岩溶区储水结构的识别与刻画

岩溶区储水结构的识别与刻画

1新的异物方法2010年初夏，在贵州对干旱进行的水资源勘探中，通过地球物理勘探、勘探等技术手段，在两个月内发现了可用于采矿和开采的地下水来源。开采率为88%。在一定程度上减少和缓解当地的缺水和干旱，总结并在今后的类似岩石和地下水调查中发挥积极的评价和促进作用。在岩溶地下水调查中,地球物理探测始终是找水的主要手段。随着先进的仪器、可视化成像软件等的引入,使得老的物探方法重新被使用,新的物探方法展现了良好的应用前景(王聿军,2001;赵国泽等,2004;Normanetal.,2009;刘伟等,2010)。在实际应用中,常规的电阻率剖面法,特别是联合剖面法(罗发科,2009),电测深法(吴海成等,1999;杨湘生,2002;David,2004)仍然是很好的找水方法组合。在浅覆盖的岩溶洼地边缘,狭长谷地中,当地下水浅埋藏条件下,合理选用音频大地电场法(中国地质调查局编,2005)、充电法(洪树琪,1980;何裕盛,1982;张兆京等,1992;杨华等,2001;李黔西,2003)与三极电测深组合,能起到有效、快速定位的效果。而当场地狭窄,浅覆盖,地下水埋藏深,大于100m时,采用音频大地电场法,音频大地电磁法(AMT)(石昆法等,2002;兰险等,2004)的被动源组合,不仅场地适应性好、效果显著,而且省时、经济。本文作者结合探测实例,阐述针对不同的岩溶地形、地貌及岩溶储水结构,如何选择方法组合,分析其地球物理特征,来达到最佳的的找水效果。2地下水的富集特征在岩溶区寻找地下水,以水文地质调查为先导,充分收集区域水文地质资料、掌握区域构造展布,可溶岩地层及岩性结构含水特点等,为后续的物探布置提供翔实的地质资料。虽然探测区岩溶地下水丰富,具有很大的开发潜力(王尚彦等,2006;蒋忠诚等,2006;裴建国等,2008),但由于岩溶储水载体在纵、横方向上发育极不均一,使得同一地区地下富水程度差异较大,但总体规律是岩溶地下水多富集于构造所控制形成的地下暗河或储藏于可溶岩层中。张性断裂、背斜轴部、向斜轴部以及有利的地貌类型等,强烈影响可溶岩的富水性(卢金凯,1985;戴洪刚等,2005)。地貌上常常会在地表出现一系列线状发育的洼地、漏斗及溶井,沟通地表水和地下水。从含水岩组分析,例如贞丰县二叠系的白云岩、灰岩。平塘县的石炭系、二叠系灰岩、白云质灰岩是主要的含水岩组。从结构上看,中厚层状白云岩,溶蚀裂隙发育相对均一,含水层也具有似层状的特点。由于质纯坚硬的可溶岩,在构造的作用下,断裂下切影响深度大,岩石破碎,裂隙发育、沟通面积宽,往往成为周边地下水汇集的通道,这些构造及影响带成为开发地下水的理想靶区。利用地球物理方法来探测岩溶地下水,是依据地下水体或储水介质与完整灰岩具备较大的电性差异为前提。音频大地电场法剖面曲线上相对背景值的“V”型低电位,联合剖面曲线的“同步低”异常或“低阻正交点”,充电法电位梯度曲线的过零点或接近零值的宽缓异常,对称四极电测深或AMT视电阻率断面的“V”和“U”型低电阻率区域,所有这些特征都可能指示地下岩石破碎、岩溶的富水性。当排除其它因素比如碳质夹层、泥质充填等干扰,这种异常特征就具备了明确的地质意义,可用于判断地下地质结构的富水性。3地下水位及含矿岩段设置贵州省平塘县摆茹镇坐标约为东经107°13′,北纬25°45′,海拔高程约776m,见图1(a)。测区内无地表水系和水利工程,受灾人口约3000人。在测区以南方向有一利用溶井扩深的抽水井,井深120m,遭遇持续的干旱,水源枯竭,人畜饮水十分困难。