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        綜合物探方法在福建永泰清涼地下水勘查中的應(yīng)用

        2021-04-14 01:34:04余根鋅
        福建地質(zhì) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:磁測(cè)第四系物探

        余根鋅

        (福建省地質(zhì)調(diào)查研究院,福州,350013)

        應(yīng)用于地下水勘查的物探方法很多,但由于各工作區(qū)的地質(zhì)條件千差萬別,影響因素復(fù)雜,采用單一物探方法往往難以達(dá)到好的效果,因此,需要采用綜合物探方法,多種方法相互驗(yàn)證、取長(zhǎng)補(bǔ)短,減少“多解性”。多年來,筆者在綜合物探方法尋找地下水方面總結(jié)了一套有效的方法,該方法在地下水勘查實(shí)踐中得到較好的驗(yàn)證。福建境內(nèi)大部分地區(qū)為火山巖、侵入巖覆蓋[1],這些火成巖本身貯水性差,但其張性的構(gòu)造破碎帶含水性好,所以尋找基巖裂隙水也就轉(zhuǎn)變?yōu)閷ふ覕嗔褬?gòu)造帶位置,因此,物探方法在此類工程也有了用武之地。首先在工作區(qū)投入快速、低價(jià)的面積性高精度磁測(cè)工作,推斷出斷裂構(gòu)造的大致位置;而后在斷裂構(gòu)造有利位置投入有限的聯(lián)合電剖面法、CSAMT[2]等電法工作,確定斷裂構(gòu)造的產(chǎn)狀、埋深等;最后布設(shè)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證,往往能取得較好的地質(zhì)效果。以永泰清涼地下水勘查為例,介紹該方法在此類工作中的應(yīng)用。

        永泰清涼地下水勘查區(qū)位于清涼鎮(zhèn)漁溪村馬厝一帶,區(qū)內(nèi)有永泰—閩清省道公路,自然村之間有簡(jiǎn)易公路相通,交通較方便,中部清涼溪由北向南流過。

        1 地質(zhì)特征與水文地質(zhì)條件

        1.1 地質(zhì)特征

        勘查區(qū)內(nèi)出露地層主要是清涼溪兩岸的第四系沖洪積層和晚侏羅世碎斑熔巖(1)福建省地質(zhì)調(diào)查研究院,永泰縣清涼鎮(zhèn)取用水前期調(diào)查地質(zhì)成果報(bào)告,2019。(圖1)。第四系沖洪積層巖性多具二元結(jié)構(gòu),上部為黃褐色粉質(zhì)黏土,下部為灰黃色的砂礫卵石等。侵入巖為位于勘查區(qū)北部的早白堊世正長(zhǎng)花崗巖,巖石呈肉紅色,具似斑狀結(jié)構(gòu),細(xì)-中?;◢徑Y(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。似斑晶成分為鉀長(zhǎng)石,自外向內(nèi)似斑晶含量增多、粒徑變粗,基質(zhì)礦物粒度也增大。區(qū)內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育。

        1.2 水文地質(zhì)條件

        區(qū)內(nèi)地貌屬于低山地形,第四系覆蓋主要在漁溪山間盆地,地下水以基巖裂隙水為主、松散巖類孔隙水為輔。松散巖類孔隙水僅分布在清涼溪、漁溪山間盆地中,含水巖組主要為全新統(tǒng)沖洪積層,巖性為細(xì)砂、砂礫卵石、泥質(zhì)砂礫卵石等。含水層厚度多小于5 m,多數(shù)為潛水-微承壓水?;鶐r裂隙水主要靠大氣降水補(bǔ)給,以下降泉形式就地排泄于溝谷、洼地等,泉水出露多,泉流量多數(shù)小于0.1 L/s,呈分散片狀流出,地下水類型屬于貧乏-中等。馬厝一帶地下水貯存于區(qū)域性構(gòu)造裂隙中,沿張性斷裂或破碎帶可形成局部脈狀水,地下水較為豐富。

        圖1 工作區(qū)水文地質(zhì)及物探剖面位置圖Fig.1 Location map of hydrogeological and geophysical profiles in the working area1—第四系沖洪積;2—正長(zhǎng)花崗巖;3—晚侏羅世碎斑熔巖;4—地質(zhì)界線;5—已施工鉆孔及編號(hào);6—高精度磁測(cè)分布位置及編號(hào);7—電法剖面位置;8—松散巖類孔隙水(水量貧乏,單井涌水量10~100 t/d);9—塊狀火山巖類裂隙水(泉流量0.1~1.0 L/s,徑流模數(shù)3~6 L/s·km2);10—塊狀侵入巖類裂隙水(泉流量0.1~1.0 L/s,徑流模數(shù)3~6 L/s·km2);11—下降泉

