富平岩溶水井位可行性论证

武军锋，袁建明

(陕西省一三九煤田地质水文地质有限公司，陕西 渭南 714000)

富平县岩溶地下水属于合-耀区水文地质单元的补给区，地下水位标高378～383.10 m，地下水自西北向东南径流排泄。岩溶水赋存的介质由一系列成因不同、大小不等、形态各异的裂隙、溶隙、溶孔、溶洞等构成复杂的贮存系统。储水空间十分复杂，构成了渭北岩溶水赋存丰富而不均匀、连通性良好的岩溶水网络系统。地层岩性和裂隙、孔隙、岩溶发育程度的差异性造成岩溶水赋存富集的不均一性。布井位置的不同往往引起水量的极大差异，而相邻距离10余米的岩溶井水量极大且无井间影响，掌握岩溶水在不同地质构造条件下的空间分布的一般规律，结合水文地质调查与激电测深成果，综合分析岩溶水井位的可行性，科学合理地布置井位。

1 工作方法

运用综合勘查方法，在研究现阶段区域水文地质成果资料的基础上，首先进行水文地质调查，以同一水文地质单元强富水岩溶井的井位条件为依据，采用类比法初步分析岩溶水井位的可行性，确定重点区段并进行激电测深，以断层分布区的激电电性特征为依据，分析视电阻率曲线形态，结合激发参数判断富水性，基本查明断层在论证区的空间分布特征。综合分析拟布岩溶井位的可行性。

2 地质及水文地质条件

2.1 地形地貌

富平县地处渭河断陷盆地与北山隆起的过渡地带，地势总趋势为西北高，东南低，中部起伏不平，裂隙岩溶水论证区主要地貌形态有：岩溶断块低中山、残山、洪积倾斜平原、黄土台塬、构造洼地及河谷阶地。(1)岩溶断块低中山：分布于论证区的北部，海拔高程850～1 370 m，南坡陡峭，北坡舒缓。沟壑纵横，相对切割深度200 m左右。(2)岩溶断块残山：分布在盆倾峪以西，海拔高程750～800 m，山体高出塬区100～200 m。(3)洪积倾斜平原：分布于断块低中山以南，石川河以东，顺阳洼地以北的山前地带，高程一般470～700 m。(4)黄土台塬：分布于中南部，塬面平缓、完整，冲沟不甚发育，且切深不大。高程一般430～680 m。(5)构造洼地：近北东向排列展布，这些洼地常低于塬面20～50 m。比较著名的有顺阳洼地、芦阳洼地等，高程一般380～480 m。塬体与洼地的形态也间接反映了基底垒、堑相间的构造格局。

2.2 地质

(1)地层：区内基岩绝大部分被第四系覆盖，富平县境内奥陶系发育较全，仅在北部山区出露有石炭系与奥陶系地层。结合钻井资料，按照地层沉积先后依次为：奥陶系(O)[冶里组(O1y)、亮甲山组(O1l)、下马家沟组(O2m1)、上马家沟组(O2m2)、峰峰组(O2f)、平凉组(O2p)]、石炭系(C)[本溪组(C2b)、太原组(C3t)]零星出露于区内北部的碑子山一带、新近系(N2)主要分布于富平-刘集一带以南地区、第四系离石组及马兰组(Q2l+Q3m)全区广泛分布、全新统(Q4)主要分布于石川河及温泉河河谷。

(2)构造：富平县以梅家坪-底店一带的北山山前断裂为界，北部构造位置属于鄂尔多斯盆地南部的渭北隆起中部，南部属于渭河断陷盆地北部的断阶区，位于梅家坪至底店以南，南界为口镇—关山断裂。北部隆起区，主要由奥陶系上统碳酸盐岩与凝灰岩、页岩组成，有总体为北倾的缓倾单斜构造，西端为张性断裂围限的耀西断陷，南部为一近东西向的西倾不对称背斜，称新兴—到贤隐伏背斜。该区还发育有一系列NE、NEE及少量NW向断裂，形成了比较复杂的断块隆起。由于地层大多处于侵蚀基准面以上，各含水层富水性较差，仅有少量泉水出露，沟流大多为季节性流水。南部断阶区，北缘海拔一般为600 m，南缘海拔360 m；第四纪沉积北薄南厚，钻孔资料揭露第四纪沉积厚度富平为327 m，富平以南第四系之下，上新统厚度约650 m，反映了北薄南厚的不对称性。总的来看，越向南部断陷越深，南部的原任断块，是该区域下古生界埋深最大的区域。

