西南岩溶地区不同含水介质地球物理勘查技术

第30卷 第3期 中 国 岩 溶V o l .30 N o .3 2011年9月 C A R S O L O G I C A S I N I C A S e p췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍.2011文章编号:1001-4810(2011)03-0278-07西南岩溶地区不同含水介质地球物理勘查技术武毅,孙银行,李凤哲(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,河北保定071051)摘 要:针对西南岩溶地区表层带岩溶水㊁管道型岩溶水(溶洞㊁暗河㊁管道等)㊁构造裂隙岩溶水等不同类型地下水赋存介质特点,通过适宜的地球物理方法使用条件以及找水特点的分析,提出不同含水介质中寻找地下水地球物理勘查要解决的地质问题㊁拟采用的综合物探方法,分别总结出了它们的电性参数(或曲线)的响应特征,形成了不同含水介质的地球物理勘查技术组合方案㊂最后通过实例验证其实用性,并对在西南岩溶地区地下水地球物理勘查工作中积累的技术经验进行了总结㊂关键词:西南岩溶地区;表层岩溶;暗河管道;断层储水构造;地下水地球物理勘查技术中图分类号:P 641.7;P 631 文献标识码:A 0 引 言西南岩溶石山地区岩溶地下洞穴㊁管道㊁构造等十分发育,但这些蓄水空间分布极不均匀,导致大气降水ң地表水ң地下水的快速转化,很容易造成干旱缺水㊁泉水流量衰减甚至干枯㊁水质污染等水资源环境问题㊂地球物理探测技术是解决岩溶地区找水问题的有效途径之一㊂目前,在岩溶地区寻找地下水常用的方法以直流电法和电磁法为主[1],包括:充电法㊁直流电测法㊁联合剖面法㊁激发极化法㊁音频大地电场法㊁高密度电阻率法㊁地质雷达㊁音频大地电磁法(E H -4电导率成像系统)和核磁共振法等,但针对岩溶水的赋存条件和物探技术能够解决的地质问题,如何从众多的物探技术方法中选择有效的㊁经济的物探技术,形成不同含水介质地球物理技术方案,对更好地开展岩溶地下水勘查工作具有重要的指导意义㊂西南岩溶区地下水按赋存介质分为表层带岩溶水㊁管道型岩溶水(溶洞㊁暗河㊁管道等)㊁构造裂隙岩溶水等㊂不同的含水介质地下水勘查所采用的地球物理技术也各不相同㊂本文在西南岩溶地区地下水地球物理勘查技术分析及其应用的基础上,总结出了不同岩溶含水介质地下水地球物理参数(或曲线)特征及找水技术方案,望为进一步开展西南岩溶地下水勘查提供借鉴㊂1 表层带岩溶地下水的勘查方法1.1 方法选择及电性响应特征表层带岩溶水赋存介质主要为碳酸盐岩的溶蚀裂隙㊁溶孔㊁溶沟㊁溶槽㊁断裂等㊂深度一般小于30m ,异常体规模较小,要求采用具有高分辨能力的物探手段精确查明表层岩溶带结构与赋存介质发育特征并判断其富水性㊂宜采用的地球物理方法包括高密度电阻率法㊁地质雷达法㊁音频大地电场法㊁激发极化法或核磁共振法等㊂高密度电阻率法㊁地质雷达法反映的异常特征是基金项目:国土资源部地质大调查项目贵州岩溶地区水文地质地球物理勘查(编号:1212010913040)第一作者简介:武毅(1963-),男,2006年毕业于中国地质大学(武汉),获博士学位,教授级高级工程师,长期从事水工环地球物理勘查技术应用研究工作,E -m a i l :f f s w yi @163.c o m ㊂收稿日期:2011-05-14与围岩接触界面两侧相比呈低阻㊁低电磁波速㊂音频大地电场曲线在赋存介质富水时,呈明显的 V 字形低值异常㊂在不富水时,则呈明显的 ɡ 字形高值异常㊂激发极化法在富水段表现为高极化率㊁高半衰时㊂核磁共振在富水段表现为高含水率㊂在实际工作中,可根据地质㊁地形以及环境条件等因素选择一种或多种技术方法组合使用㊂首先利用音频大地电场法快速勘查赋存介质水平位置;其次,采用高密度电阻率法或地质雷达法准确查明溶洞㊁溶槽㊁构造裂隙发育特征以及基岩的起伏形态;最后采用核磁共振法或激发极化法判断表层带的富水性㊂1.2应用实例图1为选用地质雷达与音频大地电场法组合在云南某地勘查表层岩溶带构造裂隙成果图㊂该地位于构造剥蚀低中山向山间盆地过渡地带,地下水位埋深14~15m,上覆第四系埋深约4~8m,下部以砂岩和碳质板岩互层为主㊂物探的主要任务是查明工作区内表层带内断层构造准确位置㊁基岩埋深㊁地层结构和地下水位埋深,进而确定井位㊂地质雷达勘查剖面32~46m处断层迹象明显,宽度约14m,在该剖面偏西约19m处深度5m以下地层结构发生变化,分析解译为主断层构造的次级断层构造,这一结果与音频大地电场曲线反映的低值异常相吻合㊂据此,结合地质资料综合分析,孔位确定在地质雷达剖面40m处㊂经钻孔验证,在埋深15~ 