綜合物探技術(shù)在河北某縣水源地調(diào)查中的應(yīng)用

閆清華，李雙瑩，楊志光,張亞龍，倪斌，衣駿杰

(1.中國冶金地質(zhì)總局 礦產(chǎn)資源研究院，北京 101300；2.河北省水文工程地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050021)

1 引 言

研究區(qū)位于河北某縣城，現(xiàn)有水源地已不能滿足用水需求，決定開展新水源地選址工作。前人在相關(guān)區(qū)域開展過水文地質(zhì)調(diào)查工作，已經(jīng)查明區(qū)內(nèi)地下水以巖溶裂隙水為主，水源地內(nèi)有寒武-下奧陶系巖溶水和薊縣系巖溶水兩個碳酸鹽巖含水巖組，在溝谷及近盆地邊緣部位，斷裂破碎帶和斷裂影響帶裂隙充填物膠結(jié)較差，透水性強(qiáng)，具充水和導(dǎo)水性能，富水性明顯增強(qiáng)，因此將含水層中斷裂破碎帶作為水源地調(diào)查的重要目標(biāo)區(qū)。

尋找地下水資源的地球物理技術(shù)已日漸成熟，并取得了很多成果。底青云等(2001)[1]利用可控源音頻大地電磁法成功在山區(qū)、丘陵、平原、海濱、城市邊緣及鬧市區(qū)尋找地下水資源，并成功定井。李富等(2018)[2]利用高密度電法和激電測深定量分析含水地層，并用電阻率測井進(jìn)行驗(yàn)證的組合方法，成功推測出烏蒙山區(qū)的含水層埋深。李水新等(2014)[3]利用聯(lián)合剖面法的低阻正交點(diǎn)確定花崗巖地區(qū)的斷裂破碎帶，三極電測深法的低阻“U”型異常推測地下水富集區(qū)，成功解決了山東下港鄉(xiāng)的用水問題。李華等(2011)[4]利用音頻大地電磁法確定了云南個舊碳酸鹽巖含水層的埋深。李偉等(2011)[5]利用音頻大地電磁法分析巖溶發(fā)育區(qū)斷層的規(guī)模和產(chǎn)狀，并定井位于斷層影響帶上。武毅等(2011)[6]利用音頻大地電磁法的低阻異常確定了淺覆蓋巖溶區(qū)斷層構(gòu)造帶的位置及產(chǎn)狀，對于覆蓋層厚度較大時則用聯(lián)合剖面法確定；苗青壯等(2010)[7]利用高密度電阻率法初步探測巖溶位置，進(jìn)而采用激電測深探測巖溶深度的方案在云南紅河州成功確定水源井位置。李鳳哲等(2013)[8]針對西南巖溶山區(qū)地形地貌和地下水賦存規(guī)律，利用大地電場法確定淺部巖溶構(gòu)造走向，在此基礎(chǔ)上用音頻大地電磁法確定深部巖溶構(gòu)造走向和富水性，同時指出在北方基巖山區(qū)井位定在構(gòu)造發(fā)育帶上。趙軍等(2020)[9]利用可控源音頻大地電磁法(CSAMT)查明浙江武義縣巖溶裂隙水的賦存情況。音頻大地電磁測深法在尋找地下水資源中被廣泛運(yùn)用。

在已有物探找水經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合水源地水文地質(zhì)條件，本次擬采用音頻大地電磁法和電測深兩種物探技術(shù)結(jié)合鉆探開展工作，預(yù)期查明水源地的碳酸鹽巖含水層空間分布、巖性厚度、埋藏條件并圈定富水帶，確定含水層利用段，指導(dǎo)成井，為后期勘探工作提供水文地質(zhì)依據(jù)。

2 地球物理方法技術(shù)

2.1 音頻大地電磁法

音頻大地電磁法(Audio-frequency Magnetotellurics，即AMT)屬于天然源大地電磁法。該方法利用地球的天然電磁場信號為場源，通過測量相互垂直的電場和磁場切向分量，計(jì)算卡尼亞電阻率。張勝業(yè)等(2004)[10]和劉天佑等(2007)[11]指出，由于趨膚效應(yīng)，在不同頻段電磁場的穿透深度不同，因而可以在單個測點(diǎn)上用音頻大地電磁法進(jìn)行測深，其探測深度可達(dá)1 km以上，具有輕便、高效適合在山區(qū)開展工作的優(yōu)點(diǎn)。劉戰(zhàn)等(2019)[12]利用AMT清晰勾勒出在復(fù)雜地形地質(zhì)條件下的斷層破碎帶及節(jié)理發(fā)育區(qū)。

