李望明，易強，劉聲凱，肖利權，李俊

(湖南省地質礦產勘查開發(fā)局 四一六隊,湖南 株洲 412003)

0 引言

湘西北巖溶石山地區(qū)位于湖南省西部,屬云貴高原東緣、武陵山脈東北部，有7個國家級深度貧困縣位于此區(qū)域，降水極不均勻；區(qū)內碳酸鹽巖廣布，屬于典型的巖溶石山缺水地區(qū)，解決用水困難已成為當地政府和群眾的心頭大事，也是作為國家級貧困縣打贏脫貧攻堅戰(zhàn)的重要保障和必然要求。該地區(qū)地形地貌主要分為兩類：一類是侵蝕溶蝕型低山溶丘洼地、溶丘谷地地貌，洼地、落水洞、溶洞等巖溶形態(tài)發(fā)育，山丘較圓滑；另一類是溶蝕構造型中低山急陡坡峰叢峽谷地貌，山峰尖叢，地形坡度較陡，常形成懸崖陡壁，溝谷深切狹窄，呈“V”型或“U”型溝谷[1-2]。近年來國家加大了對湘西北農村電網改造力度，新建了大量10 kV電力線及其變電站，電磁干擾明顯增多。因此，湘西北巖溶石山缺水地區(qū)地形條件復雜、電磁干擾較強，在地下水勘查時，優(yōu)先選用抗干擾能力較強的直流電法較為適宜。筆者針對湘西北巖溶石山缺水地區(qū)不同地形地貌及地質條件特征，采用視電阻率聯(lián)合剖面法、高密度電阻率法、三極激電測深等直流電法，并進行適當的反演與解釋，取得了較好的找水效果。

1 方法與技術

1.1 方法依據

湘西北巖溶石山缺水地區(qū)地層主要有寒武系、奧陶系、第四系等；寒武系和奧陶系為海相碳酸鹽巖建造，巖性主要為灰?guī)r、白云巖、泥質灰?guī)r；第四系主要為沖洪積、坡積松散堆積物。

由《永順幅1∶20萬區(qū)域水文地質普查報告》測井數據可知：灰?guī)r、白云巖電阻率較高，變化范圍為490～3 800 Ω·m，平均值為2 590 Ω·m；泥質灰?guī)r次之，變化范圍在180～1 500 Ω·m，平均值為583 Ω·m，但它們都與地下水(<100 Ω·m)的電阻率差異明顯，這就為采用直流電法找水提供了地球物理依據；湘西北巖溶石山缺水地區(qū)主要是探測巖溶裂隙水和斷裂構造水，對應地電模型為高阻中找球狀或板狀低阻；因此，采用視電阻率聯(lián)合剖面法、高密度電阻率法、激電測深法找水依據充分。

1.2 直流電法方法技術

1.2.1 視電阻率聯(lián)合剖面法

視電阻率聯(lián)合剖面法是尋找裂隙型地下水常用的、效果顯著的方法，但容易受地形影響，并且在急陡坡峰叢峽谷地貌中，“無窮遠”電極的距離往往難以達到AO的5倍以上；因此，在湘西北巖溶石山缺水地區(qū)常采用小極距(50m

湘西北巖溶石山地區(qū)充填第四系黏土的淺部溶溝溶槽較發(fā)育，小極距聯(lián)合剖面法勘探深度較淺，對巖溶裂隙帶和淺部溶溝溶槽均有異常反映；為了更好區(qū)分上述異常，一方面應平行布置多條測線，連續(xù)性較好的異常往往為斷層或巖溶裂隙帶的反映，局部測線的異常往往為溶溝溶槽的反映，另一方面在同一測線采用其他直流電法(如高密度電法或激電測深法)探測以進行對比、驗證。

1.2.2 高密度電阻率法

高密度電阻率法具有許多優(yōu)點[5]，但其勘探深度一般較淺(小于150 m)，而湘西北巖溶石山缺水地區(qū)地下水位埋深變化較大，地表不均勻，局部基巖淺埋或裸露，高密度視電阻率擬斷面圖易形成“八”字型干擾，因此，測量點距選擇相對較大，一般為10～20 m，工作裝置主要采用溫納或施侖貝謝裝置，對高密度電法數據的壞點應進行剔除，然后采用最小二乘法進行反演[6-8]；解釋推斷時應充分了解地下水位埋深，選擇的異常深度應在地下水位以下。

1.2.3 激電測深

激發(fā)極化法是利用含水巖石在人工電流場作用下產生的激電效應及其時間特性尋找地下水，由于這種方法受地形影響小，所以最適用于山區(qū)找水。激電測深裝置主要為對稱四極和三極裝置，在測線兩端可進行人工跑極時，一般采用對稱四極裝置，而湘西北巖溶缺水地區(qū)，地勢陡峻或一側為懸崖、峽谷，往往采用三極裝置。為使勘探深度、數據信息量和工作效率得到兼顧，三極激電測深采用人工跑極和陣列式觀測相結合，即供電采用人工跑極，測量采用多通道陣列式觀測方式，野外獲得高質量數據后進行數據預處理，然后采用最小二乘意義下的變阻尼共軛梯度法進行二維反演[9-13]，獲得反演斷面圖進行解釋推斷。

