一种基于Dar Zarrouk参数的埃塞俄比亚中部主裂谷地下水潜力分区方法，重点研究哈瓦萨盆地

《Journal of African Earth Sciences》：A Dar Zarrouk parameters-based approach to groundwater Potential zoning in the central main Ethiopian rift, focus on Hawassa basin

　　曼德弗罗·阿拉尔索|蒂吉斯图·海尔
埃塞俄比亚亚的斯亚贝巴大学自然与计算科学学院地球科学系，邮政信箱1176，亚的斯亚贝巴

摘要
通过对85组施伦贝格垂直电法探测数据进行定量分析，并运用达尔扎鲁克参数进行评估，研究了埃塞俄比亚中部主裂谷哈瓦萨盆地的水文地质特征。通过垂直电法探测结果分析，地质电法剖面显示，该地区的主要含水层由火山岩和沉积岩构成。为进一步分析这些数据，研究者计算了包括纵向电导率、横向电阻率、各向异性系数以及渗透率在内的达尔扎鲁克参数，用以划分地下水潜力区。这些参数通过钻孔岩性记录以及全球重力模型卫星数据进行了验证。研究结果表明，高纵向电导率（>10.1 Ω-1）对应着盆地西北部、中部和西南部厚度较大且富含黏土的含水层，这类含水层具有较好的防护能力。而高横向电阻率（>11394.1 Ω m2）和高含水层渗透率（>1243.4 m2/天）则表明同一区域存在断裂的火山岩含水层，具有较高的地下水潜力。将达尔扎鲁克参数与水文地质资料、钻孔数据以及全球重力模型数据相结合，提高了在该裂谷地区进行地下水勘探的精度。未来研究建议补充更多的地球物理和水文地质数据，尤其是那些采样不足的区域，以提高地下水潜力和结构分布图的准确性。

引言
在地表水资源极为有限且变化较大的干旱和半干旱地区，地下水是一种至关重要的淡水资源。在埃塞俄比亚，地下水在满足生活、农业和工业用水需求方面发挥着越来越重要的作用，尤其是在埃塞俄比亚主裂谷地区——这一地区人口增长迅速，城市化程度不断提高，农业规模也在不断扩大（Ayenew, 2006; Kebede, 2013; Worako, 2015）。位于埃塞俄比亚主裂谷中部的哈瓦萨盆地是该国南部最重要的社会经济盆地之一，但其地下水资源的特征尚未得到充分了解，因此有必要对地下水文地质条件进行详细研究，以实现该地区地下水的可持续利用。

由于成本较低、数据获取速度快，且无需钻探即可了解地下情况，地球物理方法被广泛用于地下水勘探和含水层特征分析（Reynolds, 2011）。其中，直流电阻率法尤其适用于识别含水层、估算饱和带厚度以及绘制地下岩性分布图（Keller and Frischknecht, 1966; Telford et al., 1990）。垂直电法探测尤其适合分层地质环境，在火山岩和沉积岩地区的地下水研究中得到了广泛应用。

通过引入达尔扎鲁克参数，可以显著提升电阻率数据的分析效果，这些参数通过结合层状岩石的电阻率和厚度，从而得出有意义的水文地质参数（Maillet, 1974; Henriet, 1976）。这些参数包括纵向电导率、横向电阻率以及各向异性系数。纵向电导率常被用作衡量含水层防护能力的指标，尤其可用于评估地下水受地表污染的风险（Henriet, 1976; Oladapo and Akintomiwa, 2007）。而横向电阻率则与含水层渗透率及地下水潜力相关，因此是描述优质含水层区域的重要参数（Niwas and Singhal, 1981）。

本研究关注的埃塞俄比亚主裂谷地区地质结构十分复杂，该地区以第三纪和第四纪的火山岩为主，如玄武岩、凝灰岩、流纹岩，同时还存在大量湖泊沉积物，此外还有众多重要的地质构造（Mohr, 1983; Chorowicz, 2005; Corti, 2009; Vittori et al., 2025）。在这样的火山和裂谷环境中，地下水的存在主要取决于次生孔隙特征，如断层、节理、裂缝以及与构造活动相关的风化带（Ayenew et al., 2008）。这些不均匀性往往导致含水层性质在空间上存在显著差异，使得仅依靠传统水文地质方法进行地下水勘探面临很大挑战。

尽管以往在埃塞俄比亚主裂谷地区的研究已经证明了地球物理方法在地下水勘探中的有效性（Ayenew, 2005; Kebede et al., 2020），但人们却很少系统地运用达尔扎鲁克参数来详细分析地下水潜力区域。尤其是哈瓦萨盆地，作为一处经济重要性极高的地区，不仅人口众多，还拥有重要的农业和畜牧业资源，目前仍缺乏此类系统研究。本研究旨在通过利用垂直电法探测得到的达尔扎鲁克参数，明确该盆地内的地下水潜力区。将地质、水文地质和构造信息与地质电法分析结果相结合，有望为识别适宜的地下水开采区域提供有力依据，进而为哈瓦萨盆地的地下水可持续开发与管理提供支持，这一方法也可推广到类似的火山裂谷地区。

哈瓦萨盆地位于东非裂谷系统的狭窄段落——埃塞俄比亚中部主裂谷中，地处埃塞俄比亚的裂谷湖盆地内。该盆地位于齐瓦伊-沙拉湖的南面，阿巴亚-查莫湖的北面，地理坐标为北纬60°48′至70°14′，东经38°016′至38°043′4″。该盆地的中心是哈瓦萨湖，这是一座淡水湖，湖面海拔约为1,680米（Ayenew et al., 2008; Woldegabriel et al., 1990）。哈瓦萨湖盆地处于两个重叠的裂谷底部破火山口之间，即哈瓦萨破火山口和科尔贝蒂破火山口，这两个破火山口中分别有小型湖泊沼泽和大型终端湖哈瓦萨湖。该盆地的总面积为1,455平方公里，其中湖泊面积分别为14.5平方公里和93平方公里（Ayenew et al., 2008）。研究区域还包括西达马地区的首府哈瓦萨镇，该镇距离埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴约270公里。从亚的斯亚贝巴通往肯尼亚边境城镇莫亚莱的公路贯穿整个盆地。

