綜合物化探方法在地下水勘查中的應(yīng)用
——以嘉魚縣官橋鎮(zhèn)為例

李 強(qiáng)， 肖友發(fā)， 趙子良， 龍少秋， 洪 標(biāo)

(湖北省地質(zhì)局 第四地質(zhì)大隊(duì)，湖北 咸寧 437100)

地下水的貯存有如在地下形成一個巨大的水庫，以其穩(wěn)定的供水條件、良好的水質(zhì)而成為農(nóng)業(yè)灌溉、工礦企業(yè)及居民生活用水的重要水源，尤其是在地表缺水的干旱、半干旱地區(qū)，地下水常常成為當(dāng)?shù)氐闹饕┧碵1-2]。隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，用水量不斷增加，地下水的開采難度越來越大，為破解場地要求、巖石含水性等因素對地下水勘查的不利影響，亟需更高效的勘查技術(shù)手段。

“十三五”期間，隨著嘉魚縣官橋鎮(zhèn)扶貧工作的不斷推進(jìn)，該地區(qū)農(nóng)牧業(yè)日漸壯大，飲水用水日趨不足，尤其是在每年的旱季，用水更加緊張。受當(dāng)?shù)卣校芯繄F(tuán)隊(duì)分別在大牛山村、觀音寺村開展找水扶貧工作。該區(qū)處于三疊系下—中統(tǒng)嘉陵江組(T1-2j)與三疊系上統(tǒng)九里崗組(T3j)接觸地帶，并被第四系(Q)覆蓋。前人在嘉陵江組施工多口水井，但單井涌水量僅10～15 m3/d[3]，難以滿足當(dāng)?shù)赜盟枨蟆Ｔ谠搮^(qū)找水需探索一套合適的勘查方法，重點(diǎn)是尋找構(gòu)造裂隙較發(fā)育地段，因其有利于地下水的運(yùn)移和富集[4-6]。此次在碳酸鹽巖地區(qū)開展地下水勘查，采取的主要工作手段為土壤氡氣測量和天然電場選頻法測量，根據(jù)含(隔)水層特征、氡氣釋放強(qiáng)度和基巖電阻率差異來尋找基巖裂隙和斷裂構(gòu)造；然后使用空氣潛孔錘成功實(shí)施2口探采結(jié)合井。此次采用的綜合物化探找水方法不僅有效解決了當(dāng)?shù)睾导撅嬎盟y題，還可以為類似地區(qū)的地下水勘查提供借鑒。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)背景

區(qū)域地層屬揚(yáng)子地層區(qū)下?lián)P子分區(qū)，主要出露侏羅系、第四系，三疊系隱伏于第四系之下。區(qū)域褶皺構(gòu)造十分發(fā)育，自北向南背斜、向斜相間并相互銜接，軸向近EW-NE向(圖1)。區(qū)域斷裂構(gòu)造較發(fā)育，主要為NE、NW、近EW向，多為隱伏斷裂。勘查區(qū)位于米埠—寶塔山倒轉(zhuǎn)背斜南翼，地層傾向單一，均為SE向。勘查區(qū)斷裂不發(fā)育，南東部可能發(fā)育隱伏斷裂。

勘查區(qū)屬亞丘陵壟崗地貌，地勢總體北西高南東低，高程為30～65 m，山頂渾圓，山坡平緩。該區(qū)屬區(qū)域水文地質(zhì)單元的徑流區(qū)，接受大氣降水補(bǔ)給后，一部分直接隨地形匯流至沖溝，一部分沿孔隙裂隙下滲補(bǔ)給地下水，地表水和地下水由南向北徑流匯入蜜泉湖。

①.桐梓鋪—五洪山倒轉(zhuǎn)背斜；②.蒲圻倒轉(zhuǎn)向斜；③.斗門橋—望江樓倒轉(zhuǎn)背斜；④.洪山—大莊王倒轉(zhuǎn)向斜；⑤.米埠—寶塔山倒轉(zhuǎn)背斜；⑥.蜜泉湖倒轉(zhuǎn)向斜；⑦.蛇屋山倒轉(zhuǎn)背斜圖1 區(qū)域構(gòu)造略圖Fig.1 Sketch of regional structure