2.3 水文地质条件

区内含水岩组分为松散层孔隙水和灰岩岩溶裂隙水两种类型。本节重点论述奥陶系灰岩岩溶裂隙含水岩组(O)，碳酸盐岩岩溶裂隙水是区内的重要水源，含水层广泛隐伏于松散岩类之下，由一套碳酸盐岩组成，储水空间为裂隙、溶隙、溶孔等，统称岩溶裂隙水，简称岩溶水。根据区内地层岩性、岩溶发育情况，将富平地区的碳酸盐岩含水岩组划分如下：

(1)平凉组(O2p)含水岩组：分布于区内北部富平山神庙一带，岩性以深灰色薄板状、页片状灰岩和角砾状灰岩为主，夹有多层凝灰岩。虽有溶隙发育，但延伸性较差，凝灰岩夹层常成为局部隔水层，渗流带中岩溶水下渗受阻形成悬挂泉，流量较小，一般在0.2～0.6 L/s之间，较大1.5 L/s左右，为弱含水岩组。其分布位置又多在380 m标高以上，非本区探采目的层。

(2)峰峰组二～四段(O2f2-4)含水岩组：分布于低中山、残山下部，大面积隐伏于平凉组及新生界松散岩类之下。据金粟山地层剖面，厚度158～354 m。主要岩性为浅-深灰色灰岩、白云质灰岩等。质纯、层厚、岩溶化程度高。该含水岩组是富平地区开发利用岩溶水的主要目的层。一般单井涌水量为41.05～237.5 m3/h，降深0.1～58.0 m，溶解性总固体426.0～1 570.29 mg/L，F-含量0.38～2.52 mg/L。著名的黄河滩地东王瀵泉(群)即出自该层，泉群流量1.66 m3/s，最大的马瀵泉流量为0.72 m3/s。

(3)上马家沟组上段(O2m22)含水岩组：区内无露头，隐伏于峰峰组之下，是富平地区深部强岩溶含水层。上部为灰色、深灰色中-厚层状灰质白云岩夹黄色薄层状白云质泥灰岩。中部有一层1～2 m 厚的棕灰色角砾状泥灰岩。下部为灰色巨厚层状白云岩夹薄层状泥灰岩，普遍含灰白、灰黑色燧石结核和条带，可见薄层石膏，厚112～182 m。该层质地均匀、厚度稳定，溶蚀裂隙较为发育，该层段富水性强，但各向异性很大，含水性极不均匀，钻孔单位涌水量(q)0.035～124 L/s·m，日涌水量(Q)在4 000 m3/d以上。据水文孔抽水试验资料，涌水量达200～270 m3/h，降深仅1.28～3.00 m，水质为HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型，矿化度小于1.0 g/L，水温20℃～24.5℃。

(4)下马家沟组上段(O2m12)含水岩组：区内无露头，隐伏于峰峰组之下，是富平地区深部中等岩溶含水层，岩性由三层灰-深灰色中厚层状泥-粉晶灰岩、泥晶白云质灰岩和粉晶白云岩、灰质白云岩，夹两层灰黄、绿黄色泥灰岩组成，总厚56～70 m。俗称“三灰夹二黄”。易溶岩单层厚度大，溶蚀裂隙常见，局部见小溶孔、小溶洞。其富水性差异较大，一般情况下，单斜深部为中等岩溶裂隙含水层段。单井涌水量多在3 000 m3/d以上。袁家坡DK1井抽水试验单位涌水量(q)达191.30 L/s·m。日涌水量(Q)达23 290 m3/d，水化学类型为HCO3·SO4-Na·Mg·Ca型，矿化度小于0.88 g/L，水温23℃～25℃。

3 水文地质调查

根据论证区地层、含水层分布和地貌特征，一般采用平面控制调查方法。水文地质调查点密度以不遗漏水文点为原则。对水文地质调查点用GPS准确测量其坐标位置。以论证区及其周边水源井为重点调查对象，其次调查以第四系松散层孔隙水为取水目的层的水源井，目的为了解终孔层位是否达到灰岩风化界面，以便确定灰岩界面深度。水井调查工作方法以走访和询问为主，向水井管理人员详细询问水井的深度、水量、水位与水质等参数，以及水井动态情况。通过分析以判断所提供水井参数的可靠性。对于有测量条件的水井，则采用电测水位计进行水位及井深的测量。并观测井位的地质地貌特征，结合水文地质图确定含水层时代及岩性。对水文地质调查井进行分类汇总，为最终确定井位提供依据。

4 激电测深

岩溶含水岩组及断层破碎带的电阻率与其完整的围岩有明显的电性差异，通过激电测深查明基岩起伏情况，确定覆盖层厚度，查明基岩风化壳发育深度等，定性地确定具有明显电阻率差异的断层破碎带、陡立性接触界线的存在，并大致了解其产状(走向、倾向)和范围。查找埋藏不深，规模较大，电性差异明显的地下局部不均匀体，如石灰岩局部的冲水溶洞。