该探点位于北东-南西向的岩溶谷地内,属峰丛槽谷地貌,谷底地形较平缓。若沿东、西方向布置测线,地形起伏大,场地狭窄,不利于物探工作的开展,见图1(b)测区水文地质图。测区出露的岩层、土层有第四系(Q)耕植土、残坡积红粘土等,层厚0～20m。石炭系中统(C2hn)黄龙群厚层灰岩、白云质灰岩。二叠系下统梁山组(P1l)中-薄层石英砂岩及页岩。栖霞组(P1q)、茅口组(P1m)中厚层状致密灰岩、白云质灰岩或白云岩。二叠系上统吴家坪组-长兴组(P2w-c)薄-厚层燧石灰岩夹硅质岩和粘土页岩。二叠系上统大隆组(P2d)薄层硅质岩夹页岩以及三叠系下统飞仙关组(T1f)、永宁镇组(T1y)砂岩、页岩及泥灰岩。从岩石的含水性分析,参见图1(c)中130。方向的AB地质剖面,含水岩组主要为梁山组、栖霞组、茅口组和吴家坪组-长兴组可溶岩,岩层产状有利于部分地下水沿层面流动,并且在此含水岩组的东、西两侧均为隔水的碎屑岩。另外在测区的西北方向发育一北西-南东向断层,且切穿茅口组,吴家坪组-长兴组可溶岩,也有利于北、北西向地下水向测区附近汇集。选择可溶岩与非可溶岩接触带为地下水的富水靶区,基于可溶岩一侧相对富水,非可溶岩为隔水岩层,地下水从北、北西向南或南东运移时受阻,使得在接触面上地下水活动相对频繁、运移速度加快、压力大,导致此处可溶岩的岩溶发育速率明显增强,易形成地下洞穴网络或地下河,因而测区位于有利的找水靶区上。由场地条件、地下水位约30m,覆土最深20m,选择音频大地电场法、联合剖面法和对称四极电测深组合方法。图1(d)为物探测线布置图,从图2(c)第4线音频大地场法电位曲线看,低阻异常带宽约20m。当连接560/5测点,510/4测点(510/1)和440/3测点,指示了地下岩溶裂隙发育段的走向。沿走向布置的第1线联合剖面法,见图2(a),在585/1～705/1点出现宽缓的低阻异常带,且在590/1、690/1有“低阻正交点”,由于第1线沿异常带布置,ρsa和ρsb曲线分异性差。在图2(b)给出了第1线490、500、510、520和530点的测深视电阻率等值断面图。在510/1点(即505/4)AB/2=100m、150m处,视电阻率出现明显的“U”型相对低阻异常。建议孔位510/1点,该点解释推断为AB/2=1.5～25m段,土(冲积)层;AB/2=25～150m段,解释推断为破碎灰岩裂隙发育段;其中在AB/2=100m、150m处,推断灰岩中有溶洞发育。从单支测深曲线形态看,未能揭露低阻异常的底界。经成井测试,孔深150m,静止水位为地表下6m,当降深到地表下16m时,水量达5952.6t/d。说明钻孔已钻遇一北东向的地下暗河,地下水极为丰富。4岩相组织界面分析贵州省平塘县通州镇翁坝旱片坐标约为东经106°55′,北纬25°45′,海拔高程约1070m,参见图3(a)。该探点位于近东西的岩溶洼地内,受灾人口约3150人。测区出露地层:洼地为第四系(Q)耕植土、残坡积红粘土等覆盖,厚度小于10m。从西向东,岩性依此为石炭系中统黄龙群(C2hn)灰白色厚层白云岩。石炭系下统大塘阶摆佐组(C1b)厚层石灰岩、白云岩及白云质灰岩。上司段(C1d2)浅灰色中厚层灰岩,燧石灰岩夹泥岩。石炭系下统旧司段(C1d1)上部为灰色页岩夹砂岩,下部为中厚层灰岩。测区主要含水岩组为C1b、C1d2可溶岩,富水性强-中等,见图3(b)。