基于直流电阻率方法的地下灌溉水源地调查研究.pdf

工程地球物理学旅Vol.20,No.3第2 0 卷第3期2023年5月中文引用格式：许艳，王强，张太平，等.基于直流电阻率方法的地下灌溉水源地调查研究J.工程地球物理学报，2 0 2 3，2 0（3）：344-350.英文引用格式:Xu Yan,Wang Qiang,Zhang Taiping,et al.Investigation and research on underground irrigation water source based on di-CHINESE JOURNAL OF ENGINEERING GEOPHYSICSrect current resistivity methodJJ.Chinese Journal of Engineering Geophysics,2023,20(3):344-350.May,2023基于直流电阻率方法的地下灌溉水源地调查研究许艳1.2.3,王强1.2.3，张太平1.2.3，王薇1.2.3，王奎峰1.2.3,张瑞华1,2.3，张红军1,2.3（1.山东省地质科学研究院，山东济南2 50 0 13；2.自然资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东济南2 50 0 13；3.山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东济南2 50 0 13)摘要：为解决枣庄市峨山镇三山村高效农业用地缺乏灌溉水源的问题，采用水文地质调查结合直流电阻率测深的方法对区域内地下灌溉水源地分布情况开展调查研究。前期通过水文地质调查了解区内主要地下含水层岩性及富水特征，在此基础上结合已知井分布位置，确定2 处有利的地下水源地部位，在对应位置开展直流电阻率测深。后期结合已知井揭示的地层空间分布特征和直流电阻率方法获取的电阻率曲线数据进行综合分析解译，推断主要富水地层为泥质灰岩地层，发育深度在50 110 m区间，在2 处测深点部位进行了钻探验证，揭示含水层为泥质灰岩地层，埋藏深度分布在57.6 8 10 0.1m区间，2 眼井涌水量均在50 m/h左右，满足了当地灌溉水源的需求，基于直流电阻率方法推断的含水层埋深与钻井揭示的实际情况基本一致，应用效果明显。关键词：灌溉水源；水文地质；直流电阻率法；分布特征中图分类号：P631.3doi:10.3969/j.issn.1672-7940.2023.03.007文献标识码：A文章编号：16 7 2 7 940(2 0 2 3)0 30 3440 7Investigation and Research on Underground Irrigation WaterSource Based on Direct Current Resistivity MethodXu Yan.2.3,Wang Qiangl.23,Zhang Taipingl-2.3,Wang Weil.2.3,Wang Kuifengl.2.3,Zhang Ruihual-2.3,Zhang Hongjunl.2.3(1.Shandong Institute of Geological Sciences,Jinan Shandong 250013,China;2.Key Laboratory of Gold Mineralization Processes and Resources Utilization,Ministry ofNatural Resources,Jinan Shandong 250013,China;3.Key Laboratory of Metallogenic Process and Resource Utilization of Metallic Mineralsof Shangdong Province,Jinan Shandong 250013,China)收稿日期：2 0 2 2-11-0 7基金项目：山东省地质勘查委托项目（编号：鲁地勘字（2 0 2 1)6 号）第一作者：许艳（198 1一），男，高级工程师，主要从事地球探测与信息技术研究工作。E-mail:通讯作者：张红军（198 7 一），男，高级工程师，主要从事水文地质环境地质研究工作。