綜合電法勘探在“紅層地區(qū)”找水中的應(yīng)用

王鵬飛， 李 勇， 李 富， 楊 帆， 李雪梅， 張文鑫

(1.成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院，成都 610059； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 610081； 3.四川省地礦局 成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心，成都 610081)

0 引言

沐川縣地處四川盆地西南緣，在四川盆地與云貴高原過渡地帶上，峰巒起伏，溝谷縱橫，地形陡峻。地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水文地質(zhì)條件差，地下潛水位逐年下降，尤其在紅層地區(qū)，缺水問題更嚴(yán)重，群眾的生產(chǎn)、生活用水已經(jīng)十分緊張?！稙趺缮截毨彼畢^(qū)1∶50 000水文地質(zhì)調(diào)查》項(xiàng)目是結(jié)合國家精準(zhǔn)扶貧政策，因地制宜，科學(xué)有效地解決當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸——水資源問題[1]。根據(jù)實(shí)地考察和走訪調(diào)查，當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)、生活用水主要為：地表水、泉水等，季節(jié)性變化比較明顯，冬季降水量減少，地下水位下降，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重缺水的情況，并且水源的清潔度也影響到當(dāng)?shù)鼐用竦慕】?，所以尋找充足、潔凈的水源是是解決當(dāng)?shù)刎毨栴}的有效手段之一。

在缺水地區(qū)尋找地下水資源，綜合物探方法是不可缺少的技術(shù)手段。目前國內(nèi)、外找水定井的方法較多，尤其是2010年在我國西南地區(qū)抗旱打井中使用了可控源音頻大地電磁、電阻率測深法、電剖面法、高密度電法、核磁共振等方法，但是效果不是特別顯著。近年來，經(jīng)過多次的實(shí)踐與研究，我們在四川盆地邊緣的侏羅系“紅層地區(qū)”尋找基巖裂隙水，以及灰?guī)r地區(qū)尋找?guī)r溶水，地球物理勘探方法都取得了顯著的成效。根據(jù)工區(qū)不同的地質(zhì)、水文特征、物性差異以及地球物理勘探技術(shù)的特點(diǎn)，我們將不同的物探方法進(jìn)行有效組合，最終在工作區(qū)宏觀定性探測中取得了很好的效果。

由于本次工作的主要任務(wù)是解決當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬎щy問題，從物探方法的選擇上要盡量避免居民用電、人文干擾等因素，所以主要選擇使用分辨率較高、抗干擾能力強(qiáng)的電阻率法方法[2]。作者在分析目前常用物探找水方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)其優(yōu)缺點(diǎn)和工區(qū)的地質(zhì)概況與物性特征，應(yīng)用了高密度電法劃分地層—激電測深法確定含水層位—電測井驗(yàn)證成井效果的技術(shù)組合方式，相比李富等[2]在相似區(qū)域所使用的物探方法，該物探組合方式能夠克服單一物探方法本身的局限性，發(fā)揮該組合方式的優(yōu)勢，相互驗(yàn)證，提高物探資料的準(zhǔn)確性，從而可以準(zhǔn)確地了解該區(qū)域在水平方向和垂直方向上的電性分布特征，并對(duì)該區(qū)域各種巖石的電性特征進(jìn)行準(zhǔn)確地劃分，有利于對(duì)探測成果的電性特征進(jìn)行定性分析，能夠更準(zhǔn)確地對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行定位。根據(jù)高密度電阻率、密集型激電測深和電測井測量成果的校正深度，與鉆孔的實(shí)際含水層深度進(jìn)行對(duì)比，得到實(shí)際誤差為6%，證明多種物探方法的組合方式能夠快速地劃分地層、確定含水層位埋深，驗(yàn)證成井效果，該技術(shù)組合方式將為“紅層地區(qū)”找水提供一定的借鑒。

1 工作區(qū)地質(zhì)概況

工作區(qū)在樂山市沐川縣鳳凰村，地處沐川背斜南翼與建全向斜復(fù)合構(gòu)造帶，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下，沐川圖幅整體處于隆升中。在地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜的工作區(qū)內(nèi)，要解決群眾的飲水問題，就必須拿出行之有效的地球物理勘探方法。

