水文地质调查结合直流电法在赣南地区找水中的应用

欧阳波罗，易 强，路 韬，黄 超，邵长生*，肖立权，刘声凯

1. 湖南省水文地质环境地质调查监测所，湖南 长沙 410129；2.中国地质调查局武汉地质调查中心（中南地质科技创新中心），湖北 武汉 430205

赣南地区作为革命老区，经济的发展一直低于全国平均水平，是自然资源部定点扶贫地区，其中水资源缺乏是经济落后的主要原因之一（黄长生等，2021）。该地区农村人口多，贫困人口基数大、分布广，部分村落季节性缺水现象严重，遇干旱天气时人畜饮水困难，饮水安全问题亟待解决。因此，选择科学合理的方法勘察进而快速找到满足当地经济和社会发展的水源成了该区脱贫摘帽和乡村振兴的重要抓手。

国内外在地下水勘查方面采用的方法具有一定的相似性和普遍性，均通过地质手段或者物探等方法来探查地下水源（刘磊等，2015），并通过钻探工程验证。使用的地质手段有水文地质调查及地质测绘（刘声凯等，2021）、遥感等；而物探方法则有常规的直流电法（联合剖面法、高密度电法、激电测深法、自然电场法、充电法、电阻率测井等）和电磁法（瞬变电磁法、大地电磁法、可控源音频大地电磁法等）。从单一电法来看，高密度电法在花岗岩分布区（王晓龙等，2020）、变质岩分布区（刘振夏等，2019）、岩溶发育地区（欧阳伟和徐晓英，2013；梁海等，2017；王永生和张玉池，2018；郑智杰等，2019）等均有比较普遍的应用；激电测深法在内蒙古（刘慧娥等，2013）和河北省张家口（夏凡，2014）等地区找水均取得了成功；电法测井方法为海南石碌矿区地下水文地质勘查和地下水评价提供了可靠的水文地质资料（王紫维等，2019）；综合电法在地下水勘查工作中也有着广泛的应用，并取得了较好的成果，例如四川“红层地区”（王鹏飞等，2019）、甘肃北山地区（朱晓泉等，2019）、河西走廊（王伟，2010）、贵州岩溶地区（刘永锋等，2017）、祁连山山前缺水区（刘得福等，2006）、湖南怀化岩溶地区（邬健强等，2020）等。任磊等（2021）则采用音频大地电磁测深和高密度电阻率法相结合对海南省琼中县榕木村花岗岩区深部赋水断裂破碎带的位置、深度、规模和产状特征进行了探测，为该区的水文地质钻井孔位设计提供了有效技术支撑。综合上述，各方法均有其适用性及针对性，要想高效、准确地找到地下水，需要根据当地的实际情况选择相应的物探方法。

本文在前人工作和研究的基础上，分别在赣南地区花岗岩地区和寒武纪变质岩地区选择了两处缺水区，通过地质手段（水文地质调查及测绘）与综合物探方法（直流电法）相结合来寻找地下水，进行地下水源目标靶区选择，进而满足缺水地区的用水需求。

根据当地的地质地貌条件，首先开展水文地质调查，确定目标含水层，进而采用直流电法开展物探勘查工作，圈定含水有利区域，确定钻孔位置，后期经钻探和抽水试验验证，7处钻井打出了能满足当地村民需求的生活用水。

1 研究区概况

1.1 研究区基本情况

研究区1位于江西省赣州市赣县区田村镇根山村，根山村缺水人数为21户，94人，属第Ⅲ类“水质达标，水量不足”需求点。村民通过挖大口井蓄水模式，分散开采浅层第四系孔隙水为饮用水源，局部村民接山泉水作为饮用水。由于第四系孔隙水及山泉水主要补给源为大气降水，受季节变化影响较大，尤其是干旱季节，村民的饮用水难以得到保障。

研究区2位于江西省赣州市赣县区大田乡杜屋村。2017年以前，季节性缺水较为明显，2017年中国地质调查局武汉地质调查中心通过实施1口钻井解决了缺水问题。本次工作目标是在杜屋村实施一口矿泉水井，致力于当地的乡村振兴。

