高密度电法在武威市丰乐镇一带水文地质调查中的应用

乔得福，李陇锋

(甘肃省地矿局第二地质矿产勘查院，兰州 730020)

0 引言

高密度电阻率法属于电阻率法范畴，其雏形是20世纪80年代英国学者设计的电阻率测深偏置装置系统，20世纪90年代前后该理论和技术研究取得重要的进展。该方法具有采样密度大、分辨率高、成本低、效率高等特点[1-2]，已广泛应用于水文地质和工程地质勘察领域[3-7]。

近年来区内河流长期断流，地表水资源无法满足农业生产的需要。农户竞相挖掘深井开采地下水进行灌溉，形成工业、农业、生活争相开采地下水的局面，地下水位逐年下降，生态环境严重恶化，已严重制约区内社会经济可持续发展。笔者利用高密度电法，较系统地研究了该区域的地电特征和水文地质特征。希望本文研究成果能为区内生态环境保护、生态系统修复、生态文明建设和社会经济发展规划等提供一定的参考价值。

1 地质概况

1.1 地质背景

研究区位于东经102°00′00″～102°45′00″，北纬37°50′00″～38°30′00″，地处甘肃省中部、河西走廊东端，是丝绸之路自东而西进入河西走廊和新疆的东大门，地处黄土、青藏、蒙新三大高原交汇地带，地势由西南向东北倾斜，依次形成南部祁连山山地、中部走廊平原和北部荒漠三种地貌，海拔1020～4874 m。

该区域大地构造位于塔里木—华北地块、祁连褶皱系、贺兰褶皱带三大构造单元交汇带。基底由前震旦系龙首山群中深变质的结晶基底和下古生界浅变质岩组成。区内出露地层主要为第四系上更新统戈壁组—冲洪积砂砾和黄土状亚砂土，自南向北岩性颗粒由粗变细。研究区及周边地质情况见图1。

图1 研究区及周边区域地质图Fig.1 Geological map of study area and its surrounding area

1.2 水文地质条件

研究区地处石羊河流域中上游，境内西营河、金塔河、杂木河、黄羊河均发源于祁连山东端的冷龙岭北坡，属石羊河流域。境内河流的共同特点是年际变化率大，水量年内分布很不均匀，四条河流多年平均径流量分别为3.66亿立方米、1.52亿立方米、2.54亿立方米、1.40亿立方米。除四大水系以外的河流，多年平均径流量为0.31亿立方米。

区内地下水主要由地表水渗入和山区基岩裂隙水侧向补给。在东南部山前倾斜平原是地下潜水的主要形成区，由于存在大厚度强透水的砾卵石地层，为地表水的下渗提供了极有利条件。在广阔的冲积细土平原地区，含水层条件良好，分布着潜水、半承压水及承压水，是井泉灌区农业用水的主要水源。研究区地下水类型为松散堆积物中孔隙潜水，含水层为冲洪积卵石层。地下水补给主要来自大气降雨和雪山融水，径流方向由西南向东北。地下水排泄途径为人工开采、蒸发和侧向径流。人工开采为地下水最主要的排泄方式，其次为蒸发和向民勤盆地的侧向径流排泄。

1.3 地球物理前提分析

区内基本上被第四系覆盖，无法采集到岩石标本，只在部分覆盖地段用露头小四极法测定了一些松散沉积层岩性的电性参数(见表1)。由表1可见，砾卵石视电阻率最高，为320～900 Ω·m，其次为砾卵石(含水)和黄土层，亚黏土和泥质砂层视电阻率最低，分别为50～100 Ω·m和30～70 Ω·m。其中砂砾层为主要含水层，黏土层为隔水层，以上电性差异是开展电阻率法重要前提之一。

表1 测区岩性电阻率统计表Table 1 Statistical table of rock resistivity at survey area

2 工作方法与技术

2.1 测量方式

本次测量为长剖面，需要在几公里到几十公里范围内连续观测，受设备固有探测剖面长度、地形等因素的限制，需要分段观测，再拼接一起得到长剖面视电阻率图。通常分段观测有滑动和滚动两种方式，本次主要采用滚动观测方式。

2.2 参数设置

一条测线共布置144根电极，电极距为10 m，采用温纳装置做滚动测量，滚动底面点数为36，测量层数为36层。

2.3 测线布置

该段测线自陈家庄沿毛沟村、多浪村、洪祥镇一线北东向至新泉村，全长25 190 m，地势南西高北东低，高差352 m。测点从970点到26 160点。点增量为1，点距10 m，测线总体方位北偏东46°，见图2。

