王 紅， 張葉鵬， 曹 恒， 黃朝宇

(湖南省有色地質(zhì)勘查局 二四七隊，長沙 410129)

0 引言

紅層在我國主要是指中生代以來即三疊系、侏羅系、白堊系和新生代古近系的湖相、河流相、河湖交替相或是山麓洪積相等陸相碎屑巖，多以夾層互層出現(xiàn)，從外表看，主要顏色為紅色。地質(zhì)界曾經(jīng)普遍認(rèn)為紅層地區(qū)地下水水量貧乏，水質(zhì)較差，找水不利，難以作為供水水源[1-2]。在湖南省境內(nèi)紅層出露范圍占全省面積30%左右，在湘東地區(qū)更是廣為發(fā)育，主要包含長平斷陷盆地、衡陽盆地、茶陵盆地、攸縣盆地等，多成NNE向展布，是新華夏系構(gòu)造Ⅰ級沉降帶和其次級沉降區(qū)[2]，而長沙、株洲、湘潭、衡陽等主要城市位于紅層盆地內(nèi)，所以紅層找水對湖南經(jīng)濟(jì)發(fā)展亟亟重要。用于找水的物探方法很多，傳統(tǒng)電法、電磁法、天然場選頻法、高分辨率淺層地震、核磁共振法(NMR)等，傳統(tǒng)電法中聯(lián)合剖面裝置、對稱四極測深裝置及高密度電法等，電磁法中瞬變電磁法(TEM)，可控源音頻大地電磁法(CSAMT)，EH4連續(xù)電導(dǎo)率成像技術(shù)等應(yīng)用較多[3-12]。經(jīng)前人研究，湘東地區(qū)紅層中最有意義的含水層是灰礫巖，而紅層中褶皺、大斷層極少，小斷層、派生斷層及節(jié)理、裂隙是主要的控水因素[2]，基于此，筆者選擇常規(guī)電法中的激電中梯裝置、聯(lián)剖裝置以及對稱四極測深裝置，直流充電法和高密度電法在長沙市周邊某地開展紅層綜合物探找水方法有效性試驗。

1 水文地質(zhì)及地球物理前提

1.1 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)處于長平斷陷盆地中央，地貌分為剝蝕構(gòu)造丘陵與河流堆積V級階地兩類，其北、西、南三面環(huán)山，中、東部為湘江、瀏陽河沖積階地，自南往北階地由老至新遞降。地形平坦，海拔在54 m～70 m范圍。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)簡圖Fig.1 Diagrams hydrogeological in study area

序號地層巖礦石名稱標(biāo)本塊數(shù)電阻率ρs/Ω·m極化率ηs/%變化范圍常見值變化范圍常見值1K2s粉砂巖3226.83～49.1438.160.12～0.280.222K2s細(xì)砂巖3418.23～348.28162.080.61～1.400.983K1d含礫砂巖3635.68～64.33453.930.19～1.260.334K2d泥質(zhì)粉砂巖3325.85～285.55110.690.25～0.620.435K2d含礫石英砂巖3136.95～109.7557.360.13～0.330.256K2d砂礫巖4043.54～111.3264.780.23～0.290.267K2s泥巖3522.6～47.4732.840.13～1.560.968水55.23～55.7255.490.24～0.890.67

地層從中生界至新生界第四紀(jì)地層均有出露，地層總厚為2 418.10 m，白堊紀(jì)及第四紀(jì)地層分布最廣，區(qū)內(nèi)地層較為單一。第四系橘子洲組(Qj)主要為灰、淺黃灰色砂質(zhì)粘土，粉砂土，下部有砂礫層或礫石層。地下水類型主要為孔隙水，含水層厚度為4 m～9 m，地下水埋藏淺，一般為2 m～4 m，井泉流量>0.5 L/s，富水性較好，地下水來源主要為大氣降雨補(bǔ)給。白堊系下統(tǒng)神皇山組(Ks2)的上段根據(jù)巖石組合及沉積特征，可分兩部分，即下部紫紅色厚-巨厚層狀細(xì)-粗礫礫巖與中厚層狀細(xì)粒巖屑石英砂巖(或鈣質(zhì)石英砂巖)、鈣質(zhì)石英粉砂巖組成韻律，上部漸變?yōu)榧?xì)粒鈣質(zhì)石英砂巖與鈣質(zhì)石英粉砂巖互層；該層主要為風(fēng)化-構(gòu)造裂隙水，富水性中等，井泉流量為0.1 L/s～0.5 L/s。

根據(jù)工作區(qū)內(nèi)F2推測，導(dǎo)水?dāng)嗔雅c區(qū)域內(nèi)北北東向-南北向區(qū)域性深大斷裂屬于同一期次構(gòu)造活動，斷層走向大致與區(qū)域深大斷裂平行(圖1)。