E-mail：s d u h o n g j u n 16 3.c o m第3期Abstract:In order to solve the problem of lack of irrigation water source in high-efficiencyagricultural land in Sanshan village,Eshan town,Zaozhuang city,the method of hydrogeo-logical survey combined with cirect current(DC)resistivity sounding was used to investigatethe distribution of underground irrigation water source of the region.The lithology and wa-ter-rich characteristics of the main underground aquifers in the area were accomplished bythe previous hydrogeological survey.On this basis,combined with the known well distribu-tion locations,two favorable underground water source locations were determined,and DCresistivity sounding was carried out at the corresponding locations.Then combined with thespatial distribution characteristics of strata revealed by known wells and the resistivity curvedata obtained by DC resistivity method,comprehensive analysis and interpretation were car-ried out,and it was concluded that the main waterrich strata were argillaceous limestonestrata with a depth of 50 110m.Drilling verification was carried out at two soundingpoints,revealing that the aquifer was argillaceous limestone strata.The burial depth wasdistributed in the range of 57.68100.lm,and the water inflow of the two wells was about50 m/h,meeting the demand of local irrigation water source.The aquifer burial depth in-ferred based on DC resistivity method was basically consistent with the actual situation re-vealed by drilling,indicating its obvious application effect.Key words:irrigation water source;hydrogeology;DC resistivity method;distribution char-1 引 言近年来，由于干旱等极端气候频发，人类对地下水开采活动不断增加，水资源量不断减少，水资源的供需矛盾日益凸现1-5。山东枣庄市峰城区在实施乡村振兴战略，发展特色农业过程中，农业灌溉长期受到缺乏水源的制约，因此在该地区进行灌溉水源地调查研究具有现实意义C6-81。地球物理方法具有种类多、应用领域广、经济效益高、工作效率高、探测效果好等特点9-12 ，被广泛地应用于灌溉水源地调查研究。其中基于岩石电阻率参数的直流电阻率法，通过观测垂直方向由浅到深的电阻率变化情况13.14，将水文地质空间结构刻画得更加精细，且随着极距增加，勘探深度逐步增大，该方法能够以低成本获得空间范围内的数据，是灌溉水源地调查的重要研究方法15-19本文以山东省枣庄市峰城区峨山镇三山村高效农业用地范围为调查研究区域，开展前期水文地质调查工作，查清区域的水文地质条件，并在此基础上开展直流电阻率测量，通过对获取的岩石电阻率数据进行分析解译，推断调查区域内地下许艳，等：基于直流电阻率方法的地下灌溉水源地调查研究acteristics研究区概况研究区地处峰城区东南部，东临临沂市兰陵县兰陵镇。区内微地貌属准平原缓平坡地，地势开阔，地形由西向东倾斜，多年平均气温在13.214.2，各季气温差异明显。