王瑞豐，溫來(lái)福，程久龍，陳 志，焦俊俊，申國(guó)強(qiáng)

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北 承德 067000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；4.河北工程大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引 言

山區(qū)飲水困難問(wèn)題普遍存在，嚴(yán)重影響人民群眾的生活質(zhì)量，制約了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。因此，如何有效、準(zhǔn)確以及經(jīng)濟(jì)地尋找地下水資源是現(xiàn)階段解決山區(qū)缺水問(wèn)題的有效途徑。

在水文地質(zhì)調(diào)查中，地球物理勘探已經(jīng)成為山區(qū)找水的主要方法之一，其中包括可控源音頻大地電磁法、激發(fā)極化法、瞬變電磁法(TEM)、高密度電法、電阻率測(cè)深、核磁共振等[2-13]。但由于基巖山區(qū)地形條件復(fù)雜，加上任何一種地球物理方法都有其適用條件以及局限性，單一方法的使用存在一定的困難和風(fēng)險(xiǎn)，所以采用綜合地球物理方法找水，不僅可以多角度分析研究地下巖層性質(zhì)和含水性，又可以相互驗(yàn)證方法的有效性。鄭遠(yuǎn)芳利用音頻大地電磁法和電阻率測(cè)深相結(jié)合的方法，在粵西山區(qū)開(kāi)展了地下水勘查[14]。李國(guó)占等利用音頻大地電磁法和激發(fā)極化法相結(jié)合的方式，在實(shí)際找水工作中取得了滿意的效果[15]。宋希利等在侵入巖地區(qū)利用可控源音頻大地電磁法和電阻率測(cè)深尋找地下水，有效地提高了定井速度和成功率[16]。孫中任等綜合利用磁法勘探、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法和大地電磁法實(shí)現(xiàn)了深部地下水的勘查[17]。李霞等利用基于EH4連續(xù)電導(dǎo)率成像系統(tǒng)的大地電磁法和激發(fā)極化法相互驗(yàn)證的勘探方法，實(shí)現(xiàn)了河南西部基巖缺水地區(qū)的找水示范[18]。李富等針對(duì)斷層破碎帶提出了地球物理“多方法、多參數(shù)和多層次”找水模式，克服了單一物探方法的局限性[19]。楊秋玲等采用瞬變電磁法和激電測(cè)深綜合地球物理方法開(kāi)展了深層地下水富水性評(píng)價(jià)，并有效指導(dǎo)了井位的布置工作[20]。

本文選取河北承德地區(qū)基巖山區(qū)作為勘查區(qū)，采用高密度電法和瞬變電磁法相結(jié)合的綜合地球物理方法，在分析勘查區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件以及兩種探測(cè)方法原理的基礎(chǔ)上，開(kāi)展綜合地球物理方法找水研究與應(yīng)用，以期為今后類似地質(zhì)條件地區(qū)基巖裂隙水的勘查提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 勘查區(qū)地質(zhì)概況及地球物理特征

勘查區(qū)位于河北承德地區(qū)東部。區(qū)內(nèi)出露的地層(圖1)有：元古界薊縣系鐵嶺組白云巖和頁(yè)巖、霧迷山組白云質(zhì)灰?guī)r、洪水莊組伊利石頁(yè)巖和白云巖，青白口系龍山組細(xì)粒砂巖、下馬嶺組頁(yè)巖和泥巖；古生界寒武系上、中、下統(tǒng)灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r，奧陶系下統(tǒng)灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r，石炭系本溪組和太原組頁(yè)巖和石英砂巖；中生界侏羅系中、下統(tǒng)安山巖、砂礫巖、頁(yè)巖、角礫巖；新生界第四系黃土夾砂礫石層。

