綜合物探方法在承德地區(qū)地下水勘察中的應(yīng)用

高小青

（河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000）

針對(duì)探測(cè)目的任務(wù)，此次探測(cè)重點(diǎn)為對(duì)主要控制地下水分布的斷裂構(gòu)造、地層進(jìn)行地球物理調(diào)查。根據(jù)工作區(qū)地下水資源賦存深度與該地區(qū)深大斷裂相關(guān)的特點(diǎn)，確定探測(cè)區(qū)域內(nèi)大的斷裂構(gòu)造寬度、產(chǎn)狀，含水層的埋藏深度與分布等，結(jié)合地質(zhì)-水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，提出綜合解譯成果，作為布置水文地質(zhì)鉆孔的依據(jù)。

1 地質(zhì)概況及地球物理特征

1.1 地質(zhì)概況

勘探區(qū)域內(nèi)地層從下往上，由西北方向到東南方向，依次出露地層為太古界、元古界、中生界以及新生界地層，詳細(xì)地層情況如下。

（1）太古界地層。

太古界地層變質(zhì)巖出露于工作區(qū)北部。

遷西群（Arqn2）巖性大部分以透斜長(zhǎng)角閃巖夾透輝巖、蛇紋大理巖、斜長(zhǎng)變粒巖、淺粒巖為主，頂部夾雜部分麻粒巖。

（2）元古界地層。

勘探區(qū)域內(nèi)出露的元古界地層主要為長(zhǎng)城系（Ch）和薊縣系（Jx）巖層，主要出露于中部干溝門至山灣子一帶，其他區(qū)域未見(jiàn)出露。巖層巖性主要以灰?guī)r、白云巖、砂巖、石英砂巖及頁(yè)巖為主，夾雜少許其它巖性。

（3）中生界。

工作區(qū)出露中生界地層包括：侏羅系（J），分布在東部。

（4）新生界。

勘探區(qū)域內(nèi)出露的新生界地層主要為第四系上更新統(tǒng)（Q3al）和全新統(tǒng)（Q4al+pL）地層，其分布區(qū)域主要在溝谷及緩坡地帶。

1.2 勘探區(qū)地球物理特征

理想狀態(tài)下，完整且干燥的巖石和空氣一樣視電阻率值相對(duì)較大，但自然狀態(tài)下巖層都是不完整的，且?guī)r層當(dāng)中的孔隙、裂隙中大概率都是含水的，并且隨著巖石含水率的增加，視電阻率值會(huì)急劇下降。同時(shí)含水率相同的不同巖性的巖層視電阻率值也會(huì)有一定區(qū)別，其主要原因是所含水分的礦化度不同。所以斷層的視電阻率值大小并不完全取決于斷層本身的大小，而主要與斷層的破碎程度及其含水率和礦化度有關(guān)；巖層的視電阻率值與干燥巖石的視電阻率值關(guān)系不大，主要取決于巖石的含水率和礦化度。一般而言，含水率和礦化度高的斷層和巖層的視電阻率值遠(yuǎn)小于不含水周圍圍巖的視電阻率值，這就是電法勘探通過(guò)電性特征來(lái)區(qū)別斷層和含水層富水性的物理依據(jù)。

此次測(cè)量沒(méi)有進(jìn)行電參數(shù)測(cè)量，表1 為在收集工作區(qū)周邊采用露頭小四極法測(cè)量的巖石電阻率參數(shù)，其中石英斑巖、霏細(xì)巖均在平硐內(nèi)測(cè)量，較為接近地下真實(shí)電阻率值，而片麻巖、淺粒巖均在地表進(jìn)行，雖然略有風(fēng)化，也可代表該類電阻率特征。因此此次參數(shù)測(cè)量結(jié)果較為可靠。

表1 工作區(qū)周邊實(shí)測(cè)巖石電阻率參數(shù)表Table 1 Parameter table of measured rock resistivity around working area