1.2 地球物理前提

根據(jù)區(qū)內(nèi)及外圍地表采集的物性標(biāo)本和水標(biāo)本，統(tǒng)計區(qū)內(nèi)的巖石、水電阻率參數(shù)(表1)。

由表1可知：①巖性標(biāo)本測定視電阻率值普遍偏低，反映了測區(qū)巖石導(dǎo)電性較好，可能與地層巖石富水性較好有關(guān)，或造成低阻屏蔽；②泥巖和粉砂巖電阻率低于水的電阻率，特別是泥巖為區(qū)內(nèi)最低，單純從電性判斷它是區(qū)內(nèi)找水的典型干擾體，但是區(qū)內(nèi)巖層產(chǎn)狀平緩，泥巖和粉砂巖以及石英砂巖等呈互層分布，具有面狀特征，而區(qū)內(nèi)地下水主要是受小斷層、派生斷層及節(jié)理、裂隙控制，故具有穩(wěn)定延伸的串珠狀或帶狀低阻帶將是破碎帶的反映；③地層和水視極化率普遍偏低，對于區(qū)內(nèi)找水無明顯意義，故試驗中只采集視電阻率數(shù)據(jù)。綜上所述，研究區(qū)具備電法勘探的地球物理前提。

2 實踐應(yīng)用

本次探測目標(biāo)深度為200 m以淺，所以常規(guī)電法可以滿足要求[13]，常規(guī)電法存在具體的方法選擇困難，因為地球物理特征表明區(qū)內(nèi)地層視電阻率普遍偏低，可能造成低阻屏蔽，故采用常用的找水方法激電中梯掃面、直流充電法、聯(lián)合剖面、對稱四極測深和高密度電法展開方法有效性試驗。

激電中梯掃面，網(wǎng)度為200 m×20 m，AB長為1 200 m，MN長為40 m，觀測參數(shù)為視電阻率，供電電壓為700 V電流均達(dá)4 A以上；直流充電法將供電電極A極置于機(jī)井中，放置深度為130 m，無窮遠(yuǎn)極置于距研究區(qū)3 km以外，點距為20 m，MN為40 m，觀測電位梯度數(shù)據(jù)，觀測范圍與激電中梯測量相同，供電電壓為900 V，電流達(dá)4.5 A；激電聯(lián)合剖面布置在104線，采用AO為160 m和320 m雙極距觀測，點距為20 m，MN長為40 m，觀測參數(shù)為視電阻率，供電電流均達(dá)1 A以上；激電對稱四極測深最大AB距為600 m，最小供電電流達(dá)0.5 A以上，觀測參數(shù)為視電阻率；高密度電法布置在104線100點段～160點段，共布置電極60根，電極距為20 m，觀測參數(shù)為視電阻率，儀器采用重慶奔騰研究所生產(chǎn)的WGMD-9超級高密度電法系統(tǒng)，并采用了增壓裝置，最小供電電流達(dá)0.3 A以上。

2.1 激電中梯

由圖2顯示，視電阻率值范圍在35 Ω·m～76 Ω·m，整體偏低，且差異較小，主要與區(qū)內(nèi)分布的巖性和地層富水性較好有關(guān)，造成研究區(qū)存在明顯的低阻屏蔽，不論是常規(guī)電法還是電磁法勘探都會造成淺部能耗大，深部勘探難以奏效，但不會影響測深200 m以淺的找水效果。

圖2 激電中梯視電阻率異常成果圖Fig.2 The apparent resistivity abnormal results of IP intermediate gradient

圖3 直流充電法電位梯度異常成果圖Fig.3 Potential gradient anomaly results of DC charging method

前人研究成果表明紅層內(nèi)控水因素主要為小斷層、派生斷層及節(jié)理、裂隙[2]，故利用激電中梯掃面測量成果圈定破碎帶是主要目的，視電阻率異常線性特征明顯，分布規(guī)律性較強(qiáng)，表明研究區(qū)內(nèi)次級構(gòu)造十分發(fā)育，依據(jù)帶狀、串珠狀低阻異常特征共劃分破碎帶10組，編號為F3至F12。

雖然區(qū)內(nèi)物性參數(shù)測定結(jié)果顯示泥巖和粉砂巖視電阻率值低于水，但是在地層中呈面狀分布，而非線性分布，地下水異常在本區(qū)應(yīng)依據(jù)“高中找低”的原則劃分，故推斷F3、F4、F10、F12為富水性性對較好的次級構(gòu)造。

圖4 激電聯(lián)合剖面和對稱四極測深成果圖Fig.4 The results of IP joint profile measurement and symmetrical quadrupole sounding(a)激電聯(lián)合剖面視電阻率曲線(AO=160 m);(b)激電聯(lián)合剖面視電阻率曲線(AO=320 m);(c)激電對稱四極測深視電阻率反演斷面圖

