湘东地区红层盆地找水物探方法有效性试验研究

王 红， 张叶鹏， 曹 恒， 黄朝宇

(湖南省有色地质勘查局 二四七队，长沙 410129)

0 引言

红层在我国主要是指中生代以来即三叠系、侏罗系、白垩系和新生代古近系的湖相、河流相、河湖交替相或是山麓洪积相等陆相碎屑岩，多以夹层互层出现，从外表看，主要颜色为红色。地质界曾经普遍认为红层地区地下水水量贫乏，水质较差，找水不利，难以作为供水水源[1-2]。在湖南省境内红层出露范围占全省面积30%左右，在湘东地区更是广为发育，主要包含长平断陷盆地、衡阳盆地、茶陵盆地、攸县盆地等，多成NNE向展布，是新华夏系构造Ⅰ级沉降带和其次级沉降区[2]，而长沙、株洲、湘潭、衡阳等主要城市位于红层盆地内，所以红层找水对湖南经济发展亟亟重要。用于找水的物探方法很多，传统电法、电磁法、天然场选频法、高分辨率浅层地震、核磁共振法(NMR)等，传统电法中联合剖面装置、对称四极测深装置及高密度电法等，电磁法中瞬变电磁法(TEM)，可控源音频大地电磁法(CSAMT)，EH4连续电导率成像技术等应用较多[3-12]。经前人研究，湘东地区红层中最有意义的含水层是灰砾岩，而红层中褶皱、大断层极少，小断层、派生断层及节理、裂隙是主要的控水因素[2]，基于此，笔者选择常规电法中的激电中梯装置、联剖装置以及对称四极测深装置，直流充电法和高密度电法在长沙市周边某地开展红层综合物探找水方法有效性试验。

1 水文地质及地球物理前提

1.1 水文地质条件

研究区处于长平断陷盆地中央，地貌分为剥蚀构造丘陵与河流堆积V级阶地两类，其北、西、南三面环山，中、东部为湘江、浏阳河冲积阶地，自南往北阶地由老至新递降。地形平坦，海拔在54 m～70 m范围。

图1 研究区水文地质简图Fig.1 Diagrams hydrogeological in study area

序号地层岩矿石名称标本块数电阻率ρs/Ω·m极化率ηs/%变化范围常见值变化范围常见值1K2s粉砂岩3226.83～49.1438.160.12～0.280.222K2s细砂岩3418.23～348.28162.080.61～1.400.983K1d含砾砂岩3635.68～64.33453.930.19～1.260.334K2d泥质粉砂岩3325.85～285.55110.690.25～0.620.435K2d含砾石英砂岩3136.95～109.7557.360.13～0.330.256K2d砂砾岩4043.54～111.3264.780.23～0.290.267K2s泥岩3522.6～47.4732.840.13～1.560.968水55.23～55.7255.490.24～0.890.67

地层从中生界至新生界第四纪地层均有出露，地层总厚为2 418.10 m，白垩纪及第四纪地层分布最广，区内地层较为单一。第四系橘子洲组(Qj)主要为灰、浅黄灰色砂质粘土，粉砂土，下部有砂砾层或砾石层。地下水类型主要为孔隙水，含水层厚度为4 m～9 m，地下水埋藏浅，一般为2 m～4 m，井泉流量>0.5 L/s，富水性较好，地下水来源主要为大气降雨补给。白垩系下统神皇山组(Ks2)的上段根据岩石组合及沉积特征，可分两部分，即下部紫红色厚-巨厚层状细-粗砾砾岩与中厚层状细粒岩屑石英砂岩(或钙质石英砂岩)、钙质石英粉砂岩组成韵律，上部渐变为细粒钙质石英砂岩与钙质石英粉砂岩互层；该层主要为风化-构造裂隙水，富水性中等，井泉流量为0.1 L/s～0.5 L/s。

根据工作区内F2推测，导水断裂与区域内北北东向-南北向区域性深大断裂属于同一期次构造活动，断层走向大致与区域深大断裂平行(图1)。

1.2 地球物理前提

根据区内及外围地表采集的物性标本和水标本，统计区内的岩石、水电阻率参数(表1)。

由表1可知：①岩性标本测定视电阻率值普遍偏低，反映了测区岩石导电性较好，可能与地层岩石富水性较好有关，或造成低阻屏蔽；②泥岩和粉砂岩电阻率低于水的电阻率，特别是泥岩为区内最低，单纯从电性判断它是区内找水的典型干扰体，但是区内岩层产状平缓，泥岩和粉砂岩以及石英砂岩等呈互层分布，具有面状特征，而区内地下水主要是受小断层、派生断层及节理、裂隙控制，故具有稳定延伸的串珠状或带状低阻带将是破碎带的反映；③地层和水视极化率普遍偏低，对于区内找水无明显意义，故试验中只采集视电阻率数据。综上所述，研究区具备电法勘探的地球物理前提。

2 实践应用

本次探测目标深度为200 m以浅，所以常规电法可以满足要求[13]，常规电法存在具体的方法选择困难，因为地球物理特征表明区内地层视电阻率普遍偏低，可能造成低阻屏蔽，故采用常用的找水方法激电中梯扫面、直流充电法、联合剖面、对称四极测深和高密度电法展开方法有效性试验。

激电中梯扫面，网度为200 m×20 m，AB长为1 200 m，MN长为40 m，观测参数为视电阻率，供电电压为700 V电流均达4 A以上；直流充电法将供电电极A极置于机井中，放置深度为130 m，无穷远极置于距研究区3 km以外，点距为20 m，MN为40 m，观测电位梯度数据，观测范围与激电中梯测量相同，供电电压为900 V，电流达4.5 A；激电联合剖面布置在104线，采用AO为160 m和320 m双极距观测，点距为20 m，MN长为40 m，观测参数为视电阻率，供电电流均达1 A以上；激电对称四极测深最大AB距为600 m，最小供电电流达0.5 A以上，观测参数为视电阻率；高密度电法布置在104线100点段～160点段，共布置电极60根，电极距为20 m，观测参数为视电阻率，仪器采用重庆奔腾研究所生产的WGMD-9超级高密度电法系统，并采用了增压装置，最小供电电流达0.3 A以上。