1.1 工作區(qū)地層特征

工作區(qū)位于健全向斜的一翼，出露地層主要(圖1)為侏羅系中統(tǒng)呈紅色、褐色的陸相及淺水湖相沉積地層，即為“紅層”覆蓋區(qū)，出露地層主要有遂寧組(J2sn),上沙溪廟組(J2s2),下沙溪廟組(J2s1)和第四系殘積層(Qel+dl)。

遂寧組(J2sn)地層上段主要為灰色、紫灰色含鈣質(zhì)塊狀泥巖，局部偶見灰綠色斑塊，泥灰?guī)r互夾層，部分層段夾粉砂巖層；下段主要為棕紅色鈣質(zhì)泥巖夾少量粉砂巖或中層狀長石巖屑細(xì)砂巖；上沙溪廟組(J2s2)主要為紫紅色粉砂巖，少數(shù)為灰綠色，部分層段顏色較夾雜，長石含量較高；下沙溪廟組(J2s1)有淺灰色長石石英砂巖，暗紫色、灰色、灰綠色粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖互層，部分區(qū)域上部含頁巖，底部為中粗粒長石石英砂巖，局部具礫巖；第四系殘積層(Qel+dl)由礫石、塊石、漂石、砂、黏土等組成。

1.2 工作區(qū)水文地質(zhì)特征

工作區(qū)內(nèi)的地下水類型主要有松散層孔隙水、基巖裂隙水等。松散層孔隙水主要零星分布于第四系沖積、沖洪積、殘坡積、滑坡堆積、坡洪積地層中，分布情況很不穩(wěn)定。含水層主要為粘土、粉質(zhì)粘土、砂卵石、碎石等，其中，粘土和粉質(zhì)粘土的吸水、持水性好，但透水性和給水能力極差，遇水弱膨脹，富水性貧乏，含水層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含水層結(jié)構(gòu)影響補(bǔ)給和徑流，含水量隨季節(jié)性變化比較明顯，松散孔隙水局部具有承壓性；基巖裂隙水的埋藏和分布非常不均勻，含水帶的形態(tài)也是多種多樣，受地質(zhì)構(gòu)造和地貌條件的控制。而在該區(qū)域泥巖為主要的阻水帶和隔水帶，但是在脆性較強(qiáng)的砂巖中，其斷裂破碎帶孔隙、裂隙發(fā)育構(gòu)造可以富集地下水。這種構(gòu)造主要分布于沐溪河周圍的山地的中，分布極不均勻，工作區(qū)內(nèi)泉水流量一般為0.3 L/s～1 L/s，受季節(jié)性影響比較明顯，一般豐水期流量是枯水期的2倍～4倍。尋找富水性構(gòu)造或含水巖層是本次地球物理勘探的目標(biāo)。

工作區(qū)內(nèi)匯水面積較大，地下水補(bǔ)給條件相對(duì)較好；年降水量在1 200 mm左右，植被豐富，包氣帶的巖性主要為砂巖和砂泥巖夾層，厚度大，滲透性相對(duì)較好地下水徑流復(fù)雜，所以把握該區(qū)域的地下水徑流情況和隱伏地質(zhì)構(gòu)造的位置對(duì)井位的確定具有重大的意義[4]。

1.3 工作區(qū)物性特征

根據(jù)工作區(qū)內(nèi)各種巖石的電性特征，可以將出露地層劃分為4類電性組合：①低阻類；②中低阻類；③中高阻類；④高阻類(圖2)。從圖2可以看出，低阻類的視電阻率主要為遂寧組上段泥巖，其視電阻率為10.5 Ω·m～57.3 Ω·m；中低阻類的巖性主要為遂寧組粉砂質(zhì)泥巖，其視電阻率為43.6 Ω·m～67.8 Ω·m；中高阻類的巖性主要是上沙溪廟組粉砂巖，其視電阻率為60.5 Ω·m～120.7 Ω·m；高阻類的巖性主要是泥灰?guī)r，其視電阻率為85.6 Ω·m～198.3 Ω·m。由于泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r和粉砂巖之間存在視電阻率的差異，因此使用電阻率方法能夠定性分析。