在测区摆佐组中厚层灰岩中,岩层产状为290°∠40°,地下水主要从北部高山区沿层面及岩溶裂隙向南排泄,一部分地下水沿可溶岩(摆佐组C1b中厚层灰岩)与非可溶岩(旧司段C1d1页岩夹砂岩)的边界流动,在洼地的北侧发育一系列方向约95°的岩溶漏斗,据此推断存在一近东西向的断裂带,由西向东分别切穿黄龙群白云岩、摆佐组灰岩,再向东延伸与旧司段砂、页岩接壤,在断裂带南面为完整岩阻水层,使由北而下的地下水受阻转向西排泄流入摆佐组(C1b)灰岩与黄龙群(C2hn)白云岩接触带发育的溶洞中。主要含水岩组为摆佐组,覆盖层小于10m,地下水位埋藏浅(小于5m),为断裂带F控制下的岩溶裂隙管道水。考虑场地狭窄及水文地质条件,选择联合剖面、音频大地电场法、充电法和三极电测深组合方法。图3(c)为物探测线布置图,第1、第2和第3测线的联合剖面曲线,虽然曲线有低阻正交点,但交点连线不具有方向性,曲线形态变化不一致,且两支曲线分异性差。调整测线方位,第5和第6测线的音频大地电场法,连接405/5点、405/6点低电位,异常具有一定的方向,电位曲线反映一北高南低的高、低阻接触带。第4、第5和第6测线的充电法过零点很好地反映了这种接触面的存在,其过零点连线与地面的漏斗走向一致。图3(d)为第5线充电法电流归一化电位曲线,从过零点(412/5)两侧曲线的拐点变化分析,异常宽度约5m。为查明异常的垂向发育深度,在第5线的400、410、420和430点作了三极电测深,图4为410/5点三极电测深视电阻率测深曲线,该点地质推断解释为AO=0～3m段,冲洪积层;AO=3～50m段,推断为破碎石灰岩,在AO=10m、15m附近推测有溶洞发育;AO=50～110m段,推断为石灰岩中岩溶裂隙发育段;AO=110～150m段,推断为较完整灰岩。经成井测试,孔深150m,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234吨/天。由于下管至地表下65m,隔绝了上部含水层,使水量大为减少。5异常地质条件分析贵州省平塘县通州镇田坝旱片,受灾人口约2300人,丹坪为其中一个小组,见图5(a)。坐标约为东径107°01′,北纬25°42′,海拔高程约930m。测区位于北西-南东向岩溶洼地的东南端。该谷地长约3.5km,最宽约0.9km,为第四系冲洪积覆盖,谷地中央盖层厚,电测深资料推断覆盖层最深达60余米。根据区域地质资料,地下水埋藏深,约地表下40m。图5(b)为测区水文地质图,出露地层有石碳系下统岩关阶C1y、大塘阶C1d深灰色中厚层灰岩,白云质灰岩夹泥质灰岩。观察裸露的岩体,岩溶洼地的东、西两侧岩石颜色无明显变化,但岩石结构、岩溶发育情况各具特点。在洼地的东侧山体,岩石裸露,灰岩结构呈中厚层状,产状较水平,位于不同高程上,可观察到沿层面发育的大大小小溶洞,在山脚沿层面发育一系列的季节性泉,在雨季泉水顺层流出,向南或向南东方向排泄。而洼地的西侧山体,灰岩结构呈致密块状,无明显溶洞,但沿山脚发育有一系列的角洞,在与断层F的交汇处发育有进水溶洞,接收北、北西、北东方向的地表来水或季节性泉水。本测区的地下水储存形式主要为构造控制下的岩溶管道裂隙水,测区的西侧发育一近南北向的断层,切穿岩关阶C1y、洼地以及大塘阶C1d灰岩。图5(c)为物探测线布置平面图,在第1、第2测线的410点附近,发现一宽2～3m的岩溶角砾岩带,说明岩石已受构造影响,发生挤压变形,露头中灰岩碎块与胶结物特征明显,处于F主构造影响带内的次一级构造上。沿山脚发育的进水溶洞、漏斗以及岩溶角砾岩带,呈北西、南东走向,岩溶发育已具有一定的方向及宽度,具备良好的水文地质条件,是有利的找水靶区。