圖5 高密度電法測量成果圖Fig.5 High-density electrical measurement results(a)高密度施倫貝爾裝置觀測視電阻率反演結(jié)果;(b)高密度溫納裝置觀測視電阻率反演結(jié)果

2.2 充電法電位梯度測量

由圖3顯示，在研究區(qū)西南角因為水庫影響測量不完整，在靠近供電點附近，電位梯度異常出現(xiàn)極大值，遠(yuǎn)離充電點異常強(qiáng)度降低，符合常規(guī)。依據(jù)供電點和不用剖面異常極小值的連線劃分?jǐn)嗔袴4，與激電中梯探測發(fā)現(xiàn)F4斷裂吻合，成功解決了與已知供電點地下水的連通問題。

2.3 激電聯(lián)合剖面與對稱四極測深[13-15]

圖4為104線激電聯(lián)合剖面與對稱四極測深成果。由圖4顯示，聯(lián)合剖面雙極距觀測視電阻率曲線顯示在102點～104點、130點～132點、142點～144點存在正交點，116點～118點存在反交點；130點～132點存在激電聯(lián)合剖面視電阻率正交點和激電測深視電阻率反演低阻帶，二者具有一致性，同時與激電中梯線性低阻帶推斷F4斷裂高度吻合； 116點～118點存在激電聯(lián)合剖面視電阻率反交點和激電測深視電阻率反演低阻帶，推斷為F13。

綜合激電中梯、充電法電位梯度測量激電聯(lián)合剖面以及對稱四極測深結(jié)果在104線132點～134點間布設(shè)鉆孔SK01開展驗證工作。

2.4 高密度電法測量

由圖5可以看出，視電阻率整體偏低，差異性較小，淺部主要為低阻，局部淺表呈高阻主要是由淺表地質(zhì)不均勻性引起，中部220點～380點段呈現(xiàn)高阻，施倫貝爾裝置觀測結(jié)果顯示高阻呈近水平狀，具有兩處峰值，而溫納裝置觀測結(jié)果顯示高阻較為陡立，兩者觀測結(jié)果整體具有一定的相似性，但是深部高阻部位產(chǎn)狀具有差異性，已設(shè)計鉆孔SK01位于溫納裝置視電阻率反演結(jié)果的高低阻異常梯級帶部位，施倫貝爾裝置觀測結(jié)果與設(shè)計鉆孔無明顯關(guān)系。

激電中梯掃面、直流充電法電位梯度測量、激電聯(lián)合剖面以及激電測深均顯示F4斷裂的存在，依據(jù)激電對稱四極測深低阻帶產(chǎn)狀，在104線132點～134點之間確定SK01，設(shè)計孔深180 m，實際孔深186.2 m，鉆孔驗證結(jié)果顯示在30.45 m～32.55 m，巖性為淺紫紅色鈣質(zhì)粉砂巖，風(fēng)化裂隙發(fā)育，為第一含水層；在46 m～48 m，為石英細(xì)砂巖與鈣質(zhì)泥巖分界處，裂隙極發(fā)育，是地下水活動?xùn)|的良好場所，為第二含水層；69 m～74 m，紫紅色鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖：巖石中偶見鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)被地下水溶蝕后形成的小空洞，空洞大小為1 mm～3 mm不等，為第三含水層；地下水類型均為裂隙水，抽水試驗結(jié)果顯示水量為230 m3/d。

另外，對F10斷裂105線部位開展鉆孔驗證，孔深160 m，抽水試驗結(jié)果顯示水量為150 m3/d；對F12斷裂102線部位開展鉆孔驗證，孔深150 m，抽水試驗結(jié)果顯示水量為155 m3/d。

截止目前為止施工三個孔總水量達(dá)535 m3/d，鉆孔驗證出水量超出預(yù)期，效果十分理想。

3 結(jié)語

本次紅層盆地地下水試驗勘探采用了5種物探方法綜合進(jìn)行試驗。結(jié)果表明，激電中梯掃面可以快速查明區(qū)內(nèi)次級構(gòu)造或破碎帶；激電聯(lián)合剖面和對稱四極測深結(jié)果一致性較好，對于確定孔位和孔深起到至關(guān)重要的作用；充電法電位梯度測量可以有效解決水的連通性；高密度電法溫納裝置反演視電阻率梯級帶在紅層中具有找水意義。

鉆孔驗證結(jié)果與物探異常綜合研究表明，激電中梯掃面和激電對稱四極測深兩種方法組合是紅層盆地中淺部找水一種行之有效的方法，對于湖南省紅層盆地今后地下水勘探工作具有較大的參考意義。