22m见水,出水为330m3/d,地下水类型为碎屑岩孔隙裂隙水和岩溶裂隙水,与物探推断结果基本一致㊂图1云南某地表层带岩溶地下水综合物探勘查结果F i g.1 T h e i n t e g r a t e d g e o p h y s i c a l p r o s p e c t i n g r e s u l t s f o r e p i k a r s tw a t e r i nY u n n a n2管道型岩溶水的勘查方法2.1方法选择及电性响应特征管道型岩溶水包含溶洞水㊁暗河㊁岩溶管道地下水等㊂需要解决的地质问题包括准确确定溶洞㊁暗河㊁岩溶管道等空间形态特征及判断充填物性质与富水性㊂宜采用的方法通常包括:音频大地电场法㊁联合剖面法㊁电测深法㊁高密度电阻率法㊁音频大地电磁法㊁激发极化法㊁充电法㊁核磁共振法等㊂音频大地电场法在探测溶洞时,若其中不富水或不含泥时,则音频大地电场曲线呈相应的较宽的高异常㊂若富水或含较多的泥质呈相应的较宽的低异常㊂对于联合剖面法㊁电测深法㊁高密度电阻率法㊁音频大地电磁法来讲,若溶洞㊁暗河㊁岩溶管道含水或泥,其表现为低阻特征㊂若为无水(泥)或者两者含量972第30卷第3期武毅等:西南岩溶地区不同含水介质地球物理勘查技术很少的情况下,则表现为高阻特征㊂对于规模较大者,则反映为较宽的低异常㊂电测深单支曲线,在构造位置呈变异或拐折,小 H 形等曲线,等值线呈低阻封闭曲线簇㊂联合剖面曲线显示为同步下降,构造带窄则呈尖底异常,构造带宽则呈现为平底异常㊂而当构造带岩溶发育强烈且向下延伸很大,联合剖面曲线ρs A和ρs B 则呈现为明显的低阻交点,低阻正交点异常揭示地下岩溶管道㊂高电阻率段揭示较完整基岩或完整基岩段㊂音频大地电磁法能够反映地下裂隙㊁岩溶发育情况,但当地表不均匀时易产生静态效应,甚至无法做出合理的解释,因此,在进行资料处理是必须进行静态校正,方能取得合理的解释结果[2]㊂在实际工作中,若能很好地熟悉掌握地质条件,在充分分析地球物理勘查资料的基础上,选择与由于泥质影响造成低值相比为高值的影响带上确定井位,也有可能取得地下水勘查成功㊂充电法必须保证岩溶管道(或溶洞㊁暗河)有出露点(泉或竖井等),且岩溶管道埋深不宜过大(小于200m)㊂在观测时最好同时采用梯度法和电位法,且充电电流宜在2~4A,将梯度法过零点与电位法极值点结合起来进行解释㊂在实际工作时,首先确定溶洞㊁暗河及管道的空间位置,根据地形㊁地貌条件可选用的方法包括:联合剖面法㊁音频大地电场法㊁充电法等㊂其次查明赋存介质的空间分布特征,可选用的方法包括:埋深小于70m,选择电测深法与高密度电阻率法;埋深大于70m,可选择音频大地电磁法㊁电测深法等㊂最后判断其富水性,可选用的方法包括:核磁共振法(适用于埋深小于100m)㊁激发极化法等㊂2.2应用实例图2为采用音频大地电场法和激电测深法在贵州某地勘查岩溶溶洞水的勘查成果图[3]㊂从音频大地电场法勘查结果分析,在剖面60~160点之间呈宽阔的低值异常,且异常幅值达108%,说明异常可靠,推断为溶洞反应㊂从激电测深勘查结果分析,A B/2在130至220m之间极化率㊁激发比㊁综合参数均显示高值异常,推断埋深在115~175m之间富水性好㊂为此,结合水文地质资料将孔位确定在音频大地电场法剖面130m 处㊂钻孔验证,130m以上为干孔,钻至132m时遇到溶洞,潜孔锤钻进时开始喷水,168m终孔,水量大于80m3/h㊂钻孔结果与物探推断基本一致㊂图2贵州某地溶洞水综合物探勘查结果F i g.2 T h e i n t e g r a t e d g e o p h y s i c a l p r o s p e c t i n gr e s u l t s f o r c a v ew a t e r i nG u i z h o u图3为采用充电法和电测深(三级测深)在贵州某地勘查岩溶管道地下水成果图[4]㊂由图可见,充电法过零点很好地反映了可溶岩与非可溶岩的接触面,且充电法过零点连线与地面的漏斗走向一致,图3 (g)为第5线充电法电流归一化电位曲线,从过零点两侧曲线的拐点变化分析,异常宽度约5m㊂为了了解异常的垂向发育深度,选择过零点作了三极电测深,图3(h)为其中一个过零点三极电测深视电阻率测深曲线,推断该点A O=0~3m段为冲洪积层;A O =2~50m段为风化石灰岩,在A O=10m㊁15m附近有溶洞发育;A O=50~110m段为石灰岩中岩溶裂隙管道发育段;A