廖德武,冉根領(lǐng),杜艷松,張君愷,李 讓,彭 軍,吳正超,陳子江

(貴州地礦基礎(chǔ)工程有限公司,貴州 貴陽 550081)

0 引言

瞬變電磁法在復(fù)雜場地勘探中應(yīng)用較廣泛。瞬變電磁法在電阻率相差較大,礦山采空區(qū)及采空區(qū)積水勘探中應(yīng)用較廣。王建國等[1]采用瞬變電磁法根據(jù)巖層電阻率與含水量的增大而降小的特性,在龍山煤礦地下水分布情況進(jìn)行了勘探應(yīng)用;韋乖強等[2]、秦蘇源[3]、黃海昆[4]等在存在采空區(qū)廢棄礦山,在老窯采空區(qū)資料不夠祥實、采空區(qū)邊界提交不夠清楚、積水情況也不太明確等背景下采用瞬變電磁法進(jìn)行應(yīng)用;任予鑫等[5]在頂板巖性為方粗砂巖層位存在裂隙水影響的礦井水探查中進(jìn)行應(yīng)用。隨著瞬變電磁法技術(shù)不斷改進(jìn)突破,在巖溶勘探應(yīng)用也進(jìn)行廣泛應(yīng)用,劉樹新等[6]在導(dǎo)水裂隙與巖溶陷落柱形成的導(dǎo)水構(gòu)造帶對存在斷距較大或者斷層兩側(cè)電性變化差異明顯的巖性有較好的反映能力;梁風(fēng)等[7]、趙楊杉[8]在巖溶塌陷區(qū)采用瞬變電磁法有效勘探地下溶洞發(fā)育的位置和分布空間情況;李世聰[9]在隱伏巖溶區(qū)采用瞬變電磁法查清隱伏巖溶分布情況。較多的學(xué)者研究成果為瞬變電磁法在巖溶勘探中應(yīng)用提供方法及理論基礎(chǔ)。

瞬變電磁法在礦山采空區(qū)、規(guī)模較大的巖溶發(fā)育區(qū)應(yīng)用取得較好的成果。影響巖溶發(fā)育主要優(yōu)斷層及節(jié)理裂隙,在巖溶分布地區(qū)地下水運移通道比較復(fù)雜且規(guī)模較小巖溶勘探中應(yīng)用偏少。研究區(qū)2009年2月以來在烏江渡鎮(zhèn)烏江右岸34號巖溶泉出現(xiàn)地下水滲漏污染,為查明巖溶地下水運移通道空間位置,為下一步防治提供依據(jù)。因此,結(jié)合前人研究應(yīng)用的基礎(chǔ)上,針對巖溶地下水運移通道的特征采用地面瞬變電磁法進(jìn)行探測,以達(dá)到探測巖溶地下水運移通道的空間位置。

1 研究方法

1.1 瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法基本原理是利用地下介質(zhì)之間導(dǎo)電性與導(dǎo)磁性存在差異性為研究前提,利用階躍波或脈沖電流場源激勵,探測地下介質(zhì)產(chǎn)生的二次感應(yīng)電磁場與時間變化的衰減規(guī)律,根據(jù)探測目標(biāo)體與圍巖之間的電性差異推斷目標(biāo)體的分布性態(tài)。通過對這些目標(biāo)體響應(yīng)信息的提取或分析,達(dá)到探測地下介質(zhì)性狀的目的[10]。

1.2 視電阻率計算

地下各種介質(zhì)的感應(yīng)場固定時,把介質(zhì)的電性不均勻分布假設(shè)為均勻半空間,探測到的感應(yīng)場的場值保持一定,則稱均勻半空間探測的電阻率為視電阻率[11-12]。采用全區(qū)視電阻率取值[13]進(jìn)行計算,首先假設(shè):εc(p)為實測響應(yīng)值,ε(p)為理論響應(yīng)值,其計算式為:

f(ρ)=ε(ρ)-ε(ρ)=0

(1)

根據(jù)v=(μ0σl2/(4t))1/2可求的視電阻率:

(2)

