基于城市地質水資源調查的綜合電法勘探技術應用研究
——以福建省三明城市地質調查為例

陳志偉

（福建省121 地質大隊 福建龍巖 364021）

0 引言

為實現“綠水青山就是金山銀山”的可持續發展理念，福建省持續推進生態文明建設，在加速城市化進程的同時，通過開展城市地質調查等工作為城市規劃和“數字城市”建設提供科學依據。根據《三明城市地質調查總體設計》要求，三明城市地質調查以1∶5 萬水文、工程、環境地質調查為主線，重點查明海西三明生態工貿區規劃區的地質條件，尤其是地表以下50 m深度的地層、巖石及地質構造特征，并根據調查結果建立基礎地質、水文地質、工程地質標準地層及地下水含水層劃分標志，為區域地下空間開發適宜性評價、沙溪河兩岸的工程建設風險評價、地下水應急水源地規劃、巖溶塌陷防治及構建海西三明生態工貿區規劃區的三維地質結構模型等專題研究提供基礎數據，為解決城市規劃區所面臨的地質資源保障及地質環境安全問題提供方案。由此可見，水資源調查是城市地質調查中的重中之重。

目前，國內外用于水資源勘探的方法主要有IP、CSAMT、TEM、EH4，SNMR 等，傳統的電法勘探方法如高密度電法、視電阻測深等技術因探測深度較淺，已經逐漸被新的方法取代。由于城市地質調查區內多存在強電磁干擾、地面硬化等不利因素，且其工區范圍大、點多面廣，單一物探方法無法滿足工作需求，如何合理利用有限的調查經費達到項目成果最優化成為電法工作的難點問題。

本文通過采用CSAMT 法與高密度電法、視電阻測深綜合電法勘探技術，在充分收集和利用已有資料的基礎上，綜合考慮工作區地層巖性、含水層性質、斷裂構造發育程度、巖溶發育及其充填情況等多方面因素，并結合場地實際施工條件，因地制宜選擇探測方法、參數，達到有效避免、壓制干擾、提高探測數據信噪比的目的。通過方法試驗和已知資料正演計算，利用綜合電法勘探技術充分發揮高密度電法快捷高效、視電阻率測深法的靈活布極和CSAMT 法的深部探測等多重優勢，成功解決了城市地質中的水資源調查重點問題，取得了良好的社會效益和經濟效益。

1 地質概況

1.1 地形地貌

三明城市地質調查以“海西三明生態工貿區”規劃區為主。調查區介于武夷山脈和戴云山脈之間，屬陡坡尖脊狀中低山高丘地貌，海拔高程在200 m～1 500 m，地形起伏，陡坡尖頂，溝谷深切，多呈“V”字型河谷，山坡的坡度較大，植被也較發育。沙溪河從西南到東北貫穿全區，其南東岸地勢陡峻，多為中山、低山；北西岸地勢較緩，以低山、丘陵為主，并嵌有山間河谷小盆地。本文例舉的剖面主要分布在三明市區瑞云山附近，為丘陵地貌單元。

1.2 水文條件

地表水。沙溪河是區內最大的河流，從西南到東北貫穿全區，區內水系均為沙溪水系。沙溪河屬雨水補給型河流，大氣降水為其主要補給來源，地下水為次要的補給來源。

地下水。測區內地下水受構造裂隙、地層巖性及巖溶發育等多因素控制，主要由松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽類裂隙溶洞水和基巖裂隙水等組成：

（1）松散巖孔隙水賦存于第四系全新統－更新統的沖洪積層中的砂礫卵石層中，含水層厚度變化較大，一般厚度2 m～46 m。水力性質多為潛水，局部微承壓，富水性為貧乏。

（2）碎屑巖類孔隙裂隙水多賦存于侏羅系長林組、梨山組，三疊系文賓山組、溪口組，二疊系童子巖組、翠屏山組地層中，含水層厚度變一般為巖層風化厚度，一般厚10 m～60 m，地下水賦存于孔隙裂隙中，以層間承壓水為特征，富水性為中等-貧乏。

（3）碳酸鹽類裂隙溶洞水主要賦存于石炭系黃龍組、船山組和二疊系棲霞組灰巖地層中，埋深10 m～100 m，富水性為豐富-中等。

（4）基巖裂隙水賦存于層狀巖類（包括碎屑巖和變質巖）、塊狀巖類（包括侵入巖和火成巖）及脈狀斷裂構造帶等各種成因的裂隙中，富水性受斷裂性質及規模影響從貧乏到豐富均有可能。

1.3 地層及含水巖組

區內地層發育較全，除志留系、中下泥盆系和第三系缺失外，從上元古界至第四系均有出露，但各時代地層發育程度較懸殊，分布零亂，各測線內地層需具體分析。其主要含水巖組及探測目標地層情況如下：

