豫西花岗岩地区深层地下水勘查方法探讨

杨秋玲 张景业 于忠东

摘 要：为解决豫西花岗岩大面积出露区的地下水勘查难题，以合峪岩体出露区为研究对象，建立并明确花岗岩地区深层地下水勘查路线。以水文地质条件为基础，以蓄水构造理论为指导，以深层构造裂隙水为目标，采用瞬变电磁、激电测深等综合地球物理方法开展地下水富水性评价。通过瞬变电磁快速查明深部断裂发育状况，通过激电测深视电阻率、视极化率、半衰时、衰减度等多参数评价断裂富水性特征，指导井位布置工作。总结的花岗岩地区深层地下水勘查路线，对类似侵入岩出露区地下水勘查工作具有指导意义。

关键词：地下水勘查;瞬变电磁法;激电测深法;花岗岩区;豫西地区

中图分类号：P641.7   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.013

Abstract：In order to solve the problem of groundwater exploration in the outcropped granite area in the western area of Henan Province， this paper took the Heyu outcropping area of rock mass as the research area， and established the exploration route of the deep groundwater in the granite area. On the basis of hydro-geological conditions， guided by the theory of water storage structure and aimed at deep structural fissure water， it used comprehensive geophysical methods to evaluate groundwater richness， such as TEM and IP sounding. Rapid Location of deep fracture by TEM， evaluated the water-rich characteristics of faults by multi-parameter of IP sounding， such as apparent resistivity， apparent polarizability， half time and attenuation parameters. The exploration route of deep groundwater in granite area summarized has an effective guiding significance for groundwater exploration in the similar intrusive rock outcropping areas.

Key words： groundwater exploration; TEM; IP sounding; granite area; western area of Henan Province

在豫西花崗岩大面积出露区，地下水主要赋存于风化壳蓄水构造、断裂蓄水构造中，为地下水极度贫乏区，近年来随着地下水位下降，人畜饮水难题更加突出。花岗岩地区深层地下水勘查和开发难度较大，成井成功率较低，其中以合峪岩体出露的栾川县合峪镇一带最为典型。通过分析，在花岗岩出露区深层地下水勘查过程中，导致成井成功率较低的主要因素有地球物理勘查方法选择不合理、水文地质调查与地球物理勘查工作脱节、钻探技术选择欠合理等。

在花岗岩地区开展地下水勘查工作时，采用的地球物理勘查方法以电磁法为主，主要有音频大地电磁法、瞬变电磁法、甚低频法、联合剖面法、电阻率测深法、激发极化法、高密度电阻率法、浅层地震法、EH4电导率剖面法、核磁共振法[1]等。深层地下水勘查以断裂蓄水构造为主要目标，其基本流程：首先利用快速高效的勘查方法圈定深部断裂位置，然后利用测深法查明储水构造的空间特征，最后利用激发极化法、核磁共振法等识别储水构造的富水性特征，从而确定井位及井深，并进一步指导钻探工作。在缺水山区开展地下水勘查工作，许多学者提供了丰富的研究成果。王献坤等[2]提出的多重环套理论以数学中的集合理论为基础，建立豫西缺水低山丘陵区供水勘查的逻辑推理模式，通过实际工作验证了该理论在复杂缺水山区供水勘查中的有效性;王玉海等[3]通过以含水层为条件、地质构造为基础、地下水流动规律为指导的储水构造三位一体找水模式，在渑池县缺水山区取得了宝贵经验;刘新号[4]通过对河南省缺水山区地质水文条件的分析，划分了4类蓄水构造类型，从而提出地下水系统特征分析、水动力特征分析与综合物探技术相结合的勘查方法，为豫西山区开展地下水勘查工作提供了理论依据和实用方法;屈利军等[5]在砂页岩大面积出露区，通过高密度电法、激电测深、音频大地电磁测深等综合物探方法取得了显著成果;郭建强[6]、李伟[7]、李云[8]、宋希利[9]、张保祥[10]、张彪[11]、唐新功[12]、刘伟[13]等利用综合物探方法在地下水勘查中均取得了显著成果;许艳等[14]分析了激发极化法中的参数“半衰时”在地下水勘查工作中的意义，提供了对富水性特征更直接的描述参数。