        2 地球物理特征

        工作區(qū)主要出露第四系和晚侏羅世碎斑熔巖,侵入早白堊世正長(zhǎng)花崗巖。不同巖性的磁參數(shù)(2)福建省地質(zhì)調(diào)查研究院,福建省磁測(cè)資料應(yīng)用研究成果報(bào)告,2011。和電參數(shù)統(tǒng)計(jì)(表1)。從表1可見,第四系粉質(zhì)黏土為無磁性,電阻率低;碎斑熔巖磁性較不均勻,變化范圍較大,易形成跳躍變化的不穩(wěn)定磁異常,磁場(chǎng)表現(xiàn)雜亂;正長(zhǎng)花崗巖會(huì)引起低緩正磁異常,中基性閃長(zhǎng)玢巖磁性強(qiáng),能引起正負(fù)跳變強(qiáng)烈異常。一般情況下,完整巖石磁性穩(wěn)定,破碎后磁性降低,電阻率也因含水率的增加明顯降低,可達(dá)1個(gè)數(shù)量級(jí)。工作區(qū)地層、巖石的磁性存在差異,且?guī)r石由于構(gòu)造破碎、風(fēng)化等因素影響,其磁性減弱較明顯,電阻率值則會(huì)明顯降低,因此在該區(qū)開展磁法、電法工作尋找構(gòu)造破碎帶具備地球物理前提。

        表1 巖石磁參數(shù)、電參數(shù)統(tǒng)計(jì)

        3 工作方法

        3.1 高精度磁測(cè)

        根據(jù)地表地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn),主要構(gòu)造方向以北北西向?yàn)橹鳌榱耸箿y(cè)線盡可能垂直于構(gòu)造線方向,測(cè)線布設(shè)為北東向,方位為65°,(編號(hào)120~190線)。采用GSM-19T質(zhì)子磁力儀進(jìn)行總場(chǎng)測(cè)量,經(jīng)日變、正常場(chǎng)、緯度、高度改正,計(jì)算ΔT異常值[3]。

        3.2 聯(lián)合電剖面測(cè)量

        在高精度磁測(cè)推斷的斷裂構(gòu)造位置布置聯(lián)合電剖面測(cè)量工作[4]?!盁o窮遠(yuǎn)極”垂直于測(cè)線方向布設(shè),與測(cè)線的距離為1.2 km(大于AO的5倍)。AO=BO采用80 m和160 m兩種供電極距,相應(yīng)MN極距采用20 m和40 m。觀測(cè)點(diǎn)距均為10 m。

        3.3 可控源音頻大地電磁測(cè)深(CSAMT)

        CSAMT采用扇形裝置進(jìn)行標(biāo)量觀測(cè),收發(fā)距r=6 100 m、發(fā)射偶極距AB=1 100 m,測(cè)量偶極距MN為20 m,每個(gè)排列采用7個(gè)電分量電極和1個(gè)磁分量電極的6個(gè)物理點(diǎn)方式測(cè)量。測(cè)線分布在供電極中點(diǎn)成60°夾角的扇形范圍內(nèi),通過在接收點(diǎn)同時(shí)測(cè)量電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩個(gè)互相垂直的水平分量的振幅Ex、Hy和相位φEx,φHy,計(jì)算卡尼亞電阻率[5]來探測(cè)地下不同深度內(nèi)的電性異常值。

        3.4 數(shù)據(jù)處理與反演計(jì)算

        高精度磁測(cè)采用中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心軟件RGIS2014進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與制圖[6]。剖面平面圖是將原始數(shù)據(jù)干擾、畸變點(diǎn)等處理后直接繪制。為了便于成圖和資料處理,對(duì)高精度磁測(cè)數(shù)據(jù)先采用克里金法(Kriging)進(jìn)行網(wǎng)格距20 m×20 m的網(wǎng)格化處理,而后勾繪等值線平面圖。這是為了更好地輔助確定線性構(gòu)造位置,求取了磁異常水平總梯度模。磁力場(chǎng)的一階水平導(dǎo)數(shù)Tx、Ty反映了磁力場(chǎng)在x方向與y方向的變化率,若有一個(gè)走向沿x方向的垂直臺(tái)階,則沿y方向就會(huì)出現(xiàn)水平梯度帶,利用這一特征可以依據(jù)磁異常水平總梯度模進(jìn)行斷裂構(gòu)造的推斷。

