综合电法勘探在“红层地区”找水中的应用

王鹏飞， 李 勇， 李 富， 杨 帆， 李雪梅， 张文鑫

(1.成都理工大学 地球物理学院，成都 610059； 2.中国地质调查局 成都地质调查中心，成都 610081； 3.四川省地矿局 成都水文地质工程地质中心，成都 610081)

0 引言

沐川县地处四川盆地西南缘，在四川盆地与云贵高原过渡地带上，峰峦起伏，沟谷纵横，地形陡峻。地质结构复杂，水文地质条件差，地下潜水位逐年下降，尤其在红层地区，缺水问题更严重，群众的生产、生活用水已经十分紧张。《乌蒙山贫困缺水区1∶50 000水文地质调查》项目是结合国家精准扶贫政策，因地制宜，科学有效地解决当地经济发展的瓶颈——水资源问题[1]。根据实地考察和走访调查，当地居民的生产、生活用水主要为：地表水、泉水等，季节性变化比较明显，冬季降水量减少，地下水位下降，会出现严重缺水的情况，并且水源的清洁度也影响到当地居民的健康，所以寻找充足、洁净的水源是是解决当地贫困问题的有效手段之一。

在缺水地区寻找地下水资源，综合物探方法是不可缺少的技术手段。目前国内、外找水定井的方法较多，尤其是2010年在我国西南地区抗旱打井中使用了可控源音频大地电磁、电阻率测深法、电剖面法、高密度电法、核磁共振等方法，但是效果不是特别显著。近年来，经过多次的实践与研究，我们在四川盆地边缘的侏罗系“红层地区”寻找基岩裂隙水，以及灰岩地区寻找岩溶水，地球物理勘探方法都取得了显著的成效。根据工区不同的地质、水文特征、物性差异以及地球物理勘探技术的特点，我们将不同的物探方法进行有效组合，最终在工作区宏观定性探测中取得了很好的效果。

由于本次工作的主要任务是解决当地居民的饮水困难问题，从物探方法的选择上要尽量避免居民用电、人文干扰等因素，所以主要选择使用分辨率较高、抗干扰能力强的电阻率法方法[2]。作者在分析目前常用物探找水方法的基础上，根据其优缺点和工区的地质概况与物性特征，应用了高密度电法划分地层—激电测深法确定含水层位—电测井验证成井效果的技术组合方式，相比李富等[2]在相似区域所使用的物探方法，该物探组合方式能够克服单一物探方法本身的局限性，发挥该组合方式的优势，相互验证，提高物探资料的准确性，从而可以准确地了解该区域在水平方向和垂直方向上的电性分布特征，并对该区域各种岩石的电性特征进行准确地划分，有利于对探测成果的电性特征进行定性分析，能够更准确地对目标体进行定位。根据高密度电阻率、密集型激电测深和电测井测量成果的校正深度，与钻孔的实际含水层深度进行对比，得到实际误差为6%，证明多种物探方法的组合方式能够快速地划分地层、确定含水层位埋深，验证成井效果，该技术组合方式将为“红层地区”找水提供一定的借鉴。

1 工作区地质概况

工作区在乐山市沐川县凤凰村，地处沐川背斜南翼与建全向斜复合构造带，地质构造较为复杂，在新构造运动的作用下，沐川图幅整体处于隆升中。在地质构造较为复杂的工作区内，要解决群众的饮水问题，就必须拿出行之有效的地球物理勘探方法。

1.1 工作区地层特征

工作区位于健全向斜的一翼，出露地层主要(图1)为侏罗系中统呈红色、褐色的陆相及浅水湖相沉积地层，即为“红层”覆盖区，出露地层主要有遂宁组(J2sn),上沙溪庙组(J2s2),下沙溪庙组(J2s1)和第四系残积层(Qel+dl)。

遂宁组(J2sn)地层上段主要为灰色、紫灰色含钙质块状泥岩，局部偶见灰绿色斑块，泥灰岩互夹层，部分层段夹粉砂岩层；下段主要为棕红色钙质泥岩夹少量粉砂岩或中层状长石岩屑细砂岩；上沙溪庙组(J2s2)主要为紫红色粉砂岩，少数为灰绿色，部分层段颜色较夹杂，长石含量较高；下沙溪庙组(J2s1)有浅灰色长石石英砂岩，暗紫色、灰色、灰绿色粉砂岩、钙质泥岩互层，部分区域上部含页岩，底部为中粗粒长石石英砂岩，局部具砾岩；第四系残积层(Qel+dl)由砾石、块石、漂石、砂、黏土等组成。

