大别山西南麓变质岩贫水区综合找水方法研究——以湖北孝昌县卫店镇汪家湾地区为例

马文宁，周丁扬，刘振夏，安静

(1.北京师范大学地理科学学部，北京 100875；2.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250109；3.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074)

0 引言

大别山区是我国著名的红色革命老区，也是我国14 个特殊困难地区之一。汪家湾地区地处长江与淮河的分水岭一带，是我国重要的生态功能区和长江中游地区重要的生态安全屏障。汪家湾地区内地表水资源相对较为贫乏，地层以元古界变质岩为主，受地下含水介质的影响，地下水资源也很缺乏(李智民等，2014)。本文以1∶5万水文地质调查为基础，结合大别山变质岩山区特殊地形地貌及水文地质条件，探寻在变质岩贫水山区找水的系统方法，通过建立找水的工作模式，评价不同找水方法在变质岩山区的适用性，探寻一套适宜变质岩贫水区的找水方法。

无论在什么类型的岩性地区，水文地质条件分析是寻找地下水的重要基础。水文地质条件分析最主要的就是对地下水系统的形成与划分以及特征进行分析。通过前人研究发现:在影响基岩地下水的诸因素中，地质构造是控制地下水埋藏、分布和运移的最主导的因素，而地层岩性是地下水赋存的最重要的基础(许广明和张燕君，2004；武选民等，2010)。

80 年代我国水文地质学家将地下水系统理论引入到我国，在此基础上进行更进一步的研究，结合我国具体水文地质条件，使之更加成熟，应用更加广泛。地下水系统理论在我国平原区有了广泛应用。刘光亚(1981)较为系统的对基岩蓄水构造类型进行了划分，明确了不同的基岩蓄水构造类型。张之淦和陈伟海(2000)在广西来宾岩溶地区的研究表明，通过水文地质面上调查找出蓄水构造，可以很大程度上减少找水的目标靶区面积，提高找水效率。兰自亭和刘玉忠(2005)通过对缺水的豫北山区进行构造找水应用研究，发现地下水的富集规律受构造的影响明显，并总结归纳出不同的构造富水区，作为找水目标区。刘宝华和宋茂峰(2006)通过对松嫩平原变质岩地区地下水的赋存规律研究发现，变质岩地区断层破碎带，大多数被充填固结，富水性较差，但经后期构造作用和风化作用，富水性能得到显著增强，富水地下构造的寻找方向应为尚未胶结或经过再破坏的构造带、年代较新或活动的构造破碎带、多条构造交汇的破碎带等。刘新号(2011)提出断裂构造是各类贫水山区的主要控水、导水和富水构造，断裂蓄水构造是在贫水区寻找地下水的主要目标区。邓启军等(2013)以唐县史家佐村地下水勘查为例，对贫水山区的构造裂隙富水性进行了探究。刘伟朋等(2018)在结合区域水文地质调查，在太行山贫水山区的找水研究中提出，风化壳蓄水构造和断层蓄水构造是主要找水目标区。汪云等(2019)在泰莱盆地找水工作中，提出了基岩风化壳蓄水构造、断裂蓄水构造、水平岩层蓄水构造这三类典型蓄水构造。

我国的物探工作起步于二十世纪三十年代，到八十年代开始进行大规模物探找水工作(吴海成等，1998)。21 世纪以来随着地球物理科学的进步和发展，同时也为了提高找水效率和准确度，越来越多的物探方法被应用于不同地区的找水工作中(唐慧杰等，2004；刘振夏等，2020)。其中，电法由于探测精度高、开展简便被广泛应用，主要包括音频大地电磁法、高密度电阻率法、激发极化测深法等(姬广柱等，2001；马延君，2013)。研究表明，音频大地电磁法勘探分辨率高，受地形影响较小，对隐伏构造具有很好的探测效果(李霞等，2018)。激发极化测深法不受地形起伏和围岩不均影响，对裂隙水的水位埋深和富水带反映比较直观，含水层埋深越浅、厚度越大，则电测深法效果越好(郑东明等，2005)。高密度电阻率法精度高，施工简便，对复杂地质条件下的构造具有很好的识别效果(冼诗盛，2015)。联合剖面法受地形影响较大，但具有水平分辨能力强、异常明显的特点(刘伟等，2018)。

