基岩地下水高电阻率异常地质成因分析

蔡力挺, 孙珊珊, 王忠辉

(山东省第三地质矿产勘查院，烟台 264000)

0 引言

电阻率法是地下水勘探的主要地球物理方法，应用历史已经超过一百年，二战以后被广泛应用[1]。由于地下水及其他的天然水通常含有一定的矿物质，因而其电阻率通常小于100 Ω·m，地面观测电阻率随相对含水量、地层的渗透率和矿化度的增大而变低，因此岩矿石中所含水分对其电阻率有较大影响，含水目标通常为低阻特征[2-5]。一般情况下,电阻率高阻异常往往是地下孔洞、后期侵入的岩浆岩岩脉(如石英脉、伟晶岩脉、花岗斑岩、闪长玢岩及一些火山机构等)或沉积的盐类矿体(如大理岩、石灰岩、磷灰石、重晶石等)的反映[11]。高阻的地下孔洞是指未被地下水、泥质、碎石土充填或回填的采空区、巷道、溶洞等。作为电阻率法的重要分支，电阻率联合剖面法(联剖)常用作追索构造，寻找破碎带，电阻率测深法用来划分垂向电性分层、确定含水层段，指导钻井施工[6]。通常，联剖在遇到上述高阻体时，ρs曲线常表现为同步高阻或交错不清的高阻值，在勘查地下水的过程中，一般会当成无水目标，部署钻孔时会避而远之。但在相对低阻地层中，它却是寻找地下水的重要标志之一[6]。笔者通过多个成功探测分析这类地层中含水目标的电阻率异常特征，并从地质上分析了高阻异常的成因。

1 方法概述

电阻率法以地下介质间的导电性差异为基础，通过观测人工激励作用下传导电流的分布规律，圈定电性异常，并推断地下地质体导电性分布的一类地球物理方法[5-6]。电阻率法主要分为电阻率剖面法和垂向电测深两类。电阻率联合剖面法是一种常用且有效的追索构造的电阻率剖面法，它有两个三级装置组成(图1)，其中电源的负极C极置于无穷远，正极接A或B极。其ρs表达式如下：

图1 电阻率联合剖面法装置示意图Fig.1 Schematic diagram of resistivity joint section method device

(1)

(2)

式中，装置系数KA=KB=2π(AM*AN/MN)

2 探测实例

2.1 青岛莱西某村联合剖面探测

测区地层为白垩系上白垩统辛格庄组紫红色泥质粉砂岩、泥岩，覆盖层厚约0.5 m～1 m，地表水严重缺乏，很多方塘、大口井一昼夜的渗水量往往仅够抽取十多分钟，遇到旱季人畜饮水困难。2011年春季，山东省第三地质矿产勘查院在此村开展寻找深部地下水工作。

图2 青岛莱西电阻率联合剖面法Ⅰ剖面曲线图Fig.2 curves of section I of Qingdao Laixi resistivity joint section method

2.2 莱山镇某苗木基地联合剖面法地下水勘探

本项目为牟平区国土资源局重点帮扶项目，期望出水量7 m3/h。实地踏勘及地质资料揭示，测区出露岩性为古元古界粉子山群黑云母片岩，覆盖层厚为7 m～9 m，区域断裂以北东、北北东向为主。布设了近东西向激电联合剖面法测量，AB同样为AO=150 m、110 m两种极距，点距为MN=20 m。测量结果见图3，当AO=150 m时在101点出现同步高阻异常，在123点出现低阻正交点。通过平行激电联合剖面的测量确定前者走向北东、后者走向近南北。结合地质资料综合推断该高阻异常为隐伏的高阻岩脉的反映且从其曲线形态判断其北西倾，而低阻正交点为断层破碎带的反映。为确定该低阻正交点反应的破碎带的倾向，在121-131点段布设了AO=110 m的联剖测量，结果在124点出现低阻正交点，且曲线形态与前者相似，说明该断层破碎带倾向西。

图3 烟台市莱山镇苗木基地电阻率联合剖面法3剖面曲线图、地质剖面图及井位Fig.3 curve of 3 section of resistivity joint section method、geological profile and well location of seedling base in Laishan town, Yantai city

根据上述结果，井位定于122点(1#井)，钻探深度为150 m。钻探结果，0 m～9 m为粉土、黏土夹粉细砂;9 m～15 m为强风化黑云母片岩;15 m～70 m为相对完整的黑云母片岩;71 m～75 m为断层破碎带;75 m～150 m为新鲜的完整黑云母片岩，该井虽然穿过了断层破碎带，但该破碎带完全为黄褐色断层泥所充填，除风化层含少量水外，其他层段均无水。