        磁異常的反演計(jì)算采用2.5D重磁反演模塊,反演流程根據(jù)已知地質(zhì)資料建立初始模型→正演計(jì)算→模型參數(shù)修改→再正演計(jì)算,反復(fù)計(jì)算使計(jì)算曲線與實(shí)測(cè)曲線達(dá)到擬合,并使地質(zhì)模型符合地質(zhì)規(guī)律為止。

        CSAMT法數(shù)據(jù)處理采用美國(guó)Zong公司的CSC數(shù)據(jù)處理包,數(shù)據(jù)處理分3步進(jìn)行:第一步進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理,識(shí)別干擾并去除干擾數(shù)據(jù);第二步進(jìn)行靜態(tài)校正處理;第三步進(jìn)行帶地形二維反演處理。

        4 資料解釋

        4.1 高精度磁測(cè)

        高精度磁測(cè)主要用于推斷隱伏斷裂構(gòu)造位置。從高精度磁測(cè)△T剖析圖(圖2)可見,工作區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)總體變化不大,但跳躍比較明顯,主要特征是東南磁場(chǎng)低,西部磁場(chǎng)雜亂,中部線狀正負(fù)伴生異常明顯,東北-西南磁場(chǎng)較強(qiáng),磁異常幅值變化為-250~250 nT。根據(jù)線性低磁異常帶,磁異常突變、跳躍、正負(fù)值交替過渡等異常特征,參考水平總梯度模的線性梯度帶以及異常突變等特征,結(jié)合物性和地質(zhì)資料,工作區(qū)共推斷了2處斷裂構(gòu)造,編號(hào)為F-1和F-2。其中,F(xiàn)-1斷裂的異常特征為2條平行的低磁異常帶,中間夾1條相對(duì)高磁異常帶,結(jié)合物性資料與CSAMT成果,高磁異常帶應(yīng)為閃長(zhǎng)玢巖脈沿?cái)嗔褬?gòu)造侵入引起,F(xiàn)-1斷裂構(gòu)造應(yīng)由2條近于平行的次級(jí)斷裂F-1a、F-1b組成。F-2斷裂在水平總梯度模圖上顯示為異常突變、不連續(xù),推斷F-2時(shí)代較早,受F-1斷裂的錯(cuò)斷而不連續(xù)。

        選擇開展綜合物探工作的160線進(jìn)行高精度磁測(cè)剖面反演計(jì)算。地表出露的第四系粉質(zhì)黏土無磁性,碎斑熔巖大面積分布只會(huì)引起背景磁場(chǎng),不會(huì)引起明顯的局部正磁異常,結(jié)合物性及CSAMT測(cè)量結(jié)果,推斷高磁異常由隱伏的中基性巖脈(閃長(zhǎng)玢巖)引起。假設(shè)剩磁與感磁方向一致,依據(jù)閃長(zhǎng)玢巖的磁化率、剩磁,其有效磁化強(qiáng)度為1 780×10-3A/m,磁化傾角39.32°、磁化偏角-4.34°。反演結(jié)果見圖3。

        圖2 高精度磁測(cè)△T剖析圖Fig.2 Profile chart of high precision magnetic survey △T1—第四系沖洪積;2—正長(zhǎng)花崗巖;3—晚侏羅世碎斑熔巖;4—地質(zhì)界線;5—已施工鉆孔及編號(hào);6—高精度磁測(cè)ΔT異常曲線(1cm=100nT);7—ΔT異常等值線(單位:nT);8—推斷斷裂及編號(hào)

        4.2 視電阻率聯(lián)合剖面

        選擇在160線175~221點(diǎn)開展工作,按照兩種不同極距(AO=OB為80 m、160 m)進(jìn)行測(cè)量。其目的在于通過聯(lián)合電剖面測(cè)量進(jìn)一步確定低阻構(gòu)造位置和產(chǎn)狀特征。當(dāng)AO=OB=80 m和AO=OB=160 m時(shí),在197點(diǎn)附近ρa(bǔ)A與ρa(bǔ)B曲線形成“正交點(diǎn)”(圖3);且AO=OB=80 m和AO=OB=160 m正交點(diǎn)位置變化不大,據(jù)此推斷在197位置存在一低阻構(gòu)造,傾角較陡,有略向南西方向傾斜的特征。該構(gòu)造對(duì)應(yīng)于高精度磁測(cè)推斷的F-1斷裂。

