基巖地下水高電阻率異常地質成因分析

蔡力挺, 孫珊珊, 王忠輝

(山東省第三地質礦產勘查院，煙臺 264000)

0 引言

電阻率法是地下水勘探的主要地球物理方法，應用歷史已經超過一百年，二戰以后被廣泛應用[1]。由于地下水及其他的天然水通常含有一定的礦物質，因而其電阻率通常小于100 Ω·m，地面觀測電阻率隨相對含水量、地層的滲透率和礦化度的增大而變低，因此巖礦石中所含水分對其電阻率有較大影響，含水目標通常為低阻特征[2-5]。一般情況下,電阻率高阻異常往往是地下孔洞、后期侵入的巖漿巖巖脈(如石英脈、偉晶巖脈、花崗斑巖、閃長玢巖及一些火山機構等)或沉積的鹽類礦體(如大理巖、石灰巖、磷灰石、重晶石等)的反映[11]。高阻的地下孔洞是指未被地下水、泥質、碎石土充填或回填的采空區、巷道、溶洞等。作為電阻率法的重要分支，電阻率聯合剖面法(聯剖)常用作追索構造，尋找破碎帶，電阻率測深法用來劃分垂向電性分層、確定含水層段，指導鉆井施工[6]。通常，聯剖在遇到上述高阻體時，ρs曲線常表現為同步高阻或交錯不清的高阻值，在勘查地下水的過程中，一般會當成無水目標，部署鉆孔時會避而遠之。但在相對低阻地層中，它卻是尋找地下水的重要標志之一[6]。筆者通過多個成功探測分析這類地層中含水目標的電阻率異常特征，并從地質上分析了高阻異常的成因。

1 方法概述

電阻率法以地下介質間的導電性差異為基礎，通過觀測人工激勵作用下傳導電流的分布規律，圈定電性異常，并推斷地下地質體導電性分布的一類地球物理方法[5-6]。電阻率法主要分為電阻率剖面法和垂向電測深兩類。電阻率聯合剖面法是一種常用且有效的追索構造的電阻率剖面法，它有兩個三級裝置組成(圖1)，其中電源的負極C極置于無窮遠，正極接A或B極。其ρs表達式如下：

圖1 電阻率聯合剖面法裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of resistivity joint section method device

(1)

(2)

式中，裝置系數KA=KB=2π(AM*AN/MN)

2 探測實例

2.1 青島萊西某村聯合剖面探測

測區地層為白堊系上白堊統辛格莊組紫紅色泥質粉砂巖、泥巖，覆蓋層厚約0.5 m～1 m，地表水嚴重缺乏，很多方塘、大口井一晝夜的滲水量往往僅夠抽取十多分鐘，遇到旱季人畜飲水困難。2011年春季，山東省第三地質礦產勘查院在此村開展尋找深部地下水工作。

圖2 青島萊西電阻率聯合剖面法Ⅰ剖面曲線圖Fig.2 curves of section I of Qingdao Laixi resistivity joint section method

2.2 萊山鎮某苗木基地聯合剖面法地下水勘探

本項目為牟平區國土資源局重點幫扶項目，期望出水量7 m3/h。實地踏勘及地質資料揭示，測區出露巖性為古元古界粉子山群黑云母片巖，覆蓋層厚為7 m～9 m，區域斷裂以北東、北北東向為主。布設了近東西向激電聯合剖面法測量，AB同樣為AO=150 m、110 m兩種極距，點距為MN=20 m。測量結果見圖3，當AO=150 m時在101點出現同步高阻異常，在123點出現低阻正交點。通過平行激電聯合剖面的測量確定前者走向北東、后者走向近南北。結合地質資料綜合推斷該高阻異常為隱伏的高阻巖脈的反映且從其曲線形態判斷其北西傾，而低阻正交點為斷層破碎帶的反映。為確定該低阻正交點反應的破碎帶的傾向，在121-131點段布設了AO=110 m的聯剖測量，結果在124點出現低阻正交點，且曲線形態與前者相似，說明該斷層破碎帶傾向西。

圖3 煙臺市萊山鎮苗木基地電阻率聯合剖面法3剖面曲線圖、地質剖面圖及井位Fig.3 curve of 3 section of resistivity joint section method、geological profile and well location of seedling base in Laishan town, Yantai city

根據上述結果，井位定于122點(1#井)，鉆探深度為150 m。鉆探結果，0 m～9 m為粉土、黏土夾粉細砂;9 m～15 m為強風化黑云母片巖;15 m～70 m為相對完整的黑云母片巖;71 m～75 m為斷層破碎帶;75 m～150 m為新鮮的完整黑云母片巖，該井雖然穿過了斷層破碎帶，但該破碎帶完全為黃褐色斷層泥所充填，除風化層含少量水外，其他層段均無水。

