綜合電法在張北縣玄武巖孔洞水勘查中的應(yīng)用

羅旋，朱慶俊，于蕾，連晟，盧放

（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定071000）

張北縣是河北省壩上政治、經(jīng)濟(jì)、交通、文化、旅游綜合發(fā)展中心之一。張北縣城工農(nóng)業(yè)及居民生活用水，村莊農(nóng)戶生活、農(nóng)作物灌溉及畜牧養(yǎng)殖用水，均以開采地下水為主[1]。張北縣位于內(nèi)蒙古高原南緣的壩上地區(qū)，年降水量300 mm左右，以內(nèi)陸河水系為主，無境外水量補(bǔ)給，主要靠流域內(nèi)有限的大氣降水補(bǔ)給，水資源的形成途徑十分單一，地表水資源緊缺。近年來，由于壩上地區(qū)大力發(fā)展農(nóng)業(yè)，特別是以發(fā)展錯(cuò)季蔬菜為支柱產(chǎn)業(yè)的水澆地面積迅速擴(kuò)大，導(dǎo)致地下水開采量逐年加大，地下水位連年下降，深層水的開采利用率也逐年提高。導(dǎo)致供水能力下降，亟待開辟新水源[2-5]。

查明張北縣及壩上地區(qū)的水文地質(zhì)條件，研究玄武巖的形成機(jī)理和儲(chǔ)水模式，是提高成井率的重要途徑之一。在現(xiàn)有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上[6-15]，本文利用CSAMT法和高密度電法查明了張北縣西大淖村的地層結(jié)構(gòu)，斷層及含水層的分布，并通過兩種方法相互驗(yàn)證，確定了水文地質(zhì)鉆孔位置，出水量達(dá)130 m3/h，解決了當(dāng)?shù)厮Y源匱乏的問題，為進(jìn)一步提高張北縣玄武巖孔洞水資源的利用率提供重要依據(jù)，具有顯著的社會(huì)意義。

1 工區(qū)水文地質(zhì)特征

工作區(qū)大地構(gòu)造單元位于華北地臺(tái)北緣內(nèi)蒙地軸西部之張北臺(tái)拱與沽源陷斷束的分界線附近東南側(cè)的紅旗營(yíng)子臺(tái)穹內(nèi)，地表覆蓋強(qiáng)風(fēng)化的第四系及火山玄武巖，下伏為新近系和白堊系泥巖[6]。壩上地區(qū)從中新世早期開始，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造活動(dòng)劇烈，形成沿壩頭近東西向與北東向的斷裂。與此同時(shí)，有大量的巖漿沿?cái)嗔褞姲l(fā)，形成中新世早期玄武巖被。每次噴發(fā)之末尾，均有暫時(shí)間歇，在頂層形成了大量的間歇期氣孔，形成了獨(dú)特的孔洞水水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)[7]。根據(jù)調(diào)查[8-11]，玄武巖的富水程度主要受構(gòu)造裂隙的控制、氣孔發(fā)育程度及風(fēng)化程度控制。由于壩上玄武巖屬多期噴發(fā)，氣孔玄武巖和致密玄武巖相間分布，柱狀節(jié)理不發(fā)育，在后期新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下，形成的構(gòu)造節(jié)理裂隙為地下水運(yùn)動(dòng)提供通道，孕育形成了早期脈狀徑流帶，而在潛水面以下的玄武巖古風(fēng)化面，在早期脈狀徑流帶上，隨著地下水不斷潛蝕，形成潛蝕孔洞層，潛蝕孔洞層構(gòu)成了晚期強(qiáng)徑流帶，既形成了富水地段。因此查明地質(zhì)構(gòu)造、地球物理結(jié)構(gòu)成為找水打井的關(guān)鍵[12-13]。

2 工區(qū)地球物理前提

為了解地層結(jié)構(gòu)及地質(zhì)構(gòu)造，故依據(jù)探測(cè)目標(biāo)體的埋深情況[16]，可考慮選擇探測(cè)深度為500 m的可控源音頻大地電磁法（CSAMT 法）和探測(cè)深度為100 m的高密度電阻率法。