勘查區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源是大氣降水，同時(shí)也受地表水體滲入及上游地下徑流補(bǔ)給。本區(qū)地下水可分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水。松散巖類孔隙水主要分布于河谷中，含水層一般富水性強(qiáng)，滲透性能良好，埋藏深度為3.0～6.0 m；山間溝谷孔隙水富水性相對(duì)較差，水位埋深為2.0～8.0 m。基巖裂隙水分布不均勻，受構(gòu)造控制明顯。區(qū)內(nèi)以西部、南部的分水嶺和阻水?dāng)嗔?F2)為隔水邊界，地下水接受周邊補(bǔ)給后匯集于石炭系—二疊系煤系地層之下的奧陶系灰?guī)r之中；在煤系地層局部阻水作用下，地下水以泉的形式排出地表。

由勘查區(qū)地質(zhì)特征可知，地層巖性主要有砂巖、灰?guī)r、礫巖以及泥頁(yè)巖。礫巖中的礫石以灰?guī)r為主，也有白云質(zhì)灰?guī)r、燧石、石英等，其電性特征表現(xiàn)為高阻。當(dāng)?shù)[巖層中的礫石所占比例較大時(shí)，泥砂質(zhì)成分少，含水性好，其電阻率在整體上較高，在橫向上呈現(xiàn)相對(duì)高阻異常。當(dāng)灰?guī)r層中含破碎帶時(shí)，含水性較好，其電阻率整體上較低，在橫向上呈現(xiàn)相對(duì)低阻異常。砂巖本身的電阻率較高，但當(dāng)裂隙發(fā)育充水時(shí)電阻率明顯下降，在橫向上呈現(xiàn)出相對(duì)低阻異常。上述特征都是本次高密度電法和瞬變電磁法聯(lián)合探測(cè)的地球物理前提和基巖裂隙水勘查的解釋依據(jù)。

2 聯(lián)合探測(cè)方法及工作布置

2.1 高密度電法

高密度電法是基于直流電法的基本原理，集電剖面法和電測(cè)深法于一體，采用一次性列陣方式布極(二維或三維)，利用多道或分布式形式布置，可實(shí)現(xiàn)各類裝置、不同排列極距的視電阻率觀測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)在剖面上一次性布極獲取多種裝置類型的地電斷面分布信息。

高密度電法的物理前提是地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異。和常規(guī)電法一樣，高密度電法通過(guò)A、B電極向地下供電流I，然后在M、N電極間測(cè)量電位差ΔUMN，從而可求得M、N電極間的視電阻率(ρs)，ρs=KΔUMN/I，如圖2所示。其中，K為裝置系數(shù)。根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率剖面進(jìn)行計(jì)算分析，可以獲得地下地層中的電阻率分布情況，從而可以劃分地層、判定異常等。

圖2 高密度電法電極排列示意圖

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是在地面敷設(shè)帶有一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在周圍空間產(chǎn)生一次電磁場(chǎng)，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，斷電后感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時(shí)間衰減。衰減過(guò)程一般分為早、中、晚3期。早期電磁場(chǎng)相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度??；而晚期電磁場(chǎng)則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過(guò)測(cè)量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。

2.3 聯(lián)合探測(cè)基巖裂隙水的可行性和優(yōu)勢(shì)

基巖裂隙水通?？梢苑譃轱L(fēng)化裂隙水、構(gòu)造裂隙水和成巖裂隙水3種類型，其中構(gòu)造裂隙水是山區(qū)找水的主要對(duì)象[17]。在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下，巖層破壞產(chǎn)生裂隙，在裂隙中含水或者泥沙充填后呈現(xiàn)出不同的電阻率，高密度電法和瞬變電磁法就是利用這種電阻率差異來(lái)達(dá)到探測(cè)地下水的目的，因此，利用這兩種方法進(jìn)行聯(lián)合探測(cè)是可行的。

高密度電法具有探測(cè)成本低、工作效率高以及分辨率高等優(yōu)勢(shì)，但是探測(cè)深度較淺，受地形影響較大，同時(shí)在測(cè)量過(guò)程中，其倒梯形收斂方式易導(dǎo)致測(cè)線兩端深部的地電信息無(wú)法獲取。雖然瞬變電磁法受地形影響較小，但該方法在工作時(shí)常采用多匝回線裝置，受關(guān)斷影響在淺部存在勘探盲區(qū)。上述兩種方法聯(lián)合探測(cè)可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