测线的布置依据垂直于断层走向的原则，这样可以查明断层位置及空间展布情况。根据区域地质构造图，以区内发育断层为依据，在断层两盘分别布置一定数量的测点，断层附近的点距可适当加密，以精确划定断层位置。采用“温纳尔”装置可获得较明显的激电异常，各向同性均匀半空间中低阻体可引起视电阻率与极化率曲线异常，依此分析岩溶裂隙存在的可能性。瞬变电磁法对低阻充水断层，充泥充水溶洞等低电阻目标物敏感，所以主要用于探测含水层、溶洞、陷落柱、含水断层等地质构造情况。高密度与浅震技术用于浅层不同深度的隐伏构造与岩溶 。目前国内采用先进的“3S”(RS、GIS、GPS)技术用于岩溶水资源勘查评价工作中，以圈定新的供水水源地。

4.1 电性特征

陡倾斜两盘岩性(电性)相同的断层破碎带，其视电阻率(ρs)电性特征如图1所示，断层破碎带部位ρs曲线出现低阻凹折(小H型)畸变段，ρs断面呈漏斗状(V型或U型)低阻带。陡倾斜两盘岩性(电性)不同的断层，其视电阻率电性特征如图2所示，断层两盘曲线类型不同，ρs曲线出现超45°反常渐近线。在断层界面附近，ρs等值线陡立而密集；界面两侧ρs等值线都各自相背离界面的方向弯曲，形成高阻等值线与低阻等值线明显分异现象。按照上列断层与断裂带电性特征可解释电测深资料，获得有价值的地质信息，为确定井位提供依据。

图1 陡倾斜断层破碎带电性特征图 图2 陡倾斜断层电性特征图

4.2 富水性分析

在视电阻率(ρs)曲线资料解释的基础上，主要运用激发参数进行岩溶裂隙水富水性分析，极化率曲线在碳酸盐岩富水段呈现高异常，视电阻率值相应降低在曲线形态上为平缓段。而被泥质填充的溶洞、断裂带和泥灰岩、页岩等隔水层，极化率(η)曲线与视电阻率曲线同为低异常，一般情况下，半衰时(H)、衰减度(D)参数具有与极化率相同的异常特征。

采用激电参数分析布井条件，岩溶地区确定井位的原则是“一低三高”，“一低”指ρs曲线呈H型，为低电阻率，其幅度和宽度反映岩溶发育的程度；“三高”指与ρs相应的η、H、D值的幅度较大，其幅度和宽度反映富水性强弱。

5 实例分析

根据富平岩溶水出露和埋藏条件不同，可将岩溶水划分为裸露型、浅埋型和深埋型岩溶水三种类型。

裸露型岩溶水：主要分布在北部山地区域的山脊及沟谷地带，即白家沟、凤凰山、将军山、金粟山、赵老峪一带。岩溶化地层广泛出露地表，特点是接受降水入渗补给，地下水循环交替速度快，常以泉水和地下暗河形式排泄。岩溶水动态变化大、水化学成分简单、矿化度低。

实例分析：富平薛镇中昊建材厂奥灰裂隙岩溶井，地貌属沟谷，标高735 m，该厂位于较为开阔的支沟沟口，主沟为赵老峪。该区碳酸盐岩大部分出露地表或被极薄的黄土覆盖。如图3所示，视电阻率(ρs)曲线首支出现小凸起形态，反映了破碎程度较高且被泥质填充的碳酸盐岩，极化率ηmin值0.5%，基本不含水。在12m处，ρsmin值40.2 Ω·m，对应η值较高0.8%，分析为溶蚀裂隙发育且较富水。45 m的ηmax值0.97%，ρs曲线形态平缓，反映地层较富水，总体上12～100 m极化率值较高，岩溶裂隙较发育，较富水。在180 m、300 m出现极化率较高值，亦为溶蚀裂隙充水现象。以上分析成果为钻探验所验证，该井出水量达到1 200 m3/d以上，降深仅0.67 m。

图3 裸露型岩溶水激电测深曲线图

浅埋型岩溶水：分布于奥陶系灰岩裸露区外围，石川河岔口一带地区。上覆第四系堆积物层厚度一般不超过50 m，赋存潜水，但有承压现象；其埋藏受基岩面及地貌控制；接受降水、地表水和浅部地下水补给。类似于裸露型的径流、排泄及动态特征，但变化幅度小。该区地层的激电特性类似于裸露型岩溶水地区。

