高密度電法在第四系地層找水中的應(yīng)用研究

毛聰 聶小力 王世界 歐澤文 謝翔 張洪潮

摘要：高密度電法在水文地質(zhì)調(diào)查中具有廣泛應(yīng)用，尤其是在地質(zhì)環(huán)境較復(fù)雜、地下水資源缺乏地區(qū)，具有低成本，高效率，方便解譯等特點(diǎn)。本文以大別山西段生態(tài)地質(zhì)修復(fù)支撐調(diào)查中的找水為實(shí)例，采用高密度電阻率法，解譯出目標(biāo)找水靶區(qū)的電阻率剖面，結(jié)合地球物理特征、鉆探驗(yàn)證等，說明高密度電法在第四系地層找水工作中有顯著效果，能作為第四系地層找水的有效方法。

關(guān)鍵詞：高密度電阻率法；第四系地層；找水

大別山地區(qū)是我國重要的生態(tài)功能區(qū)，山地海拔1500m左右，是長江與淮河的分水嶺，長江中下游地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障。研究區(qū)內(nèi)每逢旱季，人畜用水十分緊張，大別山西段生態(tài)修復(fù)支撐調(diào)查項(xiàng)目為扶貧工作開展找水，物探是重要勘察手段，有著方便快捷的優(yōu)點(diǎn)。本文以找水項(xiàng)目實(shí)例分析總結(jié)了高密度電阻率法在找水工作中的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)類似工作有一定的借鑒意義。

1.研究區(qū)地質(zhì)

大別造山帶作為巖漿活動(dòng)最強(qiáng)烈的地區(qū)之一，中生代巖漿巖廣泛發(fā)育，并伴有少量早古生代和新元古代巖體。新元古代巖體主要賦存于大別南部紅安地區(qū)和西大別地區(qū)，少量分布于北淮陽地區(qū)。這些巖體變形強(qiáng)烈，糜棱巖和片麻巖頻繁出現(xiàn)。區(qū)內(nèi)有廣泛發(fā)育的以中酸性為主的中生代巖漿巖，并伴有少量基性—超基性巖。

大別山區(qū)水系發(fā)達(dá)，水資源豐富，時(shí)空分布不均勻。入淮河流主要有史河、灌河、白鷺河、潢河、寨河、竹竿河、獅河等。包括長臺(tái)關(guān)以上的淮河源頭及河南境內(nèi)的獅河、小潢河、竹竿河、寨河、潢河、自露河、史灌河、淠河等上游地區(qū)，主要涉及桐柏、羅山、獅河、平橋、新縣、光山、潢川商城、固始、金寨、霍山以及隋州、廣水等地。共有9座大型水庫，為南灣、石山口、花山、跋山、五岳、響洪甸、梅山、佛子嶺、磨子潭等。

研究區(qū)位于大別山西段，北部發(fā)育商丹（SD）蛇綠混雜巖，為秦嶺造山帶中早古生代重要的縫合帶，從甘肅武山、天水到陜西、河南信陽，基本連續(xù)出露1000多公里，分布在北秦嶺的秦嶺雜巖南側(cè)。主要包括丹鳳、松樹溝蛇綠巖（Pt3-Pz1）和羅漢寺弧前增生楔（Pz1）等次級(jí)構(gòu)造單元。陳雋璐和徐學(xué)義等（2008）研究了秦嶺商丹蛇綠混雜巖帶的重要組成部分巖灣—鸚鴿咀蛇綠混雜巖（由變質(zhì)基性火山巖（玄武巖）、蛇紋巖、變輝長巖、硅質(zhì)巖、變復(fù)理石（云母石英片巖）等構(gòu)造巖塊組成。研究區(qū)南部為大別—蘇魯?shù)貕K。大別高壓—超高壓變質(zhì)折返帶由中-高溫變質(zhì)巖+高壓-超高壓變質(zhì)巖等組成，其中由北大別變質(zhì)雜巖、晉寧期深熔花崗片麻巖及一些構(gòu)造就位的變質(zhì)超鎂鐵質(zhì)巖塊等，構(gòu)成造山帶剝露最深的古老陸核基底，劃歸中-高溫變質(zhì)；南大別高壓-超高壓變質(zhì)雜巖、宿松巖群、張八嶺巖群為折返的高壓-超高壓變質(zhì)；大量晉寧期變形變質(zhì)侵入巖為深成同碰撞巖漿巖亞相。各構(gòu)造單元或構(gòu)造亞相與相鄰單元（亞相）間被韌性剪切帶分隔，由變質(zhì)火山—沉積雜巖建造、變質(zhì)海相火山—細(xì)碧巖建造等組成，共同構(gòu)成造山帶基底堆疊體。該單元是印支期南、北兩大陸塊及其間微陸塊（島弧）聚合碰撞長期發(fā)展演化的巨型構(gòu)造混雜巖帶。燕山期大量花崗巖就位并產(chǎn)生一系列淺層推覆、滑覆構(gòu)造，最終完成大別山區(qū)造山帶的抬升和再造過程。

