綜合物探方法在福建永泰清涼地下水勘查中的應(yīng)用

余根鋅

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福州，350013)

應(yīng)用于地下水勘查的物探方法很多，但由于各工作區(qū)的地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，影響因素復(fù)雜，采用單一物探方法往往難以達(dá)到好的效果，因此，需要采用綜合物探方法，多種方法相互驗(yàn)證、取長(zhǎng)補(bǔ)短，減少“多解性”。多年來(lái)，筆者在綜合物探方法尋找地下水方面總結(jié)了一套有效的方法，該方法在地下水勘查實(shí)踐中得到較好的驗(yàn)證。福建境內(nèi)大部分地區(qū)為火山巖、侵入巖覆蓋[1]，這些火成巖本身貯水性差，但其張性的構(gòu)造破碎帶含水性好，所以尋找基巖裂隙水也就轉(zhuǎn)變?yōu)閷ふ覕嗔褬?gòu)造帶位置，因此，物探方法在此類(lèi)工程也有了用武之地。首先在工作區(qū)投入快速、低價(jià)的面積性高精度磁測(cè)工作，推斷出斷裂構(gòu)造的大致位置；而后在斷裂構(gòu)造有利位置投入有限的聯(lián)合電剖面法、CSAMT[2]等電法工作，確定斷裂構(gòu)造的產(chǎn)狀、埋深等；最后布設(shè)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，往往能取得較好的地質(zhì)效果。以永泰清涼地下水勘查為例，介紹該方法在此類(lèi)工作中的應(yīng)用。

永泰清涼地下水勘查區(qū)位于清涼鎮(zhèn)漁溪村馬厝一帶，區(qū)內(nèi)有永泰—閩清省道公路，自然村之間有簡(jiǎn)易公路相通，交通較方便，中部清涼溪由北向南流過(guò)。

1 地質(zhì)特征與水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)特征

勘查區(qū)內(nèi)出露地層主要是清涼溪兩岸的第四系沖洪積層和晚侏羅世碎斑熔巖(1)福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，永泰縣清涼鎮(zhèn)取用水前期調(diào)查地質(zhì)成果報(bào)告，2019。(圖1)。第四系沖洪積層巖性多具二元結(jié)構(gòu)，上部為黃褐色粉質(zhì)黏土，下部為灰黃色的砂礫卵石等。侵入巖為位于勘查區(qū)北部的早白堊世正長(zhǎng)花崗巖，巖石呈肉紅色，具似斑狀結(jié)構(gòu)，細(xì)-中?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。似斑晶成分為鉀長(zhǎng)石，自外向內(nèi)似斑晶含量增多、粒徑變粗，基質(zhì)礦物粒度也增大。區(qū)內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育。

1.2 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地貌屬于低山地形，第四系覆蓋主要在漁溪山間盆地，地下水以基巖裂隙水為主、松散巖類(lèi)孔隙水為輔。松散巖類(lèi)孔隙水僅分布在清涼溪、漁溪山間盆地中，含水巖組主要為全新統(tǒng)沖洪積層，巖性為細(xì)砂、砂礫卵石、泥質(zhì)砂礫卵石等。含水層厚度多小于5 m，多數(shù)為潛水-微承壓水?；鶐r裂隙水主要靠大氣降水補(bǔ)給，以下降泉形式就地排泄于溝谷、洼地等，泉水出露多，泉流量多數(shù)小于0.1 L/s，呈分散片狀流出，地下水類(lèi)型屬于貧乏-中等。馬厝一帶地下水貯存于區(qū)域性構(gòu)造裂隙中，沿張性斷裂或破碎帶可形成局部脈狀水，地下水較為豐富。

圖1 工作區(qū)水文地質(zhì)及物探剖面位置圖Fig.1 Location map of hydrogeological and geophysical profiles in the working area1—第四系沖洪積；2—正長(zhǎng)花崗巖；3—晚侏羅世碎斑熔巖；4—地質(zhì)界線(xiàn)；5—已施工鉆孔及編號(hào)；6—高精度磁測(cè)分布位置及編號(hào)；7—電法剖面位置；8—松散巖類(lèi)孔隙水(水量貧乏，單井涌水量10～100 t/d)；9—塊狀火山巖類(lèi)裂隙水(泉流量0.1～1.0 L/s，徑流模數(shù)3～6 L/s·km2)；10—塊狀侵入巖類(lèi)裂隙水(泉流量0.1～1.0 L/s，徑流模數(shù)3～6 L/s·km2)；11—下降泉