O=110~150m段为较完整灰岩㊂综合分析,建议孔位为第5线415号点㊂经成井测试,孔位静止水位为地表下3.5m,抽水试验表明,当降深到地表下20m时,水量为234m3/d㊂图4为采用高密度电阻率法㊁音频大地电场法㊁082中国岩溶2011年图3贵州平塘某地岩溶管道型地下水综合物探勘查结果F i g.3 T h e i n t e g r a t e d g e o p h y s i c a l p r o s p e c t i n g r e s u l t s f o r c o n d u i tw a t e r i nP i n g t a n g,G u i z h o u音频大地电磁法㊁激发极化法在贵州某地已知孔位勘查岩溶管道地下水的成果图㊂其中高密度电阻率法,采用A B MN排列,测量24层,最大A B/2为240m㊂激发极化法采用非等比装置,MNʒA B=1ʒ3,最大A B/2为210m㊂音频大地电场法极距10m,点距5m㊂音频大地电磁法频率范围10~100K H z,电偶极距30m,点距5~15m㊂音频大地电场法三条测线异常幅值较大,其中1线和2线幅值变化超过300%,低异常值均在0.6以下㊂三条测线均为南北向,呈北东向,低值异常带明显㊂高密度电阻率在剖面300点处埋深70m左右存在一低阻体,从形态上推断可能为岩溶管道㊂激发极化法中的半衰时㊁极化率在A B/2=120 ~160均有明显的高值异常反映,说明该地段存在含水构造㊂音频大地电磁法三条剖面均有异常反映,其中反映出两条地下管道的存在,其一为浅层20m左右(2线水平位置0~20m,埋深约15~30m,3线水平位置100~120m㊂埋深约15~30m),其二为中深层90~ 115m(1线水平位置1~25m,埋深约105~115m,2线反映不清,3线水平位置165~180m,埋深约90~ 110m)其中在2㊁3线中深层管道伴随着构造㊂构造带走向与音频大地电场法勘测结果一致,均为北东向㊂从深度来看,西边1线管道裂隙反映深度较浅, 2㊁3线稍大㊂从岩性方面分析,三条音频大地电磁法勘测剖面上,浅层均有第四系砂质粘土覆盖,其电阻率相对较低;下部低电阻率区域主要为构造破碎带充水或管道裂隙充水区和泥质灰岩组成区域;其中高电阻率区域主要为三叠系灰岩和白云质灰岩,中厚层白云质灰岩电阻率超过1000Ω㊃m㊂已知孔位位于音频大地电磁法1测线20m处,音频大地电场法1测线80m处,高密度电阻率剖面300m处,激发极化法在高密度法异常点上勘查,上述四种物探勘查结果反映的中深层管道异常均与已知井资料基本一致㊂因此可以说明以下两点:一是所选方法在该地区地质条件下均有效㊂二是激发极化参数中的半衰时㊁极化率均显示为高值,应是判别岩溶管道充填物性质的有效参数㊂3构造裂隙岩溶水的勘查方法3.1方法选择及电性响应特征构造裂隙作为岩溶水的赋存介质,主要见于向斜纵张裂隙带㊁背斜倾伏端裂隙发育带㊁断层裂隙带㊂构造裂隙地下水严格受构造裂隙带控制,需要解决的地质问题包括确定地质构造的空间分布特征及其富水性㊂要求物探方法技术对构造有足够的分辨力,且勘查深度中等[5]㊂可采用的方法包括:音频大地电场法㊁电测深法㊁剖面法㊁高密度电阻率法㊁音频大地电磁法等㊂电测深法在断层构造裂隙水储水构造上,单支曲线在断层破碎带(段)上呈锯齿㊁拐折或 K H 等型曲线,等值线呈低阻 V 字型曲线簇㊂在不同岩性接触带储水构造上,单支测深比较复杂,但大多在含水段,呈现拐折变异等形态,等值线呈阶梯小 V 字型曲线簇㊂联剖法ρs曲线同步低异常段,揭示岩溶裂隙发育段或不同岩性接触带;在不同岩性接触带储水构造上,联合剖面曲线总体趋势呈阶梯状高低异常曲线㊂182第30卷第3期武毅等:西南岩溶地区不同含水介质地球物理勘查技术当受地形条件限制时,联合剖面法㊁电测深法难以开展工作,可采用音频大地电磁法了解构造裂隙带的空间分布特征及其富水性㊂图4 贵州某地岩溶管道综合物探勘查图F i g .4 T h e i n t e g r a t e d g e o p h y s i c a l p r o s p e c t i n g m a p of k a r s t c o n d u i t ,G u i z h o u 岩溶区与非岩溶区断层带均表现为低阻特征,但还存在明显不同㊂非岩溶区断层带边界清晰,倾向明282中国岩溶 2011年显;岩溶区由于顺断层带溶洞的发育,扩大了原断层带的宽度,使断层边界模糊,影响了断层倾向的判别㊂有时浅部与深部断层倾向表征有所不同㊂在水位埋深大,以深部断层带裂隙水为主要取水目的层位时一定注意分辨这种假象㊂通常,深部电性特征所显示出的断层倾向才是真正的断层倾向[6]㊂实际工作时,将查明构造水平位置快速方法与空间精细结构特征方法有效结合起来㊂查明构造水平位置快速方法包括音频大地电场法㊁剖面法㊂查明空间精细结构特征方法包括高密度电阻率法㊁电测深法㊁音频大地电磁法等㊂3.2 