勘查區(qū)地下水類型分為松散巖類孔隙水、碎屑巖孔隙裂隙水、碳酸鹽巖裂隙溶洞水三大類。

(1) 松散巖類孔隙水。含水層在地表分布廣泛，主要由沖洪積層含礫亞黏土、黏土及殘坡積層亞黏土、亞砂土組成，厚9～19 m。其含水量與大氣降水量呈正相關(guān)關(guān)系，豐水期單井涌水量為10～50 m3/d，枯水期地下水水位嚴(yán)重下降或者干枯。

(2) 碎屑巖孔隙裂隙水。含水層在研究區(qū)南東側(cè)出露，主要為孔隙裂隙和層間裂隙發(fā)育的九里崗組石英砂巖、(粉)砂巖、泥(頁)巖。該套地層相變復(fù)雜，(粉)砂巖與泥(頁)巖互層，(粉)砂巖層中裂隙有一定規(guī)模且張開性較好，而泥(頁)巖層泥質(zhì)含量較高，裂隙密集且大多閉合，切穿性極差，因此處于泥(頁)巖層上下的(粉)砂巖層很難與其他含水層發(fā)生水力聯(lián)系。在一些出露區(qū)或蓋層較薄的斜坡和洼地，該類含水層中賦存少量裂隙水，但地下水水位隨季節(jié)性變化明顯，無統(tǒng)一潛水面，缺乏實(shí)際供水意義。

(3) 碳酸鹽巖裂隙溶洞水。含水層由嘉陵江組白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r組成，地表未見基巖露頭。根據(jù)前人鉆孔資料，該含水層隱伏于第四系之下，巖溶發(fā)育程度不一，水位埋藏深，水量變化大，地下水賦存條件復(fù)雜。

2 勘查部署試驗(yàn)

2.1 勘查思路

區(qū)內(nèi)第四系松散巖類孔隙含水層受季節(jié)影響較大，作為抗旱備用水開采意義不大；而隱伏于第四系之下的碎屑巖、碳酸鹽巖因受地層空間結(jié)構(gòu)的影響，不利于地下水的富集和運(yùn)移，前人已施工2口水井效果不理想便是力證。因此本次在充分研究該區(qū)地層巖性及構(gòu)造特征后，確定勘查思路為：首先在已施工鉆孔的失敗地段開展氡氣測量，進(jìn)行有效性試驗(yàn)分析；然后在選定靶區(qū)采取氡氣測量和天然電場選頻法測量尋找裂隙發(fā)育及富水地段；在此基礎(chǔ)上，通過分析論證確定鉆孔孔位，施工鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 勘查試驗(yàn)

氡(Rn)是一種放射性氣體，由鐳(Ra)衰變產(chǎn)生，半衰期為3.825天[7]。介質(zhì)的粒徑大小、孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)等條件對氡氣的遷移速度有較大影響，在基巖疏松或孔隙相對較多的地段，氡氣能迅速地從地下深處運(yùn)移至地表，并常常在斷裂破碎帶、裂隙帶的上方形成氡異常[8-9]。

測量儀器為成都核盛科技有限公司生產(chǎn)的HS01測氡儀，該儀器由壤氡取樣器和測氡儀主機(jī)兩部分組成，采用瞬時測氡法，測量對象是氡衰變的第一代短壽命子體RaA，具有靈敏度高、操作方便的優(yōu)勢，可在-10～40℃、相對濕度≤90%的條件下正常運(yùn)行，測量不確定度≤20%。本次測量采用“井”字形測網(wǎng)，SE向剖面線7條，NE向剖面線5條，密度150 m×50 m(圖2)；測點(diǎn)采用長80 cm的專用鋼釬打孔，孔深60 cm，成孔后將取樣器快速放入孔中，對采樣孔進(jìn)行密閉處理，避免抽氣過程中有空氣滲入。

圖2 試驗(yàn)段氡氣測量工作布置圖Fig.2 Layout of radon measurement in test section

野外共測得數(shù)據(jù)203點(diǎn)，剔除異常值后，繪制出試驗(yàn)段的氡濃度等值線圖，并標(biāo)注推測的隱伏斷裂(圖3)。由圖3可看出，在前人已施工鉆孔ZK01的北側(cè)存在明顯氡異常，氡異常呈NE向串珠狀分布，而南部整體未見氡異常。觀察發(fā)現(xiàn)ZK01巖芯中構(gòu)造角礫、溶洞溶孔等現(xiàn)象不發(fā)育，僅局部可見方解石細(xì)脈，結(jié)合其單井涌水量僅10～15 m3/d的事實(shí)，說明ZK01布點(diǎn)位置不太合理。因此，在碳酸鹽巖區(qū)施工鉆孔不一定能達(dá)到找水目的。通過此次氡氣測量試驗(yàn)，筆者認(rèn)為找水靶區(qū)應(yīng)圈定在構(gòu)造裂隙較發(fā)育地段，構(gòu)造裂隙越密集，有效孔隙度越大，降雨入滲和徑流能力越大，找水成功率也就越高。