2 地球物理特征

工作區(qū)主要出露第四系和晚侏羅世碎斑熔巖，侵入早白堊世正長(zhǎng)花崗巖。不同巖性的磁參數(shù)(2)福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福建省磁測(cè)資料應(yīng)用研究成果報(bào)告，2011。和電參數(shù)統(tǒng)計(jì)(表1)。從表1可見(jiàn)，第四系粉質(zhì)黏土為無(wú)磁性，電阻率低；碎斑熔巖磁性較不均勻，變化范圍較大，易形成跳躍變化的不穩(wěn)定磁異常，磁場(chǎng)表現(xiàn)雜亂；正長(zhǎng)花崗巖會(huì)引起低緩正磁異常，中基性閃長(zhǎng)玢巖磁性強(qiáng)，能引起正負(fù)跳變強(qiáng)烈異常。一般情況下，完整巖石磁性穩(wěn)定，破碎后磁性降低，電阻率也因含水率的增加明顯降低，可達(dá)1個(gè)數(shù)量級(jí)。工作區(qū)地層、巖石的磁性存在差異，且?guī)r石由于構(gòu)造破碎、風(fēng)化等因素影響，其磁性減弱較明顯，電阻率值則會(huì)明顯降低，因此在該區(qū)開(kāi)展磁法、電法工作尋找構(gòu)造破碎帶具備地球物理前提。

表1 巖石磁參數(shù)、電參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 工作方法

3.1 高精度磁測(cè)

根據(jù)地表地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，主要構(gòu)造方向以北北西向?yàn)橹?。為了使測(cè)線(xiàn)盡可能垂直于構(gòu)造線(xiàn)方向，測(cè)線(xiàn)布設(shè)為北東向，方位為65°，(編號(hào)120～190線(xiàn))。采用GSM-19T質(zhì)子磁力儀進(jìn)行總場(chǎng)測(cè)量，經(jīng)日變、正常場(chǎng)、緯度、高度改正，計(jì)算ΔT異常值[3]。

3.2 聯(lián)合電剖面測(cè)量

在高精度磁測(cè)推斷的斷裂構(gòu)造位置布置聯(lián)合電剖面測(cè)量工作[4]?！盁o(wú)窮遠(yuǎn)極”垂直于測(cè)線(xiàn)方向布設(shè)，與測(cè)線(xiàn)的距離為1.2 km(大于AO的5倍)。AO=BO采用80 m和160 m兩種供電極距，相應(yīng)MN極距采用20 m和40 m。觀測(cè)點(diǎn)距均為10 m。

3.3 可控源音頻大地電磁測(cè)深(CSAMT)

CSAMT采用扇形裝置進(jìn)行標(biāo)量觀測(cè)，收發(fā)距r=6 100 m、發(fā)射偶極距AB=1 100 m，測(cè)量偶極距MN為20 m，每個(gè)排列采用7個(gè)電分量電極和1個(gè)磁分量電極的6個(gè)物理點(diǎn)方式測(cè)量。測(cè)線(xiàn)分布在供電極中點(diǎn)成60°夾角的扇形范圍內(nèi)，通過(guò)在接收點(diǎn)同時(shí)測(cè)量電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩個(gè)互相垂直的水平分量的振幅Ex、Hy和相位φEx，φHy，計(jì)算卡尼亞電阻率[5]來(lái)探測(cè)地下不同深度內(nèi)的電性異常值。

3.4 數(shù)據(jù)處理與反演計(jì)算

高精度磁測(cè)采用中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心軟件RGIS2014進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與制圖[6]。剖面平面圖是將原始數(shù)據(jù)干擾、畸變點(diǎn)等處理后直接繪制。為了便于成圖和資料處理，對(duì)高精度磁測(cè)數(shù)據(jù)先采用克里金法(Kriging)進(jìn)行網(wǎng)格距20 m×20 m的網(wǎng)格化處理，而后勾繪等值線(xiàn)平面圖。這是為了更好地輔助確定線(xiàn)性構(gòu)造位置，求取了磁異常水平總梯度模。磁力場(chǎng)的一階水平導(dǎo)數(shù)Tx、Ty反映了磁力場(chǎng)在x方向與y方向的變化率，若有一個(gè)走向沿x方向的垂直臺(tái)階，則沿y方向就會(huì)出現(xiàn)水平梯度帶，利用這一特征可以依據(jù)磁異常水平總梯度模進(jìn)行斷裂構(gòu)造的推斷。

