綜合物探法在青海省海東市后備水源地勘查中的應(yīng)用

李 聰，張文科，趙 軍

(1.青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，青海 西寧 810000；2.青海省水文地質(zhì)及地?zé)岬刭|(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810000)

隨著青海省海東市的建立，東部城市群規(guī)模的日益擴(kuò)大，社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，當(dāng)下對(duì)水資源的需要亦日益激增。后備水源地尋找調(diào)查工作關(guān)鍵且急迫，是當(dāng)?shù)厮Y源短缺的主要解決辦法之一，能夠很好地助力社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

綜合物探法是找水的有效勘查手段[1-3]。高頻大地電磁測(cè)深技術(shù)因具有便攜、測(cè)深、高效、受地形影響條件小等優(yōu)點(diǎn)，可以快速查明剖面上電阻率分布特征等情況。隨后利用激電測(cè)深探測(cè)可評(píng)價(jià)低阻異常的可靠性，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特征，判斷是否具有鉆探驗(yàn)證的價(jià)值。此組合法適用于青海省東部城市群復(fù)雜地形條件下的水文地質(zhì)勘查。本文以青海省湟水流域內(nèi)湟源茶石浪地區(qū)為例，運(yùn)用此種組合地球物理勘測(cè)手段進(jìn)行研究，并提出建議，以供同類(lèi)工作參考借鑒。

1 區(qū)域水文地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

研究區(qū)位于青藏高原邊緣地帶，地勢(shì)高亢，地形復(fù)雜，屬湟水流域[4-7]。區(qū)內(nèi)地貌主要有冰川地貌、巖溶地貌、侵蝕堆積地貌、黃土紅層丘陵地貌，具半干旱高原大陸性氣候。

1.2 地層

自更新世至全新世沉積均有不同程度的發(fā)育，廣泛分布于山麓、緩坡、河谷、山間谷地、低山丘陵及湟水干、支流河谷中。第四紀(jì)地層根據(jù)古氣候、古生物、地貌、沉積物巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等方面的特征以及鄰區(qū)地層對(duì)比進(jìn)行相對(duì)劃分。流域內(nèi)第四紀(jì)沉積物的主要成因類(lèi)型有：冰磧、冰水堆積、沖積、洪積、湖積、風(fēng)積以及混合成因的沖洪積、沖湖積、殘坡積和坡積等(表1)。

表1 研究區(qū)第四紀(jì)地層Tab.1 Quaternary strata in the study area

區(qū)內(nèi)分布最廣的前第四紀(jì)地層見(jiàn)表2。主要有：元古界深變質(zhì)地層；古生界寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系；中生界三疊系地層以及中、新生界的侏羅系、白堊系地層。流域內(nèi)地層在漫長(zhǎng)的地史演化過(guò)程中，古生代地層缺失了寒武系下統(tǒng)、奧陶系中統(tǒng)和石炭系地層。

表2 研究區(qū)主要前第四紀(jì)地層Tab.2 Main pre Quaternary strata in the study area

1.3 構(gòu)造

研究區(qū)隸屬于祁連加里東褶皺系，斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，其中深大斷裂具有規(guī)模大，延伸長(zhǎng)，深度大的特點(diǎn)，在大地構(gòu)造上往往成為構(gòu)造分區(qū)的界線(xiàn)。構(gòu)造線(xiàn)呈北西向，在擠壓應(yīng)力作用下，發(fā)育一系列具有壓扭性質(zhì)的斷裂和褶皺，含水性較差。此外，北東向發(fā)育張性斷裂發(fā)育，是尋找地下水的目標(biāo)。

1.4 地下水特征

區(qū)域地下水類(lèi)型主要有以下4類(lèi)：松散巖類(lèi)孔隙潛水主要分布在第四系中；碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙潛水主要分布在侏羅系泥巖、砂巖中；碳酸鹽巖類(lèi)裂隙巖溶水主要分布在古生代和元古代碳酸鹽地層中；基巖裂隙水主要分布在古生代碎屑巖和碳酸鹽巖地層中。