深埋型岩溶水：上覆第四系厚度一般大于50 m，大面积分布于郭家围断层以南及韩城大断层以北地区。赋存承压水或部分自流水。补给来源广泛，径流条件复杂，天然排泄点少。地下水动态对降水反应滞后，水化学成分稍复杂，但矿化度较低。

实例分析：富平曹村地貌为山前洪积倾斜平原，北部为隆起的石灰岩中低山，论证区地面标高585～650 m。根据区域地质构造图，论证区发育李家河正断层，展布于刘家村、马家一线，区内延展长度约1.5 km，断层走向NE，倾向ES，倾角65°左右，属于区域性的控水构造。依据初步掌握的区内断层情况，垂直于断层走向布置一条测线，点距250 m，视电阻率曲线如图4所示，曲线类型属H型。自北向南测点在横向上ρs值总体减小。视电阻率等值线剖面图如图5所示，高阻区等值线密集，而低阻区等值线稀疏，D1、D2与D3点，浅部为中阻层黄土与粉质粘土，其处于潜水位以上而ρs值为中阻；中部为低阻层亚砂土含粉细砂，因处于潜水位以下而ρs值较低，基岩面以上为第四系松散层砂卵石层ρs值较高；基岩风化层因岩石风化较破碎而富含水，ρs值较低；深部为高阻层泥灰岩、灰岩与白云岩。D4与D5点低阻层厚度较其它点大，分析其位于断层上盘，基岩埋深大于下盘的D1-D3点，D4点纵向上出现低阻封闭圈，为断层破碎带，由于其对应的激发参数值较低，分析为基岩埋藏较浅而段层破碎带被泥质填充。通过激电测深曲线图6对D5重点分析，ρs低阻平缓段宽度较大，相应的η起伏段的高脉冲为富水反映；ρs的小H段相应η出现高异常，系断裂带与岩溶裂隙发育的富水迹象，井位布置在D5激电点位置,依据钻探与测井资料，在孔深355 m见基岩，420 m、550 m出现井液漏失，与激电测深资料分析一致。建成后的裂隙岩溶井水量到达1 500 m3/d以上，降深仅0.57 m。

图4 埋藏型岩溶水视电阻率曲线图 图5 埋藏型岩溶水视电阻率等值线剖面图

6 井位可行性分析

以拟布井区域的地层、构造、水文地质资料为基础，结合激电测深成果，具体分析岩溶裂隙水井位可行性。存在断层控水与富水岩层控水两种情况，工作区存在断层时，要充分研究区内地质与水文地质条件，运用有利条件进行布井。据页坡水源井施工时的资料，由于受构造断层的影响，碳酸盐岩裂隙及溶洞发育极强，深度达700 m。而后对该井进行了抽水试验，涌水量达237.5 m3/h，降深仅为2.87 m，说明井下裂隙溶洞发育。首先要进行断层带富水性分析，主要考虑断层性质和断层上下盘地层岩性。一般情况下，张性或张扭性断层的富水性优于压性或压扭性断层的富水性。断层带附近的岩石为砾岩、砂岩等脆性岩石时，裂隙发育，有利于地下水富集；当岩性为泥岩、页岩和砂质泥岩等泥质含量较大的塑性岩石时，则不利于地下水富集。井位通常布置在正断层上盘，且位于断裂带之外，尽量在井的下部穿过断层，则水量最佳。如图7所示，井深决定于断层的倾向与倾角，一般可运用与拟布井同一水文地质单元的水井作为参照，包括已知井基岩埋深；钻探时井液漏失层位的深度；井位距离图上断层走向线的垂直距离；以及激电测深数据等。用已知井的井深、水量、水位类比拟布井的对应参数，分析拟布井位的可行性。

图6 D5点激电测深曲线图 图7 断层破碎带裂隙岩溶水成井图

岩溶裂隙水井位论证中，往往受限于村庄或工厂附近，具体可布井的范围很小，该范围内无断层或距离断层较远时，只能利用“层控法”布井，分析地层资料及其水文地质条件，确定富水层的深度，此时井深参数极为关键，钻探终孔层位一定要达到或超过富水层底板深度。通过已知井的钻探与测井资料分析富水层地质时代及其富水性，确定拟建井的深度，估算水量，预测水质。

7 结语

本文以区内地质与水文地质为基础，着重从物探角度论述岩溶裂隙水布井方法，分析该区实际生产案例，总结实践经验，常年在该区的布井实践以及钻探成井验证，说明了布井所运用的综合勘查方法有效性较高。借鉴国内近年来先进的物探方法，提高岩溶裂隙水布井的工作质量，更加有效地开发利用岩溶裂隙水资源，为水利建设发挥作用。