此次共測(cè)量了50 組巖石的參數(shù)，基本覆蓋了區(qū)內(nèi)基本巖石類型。工作區(qū)電阻率差異較為明顯，特別是巖體、巖脈與圍巖之間存在較大的電性差異，其中淺粒巖、片麻巖為相對(duì)高阻特征，石英斑巖、霏細(xì)巖則呈相對(duì)中低阻特征，這種明顯的電阻率差異，為在區(qū)內(nèi)開展電磁測(cè)量提供了基礎(chǔ)。同時(shí)根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，在斷裂、破碎帶內(nèi)因后期物質(zhì)充填通常呈相對(duì)低阻特征。

2 工作方法及數(shù)據(jù)采集處理

2.1 儀器設(shè)備及主要技術(shù)指標(biāo)

（1）可控源音頻大地電磁法。

V8 多功能電法儀1 套，由發(fā)射系統(tǒng)、采集（接收）系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄處理系統(tǒng)組成。

主要包括接收機(jī)、發(fā)射機(jī)等2 個(gè)部分，參數(shù)如下。

接收機(jī)性能參數(shù)：

發(fā)射機(jī)性能參數(shù)：

（2）四極電測(cè)深法。

多功能數(shù)字直流激電儀WDJD-4 技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如下。

接收部分：

發(fā)射部分：

2.2 工作布置

根據(jù)物探測(cè)線布置原則，測(cè)線應(yīng)盡可能與主要構(gòu)造或地層巖層走向垂直，根據(jù)勘探目的和技術(shù)要求，以及所用儀器設(shè)備的性能特點(diǎn)，結(jié)合勘探區(qū)域內(nèi)的地形、地貌條件，對(duì)區(qū)域內(nèi)物探測(cè)線進(jìn)行了布置。

此次勘探共布置可控源音頻大地電磁測(cè)線4條，其中L01、L02、L03 測(cè)線長(zhǎng)度均為510 m，L04 測(cè)線長(zhǎng)330 m，合計(jì)測(cè)線長(zhǎng)1 860 m，測(cè)量點(diǎn)66 個(gè)；四極電測(cè)深測(cè)線3 條，每條測(cè)線長(zhǎng)2 000 m，測(cè)點(diǎn)100 個(gè)，合計(jì)測(cè)線長(zhǎng)6 000 m，合計(jì)測(cè)點(diǎn)300 個(gè)。

2.3 數(shù)據(jù)采集及處理

2.3.1 可控源音頻大地電磁測(cè)量

2.3.1.1 數(shù)據(jù)采集

（1）儀器性能測(cè)試。

為了確保野外現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集工作能夠順利開展，野外作業(yè)前技術(shù)人員對(duì)此次物探工作所使用的V8 多功能電法儀進(jìn)行了檢測(cè)檢修，來(lái)確保儀器性能正常。V8 多功能電法儀由主機(jī)（Sn：4147）、輔助盒子（Sn：4143）、電流盒子（Sn：2586）及磁探頭（Hy：AMTC1619）4 個(gè)部件及其它輔助配件組成。

在正式野外測(cè)量前對(duì)V8 多功能電法儀進(jìn)行了標(biāo)定，儀器標(biāo)定曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線一致，可以投入野外作業(yè)。

（2）測(cè)量裝置。

此次野外作業(yè)采用赤道偶極裝置的標(biāo)量測(cè)量方式，水平方向電場(chǎng)（MN）平行于場(chǎng)源（AB），水平磁場(chǎng)垂直于場(chǎng)源布設(shè)（圖1）。此次發(fā)射偶極AB=8 km，接收偶極MN=30 m，方向使用羅盤和測(cè)距儀現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)定位。采用2 個(gè)電場(chǎng)分量共用1 個(gè)磁場(chǎng)分量的排列組合進(jìn)行觀測(cè)，磁探頭一般安置在排列中心點(diǎn)位置。