2 區(qū)域地球物理概況

綜合前人對(duì)本區(qū)地層巖性的電性差異特征的總結(jié)[8-12]，對(duì)大量地電參數(shù)統(tǒng)計(jì)，各地層電物性結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 地層、巖石電性參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of formation and rock electrical parameters

由表3可知，①地表風(fēng)成黃土、砂礫卵石、礫卵石層，電性變化較大，電阻率在15～132 Ω·m，當(dāng)巖性含水時(shí)，可使電阻率降低；②新近系巖性以泥巖、粉砂巖為主，電阻率較低，一般小于50 Ω·m，巖性中含含中粗粒砂礫石時(shí)電阻率會(huì)增高；③古近系、白堊系、侏羅系中泥巖、泥質(zhì)粉砂巖電阻率較低，一般小于40 Ω·m。另外砂巖、砂礫巖、礫巖等巖性，電阻率在40～80 Ω·m。上述地層中若含高礦化度熱水，可使電阻率更低，一般在0至數(shù)十Ω·m。④三疊系及元古界變質(zhì)巖，為區(qū)內(nèi)高阻電性層，電阻率400 Ω·m以上，元古界灰?guī)r、砂板巖的電阻率也偏高，一般大于5 000 Ω·m，印支期及加里東期巖體電阻率更高，一般都在6 000 Ω·m以上。

3 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

區(qū)內(nèi)主要發(fā)育地層主要以碎屑巖和碳酸鹽巖為主，如圖1所示。區(qū)內(nèi)發(fā)育斷層有四條斷裂構(gòu)造，屬于擠壓性質(zhì)，含水性較差。中部存在一條規(guī)模較大的北西向溝谷，在研究區(qū)內(nèi)長(zhǎng)約6 km，寬約1 km。推測(cè)北東向存在隱伏斷裂構(gòu)造。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)Fig.1 Hydrogeological map of the study area

地下水類(lèi)型有：松散巖類(lèi)孔隙潛水主要分布在全新世河床河漫灘沖洪積砂卵礫石；碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙潛水主要分布在古近紀(jì)西寧組紫紅色長(zhǎng)石石英砂巖、奧陶紀(jì)灰色花崗巖；碳酸鹽巖類(lèi)裂隙巖溶水主要分布在古生代和元古代碳酸鹽地層薊縣系克素爾組灰?guī)r、灰?guī)r質(zhì)礫巖中；基巖裂隙水區(qū)內(nèi)從西北到東南均有分布，主要在下元古界東岔溝組黑色黑云母片巖、長(zhǎng)城系湟中群青石坡組灰黑色粉砂質(zhì)板巖中(圖1)。

河水pH值一般在7.0～8.5，總礦化度一般小于0.5 g/L，從湟水上游至下游水化學(xué)類(lèi)型依次為HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg、SO4·HCO3-Ca·Na、SO4·Cl-Ca·Mg或HCO3·SO4-Ca型水。從水中離子總量來(lái)看，湟水干流河水在中高山區(qū)礦化度小于0.2 g/L，中、下游(西寧以下)礦化度變?yōu)?.2～0.5 g/L。

通過(guò)地面水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，湟源縣茶石浪地區(qū)以碳酸鹽巖類(lèi)巖溶裂隙水為重點(diǎn)開(kāi)展物探工作。

4 工作方法技術(shù)

本次工作采用電導(dǎo)率成像系統(tǒng)(EH4)進(jìn)行高頻大地電磁測(cè)深。激電測(cè)深法是通過(guò)改變供電極距和測(cè)量極距大小，取得電阻率值及激化率等值，垂直向下判別不同深度地層巖性結(jié)構(gòu)、斷裂構(gòu)造特征，確定基底起伏形態(tài)及第四系厚度變化規(guī)律，預(yù)測(cè)地下水礦化度高低等[13-16]。具體工作方法如下。

(1)為確保電測(cè)深曲線(xiàn)的完整性，達(dá)到勘探目的，供電極與測(cè)量極距，采用對(duì)稱(chēng)非等比裝置。AB放線(xiàn)方向與MN放線(xiàn)方向保持在同一條直線(xiàn)上，遠(yuǎn)距離放線(xiàn)方向偏差不超過(guò)±3°。