式中:l=(LXLY)1/2。

1.3 極限探測深度估算

據(jù)工程物探手冊分析可知中心回線裝置是瞬變電磁法最優(yōu)工作裝置,極限探測深度結(jié)合中心回線裝置進(jìn)行估算,計算公式為:

(3)

η=RmN

(4)

式中:L為發(fā)送回線邊長;I為發(fā)送電流;ρ為上覆電阻率;η為最小可分辨電平,一般為0.2～0.5 nV/m2;Rm為最低限度的信噪比;Rm為噪聲電平。

1.4 工作布設(shè)及勘探參數(shù)

瞬變電磁測量按10 m×10 m規(guī)則網(wǎng)布設(shè),測線方向分別為90°和0°。

測量點順序由西南角起,按90°或270°方位呈“之”字形依次遞增編號(1、2、3、…、765)。

東西向剖面編號從南到北,從小到大雙號遞增(100-100′、102-102′、104-104′、…、170-170′);南北向剖面編號至西向東,從小到大雙號遞增(200-200′、202-202′、204-204′、…、226-226′)。具體編號情況見實際材料圖(圖1)。

瞬變電磁勘探參數(shù)如下:中心回線(TX)邊長:240 m×240 m;工頻:50 Hz;發(fā)射頻率:25 Hz;發(fā)射電流:10 A;增益:24;接收(RX)裝置:V8瞬變接收探頭;濾波:奈奎斯特濾波。

2 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)地理區(qū)域?qū)儆谠瀑F高原,地形為丘陵-低中山過渡地帶,海拔在800～1 100 m之間,高差100～300 m,地形切割深且起伏大,南部白哨上高程1 422 m為最高點,北部烏江高程609 m為最低點,落差為813 m,烏江是研究區(qū)最低排泄基準(zhǔn)面,地勢表現(xiàn)為緩坡狀的北低南高,近南北向展布的山脈是分水嶺。

研究區(qū)以三疊系地層為主,巖性主要有灰?guī)r、白云巖、頁巖、泥巖、砂巖等,巖性以灰?guī)r和白云巖為主的碳酸鹽巖占90%以上。研究區(qū)水文地質(zhì)單元主要含水層為三疊系茅草鋪組的灰?guī)r、溶塌角礫白云巖、白云巖。堆場區(qū)底板為三疊系松子坎組二段薄～中厚層白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r與粘土巖互層,為相對隔水地層,在浸蝕及剝蝕等地質(zhì)作用下,松子坎組地層只剩一個“外殼”,下覆三疊系茅草鋪組的灰?guī)r、溶塌角礫白云巖、白云巖含水層,之下為三疊系夜郎組三段泥巖隔水底板。

圖1 巖溶槽谷延伸方向與節(jié)理發(fā)育關(guān)系分析圖

研究區(qū)按賦水特征,按含水巖性不同有松散巖類孔隙水含水層、三疊系碎屑巖類基巖裂隙水含水層、三疊系碳酸鹽巖類巖溶水含水層三種含水層。具體為:松散巖類孔隙水含水層主要為第四系地層組成,巖性為沖積砂礫、亞粘土等,含水介質(zhì)空間形態(tài)為孔隙,分散溢流,常出露于緩斜坡、溝谷地帶,泉流量一般小于0.1 L/s,枯季斷流,富水性弱;三疊系碎屑巖類基巖裂隙水含水層為松子坎組、夜郎組地層組成,巖性主要為互層狀灰?guī)r與粘土巖、互層狀白云巖與粘土巖、粘土巖夾灰?guī)r、粘土巖等,含水介質(zhì)空間形態(tài)為風(fēng)化裂隙、基巖裂隙、構(gòu)造裂隙,裂隙發(fā)育深度較淺,并呈“X”型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),具有延伸短、方向性不明顯的特點,含基巖裂隙水,常出露于斜坡地帶,徑流模數(shù)枯水期為0.1～1 L/s·km2;三疊系碳酸鹽巖類巖溶水含水層為獅子山組、松子坎組、茅草鋪組、夜郎組等地層,巖性主要為石灰?guī)r、白云巖。其含水介質(zhì)空間形態(tài)為溶蝕裂隙、溶洞、管道,落水洞、洼地、溶溝、石芽等,徑流模式以管道流為主,富水性差異性較大,徑流模數(shù)枯水期為5～7 L/s·km2。