圖3 試驗(yàn)段氡濃度等值線圖Fig.3 Layout of radon measurement in test section

3 實(shí)例分析

3.1 大牛山村勘查區(qū)

大牛山村勘查區(qū)位于試驗(yàn)段55°方向約3 km處，地質(zhì)條件與試驗(yàn)段相似，南東側(cè)出露九里崗組石英砂巖、泥巖，其余地段被第四系覆蓋。前人已施工鉆孔ZK02孔深200 m，0～15 m為第四系覆蓋層，16～200 m為嘉陵江組微晶灰?guī)r、泥灰?guī)r，但該孔為干孔。

3.1.1氡氣測量

該勘查區(qū)共布設(shè)9條氡氣測量剖面線，1-6線為171°方向，總長2.2 km；7-9線為92°方向，總長2.2 km(圖4)。野外共測得數(shù)據(jù)88點(diǎn)，據(jù)此繪制了氡濃度等值線圖(圖5)，可以看出勘查區(qū)中部存在明顯的氡異常，異常強(qiáng)度向四周逐漸減弱，推測該異常為NW、NWW向斷裂交匯部位。該處巖石較破碎，孔隙度較高，氡氣向上運(yùn)移富集的能力相對較強(qiáng)，因此將該處選擇為下一步物探測量工作區(qū)，以進(jìn)一步查明含水帶空間分布特征。

3.1.2天然電場選頻法測量

本次物探測量采用天然電場選頻法，該方法由音頻大地電磁法(AMT)演化而來，以地下巖石導(dǎo)電性差異為工作基礎(chǔ)，以大地電磁場為工作場源[10-11]。已有地質(zhì)工作者開展過天然電場選頻法在水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用研究，楊天春等[10]采用該方法在湖南省炎陵縣探尋到涌水量約300 t/d的地下水；張啟等[11]以貴州省盤縣某煤礦工程為例，采用該方法確定了煤礦采空充水區(qū)，因此該方法在水文地質(zhì)勘查中是有效的。

圖4 大牛山村勘查區(qū)氡氣測量工作布置圖Fig.4 Layout of radon measurement in Daniushan Village exploration area

物探測量所選儀器為北京杰科創(chuàng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的JK天然電場選頻儀，該儀器共有三檔頻率供選擇，分別為25 Hz、67 Hz、170 Hz。本次共布設(shè)10條測線(圖6)，1-6線為NNW向，7-11線為NEE向，線距20～25 m，點(diǎn)距5 m。勘探路線采用平行移動法，即保持電極M和N的極距為10 m，沿著測線移動，以M和N的中點(diǎn)為記錄點(diǎn)，測量電極M和N的電位差。

圖5 大牛山村勘查區(qū)氡濃度等值線圖Fig.5 Radon contour in Daniushan Village exploration area

圖6 大牛山村勘查區(qū)25 Hz頻率下的相對電阻率等值線圖Fig.6 Relative resistivity contour at 25 Hz frequency in Daniushan Village exploration area

物探測量完成后，繪制了25 Hz頻率下的相對電阻率等值線圖(圖6)。勘查區(qū)屬碳酸鹽巖地區(qū)，碳酸鹽巖相對高阻，地下水發(fā)育部位為相對低阻帶。從圖6可看出，相對低阻帶分布區(qū)較廣，呈現(xiàn)出一條NWW向主帶。

綜合氡異常、相對電阻率異常、地形、水文地質(zhì)情況，優(yōu)選一處鉆井點(diǎn)位，即SHK01探采結(jié)合井，推測該處為節(jié)理裂隙發(fā)育或破碎充水處。

3.1.3鉆探

為了提高鉆進(jìn)效率，此次采用空氣潛孔錘[12]鉆進(jìn)技術(shù)實(shí)施SHK01。該井孔深223 m，0～19 m為第四系黏土層，19～42 m為嘉陵江組灰白色微晶灰?guī)r(33～35 m處為黏土充填溶洞)，42～63 m為灰黃色泥巖，63～223 m為灰白色微晶灰?guī)r(在156 m處見磚紅色灰?guī)r、棱角狀灰?guī)r被膠結(jié))。該孔主要富水位置為156～195 m的灰?guī)r破碎帶。終孔后測得地下水靜水位埋深3.5 m，實(shí)際抽水降深14.21 m，涌水量為169.46 m3/d。

