地球物理勘探技術在永城地區(qū)隱伏斷裂構造的富水性特征研究

苗書雷,張映錢

(1.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術研究中心,貴州 貴陽 550016; 2.河南省地質礦產勘查開發(fā)局第四地質礦產調查院,河南 鄭州 450046)

基巖地區(qū)富水性在很大程度上與其成巖后發(fā)生的斷裂構造有關,其地下水的分布經(jīng)常受斷裂構造的控制[1]。斷裂富水性分析向來是找尋和評價基巖裂隙水時的一個關鍵性問題[2]。斷裂不僅指斷裂中心部位的破裂面,而是有其一定的影響范圍,即斷裂影響帶。從水文地質角度而言,斷裂構造的富水部位及富水性并不局限于破裂面,而是包含整個斷裂帶內的地下水的積存及運移情況,并且受斷裂規(guī)模、方位、活動性質及其展布方位等多種因素影響[2-7]。

永城地區(qū)位于河南省東部,地貌屬于黃河沖積平原和剝蝕殘丘,大部分具有較厚的新近系、第四系沖積層,區(qū)內穿越有新商斷裂,向上切割新近系,并具有活動性,隱伏斷裂構造發(fā)育[8]。受區(qū)域內隱伏斷裂構造地質環(huán)境的影響,使該地區(qū)形成了地下熱水資源匯聚之地[9-11]。20世紀80年代,相關地質勘查單位針對該區(qū)域的淺部地下熱水資源展開了一定的工作,圈定了地熱異常區(qū);90年代,該地區(qū)劃分了新近系、古近系及下古生界熱儲層,分析了地下熱水的成因及生成年齡以及2 000 m以淺的地下熱水的可采資源量[12]。鑒于此,本文針對該區(qū)域內的富水性特征進行研究分析,對未來地下熱水資源的勘探及有效開發(fā)有著重要的借鑒意義。

1 研究區(qū)地質特征

永城大地構造位置處于華北地臺南緣,魯西臺隆構造帶、永城斷陷褶皺帶[13-14]。據(jù)河南省前新生界基巖地質圖分析,以新商隱伏斷裂為界,北部構造線走向為近東西向,基巖以寒武—奧陶系石灰?guī)r為主,伴隨有燕山期花崗巖體侵入。南部構造線方向呈北東—北北東向,發(fā)育有永城復背斜和太平集、灤湖、劉松園隱伏斷層(圖1)。其中,永城復背斜軸向延伸長達60 km、寬約40 km,軸線呈北東10°～20°方向延伸于黃口—侯嶺—演集一帶[15]。軸部地層由寒武—奧陶系灰?guī)r組成,伴有酸性—基性巖漿巖侵入。兩翼由石炭系、二疊煤系地層組成,分別形成背斜東部的車集煤礦、劉河煤礦和西翼的城郊煤礦、陳四樓煤礦、新橋煤礦等[16]。

圖1 新商斷裂(永城段)地質構造簡圖Fig.1 Geologic structure diagram of Xinshang fracture(Yongcheng section)

2 地球物理勘探方案

為查明永城煤田斷裂構造及周邊巖石的裂隙發(fā)育程度和含水、導水性特征,依據(jù)煤系地層的地球物理特性及地物地貌特征,采用WDJD-3多功能直流電法儀進行對稱四極電阻率剖面法、對稱四極電阻率測深法的地球物理勘查[17-18]。野外工作供電導線采用供電專用線,供電電壓達到900 V時,供電線絕緣電阻大于5 MΩ·km。供電電極采用鐵電極;接收導線采用軍用被覆線,接收導線絕緣電阻大于5 MΩ·km。供電電源采用每塊24 V的鉛蓄電池串聯(lián),最大供電電壓小于900 V,最大供電電流小于5 A。

此次研究布設了近東西向對稱四極剖面2條、近南北向對稱四極剖面4條,共計電阻率剖面6條(圖1)。剖面總長度31.52 km,點距80 m,實測物理點461個。其中,AB/2=1 840 m,MN/2=80 m,實測物理點400個,質量檢查點17個;AB/2=1 080 m,MN/2=40m,實測物理點44個。剖面長度和點號見表1。