2.4 工作布置

河北承德地區(qū)東部測(cè)區(qū)SN向中心位置為一條山谷，地勢(shì)北高南低，東、西兩側(cè)均為基巖，在測(cè)區(qū)中部存在露天泉眼，但出水量極小，約為2 000 mL·d-1。為有效探測(cè)地下基巖裂隙水情況，以此露天泉為中心，在山谷中布置一條測(cè)線(圖3)，測(cè)線長(zhǎng)940 m，分別進(jìn)行高密度電法和瞬變電磁法測(cè)量。其中，高密度電法使用國(guó)產(chǎn)GD-10電法儀，采用溫納裝置，測(cè)量點(diǎn)距為10 m，供電電壓為450 V；由于工作區(qū)為溝谷地形，無(wú)法鋪設(shè)大回線，本次瞬變電磁法使用澳大利亞Terra TEM瞬變電磁儀，采用多匝小回線裝置，發(fā)射線圈和接收線圈邊長(zhǎng)均為2 m，匝數(shù)分別為60匝和40匝，測(cè)量點(diǎn)距為5 m，供電電流不低于5 A。

3 數(shù)據(jù)處理及異常解釋

3.1 數(shù)據(jù)處理

從圖3可以看出，河北承德地區(qū)東部測(cè)區(qū)內(nèi)地形起伏較大，測(cè)線北高南低，這會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生畸變，在反演過(guò)程中可能產(chǎn)生虛假異常甚至?xí)谏w真實(shí)異常，給資料解釋的準(zhǔn)確度以及基巖裂隙水的勘查帶來(lái)困難，因此，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中必須進(jìn)行地形影響校正。現(xiàn)有的地形影響校正方法較多，包括比值校正、正交投影和保角變換[21]、帶地形的二維或三維反演[22]等方法。

本文在高密度電法數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，對(duì)突變點(diǎn)數(shù)據(jù)剔除以及圓滑之后，采用帶地形的二維反演來(lái)進(jìn)行地形校正處理。對(duì)于瞬變電磁法，在進(jìn)行噪聲剔除和曲線圓滑之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一維反演，最終得到探測(cè)結(jié)果。

3.2 校正結(jié)果分析及解釋

3.2.1 高密度電法結(jié)果解釋

圖4和圖5分別是地形校正前、后的高密度電法反演電阻率斷面。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)地形校正后，反演電阻率總體有所降低，但在測(cè)線640～940 m內(nèi)電阻率有所升高；測(cè)線0～480 m內(nèi)低阻異常范圍明顯變小，且反演得到的電阻率細(xì)節(jié)更加明顯；同時(shí)，相對(duì)于地形校正前，校正后的低阻異常中心(測(cè)線250、300和400 m處)向南側(cè)發(fā)生輕微偏移，說(shuō)明地形對(duì)于高密度電法影響較大。

迭代次數(shù)為5;最小均方根誤差為3.7%;單位電極距為10.0 m

根據(jù)地形校正后反演結(jié)果反映的異常情況，結(jié)合野外記錄的干擾進(jìn)行綜合解釋(圖5)。從橫向上看，斷面淺部(0～10 m)電阻率呈高低相間分布。由于測(cè)線布設(shè)在溝谷，其中測(cè)線0～460和760～940 m內(nèi)地表有積水，所以在斷面上地表附近表現(xiàn)為低阻特征；測(cè)線其他區(qū)段有基巖出露，表現(xiàn)為高阻特征。斷面深部等值線波動(dòng)較大，在測(cè)線190～460和760～920 m內(nèi)有相對(duì)低阻異常反映(圖5中紅色實(shí)線框圈出區(qū)域)。其中，在測(cè)線190～460 m內(nèi)有3處封閉的低阻異常區(qū)，其電阻率低于30 Ω·m，根據(jù)本區(qū)地層情況，推斷其為基巖裂隙含水區(qū)。而測(cè)線480～760 m內(nèi)高阻區(qū)推測(cè)為相對(duì)完整的基巖。

