物探技術在城鎮水源地勘查中的應用研究與實踐

摘 要：該研究采用DZD-8型多功能直流電法儀對卓尼縣木耳鎮大峪溝地區進行物性參數測定，結合地質資料和水文信息，確定區內主要巖石類型對應的電阻率變化范圍。通過高精度視電阻率剖面測量，對研究區水文地質條件及地球物理屬性進行深入分析，旨在精確描繪區域地下結構特征、基巖面分布及富水地質體的賦存狀態。研究結果顯示，第四紀沖洪積形成的砂卵礫石層不僅具備優良的儲水性能，其電阻率值也相對較高；而三疊紀中統砂板巖的含水性能較差，電阻率明顯降低。通過對采集的試驗斷面數據進行精細化處理與解釋，成功確定地下水主要儲存在淺部第四系砂卵礫石層中，估算其厚度在5～20 m之間。此外，地電異常現象與斷裂破碎帶位置相互對應，表明構造活動導致該區域電阻率急劇下降，形成明顯的低電阻率異常區。該研究解譯結果與地質實測數據及鉆孔觀測記錄高度一致，證實地球物理勘探方法在揭示地下水資源及評估地質環境狀況方面的有效性和可靠性。這一成果不僅能為研究區水資源開發提供堅實的科學依據，還可為類似地質背景下的水資源勘查與開發利用樹立參考典范，進一步表明高密度電阻率法在現代地質勘查實踐中具有重要地位和廣泛應用價值。

關鍵詞：高密度電阻率法；地下水；含水率；電阻率；水源地勘查

中圖分類號：P631 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）22-0082-05

Abstract： In this study， the physical parameters of Dayugou area， Muer Town， Zhuoni County were measured by using DZD- 8 multi-function DC electric instrument. Combined with geological data and hydrological information， the corresponding resistivity variation range of the main rock types in the area was determined. Through the high-precision apparent resistivity profile measurement， the hydrogeological conditions and geophysical properties of the study area are deeply analyzed in order to accurately describe the characteristics of the regional underground structure， the bedrock surface distribution and the occurrence state of the water-rich geological body. The results show that the sand-gravel layer formed by Quaternary alluvium not only has excellent water storage performance， but also has relatively high resistivity， while the water-bearing performance of Middle Triassic sand slate is poor and the resistivity decreases obviously. Through the fine processing and interpretation of the collected test section data， it is successfully determined that the groundwater is mainly stored in the shallow Quaternary sand gravel layer， and its thickness is estimated to be between 5 and 20 meters. In addition， the geoelectric anomaly corresponds to the location of the fault fracture zone， indicating that the tectonic activity leads to a sharp decrease in resistivity in this area， forming an obvious abnormal area of low resistivity. The interpretation results of this study are highly consistent with the geological measured data and borehole observation records， which confirms the effectiveness and reliability of the geophysical exploration method in revealing groundwater resources and evaluating the geological environment. This achievement not only provides a solid scientific basis for the development of water resources in the study area， but also sets a reference example for the exploration， development and utilization of water resources under similar geological background. It further highlights the important position and wide application value of high-density resistivity method in modern geological exploration practice.

Keywords： high-density resistivity method; groundwater; water content; resistivity; water source exploration

在地球物理勘查中，精確揭示地下結構對資源勘探和環境評估至關重要。同時，基巖面的分布影響地下水賦存與流動，對水資源和地質環境保護尤為關鍵。高密度電阻率法通過電流和電勢響應測量地下介質的電阻率分布，可以揭示地下巖石類型、裂隙發育程度和含水層分布等信息，是研究地下電性結構的重要手段[1-2]。

近年來，甘肅省卓尼縣木耳鎮農村飲水安全狀況已顯著得到改善，大部分村民得以享有穩定水源。然而，鄉村地區，尤其是分散居住的住戶，仍面臨一系列挑戰：原有的小型、分散式供水設施難以滿足日益增長的需求，加之自然環境和地質變化的影響，部分水源已出現枯竭現象。另外，隨著養殖業的蓬勃發展，原有供水設施的能力顯得不足，無法支撐產業的持續增長。