圖1 張北縣1/25萬水文地質(zhì)圖Fig.1 1/250 000 hydrogeological map of Zhangbei County

張北玄武巖水儲(chǔ)分布區(qū)淺部通常存在厚約40～60 m泥巖，其電阻率小于10 Ω·m，僅當(dāng)淺層泥巖厚度小于40 m時(shí)，高密度電阻率法適用。此時(shí)，電極距至少設(shè)定為10 m，采用溫納裝置最為適宜[17-20]，施倫貝格或其它四極裝置因測(cè)量電極電位差小于5 mv，測(cè)量數(shù)據(jù)難以保障信噪比，不再適用。

當(dāng)淺部泥巖厚度大于60 m時(shí)，直流電阻率法難以穿透淺部低阻體而有效探測(cè)到深部目標(biāo)，故不再適用。此時(shí)，可選用CSAMT法、TEM法等方法。因CSAMT法視電阻率曲線極值點(diǎn)與地層結(jié)構(gòu)特征具直接明了的對(duì)應(yīng)關(guān)系，故將CSAMT法作為首選[21-22]。

當(dāng)淺部泥巖厚度介于是40～60 m之間時(shí)，視電磁干擾情況，可從上面三種方法中任選其一。如若在緊鄰風(fēng)電區(qū)開展工作，則只能選擇高密度電阻率法；或選擇風(fēng)電非工作日，采用電磁法類方法開展工作。

3 工區(qū)技術(shù)方法

3.1 工區(qū)CSAMT法工作方法

CSAMT野外工作使用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8多功能電法儀，測(cè)量方式采用赤道偶極裝置進(jìn)行CSAMT 法的標(biāo)量測(cè)量方式，供電極距AB=1.6 km，收發(fā)距r = 10～14 km，測(cè)量極距MN=15 m，測(cè)點(diǎn)距=15 m。供電電極A、B選用導(dǎo)電性良好的銅板，接收電極M、N采用電化學(xué)性能穩(wěn)定、極差變化小的不極化電極，并保證接收電極的接地電阻小于2 kΩ，以保證數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。

資料處理的目的是壓制CSAMT數(shù)據(jù)中的各種噪聲的影響，或校正由地質(zhì)噪聲（靜態(tài)位移、地形影響）以及非平面波引起的過渡區(qū)畸變等，從各種疊加場(chǎng)中分離、突出或增強(qiáng)地質(zhì)目標(biāo)體的場(chǎng)信息或趨勢(shì)，有利于后續(xù)的解釋[23-24]。

對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，首先通過數(shù)據(jù)編輯壓制由儀器噪聲、風(fēng)噪聲、天然電磁噪聲和人文噪聲引起的明顯畸變。并利用阻抗相位資料進(jìn)行識(shí)別，并依據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和地形起伏情況，判斷靜態(tài)效應(yīng)及其嚴(yán)重程度，并選取小波多尺度分析的方法[25]對(duì)靜態(tài)位移進(jìn)行分析校正。其次，利用地形校正消除由地形起伏引起的卡尼亞電阻率曲線和阻抗相位的畸變。最后通過等效電阻率全頻域視電阻率近場(chǎng)校正方法對(duì)過渡區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，從而提取出過渡區(qū)數(shù)據(jù)中“隱藏”的有用頻率測(cè)深信息，使其得到有效利用。

數(shù)據(jù)分別采用ZONGE公司提供的商業(yè)化二維圓滑模型反演軟件（SCS2D）和加拿大鳳凰公司提供的Bostick反演軟件進(jìn)行了反演處理和成圖（圖2，圖3），最后根據(jù)反演電阻率斷面并結(jié)合地質(zhì)情況進(jìn)行地質(zhì)解釋。

圖2 CSAMT法Bostick反演電阻率-深度斷面圖Fig.2 CSAMT Bostick inversion of resistivity depth section

圖3 CSAMT法二維圓滑模型反演電阻率-深度斷面圖Fig.3 CSAMT 2-D smooth model inversion of resistivity depth section

3.2 工區(qū)高密度電阻率工作方法

高密度野外工作使用重慶奔騰儀器有限公司的WDJD-4多功能電法儀，該儀器性能穩(wěn)定，靈敏度較高，對(duì)探測(cè)淺部地質(zhì)體具有很好的分辨率和效果[26-27]。本次兩條高密度測(cè)線均采用溫納裝置測(cè)量，電極距為10 m。布設(shè)測(cè)線時(shí)，保證每根電極插入地面20 cm以上。數(shù)據(jù)采集前，首先檢查接地電阻，盡量保證每根電極的接地電阻在2 kΩ以下，對(duì)于接地電阻較高的電極，澆灌鹽水以增加其導(dǎo)電性，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量的真實(shí)可靠。