2.2 電測深法

電測深法屬于常規(guī)電法，通過供電極距A、B直接對地下供電，A、B兩點(diǎn)電源間將建立一個瞬間的半球狀直流電場，通過測量測深點(diǎn)(測量電極M、N中點(diǎn))的電流，一次場電壓，求取視電阻率。在同一測點(diǎn)通過不斷地改變供電極距的方式，逐次測量不同深度地層的視電阻率，其測量深度受供電電流影響，且受低阻屏蔽影響嚴(yán)重，探測深度小。

3 水源地地質(zhì)概況及物性特征

縣城位于太行山東麓與燕山接觸帶一全排型泉域內(nèi)。通過對泉域水文地質(zhì)調(diào)查圈定出多個擬選水源地，本文研究的水源地供水水文地質(zhì)條件和環(huán)境水文地質(zhì)條件優(yōu)越，位于城區(qū)上游，不易遭受污染，因此，確定為供水水源地，面積約25.0 km2，分布范圍見圖1。

1-古近系靈山組：礫巖、砂巖、黏土巖；2-寒武系張夏組：鮞粒灰?guī)r；3-寒武系饅頭-青白口組：泥巖、頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r；4-青白口系；5-薊縣系迷霧山組：白云巖；6-地層界線及地層符號；7-斷層及編號；8-AMT測線及編號；9-電測深測線及編號；10-水源地范圍圖1 水源地范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram of water source area

3.1 水源地水文地質(zhì)特征

水源地位于泉域盆地邊緣地帶，東部為坡洪積傾斜地區(qū)和以碳酸鹽為主組成的侵蝕構(gòu)造低山區(qū)，西部為自然溝谷形成的沖洪積緩斜地亞區(qū)和沖積亞區(qū)。水源地位于泉域巖溶水徑流區(qū)，屬于上游三條自然溝谷與盆地交接地帶地下水的匯集區(qū)。區(qū)內(nèi)大部分被第四系松散巖地層所覆蓋，東部山脊處基巖出露(圖1)，地層主要出露有：①古近系靈山組(E2l)礫巖、砂巖、黏土巖，②寒武系張夏組(∈2z)鮞?；?guī)r，③④寒武系饅頭組(∈1-2m)-青白口系(Qnbrb)泥巖、頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r，具有一定的隔水作用，⑤薊縣系霧迷山組(Jxw)白云巖系。張夏組灰?guī)r與薊縣系霧迷山組白云巖為含水巖層。區(qū)內(nèi)斷裂十分發(fā)育(見圖1)，北西向(F9)和北東向(F13、F47、F10、F11、F12、F66)斷層對地下水有導(dǎo)水的作用，作為上游的地下水向東南部徑流區(qū)排泄的通道，東西向(F8)斷層與多條北東向斷裂交匯，提供地下水沿東西破碎帶流動的通道。地下水以碳酸鹽巖巖溶裂隙水為主，受地形、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造的控制，特別是斷裂構(gòu)造對含水層巖溶裂隙發(fā)育程度的影響及控制作用非常明顯。地下水富水性極不均勻，只在構(gòu)造有利處富水。

3.2 水源地物性特征

覆蓋層與基巖間、基巖裂隙發(fā)育帶與較完整基巖間、含水層與圍巖間均存在一定電性差異(見表1)。由于不同地層巖石或地質(zhì)體間(如斷層構(gòu)造帶與圍巖)電阻率差異的存在，為利用地球物理勘探研究不同深度的巖性與構(gòu)造帶的電性特征提供了可能，具備地球物理勘探的前提條件。

表1 巖性電阻率范圍值

4 綜合物探方法測量成果

4.1 儀器與技術(shù)參數(shù)

根據(jù)工作區(qū)地形、地質(zhì)條件，選用音頻大地電磁法和電測深法兩種物探方法(測線布設(shè)見圖1)。AMT垂直構(gòu)造方向布設(shè)，點(diǎn)距50～100 m，共完成測線2條，數(shù)據(jù)采集采用V8型多功能電法工作站。首先對原始資料進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)視電阻率、相位反推線的變化趨勢進(jìn)行人工圓滑去噪，并利用相位反推線恢復(fù)畸變的視電阻率，然后采用不同反演方法和初始模型進(jìn)行電阻率反演，最后對比地質(zhì)和物性資料確定各地層、斷裂破碎帶與電阻率異常的對應(yīng)關(guān)系。電測深法垂直構(gòu)造方向布設(shè)，點(diǎn)距25 m，共完成電測深測線多條。數(shù)據(jù)采集使用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DZD-6A型多功能直流電法儀。采用固定裝置，視基巖埋深不同選擇(AB/2)min=3.0 m，(AB/2)max=300～500 m，測量電極距與相應(yīng)供電電極距比值一般保持在1/3～1/30的范圍，首先劃分地電斷面，區(qū)分干擾影響，確定電性參數(shù)，繪制定性解釋圖件，然后根據(jù)繪制的電阻率等值線剖面圖定性分析地電斷面及地質(zhì)體的形態(tài)。

