韋乖強>

(山東省煤田地質局 第五勘探隊，山東 濟南 250104)

1 引 言

礦泉水是在特定地質條件下形成的一種非常寶貴的液態(tài)礦產(chǎn)資源，含有一定量的礦物鹽、微量元素和其他成分而區(qū)別于普通地下水資源。礦泉水資源勘查是地下水資源勘查的一種，在礦泉水資源地質勘查中，利用已知地質、水文資料綜合分析探測區(qū)域礦泉水形成的水文地質條件和含水層特征等，以確定最有利賦存礦泉水的物探工作區(qū)域。地球物理勘探手段是在地質-水文資料分析的基礎上對含礦泉水的斷裂構造或含水層進行地球物理調查，以確定斷裂構造的寬度、產(chǎn)狀、含水層的埋藏深度與分布等，為合理布置最有利的鑿井孔位提供依據(jù)，以降低投資開發(fā)風險。

在礦泉水資源地質勘查中常用的地球物理探測方法有可控源音頻大地電磁測深法(Controlled Source Audio-Frequency Magnetotelluric Sounding,簡稱CSAMT)、大地電磁測深法(Audio Magnetotelluric Sounding, 簡稱AMT)、瞬變電磁法(Transient Electromagnetics Method,簡稱TEM)、直流電法、大功率激電等，在諸多探測方法中，CSAMT、AMT方法以其探測深度大、地形影響小、施工效率高、能穿透高阻屏蔽、縱橫向分辨率高等優(yōu)勢而被廣泛應用。楊海亮等利用AMT法在五大連池碳酸礦泉水勘查中查清了深度斷裂帶的規(guī)模、走向等情況，推斷了研究區(qū)內的礦泉水分布區(qū)域[2]；張立劍等利用多種物探方法在河北承德地區(qū)礦泉水勘查中的應用中利用CSAMT、TEM等方法確定了勘查區(qū)的賦存礦泉水的構造范圍和走向、含水層的位置[3]；本次研究區(qū)域周邊，肖為國等對泗水礦泉水礦田的地質背景，形成分布特征進行了研究[4]，為本次開展研究工作提供了參考資料。

本次礦泉水資源勘查工作，選用CSAMT方法通過整體平移排列加密測點開展精細探測，查明探測區(qū)域地層結構[6]，精準地反映了賦存礦泉水的斷裂構造和含水層的埋藏深度，結合探測區(qū)域現(xiàn)場實際合理確定了鑿井孔位，經(jīng)鉆探、抽水試驗、水質化驗，成功獲取了鍶含量高達1.121 mg/L的優(yōu)質礦泉水井，為該區(qū)域礦泉水規(guī)模化開發(fā)利用提供了科學依據(jù)。

2 CSAMT法概述

CSAMT是在大地電磁測深(Magnetotelluric Sounding,簡稱MT)和音頻大地電磁測深(AMT)的基礎上發(fā)展起來的一種人工源頻率域地球物理勘探方法，它通過改變發(fā)射源的發(fā)射頻率(頻率范圍0.125～8 192 Hz)來達到不同深度的探測目的[1]。目前常采用電性源赤道偶極裝置進行標量測量，測量時場源和測點之間的距離要達到3～5倍的趨膚深度，觀測區(qū)域布置在以發(fā)射偶極形成的60°角的扇形范圍內，AB偶極的中點盡量布置在觀測剖面的中垂線上，觀測與場源平行的電場水平分量Ex和與場源正交的磁場水平分量Hy，通過計算卡尼亞電阻率、阻抗相位來分析解決相關地質問題[10]。該方法的優(yōu)點為探測深度大、縱橫向分辨能力強、低阻反映敏感、能有效壓制干擾、施工效率高[5-11]。

3 地質概況

通過收集濟寧市東部某地的區(qū)域地質、水文資料，分析認為該位置地處單斜斷裂凹陷水文地質單元的一個次一級水文地質單元內。該水文地質單元南部、東部邊界均為新太古代侵入巖；北部邊界為仲都斷裂，寒武、奧陶系巖層與太古界侵入巖呈斷裂接觸。研究區(qū)內斷裂構造縱橫交錯，裂隙發(fā)育，其中寒武、奧陶系區(qū)內廣泛分布且?guī)r溶較發(fā)育，構成本區(qū)良好的含水巖組。通過對含水巖組特征的分析認為，寒武系長清群朱砂洞組碳酸鹽巖夾碎屑巖類裂隙巖溶含水亞組，溶蝕裂隙及溶孔發(fā)育，在溝谷、斷裂帶及與侵入巖接觸部位，常形成泉水排出地表，尤其是在地形、構造有利的地方，可形成較大的泉水，為本區(qū)礦泉水資源的主要含水層。

探測區(qū)域內大部分基巖裸露，局部被第四系覆蓋，基巖裸露部分多為寒武系灰?guī)r及泥頁巖，下部為太古代泰山群混合巖化花崗片麻巖和侵入巖，寒武系灰?guī)r裂隙和溶洞發(fā)育，在寒武系與新太古界泰山巖群接觸面存在灰?guī)r溶蝕裂隙發(fā)育和花崗片麻巖風化裂隙發(fā)育。

綜合分析認為該區(qū)具備賦存礦泉水的可能性，地質勘查研究的主要工作應為查清區(qū)內的斷裂構造發(fā)育地段及礦泉水最有利的含水巖層。

4 應用研究

4.1 CSAMT工作布置

根據(jù)該區(qū)前期地質水文資料分析成果，在圈定的賦存礦泉水目標區(qū)域布置了4條測線(詳見圖1)，線距120～180 m不等，點距25 m，并對工作測線排列整體平移開展了加密精細探測工作。

