水文地质调查与综合物探在赣南花岗岩地区找水中的应用

刘声凯，刘海飞，黄 超，肖立权，李望明，隆兴民，赵敬德

(1.湖南省地质矿产勘查开发局四一六队，湖南株洲 412003；2.中南大学有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室，湖南长沙 410083；3.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083；4.湖南省地质工程勘察院，湖南株洲 412003)

0 引言

赣南革命老区是全国较大的集中连片特困地区，是国家自然资源部的定点扶贫地区。该地区农村人口多，贫困人口基数大、分布广，部分乡村常年季节性缺水，生活用水难、水井浅、水质差，饮水安全问题亟待解决。

在赣南扶贫找水工作中，宁都县下属乡村缺水尤为严重，安全生产、生活用水没有保障，其主要原因是该地区分布着大面积花岗岩，浅地表赋水性和水质均较差，当地村民无法通过挖掘浅水井来解决饮水安全问题，因此该区成为本次扶贫找水工作的重点和难点。本文从找水方向、方法技术及案例分析的角度，探讨水文地质调查与物探方法组合在赣南宁都县花岗岩地区找水中的应用。

在地下水资源勘查中，常以水文地质调查为前提，从水文地质的角度研究和分析地下水的赋存规律(于丽莎等，2019)，再以物探方法作为主要勘查技术手段，查明风化裂隙、断裂构造的分布特征和赋水情况。物探方法的选取主要根据找水场地的复杂性酌情选择单一方法或组合方法(武毅和朱庆俊，2004，武选民等，2009，苏永军等，2014)。对于单一物探方法案例，地面核磁共振法(曹光奇和周仲华，2006)和双频激电法(柳建新等，2013)用于花岗岩地区寻找地下水；激电测深法用于砂砾石地层(薛胜利和凌丹丹，2019)和石灰岩地层(陆云祥等，2011，许艳等，2014)寻找地下水；高密度电法用于变质岩地区(刘振夏等，2019)和岩溶地区(郑智杰等，2019)寻找地下水；天然电场选频法用于红砂岩地层寻找地下水(杨天春等，2017)；自然电场法用于砂砾岩地区寻找地下水(刘加文等，2009)。在地下水资源勘查中，应用综合物探方法寻找地下水的案例相对较多。电阻率法与充电法结合在黔东山区抗旱找水取得了成功应用(何帅等，2015)；音频大地电磁法、高密度电法及联合剖面法组合在碎屑岩地区找水效果明显，为物探方法优化组合和找水思路提供了借鉴(黄国民等，2019)；联合剖面法、高密度电法和激电测深法组合在贫水板岩地区找到了优质地下水，解决了当地百姓的生产、生活用水难的问题(康方平等，2020)；高密度电法和激电测深法组合在花岗岩地区(时彦芳和李波，2020)和红层地区(王鹏飞等，2019)寻找地下水均取得了较好的勘探效果；段佳松(1999)利用浅层地震折射波法和电测深法在花岗岩地区开展了十余年的找水工作，总结了这种方法组合的优缺点和找水工作思路，找水效果显著；李国占和王璇(2009)利用激发极化法与天然电场选频法验证了在花岗岩地区寻找构造裂隙水的有效性。宋洪伟等(2012)采用音频大地电磁法和激电测深法、徐坤等(2018)采用AMT和MT法寻找深层地下水，划分了含水构造分布；朱晓泉等(2019)采用联合剖面法和激电测深法在矿质干扰异常区找到了优质地下水；(杨天春等，2017)研究了电阻率测深法和天然电场选频法在花岗岩地区寻找地下水的快速定位技术，总结了物探方法组合在花岗岩地区的找水经验；张彪等(2015)、王丽妍等(2019)总结了音频大地电磁法和高密度电法组合分别在花岗岩地区和泥质灰岩地区在寻找构造裂隙水的方法技术和勘探效果。上述地下水勘查方法与技术为本项目的实施提供了方法借鉴和指导。

