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综合物探方法在碎屑岩地区找水中的应用——以云南宣威大路边村为例
郑智杰1,2,3，曾洁1,3，甘伏平1,3，陈吉礼4，卢秀华1,31 中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部,广西岩溶动力学重点实验室/联合国教科文组织国际岩溶研究中心
第一作者：郑智杰，硕士，高级工程师，研究方向：物探方法应用。
通信作者：曾洁，硕士，副研究员，研究方向：水文地质。
江河湖泊水位开始快速下降，旱季即将来临，物探找水能够有效支持抗旱工作。近期，《中国地质》发表了“物探找水方法综述及创新”论文，通过分析大量找水案例，将我国地质条件区划分为“碳酸盐岩分布区”、“花岗质岩层分布区”、“碎屑沉积岩分布区”、“红层分布区”、“第四系松散层分布区”和“特殊地形地貌区”，综合评述了各类地质条件区找水方法的选择。《覆盖区找矿》公众号计划为每个地质条件区推送至少一个找水案例，以供读者参考。往期已推送了“花岗质岩层分布区”和“红层分布区”找水案例，本期推送“碎屑沉积岩分布区”找水案例，后续还将推送“特殊地形地貌区”和“碳酸盐岩分布区”找水案例。郑智杰等为探索地球物理方法在碎屑地区找水应用的有效性，在云南宣威大路边村碎屑岩分布区，选取高密度电阻率法、联合剖面法、音频大地电磁法开展了找水方法研究。结合地质地形条件，根据综合物探反演结果异常分布情况，确定了一个钻井位置，钻探揭示静止水位为6.15米、降深为31.44米时的涌水量为366.267立方米/天，提供了一个找水成功案例。研究中通过综合物探方法的相互验证，类比分析探测结果与钻井资料，探讨各物探方法的适用性。资助项目：基本科研业务费项目“采集参数变化对跨孔电磁波CT响应特征的影响研究”（2022002）；广西重点研发计划项目“漓江流域峰丛谷地水资源安全保障关键技术研发与示范”（2020AB22013）；中国地质科学院基本科研业务费项目“雪峰隆起西南缘氦气成因类型及富集规律研究”（JKYQN202372）。
0 引言
1 研究区概况
1.1 水文地质特征
1.2 地球物理特征
2 研究方法
2.1 联合剖面法
2.2 高密度电阻率法
2.3 音频大地电磁法
3 结果与讨论
3.1 联合剖面法
3.2 高密度电阻率法
3.3 音频大地电磁法
3.4 与钻孔资料对比分析
3.5 讨论
4 结论
水资源是基础自然资源，地下水作为水资源的重要组成部分，在保障居民生活、支持社会发展及维护生态平衡等方面具有不可替代的作用。目前，中国仍存在多个缺水自然村，地下水的勘探和开采与当地人们的生活息息相关。地球物理勘查是地下水调查与勘探重要方法之一，近年来，国内外学者应用不同的地球物理方法寻找地下水并取得了较好效果。地面核磁共振法和双频激电法用于花岗岩地区寻找地下水取得了较好效果；激电测深法和高密度电法组合在红层地区和花岗岩地区寻找地下水均取得了较好的勘探效果；刘加文等将自然电场法用于砂砾岩地区寻找地下水；郑智杰等利用高密度电法在岩溶区开展找水工作，总结出岩溶区的找水模式；薛胜利等将利用激电测深法用于砂砾石地层寻找地下水；张彪等利用音频大地电磁法和高密度电法组合在花岗岩地区寻找构造裂隙水并进行了技术方法总结；王丽妍等总结了高密度电法与音频大地电磁法组合方法在泥质灰岩地区寻找构造裂隙水的勘探效果；康方平等利用高密度电法、联合剖面法及激电测深法等组合方法在贫水板岩地区找到了优质地下水，解决了当地百姓生活用水难的问题；刘声凯等利用联合剖面法及高密度电法在赣南宁都县花岗岩地区开展了地下水勘查工作，并结合水文地质勘察，总结出花岗岩地区的找水方法与技术。