研究区东50m发育有陶沟河，为季节性河流，属中运河水系，发源于大苗家艾曲村西，多年平均流量为0.452m/s，受近年来气候变化影响，河床流量显著减少。3区域地质及水文地质条件3.1区域地质概况研究区所属范围在区域地质上属于稳定的地台型沉积，具有变质基底和沉积盖层。变质基底由太古界泰山群山草峪组变质岩组成，主要岩性为角闪黑云变粒岩、片麻岩、角闪岩、片岩和变粒岩等；沉积盖层主要包括青白口系、震旦系、古生界寒武系地层，岩性以页岩、砂岩、泥岩、砂砾岩、345富水层发育特征和埋藏深度，并以此指导灌溉水井钻探施工。2图例346泥灰岩为主。研究区内第四纪广泛分布，为山前残坡积物，其分布特征为：下部为其所覆基岩岩性相同的残积物碎石、含砂角砾等；上部主要是残坡积砂砾层的砂、含砾粉砂、粉砂、细砂质黏土。研究区南部约50 0 m处发育峰城断裂，该断裂西起峰城，走向近东西，倾向南，倾角6 0，南盘下降北盘上升，断距达10 50 m，为张性右行压扭走滑断层。3.2区域水文地质条件图1为包含研究区域的1：5万比例尺区域水文地质图，图中地下含水岩组主要有松散岩类孔隙含水岩组、碎屑岩类裂隙含水岩组、碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组和变质岩、岩浆岩类裂隙含水岩组四大类型。此次研究区域属于其中的碎屑岩类裂隙含水岩组类型，地下水主要赋存于砂岩、泥岩、砾岩及灰岩夹层裂隙中，该含水层组含水贫乏，单井涌水量一般小于10 0 m/d。E，1Nh.TNh,t(Ar.s)Nh.eNheNh,esWhe(Ar.3)4电阻率测量及分析解译直流电阻率测量采用对称四极测深方法。对称四极电阻率测深是通过逐次加大供电电极极距的大小，测量同一点的、不同极距的视电阻率值，研究这个测深点下不同深度的地质断面情况，探查工程地球物理学报（Chinese Journal of Engineering Geophysics）一、含水岩组及富水性I、碎屑岩类裂隙水1、碎屑岩裂除水1000100隐伏型100500Nh100-502、碎屑岩夹碳酸盐岩裂隙水Nh,e100-500K32号点Nh,eNh,tNh,t(Ar.s)Fig.1Regional hydrogeological map4.1方法技术此次电阻率测深工作共布置两个测深点，分别为1号测点和2 号测点（具体位置见图1）。测深点位的选择主要结合现场地物分布情况，考虑研究区南侧约50 0 m发育的兰陵断裂带走向为第2 0 卷研究区地处低山外山麓南准平原地带，位于区内地下水补给径流贫水区，地下水类型为碎屑岩类裂隙水，主要补给源是大气降水，山前侧向补给等，排泄方式主要为地下径流，水位变化曲线呈“单峰单谷”型，每年的7 8 月份水位陡升，至9月初左右达到最高水位后，随着降水量的减少水位持续下降，直到来年的6 月底。区内局部坑洼地段揭露浅部地层为震旦系紫红粉砂质页岩、泥岩，裂隙节理不发育，富水性差；下部隐伏地层为震旦系佟家庄组泥质灰岩，该套地层在岩石裂隙或构造发育时，具有一定的富水性，在野外调查过程中，发现区内东南部位有一眼126m深的机井ZK3（具体位置见图1），该井目前的涌水量为15m/h，钻井揭露的地层岩性以页岩和泥质灰岩为主，泥质灰岩为主要的含水层，因此初步设计该套地层是此次水源地调查研究的目标含水层。100号点隐伏型100-500II、碳酸盐岩类岩溶裂隙水500500装Nh比例尺(Ar.s)km图1区域水文地质图电性不同的岩层沿垂向分布情况，电阻率测量被广泛应用于水文地质调查、地质勘查等工作中。孔隙水流向岩溶水流向Nh,e二青山组砂岩段Nh,e二青山组灰岩段Nh,e二青山组页岩段Nh.修家庄组砂岩段Nh,t修家庄组页岩段李官组砂岩段II、岩浆岩类、变质岩类裂隙水隐伏型(Ar.5)二、界线及其他地下水类型界线基岩地下水富水性界线实测及推测断层河流补给地下水E.2朱砂洞组上灰岩段E,m馒头组洪河段(Ar.3)泰山岩群山草峪组ZK3已知井1号点测深点位第3期近东西向，临近已知机井ZK3两侧，沿东西方向选择点位，其中1号测点位置确定在ZK3的东侧约50 0 m，2 号测点位置确定在ZK3的西侧约200m。测量电极垂直于东西断裂走向布设，布线方向为南北向。使用仪器为重庆奔腾仪器厂生产的WDA-1B超级数字直流电法仪及配套设备，供电电源采用3kW发电机供电。电阻率测深供电极距AB/2=3、6、10、15、2 2、34、50、7 5、10 0、150、2 2 0、300、40 0、50 0 m，采用对称等比装置，供电极距为接收极距的5倍。