本文基于前人的找水方法与技术，在中国地调局赣南饮水安全项目的支撑下，对赣南宁都县、于都县和赣县下辖20个缺水村镇开展了水文地质和水文物探勘查工作，圈定了含水有利区域，优选出较佳的钻孔靶位，后期经钻探验证，多数钻井打出了满足当地村民需求的生活用水。采用水文地质调查、联合剖面法、高密度电法在赣南宁都县花岗岩地区开展了地下水勘查工作，根据勘查结果总结了花岗岩地区的找水方法与技术，分析了水文地质与物探方法相结合寻找地下水的有效性，对花岗岩地区开展水文地质调查、水文物探勘查、水资源开发与利用具有很好的指导意义。

1 工作区地质概况

1.1 地质概况

(1)地层岩性

在测区内可见大面积岩浆岩出露，具多期性，主要为侏罗纪花岗岩，以岩基为主，岩墙岩脉次之。具体为早侏罗纪世(J1γ)细至中粒斑状似斑状黑云母花岗岩、二云母花岗岩和中侏罗纪世(J2γ)细粒至中粒二云母花岗岩、黑云母花岗岩、黑云母花岗闪长岩。在研究区外围可见震旦系下统(Z1)浅灰、灰白色变余细粒凝灰质砂岩、凝灰质粉砂岩、沉凝灰岩、凝灰质板岩组成的互层以及白垩系下统赣州组(K1g)砂砾岩夹长石砂岩、页岩，底部为砾岩、玄武岩和凝灰岩。具体如图1所示。

(2)地质构造

区域构造属南岭东西复杂构造带，经过多期构造活动，以北东和北东东向为主(图1)。主要形成于加里东期，后期尤其是燕山期在此基础上进一步发展或剪切，主要切割震旦系至泥盆系地层和奥陶纪至白垩纪岩体，控制石炭系至白垩系地层的沉积分布，多为压性及压扭性，延伸长一般为10 km左右，倾角一般60°，个别构成区域性大断裂。

图1 测区地质概况与物探位置简图

1.2 水文地质概况

工作区含水岩组主要由侏罗纪黑云母花岗岩、二云母花岗岩、黑云母花岗闪长岩等组成。据赋存条件划分为构造裂隙水和风化带网状裂隙水两种类型。

(1)构造裂隙水的富水性受地层岩性和构造条件制约，裂隙发育地段一般充水裂隙较多，富水性较好；同时地形地貌也是影响构造裂隙水富水性的重要因素。

(2)风化带网状裂隙水主要赋存于强风化带和中等风化带中，分布较均匀，其富水性强弱与风化壳厚度密切相关。岩石风化作用强，风化厚度较大，风化带网状裂隙发育地带，水量为丰富；岩体风化层厚度一般，风化裂隙较发育地带，水量为中等；岩体风化层厚度较薄，风化裂隙较发育地带，水量贫乏，富水性差。

2 找水方法与技术

勘查工作分布在宁都县下辖的东韶乡田营村蔬菜基地和东山坝镇的赣背村、廖源头组和小源村，四个测区均为花岗岩地区，因受季节性影响，生产生活用水没有保障。本次找水工作的主要技术路线为：(1)开展水文地质调查，明确找水方向，确定物探测线；(2)选择物探方法，设计工作参数；(3)数据处理与资料解释，布设钻孔。

转变相关工作人员的管理理念和完善相关的管理制度，可在一定程度上为林业产业结构的优化打下坚实的基础。在有关林业资源的管理中，根据当地的实际情况和居民以及市场的需求来优化林业的产业结构，有针对性地栽培合适的植株，在此基础上对本地的林业资源进行合理的规划和应用，这对林业资源实现其经济和生态价值具有十分重要的意义。优化产业结构不仅能为林业资源的管理提供必要的经济支持，还能在一定程度上改善相关工作人员的工作环境。