汪家湾地区地质、地形条件复杂，由于单一物探方法受其原理制约，往往具有不可避免的缺点。因而，根据不同的地质、水文条件选择不同的物探方法，开展多方法的综合物探找水工作，对于准确识别富水异常，降低钻探失败率，提高找水效率具有重要意义(于纪玉等，2009；舒勤峰等，2013；余京，2017；张立剑等，2019)。本文以湖北孝昌县卫店镇汪家湾地区为例，通过高密度电阻率法、电阻率联合剖面法、音频大地电磁法开展了综合找水研究工作，为今后变质岩贫水山区找水提供了参考。

1 研究区概况

孝昌县卫店镇汪家湾地区位于湖北省北部，坐标范围113°45′～114°00′E，31°20′～31°30′N。研究区地处大别-桐柏造山带南缘，江汉平原东北方位。区域属亚热带大陆性季风气候，降雨时间分布不均，季节性缺水严重。研究区主要属于府河流域。区内红层及河谷第四系区域水系、堰塘、小型水库分布较多，但大范围分布的变质岩山区地表水较为匮乏。

研究区内广泛分布元古界变质岩与侵入岩，第四系松散堆积物、白垩系-古近系碎屑岩，地层出露于澴水支流两岸，出露范围小且相对分散。元古界变质岩分布广泛，变质岩风化裂隙含水岩组是研究区内主要含水岩组。不同时代的侵入岩在元古界变质岩区域零星分布。研究区内广泛分布多种构造现象，主要包括断层、韧性剪切带等，这些构造为研究区内的地下水富集提供了富集条件。

根据水文地质调查及水文地质钻探成果，依据地下水埋藏条件、含水介质类型，研究区内地下水可分为松散岩类孔隙水、碎屑岩孔隙裂隙水、变质岩风化裂隙水和岩浆岩风化裂隙水。研究区水文地质简图如图1 所示。

图1 孝昌县卫店镇汪家湾地区1∶5万水文地质简图(自测)

2 确定找水靶区及物探布置

研究区内存在一芦苇荡，附近泉眼众多，沿北东-南西向出露，其中单泉最大流量约0.5 L/s，泉水流量变幅小，常年不干，推测地下水来源于深处，为远源补给，地下水类型为构造裂隙水。汪家湾地区主要岩性为马鞍山超单元Pt3βμ和大鹤山单元Sβμ辉绿岩，该处辉绿岩局部变质作用明显，根据地面露头，岩层中裂隙发育，未见明显泥质填充，推测导水性较好。由于有泉水出露，推测此处地下存在隐伏构造，为潜在富水地区，因此在此处布置物探测线，探测该找水靶区的地层结构及地层富水条件。该处选用音频大地电磁法、激发极化法、高密度电阻率法、电阻率联合剖面法四种物探方法进行联合勘探，对比四种物探方法在基岩山区找水的优劣势。

在该处使用的四种物探方法遵循先从平面上寻找异常位置，再在垂向上确定异常深度的思路，因而先在此处自西向东方向布置相同起点和终点的高密度电阻率法、音频大地电磁法和电阻率联合剖面法测线，通过这三种方法确定钻孔位置后，再以目标钻孔位置进行激发极化法测深，确定含水层深度，如图2 所示。

图2 汪家湾地区高密度电阻率法、电阻率联合剖面法、音频大地电磁法测线布置图

3 物探异常解译

高密度电阻率反演图(图3)所示，从图中可以看出地表上覆层大概0～20 m，为冲积层、坡积土、残积黏性土、风化地层等，电阻率值相对较低，电阻率值约为10～20 Ω·m；下伏基岩，主要为马鞍山超单元Pt3βμ辉绿岩，电阻一般大于20 Ω·m。地表里程830 m 附近呈相对高阻，推测为裂隙不发育的变辉长辉绿岩，而地表里程950 m 附近呈现相对低阻，推测为裂隙发育的辉绿岩，因而推测此处为相对富水的裂隙集中发育区域。