总体而言，哈瓦萨盆地具有独特的地质和水文地质特征。这里是一个活跃的火山和构造活动区，各种大小和年代的断层、破火山口塌陷以及断层控导的盆地都非常明显。这些地质特征对地下水的存在和流动有着重要影响（Chorowicz, 2005; Ebinger, 2005; Vittori et al., 2025）。

哈瓦萨盆地属于埃塞俄比亚主裂谷的一部分，而该裂谷则是努比亚板块与索马里板块之间的大陆拉伸轴。该盆地是一个地形凹陷地带，尺寸约为35×20公里，呈南北走向略长（图2）。其地质结构以第三纪至第四纪的火山岩为主，这些火山岩与裂谷火山作用密切相关，由多种火山岩和沉积岩共同构成。这些岩石包括玄武质熔岩流、凝灰岩、流纹岩穹丘、火山碎屑沉积物以及少量粗面岩类（Abiye, 2008; Corti, 2009; Vittori et al., 2025）。较近期的火山活动在盆地西北部形成了科尔贝蒂火山中心，该火山中心以流纹质熔岩流和破火山口塌陷为特征（Woldegabriel et al., 1990; Boccaletti et al., 1998）。大量的湖泊沉积物和冲积沉积物表明，该地区在构造活动频繁的背景下也曾有过沉积作用。覆盖在前寒武纪基底岩石之上的火山地层包括玄武质熔岩、凝灰岩和流纹岩，其中科尔贝蒂火山群因其近期活动以及地热潜力而尤为重要（Agostini et al., 2011; Kebede et al., 2022）。

正常断层、裂隙以及裂缝网络等构造特征，尤其是那些与翁吉断层带相关的构造，对控制地下空间的不均匀性起着重要作用。这些构造增加了原本孔隙度较低的火山岩中的次生孔隙和渗透性，为地下水的流动提供了有利通道（Chorowicz, 2005; Ebinger, 2005; Acocella et al., 2003）。

哈瓦萨盆地的地下水状况主要受火山岩岩性、断裂程度以及盆地填充沉积物的影响。这里的含水层既包括非承压含水层，也包括承压含水层，大致可分为三类（Ayenew, 2005; Warako, 2016; Ayenew et al., 2008; Ayenew et al., 2020）：
1. 断裂火山岩含水层：主要由玄武岩和凝灰岩构成，地下水的储存和流动取决于断裂密度、断层交叉情况以及风化带的分布；
2. 未固结的湖泊沉积物和冲积沉积物：这类沉积物形成浅层含水层，其原始孔隙度和渗透率相对较高，主要分布在湖泊边缘以及洪泛平原和沼泽地带（Ayenew et al., 2008）；
3. 火山碎屑沉积物和浮石沉积物：在特定条件下可作为含水层，其含水能力取决于沉积物的分选程度、压实程度以及胶结情况。

地下水的补给主要来自降雨渗透、周边陡坡的地表水侧向流入，以及包括哈瓦萨湖在内的各类地表水体的局部渗漏。地下水的流动方向通常是从较高的裂谷边缘向盆地中心，流动路径受到断层系统和火山构造线的强烈影响（Ayenew, 2005; Kebede et al., 2020）。

部分内容节选
直流电阻率测量
地质电法数据是通过施伦贝格阵列采集的，电极最大半间距为1000米。研究中使用了ABEM Terrameter SAS1000仪器，该仪器能够发出标准且稳定的方波信号，并以高精度测量电位差。垂直电法探测点的位置是通过手持式Garmin GPS地图76cxs设备确定的。共设置了85个垂直电法探测站，其中包括12个主探测点和73个辅助探测点。

结果与讨论
达尔扎鲁克参数是一种广泛应用于地下水勘探的地球物理工具，可通过垂直电法探测获得的电阻率数据来分析含水层特征（Maillet, 1974）。这些参数有助于解读地下属性，进而评估地下水潜力、水质以及含水层的防护能力。本研究正是利用垂直电法探测数据来计算达尔扎鲁克参数。

结论
将达尔扎鲁克参数与钻孔岩性数据、全球重力模型数据以及卫星重力数据和水文地质数据相结合，有效地分析了埃塞俄比亚中部主裂谷哈瓦萨盆地的地下水潜力区。主要研究结果表明：
•横向电阻率是判断含水层渗透率及地下水富集区的可靠指标，高横向电阻率意味着存在适合开发的断裂火山岩含水层。

局限性
目前可用的数据在哈瓦萨盆地的东部、东北部和南部地区分布较为稀少，这可能会影响这些区域分析结果的可靠性和精确度。因此，建议未来的研究在这些采样不足的区域补充更多的地球物理和水文地质数据，以提高地下水潜力评估和结构分布图绘制的准确性。

作者贡献说明
曼德弗罗·阿拉尔索：负责初稿撰写

未引用参考文献
Attwa et al., 2014; Fohlich and Kelly, 1985; Kufman and Anderson, 2010; Markos et al., 2021; Reiter, 1984; Taylor and Fleming, 1988.

利益冲突声明
本研究不存在任何利益冲突。

致谢
作者感谢埃塞俄比亚水利工程设计监督公司、埃塞俄比亚地质调查研究所以及阿贝拉·阿莱穆博士在数据提供方面给予的支持。