磁異常的反演計(jì)算采用2.5D重磁反演模塊，反演流程根據(jù)已知地質(zhì)資料建立初始模型→正演計(jì)算→模型參數(shù)修改→再正演計(jì)算，反復(fù)計(jì)算使計(jì)算曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)達(dá)到擬合，并使地質(zhì)模型符合地質(zhì)規(guī)律為止。

CSAMT法數(shù)據(jù)處理采用美國(guó)Zong公司的CSC數(shù)據(jù)處理包，數(shù)據(jù)處理分3步進(jìn)行：第一步進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，識(shí)別干擾并去除干擾數(shù)據(jù)；第二步進(jìn)行靜態(tài)校正處理；第三步進(jìn)行帶地形二維反演處理。

4 資料解釋

4.1 高精度磁測(cè)

高精度磁測(cè)主要用于推斷隱伏斷裂構(gòu)造位置。從高精度磁測(cè)△T剖析圖(圖2)可見(jiàn)，工作區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)總體變化不大，但跳躍比較明顯，主要特征是東南磁場(chǎng)低，西部磁場(chǎng)雜亂，中部線(xiàn)狀正負(fù)伴生異常明顯，東北-西南磁場(chǎng)較強(qiáng)，磁異常幅值變化為-250～250 nT。根據(jù)線(xiàn)性低磁異常帶，磁異常突變、跳躍、正負(fù)值交替過(guò)渡等異常特征，參考水平總梯度模的線(xiàn)性梯度帶以及異常突變等特征，結(jié)合物性和地質(zhì)資料，工作區(qū)共推斷了2處斷裂構(gòu)造，編號(hào)為F-1和F-2。其中，F(xiàn)-1斷裂的異常特征為2條平行的低磁異常帶，中間夾1條相對(duì)高磁異常帶，結(jié)合物性資料與CSAMT成果，高磁異常帶應(yīng)為閃長(zhǎng)玢巖脈沿?cái)嗔褬?gòu)造侵入引起，F(xiàn)-1斷裂構(gòu)造應(yīng)由2條近于平行的次級(jí)斷裂F-1a、F-1b組成。F-2斷裂在水平總梯度模圖上顯示為異常突變、不連續(xù)，推斷F-2時(shí)代較早，受F-1斷裂的錯(cuò)斷而不連續(xù)。

選擇開(kāi)展綜合物探工作的160線(xiàn)進(jìn)行高精度磁測(cè)剖面反演計(jì)算。地表出露的第四系粉質(zhì)黏土無(wú)磁性，碎斑熔巖大面積分布只會(huì)引起背景磁場(chǎng)，不會(huì)引起明顯的局部正磁異常，結(jié)合物性及CSAMT測(cè)量結(jié)果，推斷高磁異常由隱伏的中基性巖脈(閃長(zhǎng)玢巖)引起。假設(shè)剩磁與感磁方向一致，依據(jù)閃長(zhǎng)玢巖的磁化率、剩磁，其有效磁化強(qiáng)度為1 780×10-3A/m，磁化傾角39.32°、磁化偏角-4.34°。反演結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖2 高精度磁測(cè)△T剖析圖Fig.2 Profile chart of high precision magnetic survey △T1—第四系沖洪積；2—正長(zhǎng)花崗巖；3—晚侏羅世碎斑熔巖；4—地質(zhì)界線(xiàn)；5—已施工鉆孔及編號(hào)；6—高精度磁測(cè)ΔT異常曲線(xiàn)(1cm=100nT)；7—ΔT異常等值線(xiàn)(單位：nT)；8—推斷斷裂及編號(hào)

4.2 視電阻率聯(lián)合剖面

選擇在160線(xiàn)175～221點(diǎn)開(kāi)展工作，按照兩種不同極距(AO=OB為80 m、160 m)進(jìn)行測(cè)量。其目的在于通過(guò)聯(lián)合電剖面測(cè)量進(jìn)一步確定低阻構(gòu)造位置和產(chǎn)狀特征。當(dāng)AO=OB=80 m和AO=OB=160 m時(shí)，在197點(diǎn)附近ρa(bǔ)A與ρa(bǔ)B曲線(xiàn)形成“正交點(diǎn)”(圖3)；且AO=OB=80 m和AO=OB=160 m正交點(diǎn)位置變化不大，據(jù)此推斷在197位置存在一低阻構(gòu)造，傾角較陡，有略向南西方向傾斜的特征。該構(gòu)造對(duì)應(yīng)于高精度磁測(cè)推斷的F-1斷裂。