1.2 地质概况

根山村位于一近东西向的沟谷内，相对高差小于100 m，地势西高东低，周边大面积出露晚三叠世细粒白云二长花岗岩（T3ηγ），沟谷内以农业种植为主，底部为花岗岩风化砂土层覆盖。

杜屋村位于一北西向冲沟内，相对高差100～200 m，冲沟东侧出露的地层为寒武系牛角河组（Є1nj）绢云母板岩、变余细砂岩，西侧为侏罗纪中粒斑状（似斑状）黑云母花岗岩（J1γ）、二云母花岗岩，二者为侵入接触，沟谷底部为第四系覆盖。

1.3 水文地质概况

根据含水介质的不同将研究区的地下水类型分为风化带网状裂隙水和构造裂隙水。

根山村地下水类型为风化带网状裂隙水，主要赋存于花岗岩强风化层当中。地下水多呈散流形式排泄于沟谷或洼地中，泉流量一般较小。该层地下水受岩石裂隙发育程度及风化层厚度控制，在岩石风化作用强、风化厚度较大、风化带网状裂隙发育、大气降水较丰富的地区，水量较为丰富，反之则水量贫乏，富水性差。

杜屋村的地下水类型为构造裂隙水，受围岩地层岩性和裂隙发育程度制约，不同构造带的富水性差异巨大。裂隙发育地段一般充水裂隙较多，富水性较好。地形地貌及降水条件也是影响构造裂隙水富水性的重要因素。地势越高，植被越发育，降水量一般越大。因此基岩裂隙水富水性在分水岭地带往往较之山麓或坡谷地带富水性好。

2 找水技术与方法

根据现场的实际情况，因地制宜开展工作。找水工作的主要流程为：（1）水文地质调查、确定物探布线位置；（2）根据调查结果选择合适的物探工作手段并开展工作；（3）综合分析物探结果，确定布孔位置。

2.1 水文地质调查

结合研究区地质背景及地形地貌等条件，分别在根山村、杜屋村开展水文地质调查工作，通过调查确定研究区的富水部位（表1）。

表1 水文地质条件及富水部位一览表Table 1 List of hydrogeological conditions and water prospecting distract

2.2 地球物理勘探

2.2.1 地球物理特征

研究区地层岩性为花岗岩和变质岩，根据区域地质资料及前期物探资料（湖南省地质矿产勘查开发局416队，2017），结合对本次物探工作野外岩石物性测试可知：风化层视电阻率均小于200.0 Ω·m，强风化花岗岩视电阻率为200.0～600.0 Ω·m，中至微风化花岗岩在600.0 Ω·m以上，其值随岩体完整程度、节理裂隙发育程度、充填程度稍有变化 ；当花岗岩、变质岩类或红层区中含有充填地下水的构造裂隙破碎带时，电阻率相对降低，形成低阻异常。高密度电法工作效率高、数据密度大、点距小、施工方便，能直观、准确的获得地下目标地的电性异常形态，可以获得较丰富的地电断面特征的地质信息，提高了解释精度，因此高密度电法在花岗岩地区推断风化层厚度优势明显。

在构造裂隙破碎带上联合剖面曲线呈正交点异常特征，或ρsa、ρsb同步下降低阻异常特征（雷宛等，2006）；高密度电阻率法或视电阻率测深法确定的视电阻率等值线呈低阻“V”字型或疏密不均等异常特征，使用联合剖面法能根据此异常特征快速圈定构造裂隙等地质信息。因此高密度电法和联合剖面法均能在构造破碎带的探查中发挥巨大优势。

在充填地下水的构造裂隙破碎带或相对富水有利地段，激电测深法中视电阻率曲线ρs呈拐折状或平台状异常特征，视极化率ηs、半衰时TH、衰减度D呈相对高值异常（李金铭，2004）。因此，充填地下水的构造裂隙破碎带与完整基岩的电阻率存在明显的差异。激电测深方法能观测垂直方向由浅到深的视电阻率及对应的视极化率变化情况，通过分析激电测深曲线来了解测点下部沿垂向变化的地质情况。因此激电测深法多用于固定点不同深度的富水性探查。