1.2 工作区水文地质特征

工作区内的地下水类型主要有松散层孔隙水、基岩裂隙水等。松散层孔隙水主要零星分布于第四系冲积、冲洪积、残坡积、滑坡堆积、坡洪积地层中，分布情况很不稳定。含水层主要为粘土、粉质粘土、砂卵石、碎石等，其中，粘土和粉质粘土的吸水、持水性好，但透水性和给水能力极差，遇水弱膨胀，富水性贫乏，含水层结构复杂，含水层结构影响补给和径流，含水量随季节性变化比较明显，松散孔隙水局部具有承压性；基岩裂隙水的埋藏和分布非常不均匀，含水带的形态也是多种多样，受地质构造和地貌条件的控制。而在该区域泥岩为主要的阻水带和隔水带，但是在脆性较强的砂岩中，其断裂破碎带孔隙、裂隙发育构造可以富集地下水。这种构造主要分布于沐溪河周围的山地的中，分布极不均匀，工作区内泉水流量一般为0.3 L/s～1 L/s，受季节性影响比较明显，一般丰水期流量是枯水期的2倍～4倍。寻找富水性构造或含水岩层是本次地球物理勘探的目标。

工作区内汇水面积较大，地下水补给条件相对较好；年降水量在1 200 mm左右，植被丰富，包气带的岩性主要为砂岩和砂泥岩夹层，厚度大，渗透性相对较好地下水径流复杂，所以把握该区域的地下水径流情况和隐伏地质构造的位置对井位的确定具有重大的意义[4]。

1.3 工作区物性特征

根据工作区内各种岩石的电性特征，可以将出露地层划分为4类电性组合：①低阻类；②中低阻类；③中高阻类；④高阻类(图2)。从图2可以看出，低阻类的视电阻率主要为遂宁组上段泥岩，其视电阻率为10.5 Ω·m～57.3 Ω·m；中低阻类的岩性主要为遂宁组粉砂质泥岩，其视电阻率为43.6 Ω·m～67.8 Ω·m；中高阻类的岩性主要是上沙溪庙组粉砂岩，其视电阻率为60.5 Ω·m～120.7 Ω·m；高阻类的岩性主要是泥灰岩，其视电阻率为85.6 Ω·m～198.3 Ω·m。由于泥岩、粉砂质泥岩、泥灰岩和粉砂岩之间存在视电阻率的差异，因此使用电阻率方法能够定性分析。

2 物探方法成果分析

根据工作区内的地质情况和水文地质调查需求，采用了高密度电阻率法和激电测深法对ZK16井位选定以及电测井方法对成井效果的验证。主要以定性—定量—验证的原则，提出了适用于红层地区的物探组合新技术，该技术组合方法能够克服单一物探方法效果的局限性，提高勘查资料的准确性,有效提高成井率。

图1 工作区地质简图Fig.1 Geological sketch of the work area

图2 工作区物性分布特征图Fig.2 Physical distribution characteristics of work area

图3 凤凰村高密度电阻率法推断成果图Fig.3 Inferred results of high density resistivity method in Phoenix village

2.1 高密度电法成果分析

首先采用高密度电法(温纳装置)对工区地下地质体的岩性和地质界线进行划分，测线布置于凤凰村中部，总共布设100个电极，电极距为10m，测线方位角45°,由于村庄内房屋的影响，测线西部略有弯曲。