2.1 明确找水方向

根据当地的地形、地貌、地质构造及岩性特征，判断主要地下水类型，主要思路为：(1)在花岗岩缓丘地区，地形较平缓、风化层厚度较大，地形对风化裂隙水的富集有利，而花岗岩露头较差，断裂构造和岩脉构造不易发现，寻找构造裂隙水较困难，应把寻找风化裂隙水作为主要找水方向。(2)在花岗岩山区，地形切割通常较强烈，岩石受风化剥蚀-侵蚀作用较强，风化带厚度较小，地形对风化裂隙水的富集不利，而花岗岩的出露条件和地下水的出露条件均较好，断裂构造及岩脉构造的痕迹较易发现，因此应把寻找断裂构造及岩脉构造裂隙水作为主要找水方向。

对4个测区进行了现场水文地质调查，明确各个测区的找水方向，具体见表1。

表1 水文地质条件及找水方向一览表

2.2 确定物探方法与工作参数

在本次扶贫找水工作中，由于找水点较多，时间紧迫，每个测区仅布置了一条物探测线，测线布置及跑极方向如图1所示。本次物探工作从快速、有效的角度选择联合剖面法和高密度电法作为本次寻找地下水的主要方法。为能够确定断层倾向，联合剖面法设计了两个极距，小极距为50 m或70 m，大极距为110 m或150 m，点距为10 m或20 m。为确保高密度电法有一定的探测深度及异常在横向上不发生偏移，观测装置选择温纳装置，电极60根，点距10 m。受篇幅限制，本文在物探方法原理方面不再赘述。

2.3 数据处理与资料解释方法

(1)数据处理

为压制数据干扰及提高探测效果，本文采用中南大学研发的直流激电反演系统IPInv对电法数据进行处理，然后根据处理后的数据绘制相关成果图件(刘海飞等，2015，2017)。

数据处理流程为：(a)对于联合剖面法数据，当勘探线地形起伏较大时，则采用比值法经地形改正后，再利用Grapher软件绘制联合剖面视电阻率曲线，否则不做任何处理直接绘制曲线。(b)对于高密度电法数据，首先将仪器采集的原始数据文件转换成可用于分析处理的文件格式，然后剔除掉断面中因接地电阻过大、地表陡坎及地下局部不均匀体等因素造成的坏点，在此基础上进行电阻率二维反演处理，最后利用Surfer软件对实测数据和反演数据绘制等值线图(杨桂林和刘金涛，2008，孙仁斌和楚丽霞等，2017)。

(2)资料解释

结合水文地质资料对物探成果图件进行分析与解释，解释的依据和原则为：(a)明确围岩和含水目标体的电阻率分布范围。(b)含水的断裂构造、节理裂隙、地层界线附近，在联合剖面曲线上呈低阻正交点特征，或Ra、Rb曲线呈同步低阻的“V”字形特征；而在高密度电阻率等值线图上呈梯度带、错断、同形扭曲、陡坎等形态特征。(c)深入挖掘水文地质资料信息，加强联合剖面曲线图与电阻率等值线图的综合解释分析。

3 物探成果与钻探验证对比分析

依据上述方法与技术对4个测区开展了找水工作，由于测区①与④、②与③物探结果类似，这里仅列出①、②测区的物探成果图并加以分析。

3.1 物探成果分析

(1)东韶乡蔬菜基地

图2为东韶乡田营村蔬菜基地物探成果图。其中图2a为极距AO=70 m、BO=70 m的联合剖面曲线，在剖面550～590段Ra和Rb曲线呈正交特征，由于两支曲线的分异性较弱，难以判断出正交点的准确位置，而对于极距AO=150 m、BO=150 m的联合剖面曲线，如图2b所示，在剖面610处出现相对明显的低阻正交点，并且向小号方向Ra和Rb曲线的分异性有增大趋势，推断在该点附近为断裂构造发育带。与该异常对应的高密度拟断面(见图2c，570～630段)则无明显异常显示，但对于图2d所示的高密度电阻率二维反演结果，在该区域等值线从20 m深度向下逐渐变得稀疏，并且有向小号倾斜的趋势，与联合剖面结果较吻合，推断该异常为断裂构造的反映，在剖面620处布设了探水孔。后期经钻验证：0～8.9 m为第四系冲洪积层；8.9～16.0 m为风化花岗岩；16.0～100.3 m为构造裂隙较发育的花岗岩，富水性强，具体见图2d中的钻孔柱状图，可见高密度电阻率二维反演结果与钻探揭露较吻合。