后移至高阻异常处拟进行施钻，为慎重起见，在该剖面跨高阻异常段即93-103点补充了6个点距=20 m的测深剖面，并绘制了ρs拟断面图(图4)，由图4分析可知，高阻体北西倾，其西侧(上盘)局部及高阻异常西侧边部，形成了多个封闭的椭圆形低阻异常，推断应为含水密集裂隙带引起。井位最终定于高阻异常西侧边部即99点(2#井)，终孔150 m，出水量达25 m3/h。钻探结果揭示高阻异常为花岗质伟晶岩脉引起，北西倾，上盘及接触蚀变带局部裂隙发育，岩石较破碎，破碎物以碎石、角砾岩为主，也是最主要的含水层段。

图4 烟台市莱山镇苗木基地3剖面93-103点测深ρS拟断面图Fig.4 Pseudo cross section of 93-103 sounding points in Section 3 of seedling base in Laishan Town, Yantai city

2.3 山东莱阳市中荆村养殖场

图5 莱阳中荆村养殖场电阻率联合剖面法Ⅰ剖面曲线图Fig.5 curves of section I of resistivity joint section method in Zhongjing village farm of Laiyang city

根据上述测量及分析结果，井位定于高阻异常次极值点的北侧相邻的同步低阻点即65点，施钻深度为 130 m。钻探结果：0 m～2 m，砂质碎石土；2 m～53 m为完整紫红色砂岩;53 m～65 m岩石稍有破碎，钻出的岩粉开始潮湿，至67 m见水，水量达5 m3/h;73 m～75 m见石英碎屑碎块，水量达12 m3/h，穿过石英脉，又见紫红色砂岩，至终孔130 m，出水量达15 m3/h。

2.4 其他地区应用情况

应用这类解释方法在蓬莱潮水镇富阳蔡家村的古元古代荆山群片岩、片麻岩地层中寻找到隐伏的大理岩高阻异常，在其倾向方向定井，验证钻孔终孔120 m，出水量达35 m3/h。在临沂市郯城县泉源乡西南2 km处富康新村高阻异常验证孔所定十口井均获成功，一般出水量达10 m3/h以上，其中砂岩区的达60 m3/h。

3 高阻异常的地质成因

在火山碎屑岩、泥岩、泥质砂岩、砂页岩、云母片岩等相对低阻地层中、压扭性宽缓断裂构造破碎带中甚至长石含量高的花岗岩岩体中，风化物或破碎带往往呈粉末状、面状，遇水膨胀成泥状、黏土状及碎石土状，对地下水往往起着阻滞作用，所以一般在该地层中即使发育断裂破碎带形成低阻异常但往往不富水(图6(a))。

图6 低阻构造和高阻岩脉Fig.6 Low resistivity structidral and high resistivity dike(a)黏土状构造破碎带;(b)片岩中的花岗伟晶岩;(c)泥岩中构造角砾岩;(d)泥砂岩中的石英脉

而该地层中的高阻异常体一般为后期中低温热液侵入而形成的岩脉的反映，围岩受热液影响往往产生蚀变，其物理性质也相应发生变化，由塑性渐变为脆性、刚性；再者由于岩脉形成时会对围岩产生挤压、拉伸等作用，受应力作用蚀变岩多形成块状、角砾状、砂状等碎裂构造岩(图6(b))；且岩脉本身在形成过程中由于热胀冷缩作用其外缘也多形成密集性放射状、网状、柱状等张性裂隙[7-9]。上述特征为地下水的径流、运移、富集提供了大量的通道和空间，所以有时在野外寻找地下水时，高阻异常也往往为找水工作提供了目标方向和靶区(图6(c)～图6(d))。

虽然高阻体一般对地下水起到阻水隔水作用，但其上下盘及其接触带由于受地质应力作用往往较破碎，上盘及其接触带裂隙也多较下盘及其接触带裂隙发育[10]，所以井位一般情况下定于高阻体上盘，实际施工钻井过程中有时仅仅打到上盘的接触带(构造影响带)，出水量也会很大；有时高阻体上盘及其接触带水量不大时,可加大钻探深度穿透岩脉至其下盘接触带，因有时下盘及其接触带构造裂隙也很发育，特别是山区岩脉倾向与地势倾向一致时，脉岩由于本身阻水，地下水往往蓄集在其下盘及其接触带附近的空间里。

4 结论

虽然大量的地下含水层具有显著的低阻特征，但在一些特定的地区，高阻体和含水层的发育有着密切的联系并已被钻孔证实。山东的探测实例表明：用物探方法追索到高阻异常，但井位并不是定于其极值正上方，而是一般定于其倾向方向的陡降段或边部次极值点附近。实际工作中需要根据异常形态或多种极距测量判断出其倾向，并分析其倾向于地下水径流方向的关系，从而确定最佳井位位置。

电阻率法实践表明,高阻中找水不仅是物探数据解释的重要补充，也能从地质上找到合理的成因，从而上升为一种理论上的认识。利用高阻异常在寻找地下水具有较强的实用性，对于相对低阻的沉积地层中及压扭性构造破碎带内为断层泥的地层中，利用寻找高阻体的方式来指导寻找地下水，可提高地球物理验证的成功率。