4.2 音頻大地電磁法數(shù)據(jù)分析

兩條剖面形態(tài)相似自上至下分為三個電性層：①淺部低阻、中低阻層，電阻率為50～100 Ω·m，等值線呈緩坡狀展布、局部有起伏，應(yīng)為第四系卵礫石、黃土夾礫石松散層的電性反映；②中部中高阻層，主要為剖面左側(cè)，電阻率為200～500 Ω· m左右，推測為溶蝕或裂隙發(fā)育的薊縣系白云巖；③底部高阻層，主要為剖面右側(cè)，電阻率高于700 Ω·m，推測為局部溶蝕或裂隙發(fā)育基巖相對較完整的薊縣系白云巖。

4.2.1 AMT1線地質(zhì)解釋

圖2為ATM1線地質(zhì)解釋剖面。由圖2可知，15號點(diǎn)附近顯示有一東傾的電阻率突變帶，應(yīng)為斷裂F14東傾引起，東側(cè)低阻區(qū)為受斷層影響溶蝕和破碎發(fā)育的薊縣系白云巖，該處布設(shè)鉆孔ZK2，孔深300 m。鉆孔揭露，地下水位為52.15 m，淺部第四系卵礫石30.0 m，下伏寒武系青白口系頁巖52 m，底部為薊縣迷霧山組白云巖，局部斷裂破碎、溶蝕發(fā)育。48號點(diǎn)兩側(cè)電阻率異常形態(tài)差異較大，西側(cè)為局部高阻的低阻異常區(qū)，東側(cè)為完整的高阻異常，推測為一西傾的隱伏正斷層破碎帶，西側(cè)由于溶蝕較發(fā)育呈現(xiàn)低阻異常。此處布設(shè)鉆孔ZK3，孔深301 m。鉆孔揭露，地下水位為60.02 m，淺部第四系卵礫石30.0 m， 下伏薊縣迷霧山組白云巖，局部斷裂破碎、溶蝕發(fā)育。剖面16～33、40～50號點(diǎn)間中上部為中低電阻率異常區(qū)，且該部分發(fā)有多條斷層穿過，推測白云巖裂隙溶洞較發(fā)育，富水性相對較好。剖面其他位置為高阻異常區(qū)，推測為交完整的薊縣系白云巖。剖面自左向右依次驗(yàn)證4條斷層：F9、F14、F10、F66，并推測四個低阻異常帶可能為斷裂破碎帶F10-1、F10-2、F10-3、F10-4。

圖2 AMT1線地質(zhì)解釋剖面Fig.2 Geological interpretation profile of line AMT1

4.2.2 AMT2線地質(zhì)解釋

圖3為ATM2線地質(zhì)解釋剖面。由圖3可知，17號點(diǎn)附近有向東傾斜的電阻率突變帶，西側(cè)底部為完整的高阻異常，東側(cè)至32號點(diǎn)為一規(guī)模較大的低阻異常，17號應(yīng)為東傾正斷裂F11，32號異常推測為斷裂破碎帶F12-1引起，受兩斷層控制，中間為一斷層破碎帶，為一重要蓄水構(gòu)造。F11斷層附近布設(shè)鉆孔ZK4，孔深300 m。鉆孔揭露，地下水位為19.6 m，淺部第四系卵礫石15.2 m，下伏薊縣迷霧山組白云巖，局部斷裂破碎、溶蝕發(fā)育。53號點(diǎn)西側(cè)為低阻異常，東側(cè)深部為高阻異常，異常突變帶應(yīng)為西傾斷層F66引起，斷層附近布設(shè)鉆孔ZK5，孔深300 m。鉆孔揭露，地下水位為18.8 m，淺部第四系卵礫石25.5 m，下伏薊縣迷霧山組白云巖，局部斷裂破碎、溶蝕發(fā)育。整體來看剖面18～33、37～41、49～53號點(diǎn)間中上部為中低電阻率異常區(qū)，且該部分發(fā)有多條斷層穿過，推測白云巖裂隙溶洞較發(fā)育，富水性相對較好，剖面其他位置為高阻異常區(qū)，推測為交完整的薊縣系白云巖，含水性較差。剖面自左向右依次驗(yàn)證4條斷層：F10、F11、F12、F66并推測三個低阻異常帶可能為斷裂破碎帶F11-1、F12-1、F12-3(見圖3)。