（1）第四系覆蓋層。覆蓋層除局部有人工填土層外，主要以第四系沖洪積層和殘坡積層為代表，其中沖洪積層主要分布于河谷、山間盆地，厚度0 m～79.40 m；殘坡積層分布于山區緩坡地帶及坡腳，一般厚度3 m～20 m。第四系覆蓋層內主要為孔隙型潛水，一般與地表水體聯系密切，且其埋藏深度較淺，可采用高密度電法和視電阻率測深法進行綜合探測。

（2）巖溶地層。巖溶及塌陷主要分布在三明盆地、三明的陳大和巖前、大湖-永安盆地等覆蓋型和埋藏型石灰巖發育區，巖溶地層主要為組包括石炭系黃龍組、船山組和二疊系棲霞組灰巖，埋深以10 m～100 m 為主，局部為通天溶洞。巖溶裂隙水大多屬于承壓水，與上部潛水水力聯系不明顯，對巖溶地層賦存的巖溶水一般可用高密度電法結合視電阻率測深進行探測。

（3）斷裂構造［1］。三明市位于閩西南拗陷帶東部的胡坊-永定隆起與大田-龍巖拗陷的交接地帶［2］，在漫長的地質發展過程中，經歷了多次劇烈的構造變動。每次變動都留下了眾多的構造形跡，主要有東西向、南北向、華夏系、新華夏系、北西向等構造體系。項目需要重點查明的有走向NE45°，傾向NW 的高砂斷裂帶及走向NW330°，傾向SW 的瑤奢-巖前斷裂帶。區內斷裂構造多為大角度深切斷層，斷裂帶含水普遍埋深較大，且場地內地形起伏較大，探測深度要求大于1 500 m。因此，對斷裂構造含水帶多采用CSAMT 法進行探測。

2 物性特征與參數選擇

2.1 物性特征

電法勘探技術能通過獲取地下目標地質體電阻率等物性特征，并通過軟件轉化成等值線圖、曲線圖及切片圖等圖件成果，能直觀推測地下目標體的形狀、規模及埋深。城市地質水資源調查物探工作主要結合地面調查和專題研究的需要，測線多布置在野外調查工作中難以判斷而又需要查明地質條件的地段、鉆探試驗地段以及在鉆探困難或僅需進行初步探測的地段、重要工程建設區以及地下水潛在水源地分布區，主要目的任務如下：

（1）確定含水層、隔水層的分布、含水層厚度、埋藏深度、富水性及富水地段。

（2）確定區內應急水源地并指導溫泉開發利用鉆探孔位布設。

綜合區域地質條件及以往工作資料成果：張性斷裂帶巖因石破碎、裂隙發育，儲水條件好的富水區易形成低電阻率異常，電阻率值一般為10 Ωm～100 Ωm，壓扭性斷裂因富水性較差，當處于潛水或承壓水連通區域時電阻率值一般為20 Ωm～200 Ωm。在可溶性巖石發育地段，因溶蝕裂隙及溶洞的發育，形成的地下水賦存富集區和地下水流動通道也表現為低電阻率異常，電阻率值一般為10 Ωm～100 Ωm。而在侵入巖和基巖發育區，電阻率普遍較高，平均電阻率值超過500 Ωm～3 000 Ωm，局部地區可達到8 000 Ωm 以上，其具體數值與巖體大小、裂隙發育及其富水情況等因素有關。綜合認為：富水異常區的圈定以電阻率值小于100 Ωm 為基礎，根據異常體形態及規模結合以往工作經驗進行綜合解釋。

2.2 方法及參數選擇

為做到“一法多用、一線多用、一點多用”的綜合探測效果，三明城市地質調查物探工作從建立正演模型出發，結合地質目標體物性特征，根據現場儀器標定曲線、參數試驗成果及施工場地干擾源情況進行工作方法的合理選擇：考慮到中心城區多為硬化地面且電磁干擾嚴重，采用CSAMT 法探測隱伏地質構造、斷裂破碎帶空間分布及其富水性分析；采用高密度電阻率法進行城郊覆蓋層厚度范圍內孔隙水的探測；采用電阻率測深對CSAMT 法及高密度電法進行驗證探測。主要探測方法及其工作參數選擇見表1。