上述研究中，利用单一物探方法寻找地下水的成功案例相比综合物探组合方法少。目前，大部分找水打井工作位于岩溶区和花岗岩地区，碎屑岩地区虽有研究，但成井率相较于岩溶区较低。碎屑岩地层富水条件相比碳酸盐岩地层差，含水类型多为裂隙水和层理水，碎屑岩电阻率低，容易对有效物探异常形成干扰，单一的物探方法应用效果不佳。本文以云南宣威大路边村为研究对象，利用联合剖面法、高密度电阻率法及音频大地电磁法对碎屑岩地层进行找水应用研究，分析单一物探方法的不确定性和多解性及其适用性，通过综合物探方法的相互验证，类比分析探测结果与钻井资料，以期为相同场地、地质背景条件下物探方法的选择提供理论依据，避免方法选择的盲目性，节约时间和成本。研究区位于北盘江流域，地势北低南高，地形起伏大，高差150～250m，地貌为侵蚀中山槽谷类型。研究区出露地层为三叠系下统飞仙关组（T1f）紫红、灰绿色粉砂质泥岩、泥岩、砂岩夹灰岩、泥灰岩等，地层倾向南南东，倾角15°～20°。研究区位于田坝向斜西北翼，距离核部约1km，该向斜轴40°～70°走向，核部为三叠系下统飞仙关组（T1f）地层，两翼为石炭系（C）至二叠系（P）地层。研究区内主要含水岩层为三叠系下统飞仙关组（T1f）紫红、灰绿色粉砂质泥岩、泥岩、砂岩地层，含水介质以裂隙为主。该裂隙含水层以碎屑岩、火成岩、变质岩中的非可溶硬质脆性岩层为主，层间裂隙含水层、断裂含水带、风化裂隙含水层普遍存在，裂隙水的埋藏分布受岩层层面及不同岩性地层的组合形式、地质构造控制更加明显。该裂隙含水层在云南省均有分布，出露面积为26.38×104km2，占全省面积的66.95%，具有典型代表性。大气降水沿裂隙、节理入渗补给地下水，径流方向由南向北，最终在槽谷中富集。研究区位于田坝向斜核部附近，节理及裂隙发育，地下水具有较大赋存空间（图1）。图1 研究区水文地质简图(a)及物探测线布置图(b)1.物探测区2.地层及地层界线3.查明断层/推测断层4.地下水流方向5.下降泉/上升泉6.碎屑岩裂隙含水层7.岩浆岩裂隙含水层8.碳酸盐岩岩溶含水层9.碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙含水层10.测线(点号/线号)11.测线方位12.水沟13.冲沟14.村路
黏土、碎屑岩、砾岩、含水裂隙等介质的电阻率变化值及平均值见表1。粗砂岩和砾岩呈相对高电阻率值的特征，其他介质电阻率值均很小且差异不大。研究区内含水层为三叠系下统飞仙关组（T1f），主要为砂质泥岩、泥岩、砂岩夹灰岩、泥灰岩等，含水介质以裂隙为主，随着岩性变化、岩石风化程度等不同，介质的电阻率值会发生改变，研究区内含水层电阻率值一般小于200Ω·m。根据研究区地形、地貌等特点，结合探测对象分布特征及岩土体电性差异，在研究区布置1条物探测线，测线方位均为318°，测线长度均为295m（图1b），在该测线采用联合剖面法、高密度电阻率法及音频大地电磁测深法测量，测量参数均为视电阻率。联合剖面法是在测线上顺序布置供电电极A、测量电极M、N和供电电极B，在测线的中垂线方向上布置“无穷远”极C，距离一般大于AB/2距的5倍以上，A或B分别与C组合，分别供电测量获得视电阻率ρsA和ρsB。绘制视电阻率ρsA和ρsB的曲线图，通过不同极距的ρsA和ρsB的曲线形态（正交点、反交点、同步起伏等）评价地下地质体的导电性，推测地下地质体的产状、地下异常体的空间形态；通过曲线异常段与背景值的相对大小、变化剧烈程度估算地下地质体的位置和宽度。