晉寧期以后經(jīng)過多次造山運(yùn)動(dòng)，不同動(dòng)力系統(tǒng)的熱構(gòu)造事件復(fù)合、疊加、改造，致其長期處于強(qiáng)應(yīng)變狀態(tài)，表現(xiàn)出較復(fù)雜的剪切流變構(gòu)造、伸展滑脫構(gòu)造、斷層構(gòu)造、推覆構(gòu)造、穹隆構(gòu)造、弧構(gòu)造和復(fù)雜的褶皺變形構(gòu)造，具有長期多階段的發(fā)展演化歷史。印支期揚(yáng)子地塊向北俯沖，向深俯沖，是造山帶形成的主因。

找水靶區(qū)位于研究區(qū)中部，上覆第四系中更新統(tǒng)（Qpp12），上部為黃褐色粉砂質(zhì)黏土，垂直節(jié)理發(fā)育；中部為棕色、黃褐色中粗—細(xì)粒砂層；下部為紫紅色、紅褐色砂礫層夾細(xì)砂層，第四系全新統(tǒng)（Qha12）：灰黃色粉細(xì)砂土、粉砂質(zhì)黏土，下覆白堊系下統(tǒng)陳鵬組K1c，主要地層巖性為：灰紫色安山玢巖、流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r、流紋質(zhì)凝灰熔巖、玻屑晶屑凝灰?guī)r、淺紅色凝灰質(zhì)砂巖等火山碎屑沉積巖、紫紅色或棕紅色凝灰質(zhì)鈣質(zhì)頁巖。靶區(qū)主要地下水類型為第四系孔隙水。

2.高密度電法勘探

2.1工作原理

高密度電阻率法簡單地說是集電剖面法和電測深為一體的一種地學(xué)層析成像（Geotomography，簡稱GT）技術(shù)，把全部電極（幾十至上百根）置于剖面上，然后，再使用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)以及微機(jī)工程電測儀，實(shí)現(xiàn)剖面中不同的電極距，不同電極排列方式的數(shù)據(jù)快速、自動(dòng)的采集，節(jié)省了測量時(shí)間，也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)采集化的發(fā)展。高密度電法是一種陣列勘探方法，其原理與普通電阻率法相同，但在觀測中設(shè)置了密度較高的測點(diǎn)。其原理是通過發(fā)電機(jī)或蓄電池發(fā)電經(jīng)AB電極發(fā)射向地面下，電流在地面下產(chǎn)生等位線分布，再測得電極MN之間的電位差，而后計(jì)算得到MN中央點(diǎn)位即目標(biāo)點(diǎn)位的視電阻率。

進(jìn)行高密度電法勘查工作前，為確保電極接地良好，需要進(jìn)行接地電阻測試，并且記錄測線上地形變化。根據(jù)不同的勘探對(duì)象、地質(zhì)及地形條件來選擇相應(yīng)的測量裝置。工作中，如遇超出設(shè)定誤差范圍的測點(diǎn)，則需進(jìn)行單點(diǎn)重復(fù)測量，直至誤差符合標(biāo)準(zhǔn)。高密度電法勘探提供的成果包括視電阻率隨深度變化的剖面圖以及推斷的地質(zhì)斷面圖。