圖3 AMT2線地質(zhì)解釋剖面Fig.3 Geological interpretation profile of line AMT2

4.3 電測深法數(shù)據(jù)分析

淺部視電阻率呈現(xiàn)中高阻且由淺到深等值線呈遞增趨勢，局部出現(xiàn)高阻閉合圈，推測為第四系砂卵礫石厚度在30～60 m之間。剖面左側(cè)下部有一橫向向西開口的低阻異常，推測應(yīng)為靈山組泥巖夾砂礫巖，厚度在60～108 m之間，深部電阻率增高推測為白云巖頂板埋深向東逐漸變淺。剖面右側(cè)深部在電性上呈現(xiàn)中高阻特征，且由淺到深等值線呈遞增趨勢，推測為薊縣系白云巖，局部溶蝕發(fā)育(見圖4)。

圖4 電測深D線地質(zhì)解譯剖面Fig.4 Geologic interpretation section of line D by electric sounding method

其中D-17點(diǎn)兩側(cè)電阻異常差異較大，推測為一斷層F10，左側(cè)低阻異常和右側(cè)高阻異常分別為不同地層巖性的反映，D-26號點(diǎn)下方有一高阻中的陡傾低阻異常，推斷為斷層F11。由D線南北相鄰的C線、L線與A線、B線等綜合解釋剖面對比分析可知，斷層F10與 F11間為斷層帶或斷層裂隙發(fā)育帶，南北連通性好，后期鉆孔顯示富水性較好。

4.4 綜合分析

水源地含水層薊縣系霧迷山組白云巖大部分被第四系松散巖地層所覆蓋。斷層F8與斷層F10相交的東、東南區(qū)域直接出露或上覆第四系地層，物探鉆探資料顯示巖溶裂隙發(fā)育主要集中在400 m以內(nèi)，含水層厚度18～50 m，水位埋深18～66 m；斷層F8與斷層F10相交的西北區(qū)域埋深較深，一般在200～300 m，水位埋深50 m左右，含水層厚度不均勻；斷層F8與斷層F10相交的的西南區(qū)域上覆古近系靈山組(E2l)，含水層固定板埋深60～120 m，鉆探資料可知白云巖揭露深度內(nèi)節(jié)理裂隙不發(fā)育，不利于巖溶水的富集，上覆第四系與古近系靈山組總厚163 m，靈山組以下為白云巖，巖芯整體較完整，可將此區(qū)域視為相對隔水層?？傮w上水源地含水層上覆覆蓋層自北向南一般為140～15 m，即含水層頂板埋藏深度自北向南一般在140～15 m，巖溶水水位埋深自北向南約85～18 m。巖溶裂隙發(fā)育厚度受地質(zhì)構(gòu)造影響較大，含水層厚度一般為18～50 m。

由于斷裂構(gòu)造的線性特征，造成地下水沿帶狀、脈狀為主的非均勻性裂隙、溶隙帶分布，主要形成兩個富水帶：①AMT1的16～33測點(diǎn)和AMT2的18～32 測點(diǎn)間及多條直流電測深剖面驗(yàn)證的斷層F8、F10、F12沿線之間構(gòu)成巖溶發(fā)育帶，為巖溶水提供了良好的運(yùn)移條件和儲存空間，富水性極豐富。在此巖溶帶布設(shè)的 ZK2、ZK4鉆孔單井涌水量>3 000 m3/d；②AMT1的40～50測點(diǎn)和AMT2的37～53測點(diǎn)間推測的斷層破碎帶F10-2、F10-3、F12-1、F12-3一帶由于次生斷層發(fā)育，裂隙、溶隙發(fā)育，從而促進(jìn)地下水的運(yùn)移和富集，構(gòu)成巖溶發(fā)育帶。在此巖溶帶布設(shè)的 ZK3、ZK5鉆孔單井涌水量>3 000 m3/d。這兩個巖溶發(fā)育帶，為本區(qū)富水性極豐富區(qū)，也是水源地取水水的最佳位置。

5 結(jié) 論

水源地調(diào)查區(qū)內(nèi)，利用2條AMT及多條直流電測深剖面的低阻異常驗(yàn)證了6條已知斷層，并查明其在地下的分布情況，推測了7個斷層破碎帶。在此基礎(chǔ)上利用鉆探技術(shù)標(biāo)定含水層的埋深、厚度、水位埋深，并且劃分出兩條由斷層控制的巖溶裂隙富水帶區(qū)域，也是水源地取水的最佳位置。音頻大地電磁法具有快速、高效的特點(diǎn)，與電阻率測深和鉆探結(jié)合，能夠提高找水的效率和準(zhǔn)確性，可以在北方碳酸鹽巖地區(qū)找水中推廣應(yīng)用。