2 物探方法成果分析

根據(jù)工作區(qū)內(nèi)的地質(zhì)情況和水文地質(zhì)調(diào)查需求，采用了高密度電阻率法和激電測深法對(duì)ZK16井位選定以及電測井方法對(duì)成井效果的驗(yàn)證。主要以定性—定量—驗(yàn)證的原則，提出了適用于紅層地區(qū)的物探組合新技術(shù)，該技術(shù)組合方法能夠克服單一物探方法效果的局限性，提高勘查資料的準(zhǔn)確性,有效提高成井率。

圖1 工作區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological sketch of the work area

圖2 工作區(qū)物性分布特征圖Fig.2 Physical distribution characteristics of work area

圖3 鳳凰村高密度電阻率法推斷成果圖Fig.3 Inferred results of high density resistivity method in Phoenix village

2.1 高密度電法成果分析

首先采用高密度電法(溫納裝置)對(duì)工區(qū)地下地質(zhì)體的巖性和地質(zhì)界線進(jìn)行劃分，測線布置于鳳凰村中部，總共布設(shè)100個(gè)電極，電極距為10m，測線方位角45°,由于村莊內(nèi)房屋的影響，測線西部略有彎曲。

由圖3可以看出，整條剖面以中高阻電阻率為主，其中高電阻率與低電阻率互層分布區(qū)域，推斷總體特征為泥巖、粉砂巖互層分布；剖面淺部以低阻為主，推測為第四系粘土、塊石、卵石等覆蓋層 ，厚度約5 m～15 m；剖面的中淺部有一層中低阻視電阻率異常，推測主要為泥巖層，也夾有粉砂巖薄層，厚度約15 m～45 m；剖面的中部有一層高阻異常，推測為泥灰?guī)r層，厚度不均，僅剖面的西南邊電阻率特征明顯，厚度約3 m～15 m；剖面的中深部有一層中低阻電阻率異常，推測為泥巖層，厚度約35 m～80 m；剖面深部也以相對(duì)高阻為主，推測為沙溪廟組粉砂層，厚度約25 m～40 m。在240 m～360 m和460 m～560 m測線下方發(fā)現(xiàn)隱伏的低電阻率異常區(qū)域[3]，由含水結(jié)構(gòu)的電阻率的異常特征可以推測為含水破碎帶或基巖裂隙，說明該構(gòu)造含水的可能性很大。該低阻區(qū)域的發(fā)現(xiàn)，為下一步井位的確定提供了可靠的依據(jù)。

從整條剖面來看，含水較少的泥灰?guī)r表現(xiàn)為高阻異常，泥巖表現(xiàn)為低阻異常，粉砂巖表現(xiàn)為中阻異常，與該區(qū)域巖石的電性特征資料基本吻合。剖面能清楚的劃分出第四系覆蓋層、遂寧組和沙溪廟組之間地層界線，找到隱伏的低阻區(qū)域，該資料可以為探采結(jié)合井井位的確定提供依據(jù)。

圖4 鳳凰村ZK16激電測深視電阻率視與極化率對(duì)比Fig.4 Visual and polarizability comparisons of apparent resistivity in ZK16 electromagnetism bathing in Phoenix village

圖5 鳳凰村ZK16激電測深半衰時(shí)與衰減度對(duì)比Fig.5 Comparison of attenuation half-life and attenuation of ZK16 in the Phoenix village

圖6 鳳凰村ZK16電測井視電阻率與自然電位對(duì)比Fig.6 Comparison of apparent resistivity and natural potential of ZK16 electric logging in Phoenix village

圖7 鳳凰村ZK16物探與鉆探資料綜合解釋地質(zhì)剖面圖Fig.7 Comprehensive interpretation of geophysical prospecting and drilling data of Phoenix village ZK16