(2)供電電極距布設(shè)6～350 m，測(cè)量電極距與相應(yīng)的供電電極距之比值不大于1/3。

(4)測(cè)點(diǎn)用GPS定點(diǎn)，羅盤(pán)定向，連續(xù)放線(xiàn)時(shí)，可依導(dǎo)線(xiàn)節(jié)數(shù)量距定位。

(5)每個(gè)測(cè)深點(diǎn)都對(duì)供電和測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)及儀器隨時(shí)檢查是否漏電。遇到漏電現(xiàn)象時(shí)，無(wú)論漏電大小，首先排除漏電，然后觀(guān)測(cè)讀數(shù)。

(6)為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性，確保成果質(zhì)量，質(zhì)檢量大于總工作量的5%，均方誤差小于10%。

5 工作部署與解釋

5.1 工作部署

湟源縣茶石浪研究區(qū)沿北東向溝谷布置高頻大地電磁測(cè)深剖1條，旨在尋找低阻異常區(qū)后采用激電測(cè)深方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。EH4共測(cè)點(diǎn)205個(gè)，長(zhǎng)度6.12 km，點(diǎn)距30 m，激電測(cè)深法布置剖面2條，物探測(cè)點(diǎn)10個(gè)，長(zhǎng)度690 m，點(diǎn)距為70～100 m。

5.2 剖面推斷解釋

5.2.1 Ⅰ-Ⅰ′剖面MT異常推斷解釋

Ⅰ-Ⅰ′剖面長(zhǎng)3580m，由端點(diǎn)(17694624，4 047 115)經(jīng)過(guò)拐點(diǎn)(17 698 671，4 051 221)再到(17 698 635，4 051 639)剖面前端方向?yàn)?0°，拐點(diǎn)后剖面方向?yàn)?°，測(cè)量點(diǎn)距為30 m，起端點(diǎn)高程為+2 972 m；終端點(diǎn)高程+2 846 m。茶石浪Ⅰ-Ⅰ′剖面反演推斷如圖2所示。

圖2 茶石浪Ⅰ-Ⅰ′剖面反演推斷Fig.2 Inversion of wave Ⅰ-Ⅰ′ section

根據(jù)二維反演圖推斷：第1電性層為底阻層，電阻率變化在150 Ω·m以?xún)?nèi)，厚度變化范圍在地表到140 m之間，呈現(xiàn)為規(guī)則水平層狀，由南向北呈均勻分布，推斷斷裂附近松散層最厚，最厚處可達(dá)150 m；巖性為第四系砂礫洪積物、黃土覆植層。剖面南端點(diǎn)到850 m處，電性層為中阻層，電阻率變化范圍在200 Ω·m內(nèi)，分布范圍在40～400 m，在第四系砂礫洪積物底部，巖性為粉紅色礫巖夾砂巖，與南部灰?guī)r屬不整合接觸關(guān)系。距剖面南端點(diǎn)850～3 700 m處，電性層為高阻層，電阻率變化范圍在200～2 100 Ω·m，埋深范圍在第四系砂礫洪積物底部50～400 m，巖性為灰色結(jié)晶灰?guī)r，與南部千枚巖屬斷層接觸關(guān)系，其中距南端點(diǎn)1 400～1 650 m段夾砂板巖，接觸帶巖性破碎，屬斷層接觸關(guān)系，斷層傾角近直立，其地表面狀泉水發(fā)育，距南端點(diǎn)2 700 m處為灰?guī)r向斜構(gòu)造軸部，附近面狀泉水發(fā)育；距南端點(diǎn)3 000、3 700 m處由于電阻率變化很大，基巖露頭巖性破碎，地表點(diǎn)狀泉水發(fā)育，故推斷為兩處北傾斷裂，傾角80°左右。距南端點(diǎn)3 700～5 200 m段，電性層為高阻層，電阻率變化范圍在400～1 600 Ω·m，在第四系砂礫洪積物底部，埋深范圍50～400 m，巖性為淺灰色千枚巖，與南部砂板巖接觸帶巖性破碎，屬斷層接觸關(guān)系，斷層傾角南傾，傾角80°左右，距南端點(diǎn)5 200 m到北端點(diǎn)，電性層為高阻層，電阻率變化范圍在400～2 100 Ω·m，在第四系砂礫洪積物底部，埋深范圍50～400 m，巖性為砂板巖夾淺灰色千枚巖。

