水勘查技术方法。

(3) 土壤氡气测量和天然电场选频法测量存在一些干扰因素，例如不同场地地形、岩石岩性会对其产生影响。建议开展土壤氡气测量时尽可能布设足够多的测点，合理判断背景值及异常值，以消除区域或区段的系统性影响；开展天然电场选频法测量时应避开有高度>1 m的陡坎和高压电线分布的地段。对于裂隙充水充泥的问题，应结合地质资料和实战经验进行反复对比分析，方可作出正确的解译。