表1 物探方法及參數設置表

3 成果分析與討論

3.1 高密度電法

高密度電阻率法實質上屬直流電阻率法，其基本原理與直流電阻率法相同，是將直流電流通過電極接地供入地下，建立穩定的人工電場，并觀測和研究人工電場分布規律，進而確定地下巖土介質相關信息的一種陣列電探方法［3］。重慶奔騰數控研究所WDJD-4 多功能直流電法儀進行數據采集，為加大探測深度，項目最大采用12 條分布式電纜進行滾動式測量［4］（點距10 m），由于其探測深度相對較小，主要用于覆蓋層內孔隙水及巖溶富水區等淺部含水異常的圈定。項目完成15 條測線2 700 個物理點的高密度電法工作，典型電阻率斷面見圖1：該斷面地形起伏較大，數據采用RES2DINV 二維反演并經過地形校正后得到電阻率剖面［5］。從剖面看，電阻率整體表現為測線首端電阻率較低而尾端電阻率較高，在測線250 m～500 m有低阻異常區，該異常與電阻率測深所反演的低阻異常一致，認為其有淺部小型背斜風化崩解形成的富水區所致。

圖1 L13 高密度電法反演剖面圖

3.2 電阻率測深

電阻率測深采用對稱四極測深裝置進行施工，根據以往工作經驗及現場試驗確定工作參數如下：AB/2 為5 m～500 m，MN/2 為1 m～20 m，測點距100 m，供電電壓大于600 V。為降低電阻、提高供電電流，對供電電極和測量電極進行澆鹽水，局部城市硬化區采用沖擊鉆打孔進行電極深埋處理以保證數據信噪比。數據處理后的電阻率測深典型曲線見圖2：該點為13 線500 m 位置處的測深曲線，曲線類型為HA 型，低阻異常埋深較淺，與高密度電法反演剖面吻合。

圖2 L13-5 電阻率測深曲線圖

3.3 可控源音頻大地電磁法（CSAMT）

CSAMT 法是人工源頻率域測深方法，具有勘探深度大、抗干擾能力強等優點，能有效探測高、低阻地質異常體。本項目采用加拿大鳳凰公司生產的V8 多功能網絡化電法儀，選擇標量共磁道測量的TE 模式，采用旁側裝置進行施工［6］，發射偶極AB 與測線嚴格平行，磁棒埋設與測線垂直，其方位采用森林羅盤測定，保證誤差不大于1°。為避免產生近場效應，提高低頻段接收數據信噪比，發射偶極避免地形差異過大并遠離大型水體，發送電流控制在8 A～12 A，有效采集時長不小于45 min，頻率表設計的總頻點為50 個，頻率范圍在0.125 Hz～8 533.333 Hz之間，兼顧淺部與中深部數據點分布。受“體積效應”及“靜態位移效應”等因素影響［7］，深部反演電阻率橫向不均勻性未能通過濾波去除，給后期解釋帶來一定的困擾，但1 km 以內的數據整體效果較好，可靠性高。在項目完成11 條測線288 個物理點的CSAMT 法工作，典型電阻率斷面見圖3：該斷面在近地表電阻率整體較高，在測線中部-300 m 至0 m 區域出現明顯低阻異常，該處異常兩側淺部電阻率橫向不連續，推測為斷裂構造出現的破碎帶異常，經鉆探驗證，該處為斷裂富水異常。

圖3 L9 CSAMT 法反演剖面圖

4 總結與思考

（1）城市地質調查重點工作區往往存在地面硬化、電磁干擾等不利因素，且福建省三明市多為山區，地形切割較為嚴重，地層穩定性差，使用單一的物探方法無法有效避免干擾、提高數據信噪比。為消除干擾、同時兼顧深部與淺部數據密度并提高施工效率，采用綜合電法因地制宜的布設工作成為城市地質水資源調查的必然選擇。

（2）綜合電法勘探以電性差異為物理前提，對地下水等低阻異常有較高的分辨率，具有成本低、效率高、針對性強的優點，在城市地質調查等大范圍的普查性工作中對不同深度范圍內地下水賦存情況勘探效果明顯。

（3）單一電法勘探方法往往受供電偶極之間地形、地層、大型水體等不均勻介質等不確定因素的影響而產生假異常，綜合電法勘探則可以采用少量工作量的靈活方法（裝置）對重點異常區進行對比探測，提高數據成果的可靠度。

（4）綜合電法勘探技術也存在一些數據處理上的難點問題，比如，它要求對測區前期資料分析程度較高，要求在數據處理過程中綜合考慮地形校正、靜態效應校正、不同方法之間數值的歸一化處理等問題。

總之，綜合電法勘探技術能快捷、高效解決城市地質中水資源調查難題，在區域性地質工作中能完成地下水勘查、基巖埋深探測、巖溶探測及隱伏斷裂位置探測等勘探任務，特別是對城市地熱資源開發和城市應急水源地規劃等課題的研究有著不可替代的作用，但在多方法進行對比分析和成果解譯時需要進一步加強地形校正、靜態效應校正及電阻率值的歸一化處理等細節工作的研究。