①任家庄—兰家庄段 ②连霍高速—连家庄段 ③312国道—连家庄段 ④洪祥镇—新泉村段图2 研究区高密度电法测线位置示意图Fig.2 Schematic diagram of the location of the high- density electrical survey line at study area

3 高密度电法结果分析

3.1 地电结构

从高密度电法观测结果来看，从上至下大致分为四层：黄土层、砾卵石层、含砾砂层、泥质砂层。黄土层在路口庄—周家场一带缺失；陈家庄—杂沟、周家场—褚家新庄一带有零星分布，且比较干燥，视电阻率变化范围130～260 Ω·m；刘宫寨—新泉村一带成片分布，且相对湿润，深度范围10～25 m，视电阻率变化范围30～150 Ω·m。砾卵石层在陈家庄—312国道一带，底板深度为5～112 m，厚度7～92 m，视电阻率变化范围300～1200 Ω·m，自陈家庄向北东至毛沟村逐渐变薄，厚度由92 m减小至7 m，受阻水断裂F1影响，由毛沟村向北东至312国道，厚度逐渐变厚至24 m；312国道—刘宫寨一带分布稳定，底板深度为110～140 m，厚度90～120 m，视电阻率变化范围300～1200 Ω·m；刘宫寨—新泉村一带局部分布，厚度变小，约为10～30 m，粒度变细，视电阻率阻值降低，视电阻率变化范围300～500 Ω·m。含砾砂层为主要含水层位，陈家庄—兰家庄一带该层顶板大致与潜水面重合，底板深度125～160 m，视电阻率变化范围100～280 Ω·m；杂沟—路口村一带，厚度约10 m；路口村—连霍高速一带，底板深度大于140 m，厚度大于120 m，局部含泥质砂层；312国道—刘宫寨一带厚度在60～85 m，底板深度大于180 m；刘宫寨—新泉村一带厚度大于90 m，底板深度大于180 m。泥质砂层主要出现在陈家庄—毛沟村一带，其视电阻率变化范围30～90 Ω·m，在杂沟至路口庄一带，厚度大于130 m。各段的观测结果见图3～图6。

图3 任家庄—兰家庄段高密度电法视电阻率断面图Fig.3 Apparent resistivity profile of high-density electrical method at Renjiazhuang-Lanjiazhuang section

图4 312国道—连家庄段高密度电法视电阻率断面图Fig.4 Apparent resistivity profile of high-density electrical method at 312 National Road-Lianjiazhuang section

图5 连霍高速—连家庄段高密度电法视电阻率断面图Fig.5 Apparent resistivity profile of high-density electrical method at Lianhuo Expressway-Lianjiazhuang section

图6 洪祥镇-新泉村段高密度电法视电阻率断面图Fig.6 Apparent resistivity profile of high-density electrical method at Hongxiang Town-Xinquan Village section

3.2 水文特征

研究区浅层地下水以第四系冲洪积松散沉积物砂砾层中的孔隙水为主，为单一的潜水结构，潜水面为第二电性层底板面。其深度在陈家庄—路口庄一带自西向东逐渐变浅，在陈家庄一带100 m左右，至路口庄、毛沟村5～7 m；在路口村—连霍高速段，潜水面缓慢增大，连霍高速附近深度24 m左右；受阻水断裂F1影响，自312国道向东，潜水面深度在312国道—褚家庄一带突变至130～140 m；在禇家新庄—新泉村一带，潜水位面逐渐上升，深度范围95～120 m。

3.3 断裂构造

根据地电特征推断，在312国道附近存在阻水断裂F1，该断裂在祁连山前形成“断层台阶”，使得山前侧向水流无法补给到312国道以东地区，在312国道附近自西向东潜水面由27 m迅速降至150 m。由于312国道车大型车辆太多，高密度电法测线无法敷设，致使国道附近深部数据缺失，对断裂F1的规模、产状等要素判断带来困难。

4 结论

通过本次工作初步查明了区内浅部松散沉积层的地电特征、地下水体赋存状态以及断裂构造展布情况，为当地地下水的开采利用和综合治理提供了基础资料。根据区内岩石的物理性质，初步判断砾卵石层和含砾砂层电阻率较高，而黄土层和泥质砂层电阻率较低，为后面的高密度电法结果提供物性解释基础。研究区浅层地下水以第四系冲洪积松散沉积层孔隙水为主，储水介质主要是砂砾石，为单一的潜水结构。该层地下水受312国道附近的阻水断裂F1控制，在祁连山前形成“水位台阶”，断层两侧的地下水位落差达百米上。