綜上所述，在湘西北巖溶石山缺水地區(qū)進行物探工作，在地勢相對平坦且勘探深度相對較淺(0～150 m左右)的地方采用小極距視電阻率聯(lián)合剖面法+高密度電阻率法找水效果較理想，在地形條件較差或勘探深度相對較深(0～400 m左右)且電磁干擾較強的地方采用小極距聯(lián)合剖面法進行普查，然后選取異常較好的測線(≥1條)進行三極激電測深法效果較佳。

2 應用實例

2.1 聯(lián)合剖面法+高密度電法找水實例

湘西北A村為干旱缺水村，地形地貌屬于溶蝕構造型中低山急陡坡峰叢峽谷，村子建在NE向的溝谷中，溝谷較窄，兩側為急陡坡峰，村子上空有一組10 kV電力線及少量220 V民用電力線穿過(圖1)。根據地質資料，該村出露地層巖性主要為寒武系白云巖、白云質灰?guī)r，地下水位埋深約50 m，該村附近發(fā)育一條NNW向壓性斷層，富水性較弱。找水思路為：受構造應力影響，該斷層兩側巖溶裂隙可能相對發(fā)育，為此，垂直斷層并沿NE向溝谷布置了2條物探測線(2線、4線)，長度均為600 m。

圖1 A村平面示意Fig.1 Plan of village A

根據測區(qū)的地形、地質條件， 選擇了抗電磁干擾較強的小極距聯(lián)合剖面法+高密度電祖率法，在同一條測線上用兩種方法進行探測，使用重慶奔騰數控研究所研制的WDJD-4型多功能激電儀，聯(lián)合剖面法極距AO=100 m，點距10 m，高密度電阻率法點距10 m，采用溫納裝置，采集層數為14層。

圖2為該村4線的物探成果圖。從圖中分析：聯(lián)合剖面曲線在950點、1040點呈相對低阻異常、在1120點附近呈正交點異常，高密度電阻率擬斷面在1120點附近呈低阻“U”字型異常，但斷面圖上“八”字型干擾較明顯；采用最小二乘法進行反演，得到高密度電阻率反演斷面圖。綜合分析：960點附近淺部巖溶裂隙發(fā)育，發(fā)育深度與地下水位深度(50 m)相當，推斷其充填黏土；1040點附近為淺部溶溝溶槽；1120點附近為巖溶裂隙發(fā)育，發(fā)育深度大于120 m，位于地下水位以下，推斷其富水性較好。因此，水文地質鉆孔ZK1位置選擇在4線1120點，經鉆探驗證及抽水試驗：地下122～185 m處溶蝕裂隙發(fā)育，涌水量為470 t/d，可解決約 3 000人的飲水問題。

圖2 A村4線聯(lián)合剖面曲線(a)、高密度視電阻率擬斷面(b)、高密度電阻率反演斷面(c)Fig.2 Joint profile curve(a), high density apparent resistivity profile(b) and inversion profile(c) of village A line 4

2.2 聯(lián)合剖面法+三極激電測深找水實例一

湘西北B村為干旱缺水村，屬于溶蝕構造型中低山急陡坡峰叢峽谷，該村附近有一條NE向溝谷，延伸長度約4 km，溝谷東南側為高差超過120 m的急陡坡峰，無法展布測線，村子上空有10 kV電力線及少量220 V民用電力線穿過，電磁干擾較強(圖3)。根據地質資料，該村出露地層巖性主要為寒武系白云巖、白云質灰?guī)r，地下水位埋深約15 m。地質人員推斷溝谷附近發(fā)育一條NE向斷層，找水思路為探測該斷層的位置及傾向，達到間接找水目的。為此，在垂直溝谷且地形相對平坦的位置布置2條NW向測線。為了盡可能多地獲取NE向溝谷附近的地質信息，采用了小極距聯(lián)合剖面+三極激電測深法，使用重慶奔騰數控研究所研制的WDJD-4型多功能激電儀，聯(lián)合剖面法極距AO=70 m，三極激電測深極距為指數形式遞增，最大AO=410 m。

圖3 B村平面示意Fig.3 Plan of village B

圖4為該村6線聯(lián)合剖面法測量結果，從圖中分析：聯(lián)合剖面曲線在950、1180、1260點附近呈相對低阻異常，通過與其他平行測線對比，其中1260點低阻異常連續(xù)性較好，因此，選取在1260點附近開展三極激電測深工作，圖5為激電測深擬斷面與反演斷面圖，圖6為推斷結果。由于三極測深視電阻率擬斷面圖往往易形成“掛面條”現象，而最小二乘意義下的變阻尼共軛梯度二維反演可減弱上述效應[10-11]，因此，三極激電測深解釋推斷時以電阻率反演斷面圖、視極化率擬斷面圖為主，其他斷面圖為輔。依據電阻率反演成果圖推斷，1260點附近的低阻異常為斷層的反映，斷層傾向ES(大號)；依據視極化率擬斷面圖分析，1270點視極化率較高，推斷其富水性較好。