圖1 可控源音頻大地電磁測(cè)量野外測(cè)量測(cè)站敷設(shè)示意Fig.1 Layout of field measurement station of controlled source audio magnetotelluric method

（3）數(shù)據(jù)采集。

測(cè)站按照規(guī)定布設(shè)完成后，就可以開始測(cè)量采集數(shù)據(jù)。打開主機(jī)后連接電道磁道接線，然后將所用儀器同步鎖定到GPS 時(shí)間，就可以開始現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量了。

一條測(cè)線測(cè)量完畢后要現(xiàn)場(chǎng)寫操作報(bào)，操作報(bào)的內(nèi)容包括數(shù)據(jù)質(zhì)量、人文干擾情況、地質(zhì)地貌及相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)坐人員均如實(shí)填寫可控源音頻大地電磁測(cè)量的野外記錄班標(biāo)、高程等，以備數(shù)據(jù)處理及資料推斷解釋查用。

2.3.1.2 數(shù)據(jù)處理

可控源音頻大地電磁測(cè)量的數(shù)據(jù)處理過(guò)程主要包括：①數(shù)據(jù)整理；②預(yù)處理；③遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)頻點(diǎn)選擇；④靜態(tài)校正；⑤數(shù)據(jù)反演。具體流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.2 Data processing flow

2.3.2 四極電測(cè)深探測(cè)

為了保證野外工作的順利進(jìn)行和測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，出隊(duì)前項(xiàng)目組對(duì)所使用的多功能數(shù)字直流激電儀WDJD-4 進(jìn)行了必要的檢修和維護(hù)保養(yǎng)。四極電測(cè)深主要部件除主機(jī)外還包括電池箱、MN 線2條、AB 線2 條，電極4 根。

儀器性能測(cè)試主要是根據(jù)生產(chǎn)前（2021.7.25）對(duì)儀器主要部件的標(biāo)定結(jié)果來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。在野外施工前對(duì)儀器進(jìn)行了標(biāo)定，儀器標(biāo)定曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線一致的情況下，方可投入野外施工。

2.3.2.1 試驗(yàn)工作

四極電測(cè)深實(shí)驗(yàn)工作的主要目的是為了進(jìn)一步確認(rèn)地下含水層位置，通過(guò)試驗(yàn)工作的有效性，以便選擇最佳工作方法和裝置參數(shù)。試驗(yàn)工作遵循由已知到未知的原則進(jìn)行。

2.3.2.2 工作方法

（1）工作裝置。

此次電測(cè)深探測(cè)采用了四極電測(cè)深探測(cè)方式，MN 電極間距5～70 m 逐漸增加，AB 電極位置20～2 000 m，測(cè)點(diǎn)間距10 m。此次測(cè)量在前期物探圈定的3 個(gè)井位共布置3 條測(cè)線，共計(jì)300 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

（2）工作參數(shù)。

電測(cè)深探測(cè)采用四極電測(cè)深的技術(shù)參數(shù)要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定。

（3）野外觀測(cè)。

野外觀測(cè)采用四極電測(cè)深探測(cè)方式,探測(cè)過(guò)程中，隨著AB 電極之間距離的不斷增加，MN 電極之間的距離也在增加。每個(gè)測(cè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)量3 次，在工作過(guò)程中嚴(yán)格按儀器說(shuō)明和規(guī)范進(jìn)行操作。

3 資料解釋

3.1 解釋標(biāo)志的建立

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合揭露資料可知，斷裂構(gòu)造往往使地層的連續(xù)性遭到破壞，巖石破碎、裂隙發(fā)育，電阻率降低，在反演電阻率斷面圖上反映明顯，得出如下斷裂構(gòu)造解釋標(biāo)志。