因此，查明該區域地球物理特征，分析區域基巖面及富水地質體賦存狀態，可為后期工程鉆孔設計提供地球物理依據[3-5]。

本研究依托先進的數據采集系統及精密的電極布設方案，實現了地電信息的連續詳盡獲取。在數據反演和綜合解釋的基礎上，揭示了研究區域內層分布的基本形態。通過綜合地質文獻、物性測試成果以及鉆孔數據，全面深入地分析和認識了該區域地下結構和含水性條件，準確推測了基巖面波動特征及富水地質體的分布狀況。

1 研究區地質及地球物理特征概況

1.1 水文地質條件

研究區位于卓尼縣木耳鎮大峪溝溝道內，地形地貌主要為構造侵蝕中山地貌及侵蝕堆積溝谷地貌，區內地下水主要分為淺層第四系孔隙潛水和深層基巖裂隙水兩種類型，淺層潛水主要儲存于第四系沖洪積形成的砂卵礫石層中，含水層厚度約為5～6 m，并會隨河流水位的變化而發生相應的變動，顯示出較好的富水性；深層基巖裂隙水則主要存在于三疊系的裂隙含水巖組中，這些含水層埋藏較深，分布在大約10～12 m及23～24 m的深度區間，累計含水層厚度約為3 m，其富水性處于一般水平。研究區第四系松散巖類孔隙水的主要來源為大氣降水、地下水側向補給及大峪溝地表水。其中，地下水側向補給與大峪溝地表水是主要來源。徑流方向與河流方向基本一致，自南向北流動。此外，地下水主要以向下游側向補給為排泄方式。

1.2 地球物理特征

根據以往水文地質勘查及鉆探工作，地層結構自表層向下分別為第四紀沖洪積形成的砂卵礫石層和三疊紀中期形成的砂板巖層。砂卵礫石層由砂巖、石英巖、花崗巖及變質巖等硬質巖石組成，三疊系中統砂板巖層礦物主要為方解石、黏土礦物等。本次研究使用DZD-8多功能直流電法儀，采用露頭小極距測深法進行電阻率參數測定工作[6]，悉數巖性資料以及測定鉆孔巖性數據，物性詳細數據見表1。

2 勘查及推斷

2.1 方法選擇

本次城鎮水源地勘查選擇高密度視電阻率剖面測量，該方法利用地下巖土體的電學性質差異，通過布置密集的電極排列，進行大范圍的電阻率測量，以獲取連續的電阻率數據剖面[6]。該方法可用于尋找水源、評估水質和地下水資源的開發潛力。同時，該方法還可用于研究地下水與周圍地質環境的相互關系，為地下水資源的管理和保護提供科學依據。

2.2 解釋依據

2.2.1 巖性特征

巖性的地電特征與其成分和結構緊密相關，電阻率變化在一定范圍內恒定，為電阻率法判斷巖性界線提供物理基礎。當巖層受損，水分滲入裂隙導致電阻率驟降，可據此判斷巖石完整性。

2.2.2 斷層的電阻率特征

斷層處地層運動導致地質特征和地電特征發生顯著變化，表現為電阻率等值線扭曲、擠壓、突變及跳躍等異常現象，為地質異常提供有力證據。

2.2.3 斷裂破碎帶電阻率特征

在地質破碎帶區域，由于長期的構造運動作用，使得該地段原有的地質特性發生了顯著變化。巖石在此過程中遭受嚴重破壞和強烈風化，導致裂隙發育密集，并具有良好的蓄水性能，形成了高效的導電環境。由此，這一區域的電阻率大幅度下降，呈現出明顯的低電阻率異常特征，形成所謂的電阻率凹陷區。