本次电阻率测深供电方式采用4.2岩矿石电性特征表1为收集的调查区周边2 5km范围内的岩矿石物性测试数据，表中统计的数据显示，页岩地层视电阻率数值分布在3512 0 7 m区间，相对目标含水层灰岩地层呈低阻特征。灰岩地层视电阻率数值均在50 0 m以上，为区内高阻地层，当灰岩地层富含地下水时，其视电阻率会降低，这一变化特征是此次直流电阻率法开展地下灌溉水源地调查的有利条件。表1区域主要岩石电阻率参数2 0 1Table1Main rock resistivity parameters in the area岩性平均值灰岩1282页岩236许艳，等：基于直流电阻率方法的地下灌溉水源地调查研究的接地电阻小于10 k2。4.3数据分析解译测点2 在电阻率测深首测完成后，进行了回测的工作，两测回数据用来进行质量检查和评价，经数据统计，此次电阻率测深数据的总均方相对误差为士4.7 7%，满足级精度要求，质量合格。数据经室内整理成图，绘制了两个测深点的视电阻率测深曲线图（图2 和图3）。区内已有的机井ZK3无详细的岩芯编录资料，通过详细走访调查，了解该井位地层岩性的分布情况，除浅地表分布砂岩、泥岩外，下伏地层主要为页岩和灰岩，页岩厚度约10 0 m，不含水，10 012 0 m 区间为泥质灰岩地层，为ZK3井的主要视电阻率/2 m含水层，12 0 m至终孔深度12 6 m区间为页岩地数值分布范围层，不含水，钻井未穿透该套页岩地层。机井5463.755ZK3位于村庄密集分布的建筑物内部，井旁电阻351 207347双向短脉冲，供电电压根据供电极距大小，选择仪器对应的10 0 V、30 0 V、50 0 V 三挡中合适的档位，保证测量电压大于10 mV；供电脉宽时间选择5S，为避开电磁耦合影响，提升抗干扰能力，测量延时选择2 0 0 ms，为确保测量数据稳定，仪器设置一次测量叠加3次读数取平均值。供电开始前，对所用导线进行了整理和漏电检查，供电电极采用两个铜电极一组，两组并联的方式，测量电极采用两根铜电极串联的方式，每个点位均采取浇水的措施，保证电极接地良好，测量率测深工作无法开展，因此测点1和测点2 的电1 000800E600400300200W.100280F604030F2010L1(500,489.21)(400,445.7),(300,327.83)(220,269.16)(150,231.43)(100,189.46)(75,151.74),(50,94.11),(34,68.66)数据标注格式说明：（AB/2,p）(22,45.65)(3,29.87)(15,31.55)(10,19.22)(6,15.71)10图2 1号点视电阻率测深曲线Fig.2Apparent resistivity sounding curve of point 1100(AB/2)/m1000348阻率测深数据解释主要结合ZK3井揭示的地层分布、区域水文地质条件等资料进行，最终确定测点部位具有富水前景的含水层空间分布情况。图2 为1号测深点的视电阻率曲线图。曲线整体近似表现为HA型，其中浅部AB/26m区间视电阻率数值呈线性减小特征，推测对应的深度范围区间为浅层第四纪地表覆盖层；在AB/2=650 0 m 区间视电阻率曲线整体呈线性递增，测深曲线推测的主要低阻异常段分布在AB/2=1002 2 0 m 区间，该区间视电阻率数值在18 9 2 6 9 2 m区间分布，曲线表现特征为近似平台状，呈小角度平缓递增。综合对比ZK3钻井了解的岩性分布情况，推测AB/26m区间对应深度为浅地表第四系覆盖层；推测AB/2=6100m区间对应深度地层岩性以页岩为主，地层含水性较差；推测AB/2=1002 2 0 m 区间对应深度地层岩性以泥质灰岩为主，为区内主要的含水岩组，具有一定的富水前景，推测深度为50 110m;推测AB/2=22050 0 m 区间对应深度地层岩性以页岩为主，地层含水性较差。图3为2 号测深点的视电阻率曲线图，图中视电阻率曲线整体呈线性递增特征，中深部存在的低阻异常主要对应AB/2=1502 2 0 m 区间，综合对比ZK3钻井了解的岩性分布情况，推测AB/2=6150 m 区间对应深度地层岩性以页岩为主，地层含水性较差；推测AB/2=150220m区间对应深度范围岩性以泥质灰岩为主，工程地球物理学报（Chinese Journal of Engineering Geophysics）1000E800F600F500400300200u.U10080605040302010L1第2 0 卷(500,572.98)(400,477.08)(300,336.39)(220,265.01)(150,230.32)(100,158.08)(75,133.77)(50,96.12)(34,70.23)(22,59.99)(15,32.1)(6,39.35)(3,27.57)(10,35.39)10图32 号点视电阻率测深曲线Fig.3Apparent resistivity sounding curve of point 2为区内主要的含水岩组，具有一定的富水前景，其对应深度为7 5110 m。