表1 電阻率剖面法完成工作量Tab.1 Completed workload using resistivity profiling method

3 視電阻率剖面斷裂構造特征分析

30線AB/2=1 840、1 080 m,MN/2=80、40 m視電阻率ρs剖面曲線如圖2所示。圖2中,在MO=80 m、30線點382—402段視電阻率ρs曲線呈急速爬升態(tài)勢,表明該區(qū)段存在斷層,且斷層上下盤電阻率差異明顯,表明斷層寬度與上下盤落差較大;402—442段曲線基本平緩但電阻率值普遍較高,在點430出現(xiàn)極大233.31 Ω·m,表明該段高阻體(灰?guī)r)埋藏較淺,視電阻率極大值處第四系厚度較薄,且沒有稍具規(guī)模的構造存在。在MO=40 m、30線點393—399段有斷層通過,視電阻率ρs值向南逐漸變小,表明該區(qū)段高阻體(灰?guī)r)埋藏較深。由此,結合研究區(qū)地質資料,可初步判斷存在斷層,應為太平集斷層,斷層傾向向南,且傾角相對較緩。

圖2 30線視電阻率ρs剖面曲線Fig.2 The apparent resistivity ρs profile curves of line 30

26線AB/2=1 840、1 080 m,MN/2=80、40 m視電阻率ρs剖面曲線如圖3所示。由圖3可以看出,26線視電阻率ρs曲線在點338—426段形態(tài)逐漸抬升,表明高電阻率地質體埋藏深度逐漸變淺;在點400—426段曲線抬升的斜率較大,推斷為上述太平集斷層的通過位置;在點366—380段推斷為平行于太平集斷層的次生斷裂帶。

05線、03線AB/2=1 840 m、MN/2=80 m視電阻率ρs剖面曲線如圖4所示。由圖4可知,05線視電阻率ρs曲線總體呈緩平狀,數(shù)值變化不大,呈兩邊高中間低,在點266—274段曲線梯度變化較大,表明該區(qū)段地下地電介質體變化較大,該段推斷應為灤湖斷層。03線視電阻率ρs曲線呈兩邊平緩中間抬高,變化幅度較小,在點228—236段曲線呈快速上升趨勢,表明該處應為劉松園斷層組存在。

圖4 05線、03線AB/2=1 840 m、MN/2=80 m視電阻率 ρs剖面曲線Fig.4 The apparent resistivity ρs profile curves of line 05 and line 03,AB/2=1 840 m,MN/2=80 m

22線、18線AB/2=1 840 m、MN/2=80 m視電阻率ρs剖面曲線如圖5所示。

圖5 22線、18線AB/2=1 840 m、MN/2=80 m視電阻率 ρs剖面曲線Fig.5 The apparent resistivity ρs profile curves of line 22 and line 18,AB/2=1 840 m,MN/2=80 m

由圖5可知,22線視電阻率ρs曲線在點394—420段變化較快,表明為太平集斷層通過此段。其中,點410—416段曲線呈平緩狀,表明太平集斷層在該區(qū)段呈不規(guī)整的小臺階狀。在點420—456段曲線平緩,表明地下地質體穩(wěn)定且連續(xù)。18線視電阻率ρs曲線在點386—448段曲線呈緩慢逐步抬升,表明地下地電介質體規(guī)則、連續(xù),該段從南到北地層界面逐漸變淺且地層傾角較小;在點448—460段曲線變化梯度明顯增大,表明地下地電介質體不連續(xù),推斷為太平集斷層的通過位置;在點474處出現(xiàn)V形曲線,表明該點地下地質體視電阻率ρs值明顯變小,推斷為該點深部的巖石破碎、溶蝕所引起。

4 測深法斷裂構造富水性特征分析

采用對稱四極電阻率測深法,在研究區(qū)垂直于太平集含水斷層的走向布設4條測深剖面,薛湖斷層組共布設測深剖面1條(圖1)。完成電阻率法對稱四極電阻率測深點75個,孔旁(ZK0001孔)十字測深點1個,質量檢查點3個,電阻率測深點的最大AB/2=2 800 m、MN/2=160 m,最小AB/2=9 m、MN/2=3 m,各測深線號和點號見表2。

表2 對稱四極電阻率測深法完成工作量Tab.2 Complete workload of symmetrical quadrupole resistivity sounding method

