CSAMT在礦泉水資源地質(zhì)勘查中的應(yīng)用研究

韋乖強(qiáng)>

(山東省煤田地質(zhì)局 第五勘探隊(duì)，山東 濟(jì)南 250104)

1 引 言

礦泉水是在特定地質(zhì)條件下形成的一種非常寶貴的液態(tài)礦產(chǎn)資源，含有一定量的礦物鹽、微量元素和其他成分而區(qū)別于普通地下水資源。礦泉水資源勘查是地下水資源勘查的一種，在礦泉水資源地質(zhì)勘查中，利用已知地質(zhì)、水文資料綜合分析探測(cè)區(qū)域礦泉水形成的水文地質(zhì)條件和含水層特征等，以確定最有利賦存礦泉水的物探工作區(qū)域。地球物理勘探手段是在地質(zhì)-水文資料分析的基礎(chǔ)上對(duì)含礦泉水的斷裂構(gòu)造或含水層進(jìn)行地球物理調(diào)查，以確定斷裂構(gòu)造的寬度、產(chǎn)狀、含水層的埋藏深度與分布等，為合理布置最有利的鑿井孔位提供依據(jù)，以降低投資開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

在礦泉水資源地質(zhì)勘查中常用的地球物理探測(cè)方法有可控源音頻大地電磁測(cè)深法(Controlled Source Audio-Frequency Magnetotelluric Sounding,簡(jiǎn)稱CSAMT)、大地電磁測(cè)深法(Audio Magnetotelluric Sounding, 簡(jiǎn)稱AMT)、瞬變電磁法(Transient Electromagnetics Method,簡(jiǎn)稱TEM)、直流電法、大功率激電等，在諸多探測(cè)方法中，CSAMT、AMT方法以其探測(cè)深度大、地形影響小、施工效率高、能穿透高阻屏蔽、縱橫向分辨率高等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。楊海亮等利用AMT法在五大連池碳酸礦泉水勘查中查清了深度斷裂帶的規(guī)模、走向等情況，推斷了研究區(qū)內(nèi)的礦泉水分布區(qū)域[2]；張立劍等利用多種物探方法在河北承德地區(qū)礦泉水勘查中的應(yīng)用中利用CSAMT、TEM等方法確定了勘查區(qū)的賦存礦泉水的構(gòu)造范圍和走向、含水層的位置[3]；本次研究區(qū)域周邊，肖為國(guó)等對(duì)泗水礦泉水礦田的地質(zhì)背景，形成分布特征進(jìn)行了研究[4]，為本次開(kāi)展研究工作提供了參考資料。

本次礦泉水資源勘查工作，選用CSAMT方法通過(guò)整體平移排列加密測(cè)點(diǎn)開(kāi)展精細(xì)探測(cè)，查明探測(cè)區(qū)域地層結(jié)構(gòu)[6]，精準(zhǔn)地反映了賦存礦泉水的斷裂構(gòu)造和含水層的埋藏深度，結(jié)合探測(cè)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際合理確定了鑿井孔位，經(jīng)鉆探、抽水試驗(yàn)、水質(zhì)化驗(yàn)，成功獲取了鍶含量高達(dá)1.121 mg/L的優(yōu)質(zhì)礦泉水井，為該區(qū)域礦泉水規(guī)?；_(kāi)發(fā)利用提供了科學(xué)依據(jù)。

2 CSAMT法概述

CSAMT是在大地電磁測(cè)深(Magnetotelluric Sounding,簡(jiǎn)稱MT)和音頻大地電磁測(cè)深(AMT)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種人工源頻率域地球物理勘探方法，它通過(guò)改變發(fā)射源的發(fā)射頻率(頻率范圍0.125～8 192 Hz)來(lái)達(dá)到不同深度的探測(cè)目的[1]。目前常采用電性源赤道偶極裝置進(jìn)行標(biāo)量測(cè)量，測(cè)量時(shí)場(chǎng)源和測(cè)點(diǎn)之間的距離要達(dá)到3～5倍的趨膚深度，觀測(cè)區(qū)域布置在以發(fā)射偶極形成的60°角的扇形范圍內(nèi)，AB偶極的中點(diǎn)盡量布置在觀測(cè)剖面的中垂線上，觀測(cè)與場(chǎng)源平行的電場(chǎng)水平分量Ex和與場(chǎng)源正交的磁場(chǎng)水平分量Hy，通過(guò)計(jì)算卡尼亞電阻率、阻抗相位來(lái)分析解決相關(guān)地質(zhì)問(wèn)題[10]。該方法的優(yōu)點(diǎn)為探測(cè)深度大、縱橫向分辨能力強(qiáng)、低阻反映敏感、能有效壓制干擾、施工效率高[5-11]。