2.2.4 地下水賦存情況的判斷特征

地下巖層中若含有地下水，其電阻率通常會發生顯著降低，偏離未含水狀態下的常規值域。通過深入剖析地層結構特征及地質構造背景，對測得的電阻率數據進行細致解讀和分析，可有效地推測與揭示地下水的存在狀態及分布規律。

2.3 實驗工作

為了確保勘查成果卓越，選擇適宜的觀測設備，實現從已知至未知的探究，并驗證方法之有效性、可行性與精確性。研究在已知1號井和3號井上方采用溫納α裝置、溫納β裝置和溫納γ裝置進行觀測試驗。

1號井最終成井深度為41 m，0～7.1 m為卵石層，7.2～41 m為板巖層。經過抽水試驗確定，該井靜止水位埋深1.87 m，經計算卓尼縣木耳鎮供水1號井滲透系數為19.69 m/d，影響半徑R為17.68 m，1號井流量為719.90 m3/d。1號井含水巖組為第四系沖洪積砂卵礫石層，三疊系中統砂板巖含水性很差。

3號井最終成井深度為41 m，0～2.0 m為卵石層，2.0～41 m為板巖層。經過抽水試驗確定，該井靜止水位埋深2.12 m，經計算供水井滲透系數為0.441 m/d，影響半徑達166 m，3號井流量為60 m3/d，建議開采強度為20 m3/d。

通過綜合處理和分析試驗斷面數據，并結合1號井和3號井現有的水文地質勘查成果，本次研究主要針對的層位是第四系沖洪積砂卵礫石層。該含水巖組在地球物理勘探中的主要特征如下：使用溫納裝置測量時，表現為高電阻率特性；而進行反演處理后，則呈現低電阻率特性。此外，含水巖層的T比值參數小于1.0。這些特征構成了本次研究解釋工作的核心依據（圖1）。

2.4 推斷解譯

研究區共布設測量斷面3條（1號、2號和3號），合計長度977 m，共計有效測點350個。

1號斷面的視電阻率普遍呈現中到高電阻率特性（圖2），整體上展現出清晰的水平分層。在較淺的地層中，常觀察到相對低電阻率的異常閉合區域，這可能與人類活動暴露出的第四系砂卵礫石層以及降水的下滲有關[7]。在中到深部地層，視電阻率等值線表現為水平層狀分布。地表調查顯示，大部分區域被第四系沖洪積砂卵礫石層所覆蓋，只有小部分區域為耕地。根據早期的地質調查結果，該區域的巖性比較單一，主要由第四系沖洪積砂卵礫石層和砂板巖組成，其中第四系沖洪積砂卵礫石層的電阻率約為2 000～12 000 Ω·m，顯示中到高電阻率特性；而板巖的電阻率大約在200～400 Ω·m，表現出低電阻率特性。結合斷面的地質特征和該區域典型的侵蝕堆積溝谷地貌，推斷斷面淺部的高電阻率區主要是由第四系沖洪積砂卵礫石層形成的。人為揭露和降水下滲會降低巖土的電阻率，其影響隨深度增加而減弱[8]；斷面中到深部表現為低電阻率特性，視電阻率等值線間隔較寬，梯度變化較小。綜合地電特性、早期地質研究成果和物性測試結果推斷：1號斷面的表層主要由第四系沖洪積砂卵礫石層組成，厚度大約在5～15 m之間，下面是基巖砂板巖。依據地球物理勘探數據，結合已有的鉆孔資料以及1號井和3號井的物探試驗結論，估計砂卵礫石層的厚度約為12 m。

