喬得福，李隴鋒

(甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，蘭州 730020)

0 引言

高密度電阻率法屬于電阻率法范疇，其雛形是20世紀(jì)80年代英國(guó)學(xué)者設(shè)計(jì)的電阻率測(cè)深偏置裝置系統(tǒng)，20世紀(jì)90年代前后該理論和技術(shù)研究取得重要的進(jìn)展。該方法具有采樣密度大、分辨率高、成本低、效率高等特點(diǎn)[1-2]，已廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)和工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域[3-7]。

近年來(lái)區(qū)內(nèi)河流長(zhǎng)期斷流，地表水資源無(wú)法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。農(nóng)戶競(jìng)相挖掘深井開(kāi)采地下水進(jìn)行灌溉，形成工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活爭(zhēng)相開(kāi)采地下水的局面，地下水位逐年下降，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化，已嚴(yán)重制約區(qū)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。筆者利用高密度電法，較系統(tǒng)地研究了該區(qū)域的地電特征和水文地質(zhì)特征。希望本文研究成果能為區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)、生態(tài)文明建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃等提供一定的參考價(jià)值。

1 地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于東經(jīng)102°00′00″～102°45′00″，北緯37°50′00″～38°30′00″，地處甘肅省中部、河西走廊東端，是絲綢之路自東而西進(jìn)入河西走廊和新疆的東大門(mén)，地處黃土、青藏、蒙新三大高原交匯地帶，地勢(shì)由西南向東北傾斜，依次形成南部祁連山山地、中部走廊平原和北部荒漠三種地貌，海拔1020～4874 m。

該區(qū)域大地構(gòu)造位于塔里木—華北地塊、祁連褶皺系、賀蘭褶皺帶三大構(gòu)造單元交匯帶?；子汕罢鸬┫谍埵咨饺褐猩钭冑|(zhì)的結(jié)晶基底和下古生界淺變質(zhì)巖組成。區(qū)內(nèi)出露地層主要為第四系上更新統(tǒng)戈壁組—沖洪積砂礫和黃土狀亞砂土，自南向北巖性顆粒由粗變細(xì)。研究區(qū)及周邊地質(zhì)情況見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)及周邊區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of study area and its surrounding area

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地處石羊河流域中上游，境內(nèi)西營(yíng)河、金塔河、雜木河、黃羊河均發(fā)源于祁連山東端的冷龍嶺北坡，屬石羊河流域。境內(nèi)河流的共同特點(diǎn)是年際變化率大，水量年內(nèi)分布很不均勻，四條河流多年平均徑流量分別為3.66億立方米、1.52億立方米、2.54億立方米、1.40億立方米。除四大水系以外的河流，多年平均徑流量為0.31億立方米。

區(qū)內(nèi)地下水主要由地表水滲入和山區(qū)基巖裂隙水側(cè)向補(bǔ)給。在東南部山前傾斜平原是地下潛水的主要形成區(qū)，由于存在大厚度強(qiáng)透水的礫卵石地層，為地表水的下滲提供了極有利條件。在廣闊的沖積細(xì)土平原地區(qū)，含水層條件良好，分布著潛水、半承壓水及承壓水，是井泉灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水的主要水源。研究區(qū)地下水類(lèi)型為松散堆積物中孔隙潛水，含水層為沖洪積卵石層。地下水補(bǔ)給主要來(lái)自大氣降雨和雪山融水，徑流方向由西南向東北。地下水排泄途徑為人工開(kāi)采、蒸發(fā)和側(cè)向徑流。人工開(kāi)采為地下水最主要的排泄方式，其次為蒸發(fā)和向民勤盆地的側(cè)向徑流排泄。

1.3 地球物理前提分析

區(qū)內(nèi)基本上被第四系覆蓋，無(wú)法采集到巖石標(biāo)本，只在部分覆蓋地段用露頭小四極法測(cè)定了一些松散沉積層巖性的電性參數(shù)(見(jiàn)表1)。由表1可見(jiàn)，礫卵石視電阻率最高，為320～900 Ω·m，其次為礫卵石(含水)和黃土層，亞黏土和泥質(zhì)砂層視電阻率最低，分別為50～100 Ω·m和30～70 Ω·m。其中砂礫層為主要含水層，黏土層為隔水層，以上電性差異是開(kāi)展電阻率法重要前提之一。

表1 測(cè)區(qū)巖性電阻率統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of rock resistivity at survey area

2 工作方法與技術(shù)

2.1 測(cè)量方式

本次測(cè)量為長(zhǎng)剖面，需要在幾公里到幾十公里范圍內(nèi)連續(xù)觀測(cè)，受設(shè)備固有探測(cè)剖面長(zhǎng)度、地形等因素的限制，需要分段觀測(cè)，再拼接一起得到長(zhǎng)剖面視電阻率圖。通常分段觀測(cè)有滑動(dòng)和滾動(dòng)兩種方式，本次主要采用滾動(dòng)觀測(cè)方式。

2.2 參數(shù)設(shè)置

一條測(cè)線共布置144根電極，電極距為10 m，采用溫納裝置做滾動(dòng)測(cè)量，滾動(dòng)底面點(diǎn)數(shù)為36，測(cè)量層數(shù)為36層。

2.3 測(cè)線布置

該段測(cè)線自陳家莊沿毛溝村、多浪村、洪祥鎮(zhèn)一線北東向至新泉村，全長(zhǎng)25 190 m，地勢(shì)南西高北東低，高差352 m。測(cè)點(diǎn)從970點(diǎn)到26 160點(diǎn)。點(diǎn)增量為1，點(diǎn)距10 m，測(cè)線總體方位北偏東46°，見(jiàn)圖2。