考虑场地狭窄、浅覆盖、地下水埋藏较深等因素,选择音频大地电场法进行异常方向的追踪,再利用V8多功能电磁系统的音频大地电磁法(AMT)来进行深部异常的探测。图5(d)为第1线音频大地电场法电位曲线,图中清楚地看出,在410/1、420/1点间存在相对的低电位值,揭示地下岩溶裂隙发育,而高电位表明岩石相对完整。综合分析各测线,异常宽度约10m,三条测线异常连线方向约115°,与岩溶洼地走向一致,推测储水构造可能为范围较窄的小型岩溶管道。图6(a)为1线音频大地电磁法(AMT)视电阻率拟断面图,图6(b)为相应的地质推断解释剖面。从图中分析,最佳孔位应为405/1点,考虑钻机进场施工便利,移位至410/1点。覆盖层厚度0～20m,在400/1～410/1测点间为低电阻率区,断面上低阻异常带产状倾向南西,低阻等值线的稀疏带(电阻率在100～140Ω·m之间)或等值线的低阻封闭区(电阻率小于100Ω·m)指示地下岩溶发育,分别对应异常深度为50～100m和250m,推测灰岩中有溶洞发育。钻孔深度150m,经成井测试,静止水位为地表下18m,抽水试验表明,当降深到地表下41.6m时,水量为120t/d,可解决丹坪及附近村寨的人畜饮水问题。6背斜轴部单支地下水位岩石破碎带和缺失分区三家寨旱片位于贵州省贞丰县北盘江镇境内,其地理坐标约为(2831638,18565107),见图7(a),受灾人口约1200人。测区属岩溶峰丛洼地地貌,洼地呈北西南东走向,起伏较为平缓,工作区地表为第四系浮土覆盖,下伏三叠系下统安顺组(T1a2)中-厚层白云岩,处于北西南东向背斜的轴部。两翼为三叠系下统谷脚组(T1g1)灰色薄-中厚层灰岩与白云岩互层,产状较为平缓,见图7(b)。测区主要含水岩组为白云岩,地下水类型为受褶皱控制下的岩溶管道水,主要富集于溶洞裂隙中,且分布极不均匀。地下水自北西向南东流动排泄。在背斜轴部,由于来自侧翼的挤压作用,白云岩等硬脆性岩石易形成张性裂隙密集带,成为地下水的有利赋存部位,而地下水的不断活动,又促使可溶岩的进一步溶蚀,易形成地下洞穴网络或地下暗河通道。另外中厚层白云岩层间节理发育,成为沟通外围水力联系的有利条件,因此位于背斜轴部地段是寻找丰富地下岩溶水最为有利的靶区。场地平坦、覆盖层小于20m,地下水位约20m,选择联合剖面法和对称四极电测深组合。受限高速公路,测线布置呈北东南西向,第一测线联合剖面视电阻率ρs剖面曲线在415/1测点出现“低阻正交点异常”,推断该异常与岩溶管道发育有关。在图7(d)中,第二测线在415/2测点也出现“低阻正交点异常”,与415/1测点的“低阻正交点异常”曲线形态一致,且呈北西南东走向,与背斜轴部的延伸方向一致。另外在435/2～445/2出现同步低阻异常,当测点号大于465/2点,两支曲线逐渐分离,在第一测线435/1～465/1段也具有相似的起伏变化。推断这些异常与地下的岩石破碎,岩溶发育有关。在图7(c)390/2～460/2的8点对称四极测深视电阻率拟断面中,410/2、450/2测点浅部出现“U”型的低阻异常,揭示为地下水富集区。对比410/2,450/2测点,前者异常下延较深、横向发育较宽。图8为孔位410/2点处的对称四极测深视电阻率曲线和地质推断解释。单支曲线整体背景值高,在极距AB/2=30m、70m附近,视电阻率曲线呈台阶状起伏的相对低阻异常,结合视电阻率拟断面图,推测可能存在地下岩溶管道。钻探资料显示,孔深150m,静水位12m。抽水试验,当降深至孔口下22m时,水量达3124.5t/