5.2.2 Ⅱ-Ⅱ′剖面激電測(cè)深推斷解釋

布置在Ⅰ-Ⅰ′剖面86號(hào)點(diǎn)南處的Ⅱ-Ⅱ′激電測(cè)深剖面方向?yàn)?20°，點(diǎn)距為20 m，剖面長(zhǎng)度為400 m。剖面起點(diǎn)坐標(biāo)(17 696 500，4 049 223)，剖面終點(diǎn)坐標(biāo)(17 696 820，4 048 946)，如圖3所示。

圖3 茶石浪Ⅱ-Ⅱ′剖面反演推斷Fig.3 Inversion of wave Ⅱ-Ⅱ′ section

剖面解釋?zhuān)簭奈髌瘘c(diǎn)到東端點(diǎn)，低阻層電阻率變化在200 Ω·m以?xún)?nèi)，巖性為第四系砂礫洪積物，第四系松散層由薄變厚，最厚處可達(dá)180 m，距西端點(diǎn)220 m處由于電阻率變化很大，故推測(cè)一東傾斷裂，傾角70°左右；第四系松散層低部為高阻層，電阻率變化范圍在200～1 460 Ω·m，巖性為灰色結(jié)晶灰?guī)r，斷裂附近地表面狀泉水發(fā)育，斷裂東側(cè)松散層較厚是古河道所致，古河道東岸因測(cè)距短未顯封閉。

5.2.3 Ⅲ-Ⅲ′剖面激電測(cè)深推斷解釋

布置在Ⅰ-Ⅰ′剖面100號(hào)點(diǎn)處Ⅲ-Ⅲ′激電測(cè)深剖面方向?yàn)?30°，點(diǎn)距50 m，剖面長(zhǎng)度260 m。剖面起點(diǎn)坐標(biāo)(17 696 806，4 049 545)，剖面終點(diǎn)坐標(biāo)(17 696 978，4 049 322)，如圖4所示。

圖4 茶石浪Ⅲ-Ⅲ′剖面反演推斷Fig.4 Inversion of wave Ⅲ-Ⅲ′ section

剖面解釋?zhuān)簭奈髌瘘c(diǎn)到東端點(diǎn)，低阻層電阻率變化在200 Ω·m以?xún)?nèi)，巖性為第四系砂礫洪積物，第四系松散層中間薄兩邊厚，最厚處可達(dá)100 m，距西端點(diǎn)100 m處由于電阻率變化很大，故推測(cè)一東傾斷裂，傾角70°左右；第四系松散層低部為高阻層，電阻率變化范圍在200～1 460 Ω·m，巖性為灰色結(jié)晶灰?guī)r，斷裂附近地表點(diǎn)狀泉水發(fā)育，距剖面西端點(diǎn)50～200 m松散層較厚是古河道所致。

5.3 鉆探驗(yàn)證建議

根據(jù)物探測(cè)量成果，結(jié)合附近基巖露頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造，以及地貌特點(diǎn)及泉點(diǎn)發(fā)育等特征，建議選擇在Ⅰ-Ⅰ′號(hào)剖面27號(hào)點(diǎn)、57號(hào)、91號(hào)點(diǎn)、101號(hào)點(diǎn)處為首選布孔位置。

6 結(jié)論

(1)采用高頻大地電磁法在青海省海東市湟源茶石浪地區(qū)發(fā)現(xiàn)低阻異常多處，并且運(yùn)用激電測(cè)深進(jìn)行評(píng)價(jià)，灰?guī)r區(qū)內(nèi)的低阻異常區(qū)是尋找?guī)r溶裂隙水的目標(biāo)層位。本文提供鉆探驗(yàn)證建議，為該區(qū)后備水源勘探工作提供技術(shù)支撐。

(2)采用“高頻大地電磁測(cè)深+激電測(cè)深”綜合物探方法在復(fù)雜地形條件下的水文地質(zhì)勘查經(jīng)驗(yàn)證行之有效，該方法可作用于干旱缺水處的基巖區(qū)找水工作，具一定的參考價(jià)值。