3.2 觀音寺村勘查區(qū)

觀音寺村勘查區(qū)位于試驗(yàn)段270°方向約1.7 km處，均被第四系覆蓋，隱伏地層為嘉陵江組灰白色微晶灰?guī)r。為保證該區(qū)大棚種植及生活用水需要，前人在大棚區(qū)西側(cè)施工了鉆孔ZK03，孔深110 m，但涌水量僅為10～15 m3/d，找水效果較差。

由于場地及用水范圍的限制，本次布設(shè)1-1′剖面線同時進(jìn)行土壤氡氣測量及物探測量(圖7)。土壤氡氣測量點(diǎn)距15 m，實(shí)測23點(diǎn)；天然電場選頻法測量點(diǎn)距5 m，實(shí)測66點(diǎn)。土壤氡異常曲線圖(圖8-a)顯示，120 m處(前人施工鉆孔ZK03所處位置)未見氡異常反映，與ZK03出水效果不好的事實(shí)相符；而180～240 m范圍氡異常整體較明顯，指示相應(yīng)地段可能存在含水裂隙帶。土壤相對電阻率異常曲線圖(圖8-b)顯示，75～120 m范圍為低阻異常區(qū)，其深部可能存在小型含水或泥質(zhì)充填裂隙，但含水性較差；165～210 m范圍具有顯著低阻異常，其對應(yīng)的氡值存在明顯高異常，推測該地段深部裂隙較發(fā)育，含水性較強(qiáng)。綜合考慮以上因素，選定180 m處為SHK02水井的施工位置。

圖7 觀音寺村勘查區(qū)工作布置圖Fig.7 Sketch in Guanyinsi Village exploration area

圖8 觀音寺村勘查區(qū)氡異常曲線圖(a)及25 Hz頻率下的相對電阻率異常曲線圖(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水井采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)。該井孔深165 m，0～13 m為第四系黏土層；13～38.5 m為灰白色泥質(zhì)灰?guī)r，未出水；38.5～104.5 m處為灰白色泥質(zhì)灰?guī)r，涌水量約10 m3/d；104.5～134.5 m為灰白色灰?guī)r及方解石碎塊，返水增大；134.5～165 m為灰白色灰?guī)r，返水平穩(wěn)。該孔主要富水位置為104.5～134.5 m的灰?guī)r破碎帶。終孔后測得地下水靜水位埋深3.02 m，實(shí)際抽水降深7.42 m，涌水量為98.70 m3/d。

4 結(jié)論

(1) 采取水文地質(zhì)調(diào)查、土壤氡氣測量、天然電場選頻法測量、鉆探等勘探手段，成功在嘉魚縣官橋鎮(zhèn)實(shí)施2口探采結(jié)合井，其中大牛山村勘查區(qū)SHK01水井孔深223 m，實(shí)際抽水降深14.21 m，涌水量為169.46 m3/d；觀音寺村勘查區(qū)SHK02水井孔深165 m，實(shí)際抽水降深7.42 m，涌水量為98.70 m3/d。

(2) 在碳酸鹽巖地區(qū)進(jìn)行地下水勘查時，應(yīng)盡可能尋找構(gòu)造裂隙較發(fā)育地段。在基巖裂隙較發(fā)育地段，氡氣濃度具高值響應(yīng)，電阻率具低阻響應(yīng)，兩者疊加部位可能是地下水富集區(qū)。在地表有大面積第四系覆蓋情況下，利用土壤氡氣測量和天然電場選頻法測量可精確圈定裂隙含水帶，該方法組合有效避免了單一物探方法的多解性，是一種有效且快速的地下水勘查技術(shù)方法。

(3) 土壤氡氣測量和天然電場選頻法測量存在一些干擾因素，例如不同場地地形、巖石巖性會對其產(chǎn)生影響。建議開展土壤氡氣測量時盡可能布設(shè)足夠多的測點(diǎn)，合理判斷背景值及異常值，以消除區(qū)域或區(qū)段的系統(tǒng)性影響；開展天然電場選頻法測量時應(yīng)避開有高度>1 m的陡坎和高壓電線分布的地段。對于裂隙充水充泥的問題，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)資料和實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)對比分析，方可作出正確的解譯。