        4.3 可控源音頻大地電磁測(cè)深(CSAMT)

        根據(jù)高精度磁測(cè)和聯(lián)合電剖面測(cè)量結(jié)果,斷裂構(gòu)造F-1的位置與淺部特征基本確定,但往深部的延伸情況還不清楚,選擇在160線175~221點(diǎn)開展CSAMT工作。通過數(shù)據(jù)反演結(jié)果,能夠有效地反映視電阻率在橫向和縱向上的變化特征,推斷構(gòu)造的延伸情況。

        從160線物探綜合成果圖可以看出,CSAMT反演斷面圖中部存在一條明顯的帶狀高阻異常,高阻等值線沿南西方向延伸,梯度變化大,視電阻率值為10 000~n×10 000 Ω·m,其上下兩側(cè)為2處條帶狀低阻異常帶,視電阻率值為n×10~n×1 000 Ω·m。根據(jù)異常特征,高阻異常推斷為巖脈引起,其上下兩側(cè)的低阻異常推斷為構(gòu)造破碎帶,產(chǎn)狀較陡,向南西方向傾斜,進(jìn)一步證實(shí)了高精度磁測(cè)推斷的北北西向F-1斷裂構(gòu)造是由兩條近于平行的次級(jí)斷裂F-1a、F-1b組成。

        圖3 160線物探綜合成果圖Fig.3 Comprehensive results map of No.160 line geophysical exploration1—晚侏羅世碎斑熔巖;2—晚侏羅世閃長(zhǎng)玢巖脈;3—推斷斷裂構(gòu)造及編號(hào);4—驗(yàn)證鉆孔及編號(hào)

        5 鉆探驗(yàn)證

        綜合高精度磁測(cè)、聯(lián)合電剖面與CSAMT測(cè)深結(jié)果可知,高精度磁測(cè)表現(xiàn)為正負(fù)伴生強(qiáng)磁異常,聯(lián)合電剖面在160線197點(diǎn)附近存在著“正交點(diǎn)”,推測(cè)為一條中基性巖脈和斷裂構(gòu)造F-1,且F-1是由2條近于平行的次級(jí)斷裂F-1a、F-1b組成。脈巖上下兩側(cè)由于斷裂構(gòu)造作用相對(duì)破碎,F(xiàn)-1走向北北西,向南西方向傾斜,建議在160線197點(diǎn)布設(shè)鉆孔ZK-1(3)福建省地質(zhì)調(diào)查研究院,福建省永泰縣清涼鎮(zhèn)礦泉水資源地球物理勘查成果報(bào)告,2018。,為了F-1的2組斷裂都能得到驗(yàn)證,設(shè)計(jì)孔深350 m。

        后期對(duì)ZK-1進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證,孔深268.51 m,在孔深91.90~167.80 m處巖性為灰色中基性閃長(zhǎng)玢巖脈,其中,在91.90~106.70 m和106.70~108.00 m處發(fā)現(xiàn)2段構(gòu)造破碎帶,為斷裂構(gòu)造脈狀水。進(jìn)行了2次降深的抽水試驗(yàn),第一次涌水量為331.680 t/d(降深34.82 m),第二次涌水量為159.120 t/d(降深18.98 m);計(jì)算單孔涌水量約為300 t/d(降深30.00 m),獲得較好的找水效果。由于已達(dá)預(yù)期目的,故驗(yàn)證孔深未達(dá)F-1b處,僅F-1a得到驗(yàn)證,如果繼續(xù)加深至設(shè)計(jì)孔深,有望獲得更高水量。

        6 結(jié)論

        (1)斷裂構(gòu)造在高精度磁測(cè)剖面平面圖上表現(xiàn)為帶狀正負(fù)伴生異?;蛘叽女惓5椭祹?;含水構(gòu)造帶在聯(lián)合電剖面上表現(xiàn)為低阻“正交點(diǎn)”,CSAMT測(cè)深法斷面圖上顯示為條帶狀低阻異常。

        (2)在地下水勘查中采用綜合物探方法相互驗(yàn)證,即先采用高精度磁測(cè),推斷出大致的斷裂構(gòu)造位置;然后在構(gòu)造有利位置利用聯(lián)合電剖面法和CSAMT,確定斷裂產(chǎn)狀、埋深;最后用鉆孔驗(yàn)證,取得良好的地下水勘查效果。

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