3 地質(zhì)概況

通過(guò)收集濟(jì)寧市東部某地的區(qū)域地質(zhì)、水文資料，分析認(rèn)為該位置地處單斜斷裂凹陷水文地質(zhì)單元的一個(gè)次一級(jí)水文地質(zhì)單元內(nèi)。該水文地質(zhì)單元南部、東部邊界均為新太古代侵入巖；北部邊界為仲都斷裂，寒武、奧陶系巖層與太古界侵入巖呈斷裂接觸。研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造縱橫交錯(cuò)，裂隙發(fā)育，其中寒武、奧陶系區(qū)內(nèi)廣泛分布且?guī)r溶較發(fā)育，構(gòu)成本區(qū)良好的含水巖組。通過(guò)對(duì)含水巖組特征的分析認(rèn)為，寒武系長(zhǎng)清群朱砂洞組碳酸鹽巖夾碎屑巖類裂隙巖溶含水亞組，溶蝕裂隙及溶孔發(fā)育，在溝谷、斷裂帶及與侵入巖接觸部位，常形成泉水排出地表，尤其是在地形、構(gòu)造有利的地方，可形成較大的泉水，為本區(qū)礦泉水資源的主要含水層。

探測(cè)區(qū)域內(nèi)大部分基巖裸露，局部被第四系覆蓋，基巖裸露部分多為寒武系灰?guī)r及泥頁(yè)巖，下部為太古代泰山群混合巖化花崗片麻巖和侵入巖，寒武系灰?guī)r裂隙和溶洞發(fā)育，在寒武系與新太古界泰山巖群接觸面存在灰?guī)r溶蝕裂隙發(fā)育和花崗片麻巖風(fēng)化裂隙發(fā)育。

綜合分析認(rèn)為該區(qū)具備賦存礦泉水的可能性，地質(zhì)勘查研究的主要工作應(yīng)為查清區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造發(fā)育地段及礦泉水最有利的含水巖層。

4 應(yīng)用研究

4.1 CSAMT工作布置

根據(jù)該區(qū)前期地質(zhì)水文資料分析成果，在圈定的賦存礦泉水目標(biāo)區(qū)域布置了4條測(cè)線(詳見(jiàn)圖1)，線距120～180 m不等，點(diǎn)距25 m，并對(duì)工作測(cè)線排列整體平移開(kāi)展了加密精細(xì)探測(cè)工作。

圖1 工作測(cè)線布置Fig.1 Working line layout

4.2 CSAMT探測(cè)成果分析

根據(jù)地質(zhì)水文資料分析該區(qū)存在賦存礦泉水的可能，CSAMT法勘查的主要目的是查清該區(qū)的電性標(biāo)志層及斷裂構(gòu)造，以確定最有利的鑿井位置。當(dāng)研究區(qū)域存在斷裂構(gòu)造時(shí)，因巖石受應(yīng)力作用破碎、充水，與圍巖具有明顯電性差異，通過(guò)視電阻率斷面圖，反映出研究區(qū)域不同測(cè)線電阻率的斷裂構(gòu)造帶、接觸破碎帶的空間分布及與圍巖的接觸關(guān)系，富水性等物理信息。本次CSAMT法共布設(shè)4條測(cè)線，點(diǎn)距25 m，為了提高勘探精度，在點(diǎn)距25 m基礎(chǔ)上，異常位置局部對(duì)排列整體平移10 m進(jìn)行了加密工作，經(jīng)過(guò)精細(xì)處理，形成了各測(cè)線的視電阻率斷面成果圖。

圖2為從不同視角展示的4條測(cè)線三維可視化視電阻率圖件，該圖件清晰地展示了各測(cè)線的縱、橫向電阻率特征及各條測(cè)線異常的相關(guān)性特征，反映了探測(cè)區(qū)域地層的垂向分層、起伏變化情況以及斷層的分布情況。斷層反映在斷面圖中的特征主要是視電阻率等值線的扭曲、不連續(xù)以及梯度變化等[9]。整體來(lái)看，各測(cè)線視電阻率斷面圖橫向向上呈現(xiàn)高、低相間的電性特征，清晰地反映了斷裂構(gòu)造發(fā)育位置；各測(cè)線探測(cè)成果視電阻率在剖面圖縱向上呈現(xiàn)由低至高的變化特征，反映了探測(cè)位置地層的變化情況。

圖2 CSAMT勘查視電阻率三維可視化成果Fig.2 3D visualization results of apparent resistivity of CSAMT exploration