由图3可以看出，整条剖面以中高阻电阻率为主，其中高电阻率与低电阻率互层分布区域，推断总体特征为泥岩、粉砂岩互层分布；剖面浅部以低阻为主，推测为第四系粘土、块石、卵石等覆盖层 ，厚度约5 m～15 m；剖面的中浅部有一层中低阻视电阻率异常，推测主要为泥岩层，也夹有粉砂岩薄层，厚度约15 m～45 m；剖面的中部有一层高阻异常，推测为泥灰岩层，厚度不均，仅剖面的西南边电阻率特征明显，厚度约3 m～15 m；剖面的中深部有一层中低阻电阻率异常，推测为泥岩层，厚度约35 m～80 m；剖面深部也以相对高阻为主，推测为沙溪庙组粉砂层，厚度约25 m～40 m。在240 m～360 m和460 m～560 m测线下方发现隐伏的低电阻率异常区域[3]，由含水结构的电阻率的异常特征可以推测为含水破碎带或基岩裂隙，说明该构造含水的可能性很大。该低阻区域的发现，为下一步井位的确定提供了可靠的依据。

从整条剖面来看，含水较少的泥灰岩表现为高阻异常，泥岩表现为低阻异常，粉砂岩表现为中阻异常，与该区域岩石的电性特征资料基本吻合。剖面能清楚的划分出第四系覆盖层、遂宁组和沙溪庙组之间地层界线，找到隐伏的低阻区域，该资料可以为探采结合井井位的确定提供依据。

图4 凤凰村ZK16激电测深视电阻率视与极化率对比Fig.4 Visual and polarizability comparisons of apparent resistivity in ZK16 electromagnetism bathing in Phoenix village

图5 凤凰村ZK16激电测深半衰时与衰减度对比Fig.5 Comparison of attenuation half-life and attenuation of ZK16 in the Phoenix village

图6 凤凰村ZK16电测井视电阻率与自然电位对比Fig.6 Comparison of apparent resistivity and natural potential of ZK16 electric logging in Phoenix village

图7 凤凰村ZK16物探与钻探资料综合解释地质剖面图Fig.7 Comprehensive interpretation of geophysical prospecting and drilling data of Phoenix village ZK16

2.2 激电测深成果分析

为了进一步定量分析凤凰村探采结合井位的深部地质情况以及含水层位，在工作区内开展密集型激电测深，测量参数为：AB/2=6～270，测量视电阻率、视极化率、半衰时和衰减度等参数，进行定性解释。

从图4可以看出：该剖面的视电阻率值曲线特征反映明显，剖面中主要以低电阻率、低极化率为主，清晰地反映了凤凰村激电测深剖面上的地质特征。视电阻率为22 Ω·m～50 Ω·m，视极化率值为0.48～0.9。仅在AB/2=80 m～108 m处，出现高视电阻率为31 Ω·m～39 Ω·m，视极化率值为0.67～0.79。根据高极化率与中低阻异常的找水特征，推测其含水性较好层位应是AB/2=80 m～108 m的位置，推断为粉砂岩层，其对应的深度是乘以校正系数才与钻探实际深度对应[8]。

半衰时(Th)是断电后二次场 ΔV2第一个取样值衰减到一半时所需要的时间[4]。实践表明，在含水层上，其半衰时Th通常以高值异常出现，半衰时大，表示极化介质二次场放电慢，而半衰时小，则表示放电速度快；在含水岩体上，其半衰时Th通常都多以高值异常形式出现。该测点的测深曲线对应的半衰时值大于1的位置为(图5)：AB/2=80 m～110 m处，推测该层位的含水性较好。

衰减度(D),即在断电后二次场由断电后的最大观测值衰减到某个百分数时所对应的时间[5]，在实际工作中，用D来衡量二次场的衰减速度，在富水地层上，D一般呈高值反应[6]，从图5可以看出：AB/2=45 m、65 m、80 m、108 m，共4个点的衰减度(D)均大于0.4，最大值为0.56，对应的AB/2=79 m～108 m，推断确定含水层位深度主要在AB/2=79 m～108 m。

根据高密度电阻率法和激电测深法成果综合分析，将井位确定在高密度测线510 m处(图3)，含水层位确定在激电测点剖面深80 m～110 m处。

2.3 电测井成果分析

电测井是井中物探中的一种水文测井方法，是ZK16探采结合井的勘探过程中必不可少的技术手段。利用电测井可以获取更完善的地质资料，确定含水层的位置、厚度、划分咸淡水分界面，能够有效提高成井质量[9]。本次电测井主要选用视电阻率、自然电位等参数进行分析。