2.2 激電測深成果分析

為了進(jìn)一步定量分析鳳凰村探采結(jié)合井位的深部地質(zhì)情況以及含水層位，在工作區(qū)內(nèi)開展密集型激電測深，測量參數(shù)為：AB/2=6～270，測量視電阻率、視極化率、半衰時(shí)和衰減度等參數(shù)，進(jìn)行定性解釋。

從圖4可以看出：該剖面的視電阻率值曲線特征反映明顯，剖面中主要以低電阻率、低極化率為主，清晰地反映了鳳凰村激電測深剖面上的地質(zhì)特征。視電阻率為22 Ω·m～50 Ω·m，視極化率值為0.48～0.9。僅在AB/2=80 m～108 m處，出現(xiàn)高視電阻率為31 Ω·m～39 Ω·m，視極化率值為0.67～0.79。根據(jù)高極化率與中低阻異常的找水特征，推測其含水性較好層位應(yīng)是AB/2=80 m～108 m的位置，推斷為粉砂巖層，其對(duì)應(yīng)的深度是乘以校正系數(shù)才與鉆探實(shí)際深度對(duì)應(yīng)[8]。

半衰時(shí)(Th)是斷電后二次場 ΔV2第一個(gè)取樣值衰減到一半時(shí)所需要的時(shí)間[4]。實(shí)踐表明，在含水層上，其半衰時(shí)Th通常以高值異常出現(xiàn)，半衰時(shí)大，表示極化介質(zhì)二次場放電慢，而半衰時(shí)小，則表示放電速度快；在含水巖體上，其半衰時(shí)Th通常都多以高值異常形式出現(xiàn)。該測點(diǎn)的測深曲線對(duì)應(yīng)的半衰時(shí)值大于1的位置為(圖5)：AB/2=80 m～110 m處，推測該層位的含水性較好。

衰減度(D),即在斷電后二次場由斷電后的最大觀測值衰減到某個(gè)百分?jǐn)?shù)時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間[5]，在實(shí)際工作中，用D來衡量二次場的衰減速度，在富水地層上，D一般呈高值反應(yīng)[6]，從圖5可以看出：AB/2=45 m、65 m、80 m、108 m，共4個(gè)點(diǎn)的衰減度(D)均大于0.4，最大值為0.56，對(duì)應(yīng)的AB/2=79 m～108 m，推斷確定含水層位深度主要在AB/2=79 m～108 m。

根據(jù)高密度電阻率法和激電測深法成果綜合分析，將井位確定在高密度測線510 m處(圖3)，含水層位確定在激電測點(diǎn)剖面深80 m～110 m處。

2.3 電測井成果分析

電測井是井中物探中的一種水文測井方法，是ZK16探采結(jié)合井的勘探過程中必不可少的技術(shù)手段。利用電測井可以獲取更完善的地質(zhì)資料，確定含水層的位置、厚度、劃分咸淡水分界面，能夠有效提高成井質(zhì)量[9]。本次電測井主要選用視電阻率、自然電位等參數(shù)進(jìn)行分析。

通常第四系孔隙含水層，基巖裂隙含水層中的水與鉆井的井液之間存在明顯的礦化度差異，在含水層上會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢[10]。電測井視電阻率與自然電位測井曲線(圖6)，能夠明顯地反映出隨著井深的變化參數(shù)的改變情況，可以明顯地看出各含水層的深度：在AB/2=18 m～20 m處出現(xiàn)自然電位較低的區(qū)段，視電阻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)，推測該處以上為第一層位，為第四系覆蓋層，弱含水；在AB/2=22 m～28 m為自然電位上升區(qū)段，視電阻率極高的值轉(zhuǎn)折區(qū)段，推測該處是第二層位，為含水泥灰?guī)r層；在AB/2=40 m～56 m出現(xiàn)了自然電位穩(wěn)定上升區(qū)段，視電阻率表現(xiàn)為中低阻異常，推測該處是第三層位，為泥巖層；在AB/2=58 m～70 m出現(xiàn)電阻率上升，自然電位下降，推斷該段為第四層位，為泥灰?guī)r與砂巖互層，該段弱含水；AB/2=80 m～107 m出現(xiàn)自然電位大幅上升，視電阻率急劇下降，分析得到該段為砂巖層，為主要含水層。