（1）反演電阻率等值線出現(xiàn)突變或不連續(xù)。

（2）反演電阻率等值線梯度密集帶或變異帶。

（3）舌狀、條帶狀低阻體。

3.2 資料解析

縱觀各線反演電阻率斷面圖可知，測(cè)線位于不同地段，斷面圖具有不同的電性特征，相鄰線間反演電阻率具有一定的相似性，同時(shí)又具有各自的特征，反映的地質(zhì)信息豐富而客觀，下面分別對(duì)各斷面進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)推斷解釋。

3.2.1 可控源音頻大地電磁測(cè)量

3.2.1.1 L01線反演電阻率斷面異常特征與推斷解釋

斷面圖總長(zhǎng)510 m?？v觀整個(gè)斷面圖，平距600 m 附近地段，低電阻率區(qū)呈舌型分布帶分布，上部電阻率較低，下部逐漸升高，推斷解釋為斷層破碎帶填充地下水后引起的低阻異常，斷層傾斜方向近于直立，地下延伸約300 m。區(qū)域內(nèi)深部大部分的高阻區(qū)域推斷為基巖區(qū)域的高阻反映。

反演電阻率斷面圖如圖3 所示。

圖3 L01 線反演電阻率斷面圖Fig.3 Section diagram of L01 line inversion resistivity

3.2.1.2 L02 線反演電阻率斷面異常特征與推斷解釋

斷面圖總長(zhǎng)510 m?？v觀整個(gè)斷面圖，推斷在平距200～500 m 虛線處存在1 處地層巖性分界面，整體地下地層傾向向北。上部地層電阻率相對(duì)較低，推測(cè)基巖破碎，且富水性較好；下部地層電阻率相對(duì)較高，推測(cè)下部地層基巖較完整，儲(chǔ)水能力相對(duì)較弱。

反演電阻率斷面圖如圖4 所示。

圖4 L02 線反演電阻率斷面圖Fig.4 Section diagram of L02 line inversion resistivity

3.2.1.3 L03 線反演電阻率斷面異常特征與推斷解釋

斷面圖總長(zhǎng)510 m?？v觀整個(gè)斷面圖，在平距400～700 m 存在大范圍的相對(duì)低阻區(qū)域，其整體呈V 字型分布，由2 個(gè)小V 字型相對(duì)低阻區(qū)域組成，推測(cè)該范圍為斷層破碎帶區(qū)域。主要由410 m處的F2 與660 m 處的F3 組成。斷層F2 向北傾斜，傾角較陡，向地下延伸近600 m；斷層F3 向南傾斜，傾角較陡，向地下延伸約400 m 后與斷層F2 相交。推測(cè)在平距400～700 m，存在較大規(guī)模斷層破碎帶，富水性較好。

反演電阻率斷面圖如圖5 所示。

圖5 L03 線反演電阻率斷面圖Fig.5 Section diagram of L03 line inversion resistivity

3.2.1.4 L04 線反演電阻率斷面異常特征與推斷解釋

斷面圖總長(zhǎng)330 m?？v觀整個(gè)斷面圖，在平距約460 m 虛線處，存在近似V 字型相對(duì)低阻異常，推測(cè)為斷裂破碎帶F4，富水性較好，其傾角較陡，近乎直立，向下延伸約300 m。在平距250 m 上部，見(jiàn)1 小范圍的高阻異常，推測(cè)其為其他因素導(dǎo)致的干擾數(shù)據(jù)。

反演電阻率斷面圖如圖6 所示。

圖6 L04 線反演電阻率斷面圖Fig.6 Section diagram of L04 line inversion resistivity

3.2.2 四極電測(cè)深探測(cè)

圖7 為L(zhǎng)01 線四極電測(cè)深“探測(cè)深度—視電阻率”曲線圖，由圖7 可知，視電阻率隨地層由淺到深整體呈現(xiàn)由低到高的趨勢(shì)；在0～-250 m 整體電阻率值較低，巖層富水性較好。另在-400 m 深度附近范圍視電阻率值較低，在該層位巖層富水性較好。