電阻率測深曲線大多呈H型、HA型,少部分呈HK型[19]。H型的前支下降部分為第四系黃土的反映,前支越長表明第四系覆蓋越厚;后支上升部分為基巖的反映。H型、HA型曲線反映了地下地質體的電阻率逐漸變大,表明地下地質體破碎程度低、含水不豐富。HK型曲線的后支呈下降趨勢,反映了地下地質體電阻率相對變小,表明地下地質體破碎程度高、地下水含量豐富。H型、HA型為地下水開采不利位置,HK型曲線為地下水開采有利位置[20]。

18線ρs一階導數(shù)斷面等值線如圖6所示。圖6顯示,距地表附近的淺部一階導數(shù)值均呈負值且從南到北負值區(qū)域逐漸變薄,說明對應該區(qū)段內松散層的厚度逐漸變薄。深部的一階導數(shù)值在點440—460段,有一階導數(shù)呈負值的明顯區(qū)段,且在點440附近負值區(qū)域出現(xiàn)較深,在點460附近負值出現(xiàn)深度較淺,該負值區(qū)段連續(xù)性好,表明該區(qū)段有一連續(xù)性較好的低阻體存在,該低阻體傾向南,傾角約為50°。結合地質資料,推斷該低阻體為灰?guī)r破碎含水體。

22線ρs斷面等值線如圖7所示。由圖7可知,22線視電阻率ρs斷面等值線淺部較為平緩,從南至北逐漸上抬,表明該測線松散層從南向北逐漸變薄。在該剖面AB/2=2 080 m剖面深度,ρs斷面等值線從南至北值電阻率值有規(guī)律地逐步增大,表明該深度斷層寬度有一定規(guī)模。在AB/2=2 560 m剖面深度,點374—402段ρs值逐漸增大,等值線疏密均勻,表明該段巖層破碎程度較低;在點402—416段ρs值處在一個等值區(qū),表明該段巖層比較破碎,推斷為受太平集斷層的影響所引起的;在點416—420段,ρs等值線呈密集狀態(tài),表明該區(qū)段進入太平集斷層的下盤。

圖6 18線ρs一階導數(shù)斷面等值線Fig.6 The ρs first derivative cross-section contour line of line 18

圖7 22線ρs斷面等值線Fig.7 The ρs cross-section contour line of line 22

26線ρs斷面和一階導數(shù)斷面等值線如圖8所示。圖8(a)中,26線ρs斷面等值線從南到北逐漸增大,表明該區(qū)段為太平集斷層的通過位置。從圖8(b)可以看出,在點404,當AB/2=1 360 m時有一規(guī)模較小的低阻體存在,該低阻體規(guī)模較小、傾向南,傾角45°～50°。表明該區(qū)段巖石破碎程度較低,巖溶不太發(fā)育,推斷有一含水不太豐富的含水層存在。

圖8 26線ρs斷面等值線和一階導數(shù)斷面等值線Fig.8 The first derivative cross-section contour line and ρs cross-section contour of line 26

30線ρs斷面等值線和一階導數(shù)斷面等值線如圖9所示。30線與26線ρs斷面等值線形態(tài)相近,但比26線ρs斷面等值線更加密集,表明太平集斷層在該區(qū)段傾角變陡。從圖9(b)可以看出,該區(qū)段的含水破碎帶規(guī)模更小,破碎程度更低,僅在點368深處有一規(guī)模很小的含水體存在。

03線ρs斷面等值線和一階導數(shù)斷面等值線如圖10所示。由圖10可知,03線深部ρs等值線的形態(tài)均無規(guī)律,且沒有稍具規(guī)模的低阻體存在,表明該區(qū)段深部基巖中破碎程度較低,富水性差。

圖9 30線ρs斷面等值線和一階導數(shù)斷面等值線Fig.9 The first derivative cross-section contour and ρs cross-section contour of line 30

圖10 03線ρs斷面等值線和一階導數(shù)斷面等值線Fig.10 The first derivative cross-section contour and ρs cross-section contour of line 03

5 結論

(1)太平集斷層通過30線測點382—402段、26線測點366—426段、22線測點394—420段、18線測點448—460段,傾向向南,且傾角相對較緩。

(2)05線測點266—274段、03線測點228—236段的視電阻率ρs剖面曲線的變化,分別反映灤湖斷層組、劉松園斷層組的存在。

(3)18線測點440—460段存在灰?guī)r破碎含水體,傾向南,傾角約為50°。

(4)26線測點404處,AB/2=1 360 m深度時存在含水不太豐富的含水層,規(guī)模較小,傾向南,傾角為45°～50°。