基于以上物探方法的特征，结合水文地质调查结果来选择物探组合方法。根山村的主要目标含水层为花岗岩风化裂隙水，首先采用高密度电法来探查风化层厚度是非常科学的选择，在高密度电法基础上辅之以联合剖面法和激电测深法进行组合勘探能进一步提高解译的准确性。杜屋村的目标含水层为构造裂隙水，因此首先采用联合剖面法探查断层的发育特征，辅之以高密度电法和激电测深法勘探，能大幅增加成功率。

2.2.2 野外工作部署

基于水文地质调查结果及目标含水层的地球物理特征，在两个研究区用多种方法分别布置了物探测线（表2）。

表2 研究区测线布置一览表Table 2 Survey line layout in the study area

为查明根山村冲沟内第四系和花岗岩风化层厚度，沿冲沟底部布置一条北东东走向的测线，编号为7线，同时采用高密度电法和联合剖面法进行勘探，如图1所示，在此基础上于异常点采用激电测深法（2点）探查花岗岩风化层的富水性。

图1 田村镇根山村物探工程布置图Fig. 1 Layout of the geophysical prospecting project in Genshan Village, Tiancun Town1.三叠系细粒白云二长花岗岩；2.物探测线及编号；3.实际钻孔位置及孔深；4.联剖、高密度物探线；5.物探有效解译的起点/终点

为了查明杜屋村冲沟底部断层的发育特征，以冲沟底部为中点，布置了两条近平行的北东向测线用于追索构造走向，编号为42线、43线，分别采用高密度电法和联合剖面法进行勘探。另外沿冲沟布置一条北西向测线补充勘探，编号为44线，用高密度电法查明断层的次生构造（图2）。

图2 大田乡杜屋村物探工程布置图Fig. 2 Layout drawing of geophysical prospecting project in Duwu Village, Datian Township1.侏罗系中粒斑状（似斑状）黑云母花岗岩；2.寒武系牛角河组（Є1nj）绢云母板岩、变余细砂岩；3.物探测线及编号；4.建议钻孔位置及孔深；5.实际钻孔位置及孔深；6.物探推断断层；7.地质界线；8.物探有效解译的起点/终点；9.联剖、高密度物探线；10.高密度物探线

3 物探资料解译

3.1 田村镇根山村

根据高密度电法视电阻率断面图及二维反演断面图（梁开华等，2013）（图3a、3b），推断花岗岩风化层平均厚度为10.0～25.0 m；在460～540号点段，视电阻率等值线呈疏密不均匀的异常特征，同时在二维反演断面图中，呈低阻条带状异常特征，推断为裂隙发育段，同时结合联合剖面法曲线（图3c），在480号点附近，视电阻率大小极距曲线均呈低阻正交异常特征，推断为花岗岩中裂隙发育部位，推测该处相对富水。

为进一步评价上述异常点处的垂向地质信息及富水情况，在480号点、510号点开展了激电测深探测，从510号点激电测深曲线图（图3d）上可见，在AB/2=30 m、80 m即深度20.0～30.0 m、60.0～ 80.0 m位置，视电阻率ρs呈拐折或平台状异常特征，同时视极化率ηs、半衰时TH、衰减度D呈相对峰值异常，推断为含水段，富水性好（李国占和王璇，2009）。综合物探解译结果，建议在510号点处施工探水钻孔，孔深120 m。

图3 田村镇根山村物探解译图Fig. 3 Geophysical interpretation map of Genshan village, Tiancun town（a）高密度电法视电阻率拟断面图；（b）高密度电法电阻率二维反演断面图；（c）联合剖面法曲线图；（d）510号点激电测深曲线图

3.2 大田乡杜屋村

物探结果显示，42线、43线高密度电法视电阻率断面图（图4a、5a）均在460～500号点附近视电阻率等值线呈梯度带异常特征，同时二维电阻率反演断面图（图4b、5b）在460～500号点附近等值线不连续且呈低阻带异常特征，据此推断此处为断裂构造带（张彪等，2015）；同时结合异常点处的联合剖面法曲线（图6a），在460号点附近，大小极距视电阻率曲线均呈相对低阻正交异常特征，与高密度电法结果相吻合；综合高密度电法和联合剖面法结果，推断断裂构造带倾角约75°左右，倾向北东（易强等，2020），其平面位置见图2。