应用实例图5为选用音频大地电场法和音频大地电磁法(E H -4电导率成像)组合方案在广西隆安县丁当镇确定宜井孔位勘查结果[7]㊂图5 广西隆安某地构造裂隙岩溶水综合物探勘查结果F i g .5 T h e i n t e g r a t e d g e o p h y s i c a l p r o s p e c t i n g r e s u l t s f o r k a r s t f i s s u r ew a t e r i nL o n g a n ,G u a n gx i 音频大地电场测量结果曲线反映低值异常明显,规律性强,揭示出断层走向为N 20ʎW 左右,其中Ⅺ线低阻异常较宽,推测是受顺N E 向沟谷发育断层影响所致㊂音频大地电磁法勘查工作选在音频大地电场曲线异常形态好的ⅩⅢ附近展开㊂勘查结果发现,工作区浅部(小于30m )岩溶较发育,呈现出层状特点㊂剖面60m 处发育一断层,断层倾向剖面尾端(南东)且倾角较大,断层发育深度100m 左右㊂断层带不同深度范围的电性差异应与沿断层的岩溶发育情况和岩石破碎情况有关,推断浅部30m 处低阻圈闭为被泥或泥水充填的溶洞,50~70m 段岩石相对完整,70~100m 岩石破碎,富水性强㊂因此,建议井位布设在音频大地电磁法剖面70m 处,井深100m ,预计70m 左右遭遇断层,经钻孔验证主要出水段为60~80m 的断层破碎带,单井出水量可达1680m 3/d 以上㊂与物探推断结果基本一致㊂4 结束语通过上述西南岩溶地区不同含水介质的不同地球物理勘查方法分析,体会与认识有以下四点:(1)在岩溶石山地区,无论是白云岩地区还是石灰岩地区,断裂构造的控水作用均十分明显,利用物探手段查明隐伏的断裂构造性质㊁特征,对找水具有十分重要的意义;电法(含直流电法㊁电磁法)是目前382 第30卷 第3期 武毅等:西南岩溶地区不同含水介质地球物理勘查技术岩溶石山区找水中较为成功的方法㊂(2)物探与地质紧密结合,可大大提高布井的成功率㊂由于物探方法的多解性及地质条件的复杂性,将物探异常与地质㊁水文地质资料紧密结合,经综合分析后再确定钻井井位㊂(3)岩溶区与非岩溶区断层带均表现为低阻特征,但还存在明显不同㊂非岩溶区断层带边界清晰,倾向明显;岩溶区由于顺断层带溶洞的发育,扩大了原断层带的宽度,使断层边界模糊,影响了断层倾向的判别㊂有时浅部与深部断层倾向表征有所不同㊂在水位埋深大,以深部断层带裂隙水为主要取水目的层位时一定注意分辨这种假象㊂通常,深部电性特征所显示出的断层倾向才是真正的断层倾向㊂(4)音频大地电场法可快速确定构造带的平面位置,同时由于具有受地形影响小的特点,更适合于该地区的工作,建议可大量推广应用㊂但值得关注的是音频大地电场法的异常幅值问题,在资料解释时应加以注意㊂在南方岩溶石山地区由于表层粘土高持水性表现出低电阻率,音频大地电场曲线的异常幅值较小(F=100%左右),与在北方基岩山区工作有所不同(F通常大于150%)㊂当覆盖层厚度大于30m时,音频大地电场法异常强度较弱,应选择联合剖面法确定构造带的平面位置㊂(5)在所提供的物探技术方法中,要根据解决实际问题和物探方法适用条件,合理选择有效的技术方法㊂参考文献[1]王宇主编.岩溶找水与开发技术研究[M].北京:地质出版社,2006年.[2]韩子夜,武毅,杨进生,等.西部严重缺水地区地下水勘查技术方法体系研究[J].水文地质工程地质,2007,34(214):81-86.[3]杨外名,郭洪彬,杨海亮.区域水文地质分析结合物探方法在岩溶地区找水中的实践[C]//严重缺水地区地下水勘查论文集.2010(3):25 29.[4]甘伏平,喻立平,卢呈杰,等.不同储水结构的地球物理组合方法选择[C]//严重缺水地区地下水勘查论文集.2010(3):243 250.[5]武毅,郭建强,朱庆俊.宁南深埋岩溶水勘查物探新技术[J].水文地质工程地质,2001,28(2):45-48.[6]朱庆俊,李伟,李凤哲,等.广西隆安县地下水储水构造的地质-地球物理模型及其地球物理响应特征分析[J].中国岩溶,2011(3):34 40.[7]李凤哲,朱庆俊,孙银行.