圖7 L01 線四極電測(cè)深視電阻率曲線圖Fig.7 Apparent resistivity curve of L01 line four-pole electric depth-measurement

圖8 為L(zhǎng)02 線“探測(cè)深度—視電阻率”曲線圖，由圖8 可知，視電阻率隨地層由淺到深整體呈現(xiàn)由低到高的趨勢(shì)。在探測(cè)深度0～-350 m 整體視電阻率值較低，巖層富水性較好。另在-400 m 深度附近范圍視電阻率值較低，與L01 線相對(duì)應(yīng)，在該層位巖層富水性較好。

圖8 L02 線四極電測(cè)深視電阻率曲線圖Fig.8 Apparent resistivity curve of L02 line four-pole electric depth-measurement

圖9 為L(zhǎng)03 線“探測(cè)深度—視電阻率”曲線圖，由圖9 可知，視電阻率隨地層由淺到深整體呈現(xiàn)由低到高的趨勢(shì)；在探測(cè)深度0～-320 m 整體視電阻率值較低，巖層富水性較好。

圖9 L03 線四極電測(cè)深視電阻率曲線圖Fig.9 Apparent resistivity curve of L03 line four-pole electric depth-measurement

3.3 后期驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)探測(cè)結(jié)果最終確定了3 處水源井井位，具體坐標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 3 處水源井井位坐標(biāo)Table 2 Location coordinates of 3 water source wells

后期在標(biāo)定位置打出3 處水源井，水源井的含水層范圍與此次探測(cè)結(jié)果相符，出水量經(jīng)計(jì)算滿足當(dāng)?shù)赜盟枨?，取得了非常好的效果?/p>

4 結(jié)論

通過(guò)開展可控源音頻大地電磁測(cè)量以及四極電測(cè)深探測(cè)，對(duì)區(qū)內(nèi)斷裂格架、巖體分布等有較好的反映，為下一步找礦勘查提供了基礎(chǔ)資料，主要結(jié)論如下。

（1）完成可控源音頻大地電磁測(cè)線4 條，其中L01、L02、L03 測(cè)線長(zhǎng)度均為510 m，L04 測(cè)線長(zhǎng)330 m，合計(jì)測(cè)線長(zhǎng)1 860 m，測(cè)量點(diǎn)66 個(gè)；四極電測(cè)深測(cè)線3 條，每條測(cè)線長(zhǎng)2 000 m，測(cè)點(diǎn)100 個(gè)，合計(jì)測(cè)線長(zhǎng)6 000 m，合計(jì)測(cè)點(diǎn)300 個(gè)，完成了目的任務(wù)。

（2）大致查明了工作區(qū)的斷裂格架。共推斷解釋斷裂4 條，F(xiàn)2、F3 斷裂為規(guī)模較大的斷裂，切割深度較深，含水層范圍約地表下400 m 以淺；其次為F1 斷裂，含水層范圍約地表下300 m 以淺；F4 斷裂規(guī)模較小含水層范圍約地表下300 m 以淺。L02 線未發(fā)現(xiàn)較明顯斷裂帶，富水性較其他3 條線弱，含水層范圍約地表下220 m 以淺。

（3）依據(jù)此次可控源音頻大地電磁測(cè)量及四極電測(cè)深探測(cè)成果，結(jié)合區(qū)內(nèi)已有地質(zhì)資料，對(duì)區(qū)內(nèi)儲(chǔ)水有利地段進(jìn)行了分析，認(rèn)為工作區(qū)內(nèi)F1、F2 以及F3 斷裂處為有利地段，由于F1 斷裂范圍較大，且形成了明顯的電阻率等值線V 字型梯度帶，有利于地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)移；而F2 以及F3斷裂處切割較深，切割深度大于500 m，形成了明顯的電阻率等值線舌狀梯度帶，為斷裂規(guī)模較大且較為寬陡、電阻率值較低部位，有利于地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)移。