后移至高阻異常處擬進行施鉆，為慎重起見，在該剖面跨高阻異常段即93-103點補充了6個點距=20 m的測深剖面，并繪制了ρs擬斷面圖(圖4)，由圖4分析可知，高阻體北西傾，其西側(上盤)局部及高阻異常西側邊部，形成了多個封閉的橢圓形低阻異常，推斷應為含水密集裂隙帶引起。井位最終定于高阻異常西側邊部即99點(2#井)，終孔150 m，出水量達25 m3/h。鉆探結果揭示高阻異常為花崗質偉晶巖脈引起，北西傾，上盤及接觸蝕變帶局部裂隙發育，巖石較破碎，破碎物以碎石、角礫巖為主，也是最主要的含水層段。

圖4 煙臺市萊山鎮苗木基地3剖面93-103點測深ρS擬斷面圖Fig.4 Pseudo cross section of 93-103 sounding points in Section 3 of seedling base in Laishan Town, Yantai city

2.3 山東萊陽市中荊村養殖場

圖5 萊陽中荊村養殖場電阻率聯合剖面法Ⅰ剖面曲線圖Fig.5 curves of section I of resistivity joint section method in Zhongjing village farm of Laiyang city

根據上述測量及分析結果，井位定于高阻異常次極值點的北側相鄰的同步低阻點即65點，施鉆深度為 130 m。鉆探結果：0 m～2 m，砂質碎石土；2 m～53 m為完整紫紅色砂巖;53 m～65 m巖石稍有破碎，鉆出的巖粉開始潮濕，至67 m見水，水量達5 m3/h;73 m～75 m見石英碎屑碎塊，水量達12 m3/h，穿過石英脈，又見紫紅色砂巖，至終孔130 m，出水量達15 m3/h。

2.4 其他地區應用情況

應用這類解釋方法在蓬萊潮水鎮富陽蔡家村的古元古代荊山群片巖、片麻巖地層中尋找到隱伏的大理巖高阻異常，在其傾向方向定井，驗證鉆孔終孔120 m，出水量達35 m3/h。在臨沂市郯城縣泉源鄉西南2 km處富康新村高阻異常驗證孔所定十口井均獲成功，一般出水量達10 m3/h以上，其中砂巖區的達60 m3/h。

3 高阻異常的地質成因

在火山碎屑巖、泥巖、泥質砂巖、砂頁巖、云母片巖等相對低阻地層中、壓扭性寬緩斷裂構造破碎帶中甚至長石含量高的花崗巖巖體中，風化物或破碎帶往往呈粉末狀、面狀，遇水膨脹成泥狀、黏土狀及碎石土狀，對地下水往往起著阻滯作用，所以一般在該地層中即使發育斷裂破碎帶形成低阻異常但往往不富水(圖6(a))。

圖6 低阻構造和高阻巖脈Fig.6 Low resistivity structidral and high resistivity dike(a)黏土狀構造破碎帶;(b)片巖中的花崗偉晶巖;(c)泥巖中構造角礫巖;(d)泥砂巖中的石英脈

而該地層中的高阻異常體一般為后期中低溫熱液侵入而形成的巖脈的反映，圍巖受熱液影響往往產生蝕變，其物理性質也相應發生變化，由塑性漸變為脆性、剛性；再者由于巖脈形成時會對圍巖產生擠壓、拉伸等作用，受應力作用蝕變巖多形成塊狀、角礫狀、砂狀等碎裂構造巖(圖6(b))；且巖脈本身在形成過程中由于熱脹冷縮作用其外緣也多形成密集性放射狀、網狀、柱狀等張性裂隙[7-9]。上述特征為地下水的徑流、運移、富集提供了大量的通道和空間，所以有時在野外尋找地下水時，高阻異常也往往為找水工作提供了目標方向和靶區(圖6(c)～圖6(d))。

雖然高阻體一般對地下水起到阻水隔水作用，但其上下盤及其接觸帶由于受地質應力作用往往較破碎，上盤及其接觸帶裂隙也多較下盤及其接觸帶裂隙發育[10]，所以井位一般情況下定于高阻體上盤，實際施工鉆井過程中有時僅僅打到上盤的接觸帶(構造影響帶)，出水量也會很大；有時高阻體上盤及其接觸帶水量不大時,可加大鉆探深度穿透巖脈至其下盤接觸帶，因有時下盤及其接觸帶構造裂隙也很發育，特別是山區巖脈傾向與地勢傾向一致時，脈巖由于本身阻水，地下水往往蓄集在其下盤及其接觸帶附近的空間里。

4 結論

雖然大量的地下含水層具有顯著的低阻特征，但在一些特定的地區，高阻體和含水層的發育有著密切的聯系并已被鉆孔證實。山東的探測實例表明：用物探方法追索到高阻異常，但井位并不是定于其極值正上方，而是一般定于其傾向方向的陡降段或邊部次極值點附近。實際工作中需要根據異常形態或多種極距測量判斷出其傾向，并分析其傾向于地下水徑流方向的關系，從而確定最佳井位位置。

電阻率法實踐表明,高阻中找水不僅是物探數據解釋的重要補充，也能從地質上找到合理的成因，從而上升為一種理論上的認識。利用高阻異常在尋找地下水具有較強的實用性，對于相對低阻的沉積地層中及壓扭性構造破碎帶內為斷層泥的地層中，利用尋找高阻體的方式來指導尋找地下水，可提高地球物理驗證的成功率。