研究區(qū)褶皺軸向近南北,從西向東,背斜、向斜相間排列分布,依次為茶溝-大皮山向斜、大坡-后壩背斜、楊家寨向斜、大屋基背斜、大坪-廠頭向斜、坪上背斜、大和寺向斜、溫泉-風(fēng)巖河背斜。堆場區(qū)位于大屋基背斜東翼,核部巖性以夜郎組為主,東翼出露三疊系茅草鋪組、松子坎組地層,其中茅草鋪組地層為堆場區(qū)主要含水層;背斜軸部是地表分水嶺地段,張性節(jié)理發(fā)育沿軸線形成補給區(qū);向斜軸部是地表水匯聚區(qū),壓性裂隙發(fā)育沿軸線形成排泄區(qū)。褶皺構(gòu)造為場地地下水運移通道擴散具有補給、匯聚及排泄作用。

統(tǒng)計分析研究區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育走向、巖層走向與斷層走向相近,節(jié)理裂隙主要為走向350°和20°兩組“X”節(jié)理展布,溶蝕槽谷、串珠狀落水洞、天窗,以及溶洞的延伸方向均巖節(jié)理裂隙方向呈階梯狀追蹤(圖1),節(jié)理裂隙層面裂隙具有匯水作用[11],節(jié)理裂隙沿南北向發(fā)育強烈,為場地巖溶地下水的運移在南北向提供通道。

3 研究結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場情況,布設(shè)了58條探測剖面,探測點765個,按上述方法對所有剖面進(jìn)行解譯,繪制出平面解譯成果圖(圖2)?？梢钥闯?測區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育,共推測出3條主要斷裂或斷裂破碎帶為場地的地下水運移通道。其中TD1、TD2平行,并分別與TD4相連;TD2在測點363位置附近開始向北東側(cè)延伸,212線-226線未反映出斷裂,推測F02繼續(xù)向北東側(cè)延伸,TD3由在于剖面長度范圍內(nèi)繼續(xù)向北延伸,TD5經(jīng)過測區(qū)最北側(cè)幾條剖面的起點附近,不排除向南與TD1相接。

1.瞬變電磁法測區(qū)范圍 2.測點點位及編號 3.剖面編號 4.推斷斷層及編號 5.推測溶洞平面投影及標(biāo)高 6.探測地下水運移及編號 7.落水洞及編號 8.巖溶洼地及編號 9.地層符號 10.鉆探孔及編號 11.巖層產(chǎn)狀

據(jù)圖3可知:測點360東5 m、高程769 m;測點356東6 m、高程775 m;測點351東2 m、高程771 m位置分別有封閉低阻異常,推測為溶洞。

圖3 118-118′視電阻率等值線斷面圖及剖面解譯

圖4 130-130′視電阻率等值線斷面圖及剖面解譯

據(jù)圖4可知:測點360東5 m、高程769 m;測點356東6 m、高程775 m;測點351東2 m、高程771 m位置分別有封閉低阻異常,推測為溶洞。

圖5可知:測點393與416之間位置附近出現(xiàn)向下貫穿低阻帶,視電阻率等值線扭曲嚴(yán)重,推測存在斷層或破碎帶;淺部低阻區(qū)劃分為第四系覆蓋層,推測厚度約20 m;深部高低阻分界處推測為灰?guī)r與泥巖分層界線,位置,約在高程720～750 m。測點393南1m、高程792 m位置存在一封閉低阻異常,推測為溶洞。

據(jù)圖6可知:測點394位置附近出現(xiàn)向下貫穿低阻帶,主要反映視電阻率等值線起伏變化較大,推測低阻帶有斷層或破碎帶發(fā)育,淺部低阻區(qū)劃分為第四系覆蓋層,推測厚度約20 m;深部高低阻分界處推測為灰?guī)r與泥巖分層界線,位置,約在高程720～760 m。測點303南3 m、高程755 m位置處存在一封閉低阻異常,推測為溶洞。