此次联合剖面法测量点距为5m，供电电极A、B距离测量点的距离均为77.5m（AO=BO=77.5m）。高密度电阻率法以介质的电性差异为前提，采用多道电极和多芯电缆人工建立地下稳定直流电场，通过程控式多路电极转换器选择不同的电极组合方式和不同的极距间隔，实现供电和测量电极的自动跑极、自动供电、自动观测、自动记录、自动计算及自动存储，以获取地下介质的电阻率分布规律，进而推断地下的地质结构和构造，解决水文地质与工程地质问题。此次勘探选择施伦贝尔（α2）装置进行对称四极电测深测量，测量点距为5m，采集层数为20层。仪器采用重庆奔腾仪器厂生产的WGMD-3型多功能数字直流激电仪。音频大地电磁法是在地面一定范围内测量正交的电磁场分量，计算视电阻率及阻抗相位，达到探测不同埋深地质目标体电磁性特征的一种频率域电磁测深方法。视电阻率（ρs）计算公式如下：式中：μ为磁导率；ω=2π/T，为电磁场的圆周率（T为周期）；Hy为y方向上的磁场强度；Ex为x方向的电场强度。此次数据采集仪器为EH-4连续电导率剖面仪，产于美国GEOMETRICS公司。仪器参数设置：磁棒垂直测线布设（Hy），电极沿测线布设（Ex），磁棒和电极布设交角小于3°；数据采集方式为标量采集，点距10m，电极距20m；工作低频段频率为10～1000Hz，高频段频率为750～100000Hz，叠加次数为8次，信号增益变化范围为2～80db。由图2可知，测区内岩土体电阻率较小，均小于200Ω·m，视电阻率变化幅度较小，与表1物性参数基本一致，400～410m、440～460m测点段等局部电阻率变化较大，受地表碎石土及砾石影响。视电阻率联合剖面的ρsA和ρsB曲线分异性不明显，两曲线基本重合，随极距的增大变化依然不明显，整个剖面电阻率呈锯齿状变化，较难提取有用的异常信息。由图3可知，浅层段电阻率变化较大（0～4000Ω·m）且电阻率分布不均匀，380m测点后电阻率值急剧增大，受地表砾石及碎石土影响。忽略地表砾石及碎石土的影响，整个断面视电阻率值基本小于200Ω·m，与表1电阻率值基本一致，受限于地表场地条件限制，测线长度及探测深度有限，在可探测的深度范围内，视电阻率值分布较为均匀且变化范围较小，测区内电阻率无明显异常变化，较难辨别裂隙、破碎带等有效异常。由图4可知，断面图中浅部电阻率较小，埋深0～150m电阻率值较小，小于300Ω·m，整个断面电阻率值均小于900Ω·m，与钻孔揭露的岩性吻合。220～290m测点段，深度10～190m存在低电阻率值异常，结合水文地质资料（图1），测线附近发育北西-南东向断层，推断为裂隙带或断裂破碎带；230～270m测点段，深度为10～190m存在相对更低电阻异常，推测为富水带。图4 音频大地电磁法反演视电阻率等值线断面图（a）及地质解释剖面图（b）结合场地施工条件及综合物探反演结果异常分布情况，最终将钻孔布设于1线270m测点，其钻孔揭示静止水位为6.15m、降深为31.44m时的涌水量为366.267m3·d-1。通过该测点的视电阻率测深曲线可知，0～7m电阻率值较小，有逐渐增大趋势，对应钻孔揭示的第四系土层，在7m处电阻率出现拐点，推测该拐点为岩土分界点；7.00～126.15m电阻率均小于80Ω.m，对应钻孔揭示的三叠系下统飞仙关组（T1f）灰绿、紫红色泥岩、粉砂质泥岩夹少量灰岩；126.15m以深电阻率呈现继续逐步增大趋势，推测126.15m附近为岩性分界点，126.15m以深对应钻孔揭示的二叠系上统宣威组（P3x）深灰、灰绿色泥岩、粉砂质泥岩夹炭质泥岩、页岩。