图4 42线高密度电法断面图Fig. 4 High density electrical method section of Line 42（a）视电阻率拟断面图；（b）电阻率二维反演断面图

为在断裂构造带上推断其垂向地质信息及其富水性，同时结合高密度电法视电阻率等值线断面图、联合剖面法曲线图中异常特征，在42线460号点、43线500号点开展了激电测深法，从42线460号点激电测深曲线图（图6b）可知，460号点测深曲线在AB/2=100 m、150 m位置，即深度70.0～80.0 m、100.0～110.0 m段，视电阻率ρs呈拐折或平台状异常特征，视极化率ηs、半衰时TH、衰减度D呈相对峰值异常，建议在此点位施工探水孔，孔深100 m。

图6 42线联合剖面法（a）和激电测深（b）曲线图Fig. 6 Cross section and IP sounding curve of line 42

3.3 钻探验证情况

3.3.1 田村镇根山村

物探解译结果显示花岗岩风化层厚度为10.0 ～ 25.0 m（裂隙发育带）。在推荐的点位施工了一口钻井，孔深101 m（图1），其中4～17 m为花岗岩强风化带，为主要富水段。钻探结果与物探解译基本吻合。经抽水试验验证，实测最大涌水量达146.89 m3/d，水量水质均满足了根山村的需求（表3）。

3.3.2 大田乡杜屋村

物探解译结果显示在42线460点施工钻孔能取得较好的效果，但由于该点不具备施工条件，实际钻孔施工位置沿推断的断裂构造带往334°方向平移约240 m（图2），孔深110.3 m，其中在深度约80.0 m处发现破碎带，与物探推断深度70.0 ～ 80.0 m基本吻合。本钻探孔并未施工在物探建议位置，而是在物探推断断裂构造带上施工，并在相应深度揭露破碎带，足以说明物探结果的可靠性，最终涌水量为126.23 m3/d，偏硅酸含量38.55 mg/L，满足供水要求，达到了工作目的（表3）。

图5 43线高密度电法断面图Fig. 5 High density electrical method section of Line 43（a）视电阻率拟断面图；（b）电阻率二维反演断面图

表3 钻孔描述及抽水试验结果Table 3 Borehole description and pumping test results

4 讨论

根山村位于一东西向沟谷内，经地质调查，未发现明显构造活动迹象，沟谷内花岗岩风化程度较高，因此找水重点为具层状富水特征的花岗岩风化裂隙水。由于高密度电法在推断风化层厚度方面优势明显，因此首选高密度电法进行勘探，同时选用联合剖面法来探查沟谷内是否存在隐伏断层，最后采用激电测深法探查不同深度的富水性，为推荐钻孔孔深提供数据支撑。

杜屋村位于一北西向沟谷内，地势北高南低。根据水文地质调查，沟谷两侧地层岩性存在明显差异，因此存在断层的可能性较大，找水目标主要为垂向结构的构造裂隙水，因此首选对探测地下良导板状体有较好效果的联合剖面法进行勘探，以圈定构造裂隙带在平面上的分布位置，辅之以高密度电法和激电测深法减小干扰误差。

综上所述，综合物探作为一种工作手段，需要与水文地质调查结合起来才能发挥最大的作用。综合物探工作的开展需要建立在明确工作目标，掌握地形地貌、地质背景及目标含水层等基础上，再根据目标含水层的不同选用合适的物探工作方法，在工作量允许的条件下应尽可能采用多种物探方法互相验证，从而减少因单一方法多解性问题对推断结果的干扰误差，为后续的钻探工作提供更为可靠的选点参考。

5 结论

本文以赣州市赣县区根山村和杜屋村为实例，探讨了水文地质调查结合综合物探方法在地下找水中的应用。实践证明，野外水文地质调查确定含水目标层是找水工作的基础，采用适合含水目标层的物探方法可准确高效地查明勘查区含水层分布、埋深、结构以及赋水特征等，从而为钻孔孔位比选及精准定位提供数据支撑，在找水勘查中具有较好的应用前景，可为后续的找水工作提供借鉴和参考。