2.1 激电中梯

由图2显示，视电阻率值范围在35 Ω·m～76 Ω·m，整体偏低，且差异较小，主要与区内分布的岩性和地层富水性较好有关，造成研究区存在明显的低阻屏蔽，不论是常规电法还是电磁法勘探都会造成浅部能耗大，深部勘探难以奏效，但不会影响测深200 m以浅的找水效果。

图2 激电中梯视电阻率异常成果图Fig.2 The apparent resistivity abnormal results of IP intermediate gradient

图3 直流充电法电位梯度异常成果图Fig.3 Potential gradient anomaly results of DC charging method

前人研究成果表明红层内控水因素主要为小断层、派生断层及节理、裂隙[2]，故利用激电中梯扫面测量成果圈定破碎带是主要目的，视电阻率异常线性特征明显，分布规律性较强，表明研究区内次级构造十分发育，依据带状、串珠状低阻异常特征共划分破碎带10组，编号为F3至F12。

虽然区内物性参数测定结果显示泥岩和粉砂岩视电阻率值低于水，但是在地层中呈面状分布，而非线性分布，地下水异常在本区应依据“高中找低”的原则划分，故推断F3、F4、F10、F12为富水性性对较好的次级构造。

图4 激电联合剖面和对称四极测深成果图Fig.4 The results of IP joint profile measurement and symmetrical quadrupole sounding(a)激电联合剖面视电阻率曲线(AO=160 m);(b)激电联合剖面视电阻率曲线(AO=320 m);(c)激电对称四极测深视电阻率反演断面图

图5 高密度电法测量成果图Fig.5 High-density electrical measurement results(a)高密度施伦贝尔装置观测视电阻率反演结果;(b)高密度温纳装置观测视电阻率反演结果

2.2 充电法电位梯度测量

由图3显示，在研究区西南角因为水库影响测量不完整，在靠近供电点附近，电位梯度异常出现极大值，远离充电点异常强度降低，符合常规。依据供电点和不用剖面异常极小值的连线划分断裂F4，与激电中梯探测发现F4断裂吻合，成功解决了与已知供电点地下水的连通问题。

2.3 激电联合剖面与对称四极测深[13-15]

图4为104线激电联合剖面与对称四极测深成果。由图4显示，联合剖面双极距观测视电阻率曲线显示在102点～104点、130点～132点、142点～144点存在正交点，116点～118点存在反交点；130点～132点存在激电联合剖面视电阻率正交点和激电测深视电阻率反演低阻带，二者具有一致性，同时与激电中梯线性低阻带推断F4断裂高度吻合； 116点～118点存在激电联合剖面视电阻率反交点和激电测深视电阻率反演低阻带，推断为F13。

综合激电中梯、充电法电位梯度测量激电联合剖面以及对称四极测深结果在104线132点～134点间布设钻孔SK01开展验证工作。

2.4 高密度电法测量

由图5可以看出，视电阻率整体偏低，差异性较小，浅部主要为低阻，局部浅表呈高阻主要是由浅表地质不均匀性引起，中部220点～380点段呈现高阻，施伦贝尔装置观测结果显示高阻呈近水平状，具有两处峰值，而温纳装置观测结果显示高阻较为陡立，两者观测结果整体具有一定的相似性，但是深部高阻部位产状具有差异性，已设计钻孔SK01位于温纳装置视电阻率反演结果的高低阻异常梯级带部位，施伦贝尔装置观测结果与设计钻孔无明显关系。

激电中梯扫面、直流充电法电位梯度测量、激电联合剖面以及激电测深均显示F4断裂的存在，依据激电对称四极测深低阻带产状，在104线132点～134点之间确定SK01，设计孔深180 m，实际孔深186.2 m，钻孔验证结果显示在30.45 m～32.55 m，岩性为浅紫红色钙质粉砂岩，风化裂隙发育，为第一含水层；在46 m～48 m，为石英细砂岩与钙质泥岩分界处，裂隙极发育，是地下水活动东的良好场所，为第二含水层；69 m～74 m，紫红色钙质泥质粉砂岩：岩石中偶见钙质结构被地下水溶蚀后形成的小空洞，空洞大小为1 mm～3 mm不等，为第三含水层；地下水类型均为裂隙水，抽水试验结果显示水量为230 m3/d。

另外，对F10断裂105线部位开展钻孔验证，孔深160 m，抽水试验结果显示水量为150 m3/d；对F12断裂102线部位开展钻孔验证，孔深150 m，抽水试验结果显示水量为155 m3/d。

截止目前为止施工三个孔总水量达535 m3/d，钻孔验证出水量超出预期，效果十分理想。

3 结语

本次红层盆地地下水试验勘探采用了5种物探方法综合进行试验。结果表明，激电中梯扫面可以快速查明区内次级构造或破碎带；激电联合剖面和对称四极测深结果一致性较好，对于确定孔位和孔深起到至关重要的作用；充电法电位梯度测量可以有效解决水的连通性；高密度电法温纳装置反演视电阻率梯级带在红层中具有找水意义。

钻孔验证结果与物探异常综合研究表明，激电中梯扫面和激电对称四极测深两种方法组合是红层盆地中浅部找水一种行之有效的方法，对于湖南省红层盆地今后地下水勘探工作具有较大的参考意义。