图3 汪家湾地区高密度电阻反演剖面图

音频大地电磁法反演图(图4)所示，在地表里程830 m 处呈现相对高阻现象，地表里程950 m 处呈现相对低阻，推测此处为岩体破碎区，同时可见，音频大地电磁法有着更大的探测深度，可见其低阻延伸较深，推测该处为大型构造裂隙。

图4 汪家湾地区音频大地电磁法反演剖面图

电阻率联合剖面法视电阻率曲线图(图5)所示，地表里程830 m 附近呈相对高阻，而地表里程950 m 附近大极距呈正交点，因而推测830 m 附近为裂隙不发育的辉绿岩，950 m 附近为裂隙发育的辉绿岩。

图5 汪家湾地区电阻率联合剖面法视电阻率曲线图

通过高密度电阻率反演图、音频大地电磁法反演图和电阻率联合剖面法视电阻率曲线图的对比可以发现，三者均能反映地表里程830 m 附近的高阻现象和950 m 的低阻现象。相对于高密度电阻率反演图反映的区域上的局部低阻异常，联合剖面法视电阻率曲线图的正交现象可以更好的确定低阻异常在平面上的位置。

根据三种物探方法的综合判断，确定地表里程950 m 为潜在富水区，以此处为目标进行激发极化法测深，探明该处垂向上的岩性变化。

激发极化法测深曲线图(图6)所示，在AB/2 ＝3 m 即深度为3 m 时，视电阻率存在一个最小值，随后随着深度的增加视电阻率不断增加，该处激发极化法的视电阻率对地下含水层并没有一个较好的反映。在AB/2 ＝10～20 m、80～90 m 即深度为10～20 m、80～90 m 左右的位置视极化率呈峰值异常，因而，推断10～20 m 为表层风化裂隙水含水层，80 m 附近裂隙发育，富含基岩裂隙水，为目标找水层位。

图6 汪家湾地区950 m 处激发极化法测深曲线图

4 探采结合孔验证

根据综合物探技术方法解译结果，在剖面950 m 处布置钻孔ZK01，坐标31°20′29.86″N、113°54′39.03″E，钻孔深度170.75 m，验证物探结果和地层富水情况。

根据钻孔取芯，0～14.28 m 为第四系覆盖物和辉绿岩风化层，为风化裂隙含水层，初见水位11.3 m，与激发极化法测深曲线图10～20 m 视极化率峰值异常相符合。39.93～62.33 m 为碎裂状辉绿岩，岩芯呈短柱状或碎块状，裂隙发育，其中两方向裂隙倾角相反，倾角分别为55°和45°，蚀变普遍而强烈。该处裂隙发育，但并未在激发极化法测深曲线上有所反映。98.86～163.65 m 为碎裂状辉绿岩，岩芯呈短柱状或碎块状，破碎严重，蚀变强烈，推测为隐伏构造。该处裂隙发育，与激发极化法测深曲线图80～90 m 视极化率峰值异常较符合，由于深度较深，在数值上有一定的误差。

以39.93～62.33 m 和98.86～163.65 m 两段为主要含水层进行抽水试验。经抽水试验，测得最大单位涌水量为0.1956 L/m·s，地层平均渗透系数1.85 ×10-4cm/s，属于丰富富水性、中等透水地层。

该处找水达到预期目标，钻孔揭露到该处裂隙集中发育的地下含水层。钻孔结果也很好的验证了物探结果。

5 讨论

5.1 物探技术方法应用特点分析

通过孝昌县卫店镇汪家湾地区的多物探方法联合勘探进行找水勘探实例，说明了高密度电阻率法、激发极化法、音频大地电磁法、联合剖面法四种物探方法在变质岩贫水山区找水中的不同特点:

(1)高密度电阻率法在揭示地层岩性、隐伏地质构造方面可以达到比较好的效果，可准确圈定异常区域，但对于部分多期构造叠加地区精确度有待加强。由于其呈现形式为二维平面图，所反映的异常为区域异常，因而在找水打井的过程中，具体井位的选择需要其他的辅助手段，或以经验来判断。由于极距和测线长度限制，高密度电阻率法的勘测深度较浅，对于一些区域深部构造，其往往做不到有效的识别。