2號斷面視電阻率呈現中到高電阻率特性，并且水平分層特征明顯。淺部頻繁出現低電阻率異常閉合現象，這與第四系砂卵礫石層受到人為活動和降水影響有關。在斷面的中深部區域，視電阻率等值線呈水平層狀分布。地表主要是耕地，只有少部分地方露出第四系砂卵礫石層。通過對該區典型的構造侵蝕堆積溝谷地貌分析，結合物性資料，推斷淺部高電阻率主要由砂卵礫石層引起，而人為揭露和降水下滲會降低電阻率，影響隨深度減弱；中深部表現為低電阻率，等值線稀疏，梯度變化小。綜合地電特征、地質和物性測試結果，2號斷面表層主要為5～20 m厚的砂卵礫石層覆蓋，下層為基巖砂板巖。依據地球物理數據和1號井、3號井試驗結論，預計砂卵礫石層厚約15 m。

3號斷面視電阻率整體表現為中到高電阻率，水平分層特性明顯。淺部多次出現低電阻率異常，這與第四系砂卵礫石層受到人工活動及降水的影響有關。在斷面的中深部，視電阻率等值線表現為水平層狀。從地表觀察，大部分區域由第四系砂卵礫石層組成，小部分區域為耕地。結合該區的溝谷地貌特征和物性資料，推斷淺部高電阻率區域主要由砂卵礫石層引起。人為揭露和降水下滲會降低巖土的電阻率，這種影響隨著深度的增加而減弱。在斷面的中深部，電阻率呈現低值，且等值線分布稀疏，梯度變化較小。綜合地電特性、地質數據和物性測試結果，推斷3號斷面表層主要由5～10 m厚的第四系沖洪積砂卵礫石層構成，下層為基巖砂板巖。基于地球物理勘探數據和1號井、3號井的試驗結論，預計砂卵礫石層的厚度約為8 m。

3 結論

1）本次物性測定工作使用DUK-4超級高密度電法系統采用露頭小極距測深法進行，同時還在已有1號水文井和3號水文井進行了試驗剖面觀測。通過分析測定結果結合試驗剖面結論，認為在工作區內第四系砂卵礫石層是形成相對高阻的主要巖性，三疊系中統砂板巖及淺地表富水第四系是形成相對低阻異常的主要巖性。

在高密度視電阻率剖面研究中，實驗不僅是從已知走向未知的關鍵步驟，更是科學準確解釋和預測地質構造的基礎。首先，實驗能夠系統、連續且精確地獲取地下介質的電阻率數據，形成高分辨率的二維或三維圖像，直觀展示出地質界面的位置、形態以及不同巖層的分布特征。這對于揭示隱藏的地質構造、斷層破碎帶、地下水分布狀況及潛在礦產資源等具有重大價值。其次，通過實際野外實驗和室內數據處理分析，可以檢驗并校正理論模型，提高地質問題解決的精度與可靠性。實驗過程中對各種參數的調整優化，有助于提升探測深度和分辨能力，能夠在復雜多變的地電環境下精準識別目標體。

2）本次地質物探工作的綜合解釋成果與已有的翔實地質資料及水文井觀測數據高度契合，這一現象有力地驗證了本次研究所取得結果的準確性和可靠性。通過嚴謹的現場測量、數據采集、專業處理和系統解釋，物探技術手段揭示出的地下構造特征、巖性分布、含水層位置等信息，與前期積累的地質圖件、地層剖面記錄以及水文地質調查中水文井的實際觀測深度、水質水量變化規律等內容相互印證，達到了較高的吻合度。

這種一致性表明，在物探方法應用的過程中，無論是對地質結構的識別還是對地下水賦存狀態的判斷，均表現出極高的精確性。它不僅確認了物探技術在解決復雜地質問題時的有效性，也充分證明了在本勘查區域內采用物探手段進行地質勘探活動的可行性和科學性。同時，該案例的成功也為類似地區或相似地質背景下的物探工作樹立了良好的示范效應，進一步證實了物探作為現代地質勘查不可或缺的重要組成部分，在實際應用中的巨大潛力和廣闊前景。

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作者簡介：劉洋（1987-），男，碩士，工程師。研究方向為地球物理勘查及技術方法應用。