該區(qū)灰?guī)r和花崗片麻巖出露，局部被第四系所覆蓋，導(dǎo)致淺部視電阻率高低相間，綜合分析CSAMT探測(cè)的4條測(cè)線視電阻率特征，第四系地層視電阻率在10～200 Ω·m之間，下寒武系地層視電阻率在200～5 000 Ω·m之間，花崗巖視電阻率在2 000～25 000 Ω·m，縱向上視電阻率值差異明顯，為較好的電性標(biāo)志層，反映了各地層的界面標(biāo)高。其中L1線在位置529 700～529 800、530 250～530 350，L2線在位置529 650～529 750、530 200～530 300，L3線在位置529 550～529 650、53 150～530 400，L4線在位置530 200～530 400位置均表現(xiàn)為明顯的高、低電阻率差異，結(jié)合斷裂構(gòu)造的地球物理反映特征，推斷各測(cè)線以上位置為斷裂構(gòu)造的電性反應(yīng)，分別標(biāo)記為F1、F2斷層，傾角均在70°左右，該斷層帶位置視電阻率值相對(duì)最低，低電阻率范圍橫向有一定的延伸，推斷含水性較強(qiáng)。從各測(cè)線的電阻率差異結(jié)合基巖露頭巖性分析，F(xiàn)2斷層的左邊為灰?guī)r，右邊為花崗片麻巖，灰?guī)r區(qū)視電阻率差異較大，出現(xiàn)多處低電阻率異常區(qū)，推斷灰?guī)r區(qū)巖溶裂隙發(fā)育，富水性強(qiáng)。

根據(jù)推斷解釋的F1、F2斷層位置，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘測(cè)，從有利于鑿井和開(kāi)發(fā)利用的角度出發(fā)，最終確定孔位為L(zhǎng)4線的530 280位置，初步設(shè)計(jì)孔深700 m。圖3中紅色橢圓表示巖性破碎，鉆探至該位置要采取相關(guān)技術(shù)措施，確保鉆孔安全和順利鉆進(jìn)。

圖3 CSAMT法L4線反演電阻率剖面與鉆探驗(yàn)證成果對(duì)比Fig.3 Resistivity profile of CSAMT L4 line inversion and comparison of drilling verification results

4.3 鉆探情況

該鉆孔0～30 m口徑Φ325mm，30～122 m口徑Φ245mm，122～545 m口徑Φ190mm。在鉆進(jìn)至92～105 m時(shí)，對(duì)應(yīng)寒武系朱砂洞組石灰?guī)r，該段巖溶裂隙發(fā)育，富水性強(qiáng)，在鉆至112～113 m、270～272 m、260～262 m、387～389 m、534～538 m 時(shí)，巖性破碎、裂隙發(fā)育，成功出水，為斷裂構(gòu)造及巖性接觸帶，富水性強(qiáng)。從L4線視電阻率斷面圖來(lái)看，以上位置均表現(xiàn)為低電阻率及等值線梯度變化較大，為巖溶發(fā)育或斷裂構(gòu)造接觸帶位置，鉆探情況和CSAMT推斷成果一致，圖2為L(zhǎng)4線CSAMT探測(cè)成果與鉆探驗(yàn)證對(duì)比圖。在鉆至545 m時(shí)，巖性破碎嚴(yán)重，鉆進(jìn)困難，水量42 m3/h,已滿足開(kāi)發(fā)利用30 m3/h的水量要求，及時(shí)終孔。

鉆探施工完畢對(duì)該鉆孔進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，經(jīng)三個(gè)降程連續(xù)抽水試驗(yàn)和水位恢復(fù)觀測(cè)，獲得了該孔的水文地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 三個(gè)降程抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)一覽

4.4 水質(zhì)化驗(yàn)

通過(guò)水質(zhì)化驗(yàn)，所取水樣鍶的含量為1.121 mg/L，遠(yuǎn)超鍶礦泉水標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)大于等于0.20 mg/L的要求，且其他所檢項(xiàng)目均符合GB 8537-2018、GB 2762-2017的要求，詳見(jiàn)表2，說(shuō)明本井地下水滿足鍶礦泉水的指標(biāo)要求。

表2 水文孔飲用天然礦泉水界限指標(biāo)和部分限量指標(biāo)

5 結(jié) 論

通過(guò)CSAMT在礦泉水資源地質(zhì)勘查中的應(yīng)用研究，結(jié)合鉆探、水質(zhì)化驗(yàn)資料分析，結(jié)論如下：

1)在礦泉水地質(zhì)勘查工作中，通過(guò)對(duì)收集的探測(cè)區(qū)域地質(zhì)、水文資料綜合分析，確定探測(cè)區(qū)域是否賦存礦泉水的可能，并初步分析賦存礦泉水的含水層位及探測(cè)區(qū)域的斷裂構(gòu)造發(fā)育情況，確定物探工作靶區(qū)。

2)CSAMT在礦泉水地質(zhì)勘查工作中能夠快速高效的確定探測(cè)區(qū)域的構(gòu)造裂隙、巖溶發(fā)育情況、地層界面、含水層富水情況，結(jié)合探測(cè)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定最有利的鑿井井位，并指導(dǎo)鉆探施工。

3)通過(guò)合理布設(shè)CSAMT測(cè)線位置，整體平移排列實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)加密工作，可以精細(xì)反映探測(cè)區(qū)域的構(gòu)造裂隙發(fā)育及含水層富水情況，鉆探資料和CSAMT推斷成果一致，說(shuō)明該方法在礦泉水資源勘查工作中是有效的技術(shù)手段，為開(kāi)發(fā)利用礦泉水資源提供了技術(shù)性技術(shù)資料，大大降低了礦泉水地質(zhì)勘查工作及開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)。