資料處理首先采用WDAFC.exe 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RES2D.dat 格式，再采用瑞典Res2dinv 軟件進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理流程分為預(yù)處理階段與反演階段。預(yù)處理階段首先導(dǎo)入轉(zhuǎn)換好格式的數(shù)據(jù)文件，在編輯模式下刪除突跳點(diǎn)的數(shù)據(jù)。將突跳數(shù)據(jù)刪除后，通過模型細(xì)化將單位電極間距的一半作為寬度的模型單元得到最優(yōu)結(jié)果。二維反演選擇阻尼最小二乘法，初始阻尼系數(shù)設(shè)置為0.15，為穩(wěn)定反演過程，阻尼系數(shù)增加因子設(shè)置為1.05，反RMS演過程采用線性搜索方式，迭代均方根誤差相對(duì)變化率設(shè)置為5%，收斂誤差設(shè)置為5%，迭代次數(shù)設(shè)置為5次。最終將輸出的原始視電阻率斷面和二維反演斷面保存為dat.*格式，使用surfer繪制電阻率等值線圖，最后根據(jù)反演電阻率-深度斷面并結(jié)合地質(zhì)情況進(jìn)行地質(zhì)解釋。

4 實(shí)例應(yīng)用

西大淖村位于張北縣饅頭營(yíng)鄉(xiāng)，據(jù)張北縣1/25萬地質(zhì)圖說明書①楊志宏，張北縣1/25萬地質(zhì)圖，河北省地質(zhì)調(diào)查院，2004.，西大淖村為第四系覆蓋區(qū)，下伏地層結(jié)構(gòu)不詳。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，村東南淺部巖性為厚大于100 m的泥巖。村內(nèi)供水井和民用灌溉井分布在村西北，井深約50～70 m，含水層巖性為玄武巖，而在村東，沒有鉆井成功先例。為確定適宜探采結(jié)合井位置，同時(shí)查清村西北區(qū)地層結(jié)構(gòu)，采用CSAMT法和高密度電阻率法開展工作（圖4）。

圖4 西大淖村物探工作實(shí)際材料圖Fig.4 Actual material map of geophysical prospecting work in Xidanao

考慮到工作區(qū)周圍有風(fēng)電干擾因素，首先選擇了CSAMT法沿近南北向布設(shè)了測(cè)線。圖2和圖3分別為使用Bostick反演得到的電阻率-深度斷面圖和使用二維圓滑模型反演得到的電阻率-深度斷面圖CSAMT法電阻率-深度斷面圖，從圖中可以看出，使用二維圓滑模型反演法得到的結(jié)果對(duì)斷層的刻畫更加清晰，故通過二維圓滑模型反演得到電阻率-深度斷面圖進(jìn)行推斷。據(jù)二維圓滑模型反演電阻率-深度斷面圖（圖3）推斷，在測(cè)線600～700 m位置存在NE走向控盆斷裂，其走向北東東、近東西向。斷裂以北，為玄武巖+花崗閃長(zhǎng)巖的地層結(jié)構(gòu)；以南盆地內(nèi)沉積了巨厚的泥巖和泥礫巖，埋深十幾米至八十幾米的玄武巖為盆地內(nèi)唯一含水層，玄武巖向南埋深有逐漸增大的趨勢(shì)，且在南部尖滅。F1斷層北側(cè)從地表至埋深80 m左右的玄武巖為主要含水層（圖5）。

為進(jìn)一步驗(yàn)證CSAMT勘查結(jié)果，分別又布設(shè)了高密度Ⅰ線與Ⅱ線。高密度Ⅰ線170 m處約與高密度Ⅱ線200 m處相交，從高密度Ⅰ線視電阻率斷面（圖6）和Ⅱ線視電阻率斷面（圖7）可以看出，兩條高密度測(cè)線電阻率值保持一致。距CSAMT測(cè)線以西平行布設(shè)高密度Ⅰ線，并垂直于CSAMT測(cè)線布設(shè)高密度Ⅱ線。由高密度Ⅰ線電阻率-深度斷面圖（圖8）、推斷地質(zhì)斷面（圖9），其結(jié)果與CSAMT勘查結(jié)果較好對(duì)應(yīng)，F(xiàn)1斷層以北為玄武巖+花崗閃長(zhǎng)巖的地層結(jié)構(gòu)，斷層以南揭示泥巖[28]。