本文基于豫西贫困县精准扶贫工作，以栾川县合峪镇、庙子镇一带花岗岩大面积出露区为重点研究对象，以英雄村为例对花岗岩地区深层地下水勘查流程、地球物理异常特征等进行总结，以期有效指导类似地区地下水勘查工作。

1 研究区水文地质条件

1.1 研究区地质及构造背景

研究区属华北地台区伏牛山台缘隆褶区，位于合峪花岗岩岩体的西部，出露地层为中生代燕山期花岗岩层，岩性以二长花岗岩为主，灰白色、二长结构，块状构造（见图1）。岩石由石英、正长石、斜长石、角闪石组成。石英他形粒状，粒度1～2 mm，含量大于20%;斜长石半自形板状，粒度2 mm，局部被白云母交代，含量约40%;正长石他形粒状，粒度1.5～2.0 mm，含量约30%;角闪石柱状，含量约3%。研究区内大型断裂构造不发育，可见小型裂隙露头，以北东向裂隙束为主，经过调查，在三合沟附近发现两组断裂露头，均为隐伏断裂，被冲积物覆盖，其一推测走向近东西向，倾角大，宽度较小;其二推测走向北东向，为一组断裂束，力学性质属张扭性，与近东西向的断裂相互切割。

1.2 水文地质特征

研究区属于基岩山地水文地质亚区，是以侵入岩为主的水文地质段，地下水含水层主要有第四系松散含水层、基岩风化带裂隙含水层、深部构造破碎带裂隙含水层。第四系松散含水层以含有砾石、碎石的亚黏土、粉质黏土为主，沿沟谷分布，厚度不均;基岩风化带裂隙含水层以花岗岩风化层为主，受地形、构造等多因素控制，是近地表的基岩含水层;深部构造破碎带裂隙含水层受多期构造活动影响形成一系列构造破碎带及其次级裂隙，是研究区主要的地下水储水构造。第四系松散含水层、基岩风化带裂隙含水层主要沿沟谷呈条带状、枝状分布，深部构造破碎带裂隙含水层呈条带状、网格状分布。该区花岗岩大面积出露，一般致密坚硬，裂隙不发育，岩石含水量小、给水度差，是相对隔水层。

地下水补给来源主要为大气降水入渗，降水及其形成的地表径流沿松散层孔隙、基岩裂隙、构造破碎带入渗补给地下水，降水的远程补给是深部构造裂隙水补给的唯一来源。松散层孔隙水和基岩风化带裂隙水均以自然沟谷为隔水边界，基岩构造裂隙水以研究区南部和东南部的花岗岩为地下水的隔水边界。研究区内无大的地表水体，受气候条件、基岩风化程度弱和地形坡度大等因素影响，大气降水大部分形成地表径流，汇入沟谷自西向东流出该区，一部分沿着孔隙、裂隙渗入地下，补给风化带及其以上含水层，短途运移后，沿沟谷排出地表，形成泉水或补给季节性河流。

1.3 蓄水構造特征

通过对研究区蓄水构造类型进行调查分析，将主要的蓄水构造类型分为风化壳蓄水构造和断裂蓄水构造两类：①风化壳蓄水构造以一定厚度的基岩风化壳为含水体，以未风化完整基岩为相对隔水层，其补给以大气降水为主，径流以地表径流为主。研究区位于合峪岩体的西部，燕山期花岗岩大面积出露，花岗岩风化形成的风化壳为该类蓄水构造的主要含水空间，厚度薄，下部新鲜完整致密的花岗岩体为隔水层。风化壳蓄水构造受大气降水和区域水文地质条件制约，随着地下水位下降，勘查难度增大。②断裂蓄水构造以断层破碎带为主要赋水空间，以断层上下盘为隔水边界，一般以远源补给为主。根据水文地质调查结果，研究区内发现近东西向和北东向断裂露头，推测深部隐伏断裂较为发育。近东西向断裂和北东向断裂相互切割，岩体破碎，为地下水运移和赋存提供了良好的蓄水空间，因此断裂蓄水构造为研究区深层地下水的主要勘查目标。