图2 东韶乡田营村蔬菜基地物探成果图

(2)东山坝镇赣背村

图3为东山坝镇赣背村物探成果图。其中图3a为极距AO=50 m、BO=50 m的联合剖面曲线，在剖面380处Ra和Rb曲线呈正交点特征；图3b为极距AO=110 m、BO=110 m的联合剖面曲线，在剖面420处Ra和Rb曲线呈正交点特征，推断为断裂构造的反映，综合两交点在剖面上的位置可以推断出该断层倾向于大号方向。在剖面430处附近，两个极距的联合剖面曲线均呈现出“V”字形低阻异常，同时在高密度视电阻率拟断面图上(如图3c)也能较清晰地反映出该低阻异常的存在，并且也呈现出向大号点倾斜的趋势，这进一步印证了断裂构造的存在。通过电阻率二维反演处理，反演结果如图3d所示，从图中可以更加清晰地看出断裂构造的空间形态特征，推断破碎带宽度约30 m，倾角约70°，因此在剖面420处布设了探水孔。后期经钻验证：0～6.3 m为第四系及全风化花岗岩；6.3～14.0 m为中风化花岗岩；14.0～84.2 m为构造裂隙发育的花岗岩，石英脉胶结，富水性弱，具体见图3d中的钻孔柱状图。

图3 东山坝镇赣背村物探成果图

3.2 钻探验证

对表1中的4个测区布设的钻孔均开展了钻探验证和抽水试验工作，具体如表2所示。根据钻探资料对物探成果做进一步分析，测区①地处北东向地势较平坦的宽谷内，汇水面积大，虽然花岗岩风化裂隙带与基岩裂隙引起的物探异常相对较微弱，但富水性较好；测区②和③存在断裂构造带并与物探测线交角较大，物探异常反映较好，钻孔岩心有断层角砾揭露，但探水孔出水量较小，两测区断层为压性断层的可能性较大。另外，廖源头组受场地施工条件影响，钻孔所在位置在较浅位置揭穿断层，也是其水量较小的原因之一；测区④存在北东向断裂构造，河谷内北东向断层发育，钻孔位于断裂破碎影响带内，岩心中网状裂隙发育，地下水补给条件好，钻孔出水量大。

表2 钻探结果和抽水试验一览表

2019年赣州市脱贫攻坚关于安全饮水达标验收标准为：人均每天饮用水量达60升以上为完全达标。从抽水试验结果来看，总体达到了预期要求。

4 结论

通过对赣南宁都县花岗岩地区水文地质与综合物探联合找水方法的应用研究，得到以下结论：

(1)地下水资源探查应先开展水文地质调查和靶区优选工作，明确地下水的赋存规律和类型，有针对性地选择物探勘查方法、工作参数、数据处理和资料解释方法等，从而达到事半功倍的效果。

(2)在地质规律不清楚的地区开展地下水勘查工作，要尽量选择综合物探方法，在异常走向方向上布设平行对比剖面予以验证，减少单一方法或单一剖面对含水异常推断解释的多解性问题。

(3)当构造裂隙水作为主要找水类型时，应明确断裂构造为张性断层还是压性断层。对于张性断层，在没有后期岩脉或其他物质填充时，其透水性及含水性较强，钻孔出水量通常较大。而压性断层是在较高围岩压力下产生的，其构造裂隙多呈密集的细小裂隙，其透水性和含水性较差，而且越靠近断层出水量越小，这是在花岗岩地区找水时应该引起注意的。