4.3 可控源音頻大地電磁測(cè)深(CSAMT)

根據(jù)高精度磁測(cè)和聯(lián)合電剖面測(cè)量結(jié)果，斷裂構(gòu)造F-1的位置與淺部特征基本確定，但往深部的延伸情況還不清楚，選擇在160線(xiàn)175～221點(diǎn)開(kāi)展CSAMT工作。通過(guò)數(shù)據(jù)反演結(jié)果，能夠有效地反映視電阻率在橫向和縱向上的變化特征，推斷構(gòu)造的延伸情況。

從160線(xiàn)物探綜合成果圖可以看出，CSAMT反演斷面圖中部存在一條明顯的帶狀高阻異常，高阻等值線(xiàn)沿南西方向延伸，梯度變化大，視電阻率值為10 000～n×10 000 Ω·m，其上下兩側(cè)為2處條帶狀低阻異常帶，視電阻率值為n×10～n×1 000 Ω·m。根據(jù)異常特征，高阻異常推斷為巖脈引起，其上下兩側(cè)的低阻異常推斷為構(gòu)造破碎帶，產(chǎn)狀較陡，向南西方向傾斜，進(jìn)一步證實(shí)了高精度磁測(cè)推斷的北北西向F-1斷裂構(gòu)造是由兩條近于平行的次級(jí)斷裂F-1a、F-1b組成。

圖3 160線(xiàn)物探綜合成果圖Fig.3 Comprehensive results map of No.160 line geophysical exploration1—晚侏羅世碎斑熔巖；2—晚侏羅世閃長(zhǎng)玢巖脈；3—推斷斷裂構(gòu)造及編號(hào)；4—驗(yàn)證鉆孔及編號(hào)

5 鉆探驗(yàn)證

綜合高精度磁測(cè)、聯(lián)合電剖面與CSAMT測(cè)深結(jié)果可知，高精度磁測(cè)表現(xiàn)為正負(fù)伴生強(qiáng)磁異常，聯(lián)合電剖面在160線(xiàn)197點(diǎn)附近存在著“正交點(diǎn)”，推測(cè)為一條中基性巖脈和斷裂構(gòu)造F-1，且F-1是由2條近于平行的次級(jí)斷裂F-1a、F-1b組成。脈巖上下兩側(cè)由于斷裂構(gòu)造作用相對(duì)破碎，F(xiàn)-1走向北北西，向南西方向傾斜，建議在160線(xiàn)197點(diǎn)布設(shè)鉆孔ZK-1(3)福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福建省永泰縣清涼鎮(zhèn)礦泉水資源地球物理勘查成果報(bào)告，2018。，為了F-1的2組斷裂都能得到驗(yàn)證，設(shè)計(jì)孔深350 m。

后期對(duì)ZK-1進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證，孔深268.51 m，在孔深91.90～167.80 m處巖性為灰色中基性閃長(zhǎng)玢巖脈，其中，在91.90～106.70 m和106.70～108.00 m處發(fā)現(xiàn)2段構(gòu)造破碎帶，為斷裂構(gòu)造脈狀水。進(jìn)行了2次降深的抽水試驗(yàn)，第一次涌水量為331.680 t/d(降深34.82 m)，第二次涌水量為159.120 t/d(降深18.98 m)；計(jì)算單孔涌水量約為300 t/d(降深30.00 m)，獲得較好的找水效果。由于已達(dá)預(yù)期目的，故驗(yàn)證孔深未達(dá)F-1b處，僅F-1a得到驗(yàn)證，如果繼續(xù)加深至設(shè)計(jì)孔深，有望獲得更高水量。

6 結(jié)論

(1)斷裂構(gòu)造在高精度磁測(cè)剖面平面圖上表現(xiàn)為帶狀正負(fù)伴生異常或者磁異常低值帶；含水構(gòu)造帶在聯(lián)合電剖面上表現(xiàn)為低阻“正交點(diǎn)”，CSAMT測(cè)深法斷面圖上顯示為條帶狀低阻異常。

(2)在地下水勘查中采用綜合物探方法相互驗(yàn)證，即先采用高精度磁測(cè)，推斷出大致的斷裂構(gòu)造位置；然后在構(gòu)造有利位置利用聯(lián)合電剖面法和CSAMT，確定斷裂產(chǎn)狀、埋深；最后用鉆孔驗(yàn)證，取得良好的地下水勘查效果。