(2)音频大地电磁法作为一种剖面方法，其呈现形式也为二维平面图，可同时反映地层岩性在水平向和垂向上的变化，较于高密度电阻率法，有着更深的探测深度，对于那些区域性的深部隐伏构造有着很好的识别效果，对于这种由于深部隐伏构造导致的地下水富集具有很好的识别效果。

(3)联合剖面法由于其横向分辨率高，异常幅度大，且呈现形式为一维曲线的形式，因而其对于在平面上判断异常的准确位置有着很好的指示作用，可以根据异常点的具体位置来选择找水打井的钻孔位置。但由于其并不能进行垂向上的异常识别，且异常幅度大，往往会对异常现象起到放大作用，因而还需结合其他方法来剔除干扰异常和识别垂向上的异常埋藏深度。

(4)激发极化法测深由于其为垂向上的异常识别，往往作为在平面上确定异常位置后的辅助性勘探，用以确定异常的埋深。激发极化法测深在对浅层异常的识别上具有较高的精度，但由于其测量方式的限制，其识别单位深度往往呈指数上升，因而对于较深部的异常位置的识别有一定误差。通过实际工作中发现，实际异常的埋深往往较测深曲线上识别的深部异常位置要偏深。

5.2 找水经验总结

通过对上述四种方法的特点分析，以及孝昌县卫店镇汪家湾地区的找水实际情况，在变质岩区的实际找水工作中，建立“面-线-点”的找水工作模式，即通过野外面上调查，进行水文地质分析，寻找潜在富水区，在潜在目标富水区布置物探剖面，确定钻孔位置点，再以钻孔位置点为目标进行激发极化法测深，准确确定富水地层的埋深，确定钻孔进尺。

对于野外面上调查中，有明显构造现象出露，且地形条件较好的潜在富水区，这类地区的富水构造往往埋深较浅，由于高密度电阻率法其浅部分辨率较高，因而可选择高密度电法作为剖面方法来确定钻孔位置。对于野外面上调查中，未见明显构造现象出露的潜在富水区，这类地区的富水构造往往为深埋隐伏构造，因而可发挥音频大地电磁法探测深部较深的优势，选择音频大地电磁法作为剖面方法确定钻孔位置。对于那些地质条件复杂，地层、构造条件多变的地区，还可增加电阻率联合剖面法作为补充，发挥电阻率联合剖面法异常幅度大、分辨率高的优势，作为高密度电阻率法或音频大地电磁法的补充，在剖面上准确定性，以电阻率联合剖面法中的低阻正交点为依据，准确进行含水层在剖面上的位置的确定，提高识别准确率。在确定含水层埋深的时候，高密度电阻率法或音频大地电磁法这类定量测量往往受解译人的经验影响较大，难以从剖面上直观的判断出低阻异常埋深，因而可通过激发极化法测深这种定性测深方式，以视电阻率或者视极化率的变化拐点为依据，来进行直观的判断，确定地下含水层的埋深，进行辅助判断。

6 结论

(1)音频大地电磁法在探测深度上具有较大优势，对一些深部构造引起的地下水富集的低阻异常具有较好的识别效果。高密度电法在探测精度及效率上拥有较大的优势，因而对浅层地下水富集的低阻异常具有较好的识别效果。

(2)联合剖面法和激发极化法能有效确定钻孔布设的平面位置和钻进深度。联合剖面法横向分辨率高，异常幅度大，对于在平面上判断异常的准确位置有着很好指示作用，可以作为音频大地电磁法和高密度电法的辅助来准确确定钻孔位置。激发极化法测深对地层垂向上的岩性变化有着很好的识别作用，虽然在对深部异常的位置识别有一定误差，但较于音频大地电磁法和高密度电法更为直观，因而可以用来辅助确定钻孔深度。

(3)在变质岩区的实际找水工作中，建立“面-线-点”的找水工作模式。首先通过野外面上调查，进行水文地质分析，寻找潜在富水区，然后在潜在目标富水区布置物探剖面，确定钻孔位置点，最后再以钻孔位置点为目标进行激发极化法测深，准确确定富水地层的埋深，确定钻孔进尺。这一工作模式为今后变质岩贫水山区找水提供了参考。