圖4 B村6線聯(lián)合剖面曲線Fig.4 Joint profile curve of village B line 6

圖5 B村6線三極激電測深擬斷面與反演斷面Fig.5 Pseudo section and inversion section of village B line 6

圖6 B村6線地質推斷結果Fig.6 Geological inference results of village B line 6

SK1鉆孔位置選定在6線1270點(斷層上盤)，經鉆探驗證，43.5～52.9 m為斷裂帶，52.9～98.7 m溶蝕裂隙發(fā)育，鉆探至115 m后，經抽水試驗涌水量為220 t/d，超過100 t/d的設計要求，選擇終孔。

2.3 聯(lián)合剖面法+三極激電測深找水實例二

湘西北C村為干旱缺水村，屬于溶蝕構造型中低山急陡坡峰叢峽谷，地形條件較差，電磁干擾較強(圖7)。根據地質資料：該村出露地層巖性主要為奧陶系灰?guī)r、泥質灰?guī)r，局部有志留系砂頁巖覆蓋于奧陶系灰?guī)r上，地質調查資料顯示該村附近有NW向斷層或裂隙帶。本次勘探要求出水量為 1 000 t/d，擬勘探深度為300 m，找水思路：探測NW向斷層或裂隙帶的位置及傾向，并依據視極化率比較其富水性，選擇富水性相對好的位置實施鉆探，從而達到找水目的。因此，沿NE向平行布置了3條測線，采用小極距(AO=110 m)聯(lián)合剖面法+三極激電深法；聯(lián)合剖面曲線顯示3線950點高低阻梯度異常明顯(圖8)且連續(xù)性較好，因此選擇在950點附近開展三極激電測深工作；三極激電測深最大AO=600 m，二維反演采用最小二乘意義下的變阻尼共軛梯度法。

圖9為3線三極激電測深成果，從電阻率反演斷面圖中分析,800～950點電阻率等值線呈高、低阻層狀相間，結合地質資料推斷：由淺到深依次為砂頁巖、灰?guī)r、泥質灰?guī)r、灰?guī)r；950點附近等值線明顯不連續(xù)，推斷為斷層F1，傾向WS(小號)；950～1100點電阻率呈高阻，推斷為灰?guī)r，其中980點附近低阻封閉圈異常推斷為淺部巖溶裂隙發(fā)育，1040號點附近電阻率呈相對低阻“V”字型異常，推斷為次級斷層F2，傾向EN(大號)。從視極化率擬斷面圖分析,斷層F1附近的極化率明顯高于巖溶裂隙發(fā)育區(qū)(980點附近)及斷層F2附近的極化率，推斷斷層F1富水性相對較好。

圖7 C村平面示意Fig.7 Plan of village C

最終選定在3線930點(F1斷層上盤)進行鉆探(ZK1)，經鉆探驗證，70～90 m為斷裂破碎帶，120～170 m溶蝕裂隙發(fā)育，經抽水試驗該孔涌水量為 1 100 t/d，達到了預設工作目的。

3 結論

從應用實例可以看出，在湘西北巖溶石山缺水、強電磁干擾地區(qū)采用直流電法找水時，在地勢相對平坦且勘探深度相對較淺(0～150 m左右)的區(qū)域采用小極距視電阻率聯(lián)合剖面法+高密度電阻率法，在地形條件較差或勘探深度相對較深(0～400 m左右)的地方采用小極距聯(lián)合剖面法+三極激電測深法，既提高了工作效率又解決了實際問題，取得了較好的找水效果。

先采用小極距聯(lián)合剖面法，再有針對性地開展三極激電測深工作，可提高工作效率。對于非板狀型(如管道型巖溶)地質體[14]，小極距聯(lián)合剖面法難以探測到明顯異常，應考慮采用其他找水方法(如核磁共振法)[15]。三極激電測深數據采用最小二乘意義下的變阻尼共軛梯度法進行二維反演效果較好，但視極化率反演后異常中心可能會偏移。因此，物探推斷解釋時應將不同測線與不同方法、擬斷面圖與反演圖同時進行對比分析，遵循從已知到未知的解釋原則，并將物探工作與地質工作至始至終緊密結合，從而提高物探工作質量，有效解決找水問題。

圖9 3線三極激電測深視電阻率與視極化率擬斷面、反演斷面及推斷地質剖面Fig.9 3-line apparent resistivity and apparent polarization of three pole IP sounding cross section、inversion section map and geological inference map