13.72～126.15m段，电阻率单支测深曲线出现两处“V”型锯齿状异常，推测该异常由断裂破碎带或含水裂隙引起；视电阻率单支测深曲线的电阻率分层与钻孔资料基本一致（图5，表2）。受地表场地狭窄影响，测线长度有限，高密度电法及联合剖面法探测深度较浅，受上伏地层碎屑岩电阻率低的影响，人工电源场主要集中于上伏碎屑岩低阻层流动，深部电流信号较弱，因此，在可探测的横向和垂向范围内，联合剖面法视电阻率曲线呈现ρsA和ρsB曲线基本重合，曲线分异性不明显，无明显的正交点或同步低阻段，较难识别有效异常，高密度电阻率法视电阻率反演等值线断面图中，整个剖面呈现低阻现象，电阻率变化较为均匀，无明显的低阻变化段，较难分辨裂隙及破碎带等有效异常。此种条件下联合剖面法和高密度电阻率法在碎屑岩地区找水应用效果不佳，在碎屑岩地区应用高密度电法和联合剖面法进行找水工作时，建议在场地条件允许条件下尽量延长测线长度，同时加大人工电源场的供电电压，增强信噪比，以获得深部地质信息，进而识别有效异常。音频大地电磁测深视电阻率反演断面等值线图中，研究区内视电阻率值虽较小，但含水裂隙或破碎带的视电阻率值相对更小，在220～290m测点段存在相对低阻异常，音频大地电磁法利用介质的电、磁物性差异，能较好的区分含水裂隙与碎屑岩地层，因此音频大地电磁法在碎屑岩地区寻找裂隙水的可靠性高。场地狭窄的碎屑岩地区，建议开展音频大地电磁法结合视电阻率单支测深曲线找水应用工作，音频大地电磁法利用不同频率天然电磁场和介质的电、磁物性差异开展工作，不受场地狭窄影响，有效探测深度较大，实际应用中可先通过音频大地电磁法查明裂隙带的发育位置，再利用视电阻单支测深曲线确定裂隙的发育深度，进而为钻孔布设提供位置和深度信息，但单一的物探方法可能存在多解性，在场地狭窄的碎屑岩地区，当存在多个异常时，如果仅采用单一物探方法，缺少辅助方法对有效异常进行识别，会造成找水打井的失败。而在场地宽阔的碎屑岩地区，可通过增加测线长度及增大供电电压的方法，增大探测深度，提高联合剖面法及高密度电法信噪比，获取深部地质信息，圈定可能的异常发育位置，再结合音频大地电磁法对上述异常进行有效甄别，从而减少单一物探方法的多解性，最后利用视电阻率测深法确定钻孔深度，增加找水打井的成功率。受工期紧及没有合适震源的影响，此次未开展地震法的应用研究，因地震法受电阻率影响小，建议在场地条件允许及具备合适震源的情况下，进行地震勘探法在此种地质背景下的应用研究。（1）受地表场地狭窄限制，高密度电法及联合剖面法测线长度有限，探测深度较浅，受碎屑岩电阻率小的影响，高密度电法及联合剖面法找水应用效果不佳，在可探测的深度范围内较难识别基岩裂隙等找水有效异常，需结合其他物探方法对异常进行有效甄别。（2）音频大地电磁法找水应用效果相对较好，具有较高的横向分辨率，可有效识别碎屑岩中的断裂破碎带及构造裂隙带，钻孔应布设于探明的节理、裂隙破碎带等地下水赋存空间较大的位置，异常特征为低阻中相对更小的低阻区域。（3）视电阻率单支测深曲线能有效分辨不同深度的岩土层结构，具有较高的纵向分辨率，电阻率极小值附近对应裂隙破碎带发育位置，通过钻孔资料的深度校正，可较好指示裂隙破碎带的发育深度。（4）在场地较为狭窄的碎屑岩地区开展找水工作，用音频大地电磁法确定碎屑岩中的裂隙发育带位置，用视电阻单支测深曲线确定裂隙的发育深度，二者结合能取得较好效果。原文来源：郑智杰，曾洁，甘伏平，等.综合物探方法在碎屑岩地区找水中的应用-以云南宣威大路边村为例[J].中国岩溶，2024，43（2）：432-440. 封面标题、导读评论和排版整理等：《覆盖区找矿》公众号.
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