通过对地下水赋存特征分析，发现研究区内含水岩组单一、蓄水构造类型少，属极度贫水区，断裂构造控制着该区地下水的赋存与运移，深层地下水以带状、脉状为主非均匀性分布，增大了地下水勘查的难度。根据实际情况，以蓄水构造理论为指导，建立该区深层地下水勘查路线，以深层构造裂隙水为主要目标，以水文地质调查为基础，以综合地球物理勘查为重要手段，辅以钻探验证，开展深层地下水勘查工作。

2 地球物理勘查

2.1 地球物理勘查工作部署

为精细描述研究区深部地下水蓄水构造的特征，根据研究区实际情况，采用瞬变电磁法进行剖面测量工作，快速寻找隐伏断裂的分布状态。瞬变电磁法不受接地条件限制，具有体积效应小、纵横向分辨率高、对低阻体反应灵敏、工作效率高等优点，是快速圈定隐伏构造、刻画隐伏构造空间特征较为理想的探测手段[13]。同时，采用激电测深法对隐伏断裂深部发育特征、富水性特征进行描述，通过视电阻率、视极化率、半衰时、衰减度等多参数描述富水性。根据前期调查结果，在英雄村三合沟一带发现近东西向和北东向断层露头，由此布设南北向瞬变电磁测量剖面，根据瞬变电磁测量成果布设激电测深点（见图2），开展地球物理勘查工作。

2.2 地下水预测标志

岩石的导电能力取决于岩石孔隙中溶液的多少及溶液的性质，因此表征岩石导电能力的电性参数电阻率与岩石的含水性紧密联系，岩石中含水量大，孔隙溶液就多，导电能力就强，岩石的电阻率就小;岩石的极化率的大小取决于岩石中微粒固液两相界面性质，在岩石孔隙处形成薄膜，易产生激电异常，从而产生激电效应[15]，这就是激发极化法勘查地下水的基本原理。

研究区地层主要为花岗岩，花岗岩上部风化壳视电阻率为相对低值，一般为100～200 Ω·m，下部完整花岗岩视电阻率为相对高值，一般为300～1 900 Ω·m。完整花岗岩体为相对高阻，但若岩体中发育断裂破碎带且破碎带中充水、含泥时，则表现为相对低阻，因此在视电阻率断面图上显示V或U形低阻异常。断裂破碎带与完整花岗岩电性差异明显，参考激发极化法多参数特征，含水断裂破碎带表现为高极化率、高半衰时、高衰减度等异常特征。

2.3 地球物理勘查成果

2.3.1 瞬变电磁测量成果

由瞬变电磁不同标高的视电阻率平面图（见图3）可知，研究区视电阻率可分为右侧中低阻和左侧高阻两大区域，视电阻率梯度带较为明显，共推测4条断裂构造（图中F）：近东西走向1条，为研究区内相对较大断裂;北东走向断裂3条，其中1条延伸较远，其他2条推测为局部发育的次级小型断裂。从图3中标高-250 m的视电阻率平面图上，推测断裂部位低阻特征不太明显;在标高-350 m到-450 m视电阻率平面图上，推测断裂部位低阻特征越来越明显。该区浅部断裂及裂隙发育部位，岩体破碎但富水性差，因此呈现为中高阻特征，与完整花岗岩体视电阻率差异不明显，与水文调查中发现的该区地下水位埋深超过200 m的地质信息基本吻合，推测该区域浅部富水性整体较差;中深部断裂破碎带充水，导致破碎带视电阻率明显降低，与完整花岗岩体区别明显。

由200线瞬变电磁视电阻率剖面（见图4）可知，在标高-250 m以浅，视电阻率曲线在横向上相对平缓，在纵向上逐渐变大，视电阻率曲线V形特征不明显，原因可能是破碎带中不含水，破碎带与完整岩体的视电阻率差异较小，这种差异不足以引起显著的低阻异常。在标高-300～-450 m段，在90、130、170、230号点附近，视电阻率曲线V形特征明显，推断为断裂构造（F），且与围岩视电阻率差异明显。