迭代次數(shù)為5;最小均方根誤差為2.8%;單位電極距為10.0 m

3.2.2 瞬變電磁法結(jié)果解釋

由于瞬變電磁法在淺部存在盲區(qū)，所以淺部的地電信息可靠性較差?？紤]野外干擾情況，對(duì)瞬變電磁法反演結(jié)果進(jìn)行綜合解釋，如圖6所示。在深度60～100 m處，測(cè)線120～490和700～830 m內(nèi)有相對(duì)低阻異常反映(圖6中黃色實(shí)線框圈出區(qū)域)，根據(jù)本區(qū)地層情況，推斷其為相對(duì)含水區(qū)。測(cè)線500～700 m內(nèi)表現(xiàn)為高阻特征，推測(cè)為相對(duì)完整的基巖。

圖6 瞬變電磁法反演電阻率斷面

3.3 綜合解釋及鉆探驗(yàn)證

綜合高密度電法和瞬變電磁法的解釋結(jié)果(圖5、6)可見(jiàn)，從橫向上看，兩種探測(cè)方法電阻率變化規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)為高低相間的分布。從低阻異常分布特征來(lái)看，測(cè)線190～460 m內(nèi)高密度電法反演結(jié)果顯示為3處封閉的低阻異常，且異常中心明顯；而瞬變電磁法反演結(jié)果顯示為片狀低阻異常，沒(méi)有明顯的異常中心。綜合兩種探測(cè)方法的反演結(jié)果，推斷在測(cè)線230～260、280～330以及370～430 m內(nèi)為基巖裂隙含水區(qū)。

根據(jù)上述綜合解釋成果，最終選擇在測(cè)線245、412 m處布置#1和#2鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，鉆孔位置如圖3所示。其中，#1鉆孔地層上部為第四系黃土和黏土，下部為侏羅系后城組凝灰質(zhì)砂礫巖；#2鉆孔地層淺部為第四系碎石土層、侏羅系后城組凝灰質(zhì)砂礫巖，下部為粗安巖(圖7)。經(jīng)驗(yàn)證，兩個(gè)鉆孔都揭露了含水層。其中，#1鉆孔在15 m深度遇裂隙層，但出水量較小，未進(jìn)行抽水試驗(yàn)；#2鉆孔分別在18.0、59.8和74.3 m深度遇裂隙層，經(jīng)過(guò)抽水試驗(yàn)，單孔出水量為56 m3·d-1。上述結(jié)果驗(yàn)證了高密度電法和瞬變電磁法綜合地球物理技術(shù)在基巖山區(qū)找水是有效的。

圖7 #2鉆孔柱狀圖

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)從數(shù)據(jù)處理角度來(lái)看，高密度電法受地形起伏影響較大，且無(wú)法在有限測(cè)線長(zhǎng)度的情況下得到測(cè)線兩端深部的地電信息，而瞬變電磁法可以彌補(bǔ)高密度電法的這一缺點(diǎn)，但是其在淺部存在勘探盲區(qū)，二者組合可以起到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的作用。

(2)從探測(cè)效果而言，兩種方法對(duì)測(cè)區(qū)地下水的勘查均有效果，但不同方法圈定的低阻異常范圍和剖面特征有所差別，因此，需要綜合對(duì)比不同方法圈定的低阻異常區(qū)，找到對(duì)應(yīng)一致的異常位置推斷其為裂隙含水區(qū)，并作為找水定井的依據(jù)。本次聯(lián)合勘查結(jié)果以及鉆孔驗(yàn)證情況表明高密度電法和瞬變電磁法相結(jié)合的綜合地球物理技術(shù)在嚴(yán)重缺水的基巖山區(qū)找水是可行且有效的。