通常第四系孔隙含水层，基岩裂隙含水层中的水与钻井的井液之间存在明显的矿化度差异，在含水层上会产生电动势[10]。电测井视电阻率与自然电位测井曲线(图6)，能够明显地反映出随着井深的变化参数的改变情况，可以明显地看出各含水层的深度：在AB/2=18 m～20 m处出现自然电位较低的区段，视电阻率转折点，推测该处以上为第一层位，为第四系覆盖层，弱含水；在AB/2=22 m～28 m为自然电位上升区段，视电阻率极高的值转折区段，推测该处是第二层位，为含水泥灰岩层；在AB/2=40 m～56 m出现了自然电位稳定上升区段，视电阻率表现为中低阻异常，推测该处是第三层位，为泥岩层；在AB/2=58 m～70 m出现电阻率上升，自然电位下降，推断该段为第四层位，为泥灰岩与砂岩互层，该段弱含水；AB/2=80 m～107 m出现自然电位大幅上升，视电阻率急剧下降，分析得到该段为砂岩层，为主要含水层。

2017年8月16日，在洗井之后，使用Diver水位记录仪器开展抽水试验，由Q—t、S—t关系曲线获得该水井静止水位埋深3.4 m, 允许最大涌水量Qmax=180 m3/d , 能够满足整个村子村民的生活用水。

3 钻探与物探资料综合解释

根据钻探工程资料查明，ZK16钻孔由浅入深地层岩性分为5段。第一段：0 m～10.8 m，第四系紫红色黏土，紫红色卵石和块石以红色黏土填充岩；10.8 m～19.4 m，紫红色卵石，成分以紫红色砂岩、泥质粉砂岩为主；该段含水，以松散层孔隙水为主；第二段：19.4 m～22.3 m，紫红色泥岩，岩心较为完整，弱风化，为主要隔水层，部分岩芯段含有砂岩和粉砂岩薄层；第三段:22.3 m～61.2 m，青灰色泥灰岩，质地细腻，节理裂隙发育，节理面无填充，部分岩芯见溶蚀孔洞，为含水层；第四段：61.2 m～89.0 m，为泥岩砂岩互夹层，岩芯完整，未见裂隙，在部分泥岩段含有约0.5 cm厚的石膏层，呈丝绢光泽；第五段：89.0 m～107.0 m，为粉砂岩层，岩芯破碎，节理裂隙发育，推测构造破碎带，为主要含水层。

根据钻井岩心观测，该井主要含水段位于11 m～18 m为第四系松散层孔隙水；35 m～55 m，为遂宁组泥灰岩节理裂缝和溶蚀孔洞中的基岩裂隙水；85 m～107 m，为沙溪庙组砂岩节理裂隙中的基岩裂隙水,与高密度电法、激电法参数、电测井分析的含水层深度基本一致，根据钻探与物探资料综合解释地质剖面图(图7)，可以看出物探与钻探资料十分吻合，说明该物探组合方式能够快速、有效地划分地层，确定含水层位，解决红层地区找水困难的问题。

4 结论

《乌蒙山贫困缺水区1∶50 000水文地质调查》项目在沐川县开展的物探方法确定探采结合井的找水工作，结合水文地质资料，最终确定了3口钻井的孔位，其中2口井位成功出水，成井率达68%。出水的探采结合井，既可以为该区域的水文地质调查提供科研数据，又可以满足当地群众的日常生活、生产用水，科研价值和社会经济效益都十分显著。

笔者通过在沐川县凤凰村红层地区物探找水的应用实例，将目前使用的物探找水方法的优点、缺点、适用范围等进行了对比，结合地质资料分析得到了适用于该区域的优化的物探组合方式，该组合方式的使用主要得到了以下结论：

1)针对红层地区找水难的问题，经过研究与实践该技术组合方式能够有效、快速地确定井位，能够从根本上解决该地区的居民饮水困难问题。

2)该技术组合使用的高密度电阻率法能够划分浅部地层的地质界线；激电测深法能够有效地定位含水层位；电测井可以确定含水层位以及含水量，能够很好地验证确定井位方法的准确性。

3)定性—定量—验证的研究思路和高密度电法、激电测深得到的地层层位深度转换为真深度的参数[7]，可以更好地为今后类似的红层地区找水工作提供借鉴。