2.2地球物理特征

找水目標(biāo)是找出靶區(qū)內(nèi)的蓄水構(gòu)造，但工區(qū)內(nèi)并無明顯構(gòu)造，故所找目標(biāo)為埋深較厚的第四系松散孔隙水，工區(qū)內(nèi)徑鉆探施工能力條件下具有較好的基巖基底，具備儲(chǔ)水條件。地下水具有良好的導(dǎo)電性，與周圍介質(zhì)電性差異明顯，此差異是開展高密度電法勘查的物理前提。

2.3找水工區(qū)布置

此次找水靶區(qū)位于羅山縣子路鎮(zhèn)南約5km處興隆村內(nèi)，服務(wù)于人工及養(yǎng)殖用水，區(qū)內(nèi)覆蓋第四系，為探明其所含孔隙水，結(jié)合當(dāng)?shù)孛癖娦枨螅贾糜幸粭l近南北向主測線測線G701（圖1，標(biāo)紅部分），點(diǎn)距為10m，采用偶級(jí)裝置。

2.4高密度電阻率剖面特征

野外施工采用重慶地質(zhì)儀器廠的DUK-4型高密度電法儀，點(diǎn)距10m，供電時(shí)長0.5s，停供時(shí)長0.2s，主測量參數(shù)為視電阻率。

數(shù)據(jù)處理采用儀器設(shè)備配套的二維高密度電法分析軟件和瑞典高密度（Res2Dinv）反演軟件，首先通過二維高密度電法分析軟件刪除測量過程中的明顯故障電極，再根據(jù)一次電位大小，供電電流大小以及Vp誤差等參數(shù)，人工剔除數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)點(diǎn)，最后整合測地工作中獲取的點(diǎn)位高程信息，對(duì)高密度電法剖面做相應(yīng)地形校正，最后通過瑞典高密度反演軟件進(jìn)行反演，得到二維電阻率斷面圖（圖2）。

由電阻率剖面圖（圖2）可推出覆蓋層大約為0m～30m，電阻率普遍較低，為沖積物層、坡積物層和風(fēng)化層等，其內(nèi)存在多個(gè)低阻異常帶，電阻率值為30歐姆米以下，推測為孔隙含水帶。下部電阻率較高，推測為下覆基巖，且有一定的傾斜角度。

2.5水文地質(zhì)解釋

根據(jù)高密度剖面解譯成果顯示（圖3），第四系覆蓋層厚度約30m，為坡積物層、沖積物層和風(fēng)化層等，含水性較好，地下10m～40m有一低阻異常帶，推測為含水層，含水層較厚，多為孔隙水，具備開采價(jià)值，結(jié)合地形與當(dāng)?shù)匦枨蟛贾勉@孔進(jìn)行驗(yàn)證。

3.成果驗(yàn)證

根據(jù)高密度剖面解譯成果，鉆孔位置設(shè)在地表里程630m處，即高密度剖面G701第64號(hào)測點(diǎn)處，據(jù)鉆探結(jié)果顯示，此處0m～22m為黏土、砂土等覆蓋層，較松散，含水性較好為主要含水層位，22m～66m為安山玢巖，灰紫色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀結(jié)構(gòu)，期間有些許破碎帶，其下部為凝灰?guī)r，巖芯完整，青灰色—淺紫色，凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀結(jié)構(gòu)，開采價(jià)值不大。含水層中日最大涌水量達(dá)105m3/d，基本滿足當(dāng)?shù)孛癖娚钚枨蟆?/p>

4.結(jié)論

高密度電法的本質(zhì)是直流電法。與常規(guī)電阻率法相比，高密度電阻率法不僅減少了電極設(shè)置帶來的故障和干擾，而且提高了效率。它還可以選擇多種電極排列進(jìn)行測量，并可以獲得豐富的地電截面信息。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化或半自動(dòng)化，提高了數(shù)據(jù)采集速度，避免了人工誤操作。

本次研究依托大別山西段生態(tài)修復(fù)支撐調(diào)查，以興隆村找水為實(shí)例，根據(jù)剖面解譯成果結(jié)合鉆探驗(yàn)證，證明高密度電法在第四系孔隙找水方面是行之有效的，日涌水量達(dá)到要求，基本解決民眾需求，為同類工程探測提供了借鑒依據(jù)。

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