圖5 204-204′ 視電阻率等值線斷面圖及剖面解譯

圖6 206-206′視電阻率等值線斷面圖及剖面解譯

對研究區(qū)探測的58條剖面全部按上述進(jìn)行解譯(表1),研究表明在橫向上巖溶發(fā)育空間之間相互獨立,在垂向上巖溶通道具存在連續(xù)和繼承性。

圖7 物探與鉆探成果對比圖

4 巖溶地下水運移通道分析

根據(jù)研究區(qū)調(diào)查和勘查資料綜合分析,受污染的地下水主要在集中徑流帶賦存和運移,屬地下水位以下的重力飽水帶,在磷石膏堆場區(qū)地下水位一般在地表以下100～110 m。探測異常點采用鉆探進(jìn)行驗證,分別布置ZK26、K46、ZK48、ZK56驗證結(jié)果與探測結(jié)果吻合,如鉆孔ZK46在揭露物探成果顯示的溶洞前,均巖體完整、無出水現(xiàn)象,在揭穿溶洞后立即出水并水位上漲近40 m(圖7)。集中徑流帶主要由三疊系下統(tǒng)茅草鋪組第一段(T1m1)石灰?guī)r深部接近隔水底板發(fā)育的具有一定規(guī)模的溶蝕裂隙、溶洞及其組合形態(tài)管道構(gòu)成,由于巖溶發(fā)育的不均勻性,造成巖溶含水層呈現(xiàn)強烈的非均質(zhì)特性和各向異性,地下水多在規(guī)模較大的管道、裂隙中匯集和集中徑流。

表1 瞬變電磁法探測解譯表

研究區(qū)巖溶發(fā)育在垂向上主要表現(xiàn)為淺層以大量溶溝、溶槽、溶蝕裂隙為主,向深部發(fā)育則沿斷裂構(gòu)造、節(jié)理裂隙或?qū)用姘l(fā)育。構(gòu)造運動使研究區(qū)地殼呈強烈抬升期和間歇期交替出現(xiàn),在地殼抬升期巖溶向深部發(fā)育,使得該時期巖溶以豎向巖溶裂隙和小溶洞為主,在間歇期巖溶向水平發(fā)育,巖溶發(fā)育表現(xiàn)為規(guī)模相對較大溶洞及巖溶管道,并在垂向上呈分帶特征。

研究區(qū)構(gòu)造在平面發(fā)育近南北及北北東向,巖層?xùn)|傾,兩組優(yōu)勢節(jié)理走向350°和20°,茅草鋪組1段石灰?guī)r地層直接出露地表,受構(gòu)造、節(jié)理裂隙和地層的影響,地表長軸巖溶槽谷呈近南北向展布,短軸巖溶槽谷則追蹤20°方向以及平行于推測地下水運移通道TD2展布,在巖溶槽谷中發(fā)育串珠狀落水洞近南北向展布。探測結(jié)果驗證了巖溶地下水的運移通道沿構(gòu)造呈南北走向。

瞬變電磁法對巖溶分布的低阻區(qū)域有更明顯的分辨力,能夠識別巖溶地下水運移通道的空間分布,進(jìn)一步驗證了瞬變電磁法在探測地下水運移通道的可行性。

5 結(jié)語

為探測巖溶場地地下水運移通道,通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)繪的基礎(chǔ)上,采用瞬變電磁法平行巖層走向和垂直巖層走向分別布置探測剖面線,平行巖層走向布置22條探測剖面線,平行巖層走向布置36條探測剖面線,共計布置58條探測剖面線,探測點765個。研究結(jié)論為:

(1)推測出3條主要斷裂或斷裂破碎帶和18個溶洞,并對研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了劃分,灰?guī)r與泥巖分界主要在高程730～760 m;

(2)對探測異常點采用鉆探進(jìn)行驗證,分別布置ZK26、K46、ZK48、ZK56驗證結(jié)果與探測結(jié)果相吻合,探測南北向三條主要巖溶通道TD1、TD2、TD3是該場地巖溶地下水運移的主要通道。