推测AB/2=220500m区间对应深度地层岩性以页岩为主，地层含水性较差。5水水文地质钻探验证通过以上两个点位测深曲线分析解译，推测了2 个测点部位可能存在的富水地层岩性为泥质灰岩，埋藏深度分别为50 110 m和7 5110 m。后期在两个测点部位开展了水文地质钻探工作，钻井编号分别为ZK1井、ZK2井。其中ZK1钻井深159 m，ZK 2 钻井深16 5m。抽水试验数据表明，ZK1井每小时平均涌水量为45m/h，ZK 2井每小时平均涌水量为58.3m/h，两个井位钻探成果解决了研究区内灌溉水源极度短缺的问题。图4为1号点位施工的ZK1井钻孔柱状图，该井位在钻探施工揭示的主要富水层为泥质灰岩地层，发育深度为57.6 8 9 9.0 5m。含水层上覆地层以页岩为主，夹少量薄层砂岩；下覆地层以页岩、泥质页岩为主，夹少量砂岩。可见钻孔揭示的岩性分布情况与1号点视电阻率测深曲线推测解译结论基本吻合，富水层发育深度与测深曲线推测的深度50 110 m基本一致。ZK2钻井揭露的地层发育情况与ZK1钻井类似，该井位所在部位富水地层同样为泥质灰岩数据标注格式说明：（AB/2,p）100(AB/2)/m1000第3期许艳，等：基于直流电阻率方法的地下灌溉水源地调查研究3496 结 论层底标高层底深度深度/m/m/m/m/1:50032.005.005.00-14.6522.3517.3525-6.9040.1017.7550-10.6857.6817.5875-62.0599.0541.37100-73.03110.0310.98-77.85114.854.82-125-100.05137.0522.20-150-12816527.95图4ZK1井钻孔柱状图Fig.4Borehole column diagram of well ZK1地层，发育深度为6 5.6 10 0.0 1m，与2 号点测深曲线推测的深度7 5110 m基本一致。地层厚度地层柱状图砂质黏去：褐黄色，黏性强，塑性高，含水性差。页岩：紫灰色、紫色，泥晶结构，层理构造，颜色不均，为隔水层。砂岩；深青灰色，粉粒结构，层理构造。页岩：紫红色，伴少许蓝绿色条带，泥质构造。泥质灰岩：顶部灰黑色，底部青色，中部见紫红色，薄层构造，钻进过程中，井口涌水量逐渐增大。粉砂岩：紫红色夹少许淡青色，粉质结构，中厚层构造。泥岩：泥质结构，岩心易破碎成片状、块状。页岩：紫红色、紫色，泥质结构，贡理构造。页岩泥岩互层：紫色、青色，泥质结构，页理至块状构造，颜色不均，互层分布特征明显。水文地质描述1)在贫水区开展灌溉水源地调查研究，首先开展区内水文地质调查，明确地层发育情况，判断可能存在的含水层岩性。在此基础上开展电阻率测深工作，以岩石电阻率参数为主要特征值，分析推断地下含水层的空间发育特征和富水性，通过实际钻探验证，主要含水层埋深和富水性与实际情况基本一致，取得了较好的效果。2)此次研究区域位于枣庄市峰城区峨山镇和临沂市兰陵镇的交界部位，研究表明区内主要的富水地层为泥质灰岩地层，结合ZK1和ZK2钻孔揭露情况，该套地层的埋藏深度在57.6 8 100.1m区间，涌水量在50 m/h左右。致谢：感谢枣庄市峰城区自然资源局在工作开展过程中提供帮助。参考文献：1薛胜利，凌丹丹.激电测深在延安地区浅层地下水调查评价中的应用J.地质与勘探，2 0 19，55（6）：1.463-1472.2 李倩，宋中华.地下水找水方法浅析C/中国水利学会2 0 2 0 学术年会论文集第五分册，2 0 2 0：50 7-50 9.3王延恩.峰城盆地地下水动态分析J.水资源与水工程学报,2 0 11,2 2(1)：12 6-12 9+133.4贾德旺.鲁南山区基岩蓄水构造类型及找水定井方法J.地质学刊，2 0 2 0，44（3）：318-32 5.5张富乐.闽北山区乡镇供水地下水源找水工作方法探讨J.福建地质，2 0 2 0，39（4）：2 7 8-2 8 6.6 王延恩.峰城盆地地下水水质特征分析J.节水灌溉，2 0 13(7):34-36.7王延恩.峰城东郊水源地地下水资源量均衡评价J.地下水，2 0 18,40（3）：36-38.8 赵书泉，梁凤英.山东峰城盆地岩溶发育的基本规律及与水源地形成的关系J.山东地质，2 0 0 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