2017年8月16日，在洗井之后，使用Diver水位記錄儀器開展抽水試驗(yàn)，由Q—t、S—t關(guān)系曲線獲得該水井靜止水位埋深3.4 m, 允許最大涌水量Qmax=180 m3/d , 能夠滿足整個(gè)村子村民的生活用水。

3 鉆探與物探資料綜合解釋

根據(jù)鉆探工程資料查明，ZK16鉆孔由淺入深地層巖性分為5段。第一段：0 m～10.8 m，第四系紫紅色黏土，紫紅色卵石和塊石以紅色黏土填充巖；10.8 m～19.4 m，紫紅色卵石，成分以紫紅色砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主；該段含水，以松散層孔隙水為主；第二段：19.4 m～22.3 m，紫紅色泥巖，巖心較為完整，弱風(fēng)化，為主要隔水層，部分巖芯段含有砂巖和粉砂巖薄層；第三段:22.3 m～61.2 m，青灰色泥灰?guī)r，質(zhì)地細(xì)膩，節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面無填充，部分巖芯見溶蝕孔洞，為含水層；第四段：61.2 m～89.0 m，為泥巖砂巖互夾層，巖芯完整，未見裂隙，在部分泥巖段含有約0.5 cm厚的石膏層，呈絲絹光澤；第五段：89.0 m～107.0 m，為粉砂巖層，巖芯破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，推測構(gòu)造破碎帶，為主要含水層。

根據(jù)鉆井巖心觀測，該井主要含水段位于11 m～18 m為第四系松散層孔隙水；35 m～55 m，為遂寧組泥灰?guī)r節(jié)理裂縫和溶蝕孔洞中的基巖裂隙水；85 m～107 m，為沙溪廟組砂巖節(jié)理裂隙中的基巖裂隙水,與高密度電法、激電法參數(shù)、電測井分析的含水層深度基本一致，根據(jù)鉆探與物探資料綜合解釋地質(zhì)剖面圖(圖7)，可以看出物探與鉆探資料十分吻合，說明該物探組合方式能夠快速、有效地劃分地層，確定含水層位，解決紅層地區(qū)找水困難的問題。

4 結(jié)論

《烏蒙山貧困缺水區(qū)1∶50 000水文地質(zhì)調(diào)查》項(xiàng)目在沐川縣開展的物探方法確定探采結(jié)合井的找水工作，結(jié)合水文地質(zhì)資料，最終確定了3口鉆井的孔位，其中2口井位成功出水，成井率達(dá)68%。出水的探采結(jié)合井，既可以為該區(qū)域的水文地質(zhì)調(diào)查提供科研數(shù)據(jù)，又可以滿足當(dāng)?shù)厝罕姷娜粘Ｉ睢⑸a(chǎn)用水，科研價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益都十分顯著。

筆者通過在沐川縣鳳凰村紅層地區(qū)物探找水的應(yīng)用實(shí)例，將目前使用的物探找水方法的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)、適用范圍等進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)合地質(zhì)資料分析得到了適用于該區(qū)域的優(yōu)化的物探組合方式，該組合方式的使用主要得到了以下結(jié)論：

1)針對(duì)紅層地區(qū)找水難的問題，經(jīng)過研究與實(shí)踐該技術(shù)組合方式能夠有效、快速地確定井位，能夠從根本上解決該地區(qū)的居民飲水困難問題。

2)該技術(shù)組合使用的高密度電阻率法能夠劃分淺部地層的地質(zhì)界線；激電測深法能夠有效地定位含水層位；電測井可以確定含水層位以及含水量，能夠很好地驗(yàn)證確定井位方法的準(zhǔn)確性。

3)定性—定量—驗(yàn)證的研究思路和高密度電法、激電測深得到的地層層位深度轉(zhuǎn)換為真深度的參數(shù)[7]，可以更好地為今后類似的紅層地區(qū)找水工作提供借鑒。