西南岩溶山区物探找水效果浅析[C]//严重缺水地区地下水勘查论文集.2010(3):277 284.T h e g e o p h y s i c a l p r o s p e c t i n g t e c h n i q u e i nd i f f e r e n ta q u i f e rm e d i a i nk a r s t a r e a,S o u t h w e s tC h i n aWU Y i,S U N Y i n-h a n g,L IF e n g-z h e(C e n t e r f o rH y d r o g e o l o g y a n dE n v i r o n m e n t a lG e o l o g y,C G S,B a o d i n g,H e b e i071051,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h i s p a p e r,b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f g r o u n d w a t e ro c c u r r e n c e i nd i f f e r e n tm e d i as u c ha s e p i k a r s tw a t e r,p i p e l i n ek a r s tw a t e r(c a v e s,u n d e r g r o u n d r i v e s,p i p e l i n e s,e t c.)a n d s t r u c t u r a l f i s s u r ek a r s t w a t e r i nS o u t h w e s t C h i n a k a r s t a r e a,t h e a p p l i c a b i l i t y o f g e o p h y s i c a lm e t h o d s a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o fw a t e r d e t e c t i o na r ea n a l y z e d.A n dt h e g e o l o g i c a l p r o b l e m s i nd e t e c t i n g w a t e r i nd i f f e r e n tm e d i aw i t h g e o p h y s i c a l m e t h o d s a n d i n t e g r a t e d g e o p h y s i c a lm e t h o d s a r e p u t f o r w a r d,a n d t h e r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c o f e l e c t r i c a l p a-r a m e t e r s(o r c u r v e)o f t h o s em e t h o d s i s s u mm a r i z e d.T h e n t h e c o m b i n a t i o n p r o g r a mo f g e o p h y s i c a lm e t h o d s i nd i f f e r e n t a q u i f e rm e d i a i s e s t a b l i s h e d.F i n a l l y,t h eu s e f u l n e s s o f t h e p r o g r a mi s v e r i f i e d a n d t h e t e c h n i q u e e x p e r i e n c e s o f g e o p h y s i c a l p r o s p e c t i n g f o r g r o u n d w a t e r i nS o u t h w e s tC h i n ak a r s t a r e a a r e a c q u i r e d.K e y w o r d s:S o u t h w e s tC h i n ak a r s t a r e a;e p i k a r s t;u n d e r g r o u n d r i v e s a n d p i p e l i n e s;w a t e r s t o r a g e s t r u c t u r e;g e o p h y s i c a l p r o s p e c t i n g t e c h n i q u e f o r g r o u n d w a t e r482中国岩溶2011年。