①任家莊—蘭家莊段 ②連霍高速—連家莊段 ③312國(guó)道—連家莊段 ④洪祥鎮(zhèn)—新泉村段圖2 研究區(qū)高密度電法測(cè)線位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the location of the high- density electrical survey line at study area

3 高密度電法結(jié)果分析

3.1 地電結(jié)構(gòu)

從高密度電法觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，從上至下大致分為四層：黃土層、礫卵石層、含礫砂層、泥質(zhì)砂層。黃土層在路口莊—周家場(chǎng)一帶缺失；陳家莊—雜溝、周家場(chǎng)—褚家新莊一帶有零星分布，且比較干燥，視電阻率變化范圍130～260 Ω·m；劉宮寨—新泉村一帶成片分布，且相對(duì)濕潤(rùn)，深度范圍10～25 m，視電阻率變化范圍30～150 Ω·m。礫卵石層在陳家莊—312國(guó)道一帶，底板深度為5～112 m，厚度7～92 m，視電阻率變化范圍300～1200 Ω·m，自陳家莊向北東至毛溝村逐漸變薄，厚度由92 m減小至7 m，受阻水?dāng)嗔袴1影響，由毛溝村向北東至312國(guó)道，厚度逐漸變厚至24 m；312國(guó)道—?jiǎng)m寨一帶分布穩(wěn)定，底板深度為110～140 m，厚度90～120 m，視電阻率變化范圍300～1200 Ω·m；劉宮寨—新泉村一帶局部分布，厚度變小，約為10～30 m，粒度變細(xì)，視電阻率阻值降低，視電阻率變化范圍300～500 Ω·m。含礫砂層為主要含水層位，陳家莊—蘭家莊一帶該層頂板大致與潛水面重合，底板深度125～160 m，視電阻率變化范圍100～280 Ω·m；雜溝—路口村一帶，厚度約10 m；路口村—連霍高速一帶，底板深度大于140 m，厚度大于120 m，局部含泥質(zhì)砂層；312國(guó)道—?jiǎng)m寨一帶厚度在60～85 m，底板深度大于180 m；劉宮寨—新泉村一帶厚度大于90 m，底板深度大于180 m。泥質(zhì)砂層主要出現(xiàn)在陳家莊—毛溝村一帶，其視電阻率變化范圍30～90 Ω·m，在雜溝至路口莊一帶，厚度大于130 m。各段的觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3～圖6。

圖3 任家莊—蘭家莊段高密度電法視電阻率斷面圖Fig.3 Apparent resistivity profile of high-density electrical method at Renjiazhuang-Lanjiazhuang section

圖4 312國(guó)道—連家莊段高密度電法視電阻率斷面圖Fig.4 Apparent resistivity profile of high-density electrical method at 312 National Road-Lianjiazhuang section

圖5 連霍高速—連家莊段高密度電法視電阻率斷面圖Fig.5 Apparent resistivity profile of high-density electrical method at Lianhuo Expressway-Lianjiazhuang section

圖6 洪祥鎮(zhèn)-新泉村段高密度電法視電阻率斷面圖Fig.6 Apparent resistivity profile of high-density electrical method at Hongxiang Town-Xinquan Village section

3.2 水文特征

研究區(qū)淺層地下水以第四系沖洪積松散沉積物砂礫層中的孔隙水為主，為單一的潛水結(jié)構(gòu)，潛水面為第二電性層底板面。其深度在陳家莊—路口莊一帶自西向東逐漸變淺，在陳家莊一帶100 m左右，至路口莊、毛溝村5～7 m；在路口村—連霍高速段，潛水面緩慢增大，連霍高速附近深度24 m左右；受阻水?dāng)嗔袴1影響，自312國(guó)道向東，潛水面深度在312國(guó)道—褚家莊一帶突變至130～140 m；在禇家新莊—新泉村一帶，潛水位面逐漸上升，深度范圍95～120 m。

3.3 斷裂構(gòu)造

根據(jù)地電特征推斷，在312國(guó)道附近存在阻水?dāng)嗔袴1，該斷裂在祁連山前形成“斷層臺(tái)階”，使得山前側(cè)向水流無(wú)法補(bǔ)給到312國(guó)道以東地區(qū)，在312國(guó)道附近自西向東潛水面由27 m迅速降至150 m。由于312國(guó)道車(chē)大型車(chē)輛太多，高密度電法測(cè)線無(wú)法敷設(shè)，致使國(guó)道附近深部數(shù)據(jù)缺失，對(duì)斷裂F1的規(guī)模、產(chǎn)狀等要素判斷帶來(lái)困難。

4 結(jié)論

通過(guò)本次工作初步查明了區(qū)內(nèi)淺部松散沉積層的地電特征、地下水體賦存狀態(tài)以及斷裂構(gòu)造展布情況，為當(dāng)?shù)氐叵滤拈_(kāi)采利用和綜合治理提供了基礎(chǔ)資料。根據(jù)區(qū)內(nèi)巖石的物理性質(zhì)，初步判斷礫卵石層和含礫砂層電阻率較高，而黃土層和泥質(zhì)砂層電阻率較低，為后面的高密度電法結(jié)果提供物性解釋基礎(chǔ)。研究區(qū)淺層地下水以第四系沖洪積松散沉積層孔隙水為主，儲(chǔ)水介質(zhì)主要是砂礫石，為單一的潛水結(jié)構(gòu)。該層地下水受312國(guó)道附近的阻水?dāng)嗔袴1控制，在祁連山前形成“水位臺(tái)階”，斷層兩側(cè)的地下水位落差達(dá)百米上。