圖5 CSAMT法推斷地質(zhì)斷面圖Fig.5 Inferred geological section of CSAMT method

圖6 高密度電阻率法Ⅰ線視電阻率-深度斷面圖Fig.6 Apparent resistivity depth section of high density resistivity method of line I

圖7 高密度電阻率法Ⅱ線視電阻率-深度斷面圖Fig.7 Apparent resistivity depth section of high density resistivity method of line 2

圖8 高密度電阻率法Ⅰ線二維反演電阻率-深度斷面圖Fig.8 2-D inversion of resistivity section of high density resistivity method of line1

圖9 高密度電阻率法Ⅰ線推斷地質(zhì)斷面圖Fig.9 Inferred geological section of High density resistivity method of line1

在高密度電阻率法Ⅰ線與Ⅱ線（圖10）范圍內(nèi)，埋深40～80m玄武巖孔隙、裂隙發(fā)育，構(gòu)成小范圍內(nèi)玄武巖似層狀含水層；向南該含水層發(fā)育至F1斷層，向北該含水層應(yīng)止于CSAMT法測(cè)線200 m處。故分析認(rèn)為尋找NE向斷層以北閃長(zhǎng)巖中發(fā)育的斷裂構(gòu)造是獲得較大出水量井位的最佳途徑。

同時(shí)高密度Ⅰ線推斷地質(zhì)斷面（圖9）揭示斷層F1和F2所夾持地塊淺部致密玄武巖下伏玄武巖裂隙更加發(fā)育，表現(xiàn)為30 Ω·m等值線所圍限區(qū)域。近F2斷層，玄武巖孔隙、裂隙應(yīng)更加發(fā)育，推測(cè)有孔洞水存在的可能。

綜合判斷，井位定于高密度Ⅰ線370 m處較為合適。根據(jù)定井位置，部署水文地質(zhì)鉆孔，目前已終孔，鉆孔孔深170 m，總體出水量130 m3/h，根據(jù)鉆孔資料可知（圖11），井位2～80 m為玄武巖，局部氣孔構(gòu)造，全孔段巖石較破碎，主要含水層為玄武巖孔洞，下伏花崗閃長(zhǎng)巖亦破碎含水。

通過鉆探資料可知[29]，含水層類型為玄武巖孔洞水，含水層頂板埋深約30～50 m，底板埋深70～80 m，與測(cè)井資料（圖12）驗(yàn)證了物探結(jié)果的正確性，鉆進(jìn)中于埋深57～72 m間掉鉆，未能取得巖芯；聚焦電阻率測(cè)井顯示該段電阻率值僅有十幾歐姆米，與上下段破碎玄武巖電阻率值差異較大。

5 結(jié)論

（1）兩種或多種物探方法相結(jié)合，在張北壩上玄武巖區(qū)找水是可行、有效的。CSAMT法和高密度電阻率法均具有抗電磁干擾強(qiáng)的特點(diǎn)，在風(fēng)電區(qū)作業(yè)可避免電磁干擾問題，有效保障所采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在風(fēng)電區(qū)是找水的較優(yōu)組合模式。

（2）在滿足地球物理前提的條件下，通過CSAMT測(cè)量有效推斷出控盆斷裂的位置與走向，為后期的工作布設(shè)提供了可靠依據(jù)，有效提高工作效率。引入高密度電法，開展多種綜合物探工作，相互驗(yàn)證，克服多解性并取得了符合實(shí)際的地質(zhì)效果。

（3）通過高密度電法與CSAMT法相互驗(yàn)證，可高分辨率精細(xì)刻畫地質(zhì)結(jié)構(gòu)，對(duì)區(qū)域性特別是玄武巖孔隙、裂隙水勘查提供了新思路及物探依據(jù)。

圖11 鉆孔柱狀圖Fig.11 Borehole histogram

圖12 測(cè)井曲線Fig.12 Logging curve