圖1 工作測線布置Fig.1 Working line layout

4.2 CSAMT探測成果分析

根據(jù)地質水文資料分析該區(qū)存在賦存礦泉水的可能，CSAMT法勘查的主要目的是查清該區(qū)的電性標志層及斷裂構造，以確定最有利的鑿井位置。當研究區(qū)域存在斷裂構造時，因巖石受應力作用破碎、充水，與圍巖具有明顯電性差異，通過視電阻率斷面圖，反映出研究區(qū)域不同測線電阻率的斷裂構造帶、接觸破碎帶的空間分布及與圍巖的接觸關系，富水性等物理信息。本次CSAMT法共布設4條測線，點距25 m，為了提高勘探精度，在點距25 m基礎上，異常位置局部對排列整體平移10 m進行了加密工作，經(jīng)過精細處理，形成了各測線的視電阻率斷面成果圖。

圖2為從不同視角展示的4條測線三維可視化視電阻率圖件，該圖件清晰地展示了各測線的縱、橫向電阻率特征及各條測線異常的相關性特征，反映了探測區(qū)域地層的垂向分層、起伏變化情況以及斷層的分布情況。斷層反映在斷面圖中的特征主要是視電阻率等值線的扭曲、不連續(xù)以及梯度變化等[9]。整體來看，各測線視電阻率斷面圖橫向向上呈現(xiàn)高、低相間的電性特征，清晰地反映了斷裂構造發(fā)育位置；各測線探測成果視電阻率在剖面圖縱向上呈現(xiàn)由低至高的變化特征，反映了探測位置地層的變化情況。

圖2 CSAMT勘查視電阻率三維可視化成果Fig.2 3D visualization results of apparent resistivity of CSAMT exploration

該區(qū)灰?guī)r和花崗片麻巖出露，局部被第四系所覆蓋，導致淺部視電阻率高低相間，綜合分析CSAMT探測的4條測線視電阻率特征，第四系地層視電阻率在10～200 Ω·m之間，下寒武系地層視電阻率在200～5 000 Ω·m之間，花崗巖視電阻率在2 000～25 000 Ω·m，縱向上視電阻率值差異明顯，為較好的電性標志層，反映了各地層的界面標高。其中L1線在位置529 700～529 800、530 250～530 350，L2線在位置529 650～529 750、530 200～530 300，L3線在位置529 550～529 650、53 150～530 400，L4線在位置530 200～530 400位置均表現(xiàn)為明顯的高、低電阻率差異，結合斷裂構造的地球物理反映特征，推斷各測線以上位置為斷裂構造的電性反應，分別標記為F1、F2斷層，傾角均在70°左右，該斷層帶位置視電阻率值相對最低，低電阻率范圍橫向有一定的延伸，推斷含水性較強。從各測線的電阻率差異結合基巖露頭巖性分析，F(xiàn)2斷層的左邊為灰?guī)r，右邊為花崗片麻巖，灰?guī)r區(qū)視電阻率差異較大，出現(xiàn)多處低電阻率異常區(qū)，推斷灰?guī)r區(qū)巖溶裂隙發(fā)育，富水性強。

根據(jù)推斷解釋的F1、F2斷層位置，經(jīng)過現(xiàn)場實際勘測，從有利于鑿井和開發(fā)利用的角度出發(fā)，最終確定孔位為L4線的530 280位置，初步設計孔深700 m。圖3中紅色橢圓表示巖性破碎，鉆探至該位置要采取相關技術措施，確保鉆孔安全和順利鉆進。

圖3 CSAMT法L4線反演電阻率剖面與鉆探驗證成果對比Fig.3 Resistivity profile of CSAMT L4 line inversion and comparison of drilling verification results

4.3 鉆探情況

該鉆孔0～30 m口徑Φ325mm，30～122 m口徑Φ245mm，122～545 m口徑Φ190mm。在鉆進至92～105 m時，對應寒武系朱砂洞組石灰?guī)r，該段巖溶裂隙發(fā)育，富水性強，在鉆至112～113 m、270～272 m、260～262 m、387～389 m、534～538 m 時，巖性破碎、裂隙發(fā)育，成功出水，為斷裂構造及巖性接觸帶，富水性強。從L4線視電阻率斷面圖來看，以上位置均表現(xiàn)為低電阻率及等值線梯度變化較大，為巖溶發(fā)育或斷裂構造接觸帶位置，鉆探情況和CSAMT推斷成果一致，圖2為L4線CSAMT探測成果與鉆探驗證對比圖。在鉆至545 m時，巖性破碎嚴重，鉆進困難，水量42 m3/h,已滿足開發(fā)利用30 m3/h的水量要求，及時終孔。

鉆探施工完畢對該鉆孔進行了抽水試驗，經(jīng)三個降程連續(xù)抽水試驗和水位恢復觀測，獲得了該孔的水文地質參數(shù)如表1所示。

表1 三個降程抽水試驗數(shù)據(jù)一覽

4.4 水質化驗

通過水質化驗，所取水樣鍶的含量為1.121 mg/L，遠超鍶礦泉水標準指標大于等于0.20 mg/L的要求，且其他所檢項目均符合GB 8537-2018、GB 2762-2017的要求，詳見表2，說明本井地下水滿足鍶礦泉水的指標要求。

表2 水文孔飲用天然礦泉水界限指標和部分限量指標

5 結 論

通過CSAMT在礦泉水資源地質勘查中的應用研究，結合鉆探、水質化驗資料分析，結論如下：

1)在礦泉水地質勘查工作中，通過對收集的探測區(qū)域地質、水文資料綜合分析，確定探測區(qū)域是否賦存礦泉水的可能，并初步分析賦存礦泉水的含水層位及探測區(qū)域的斷裂構造發(fā)育情況，確定物探工作靶區(qū)。

2)CSAMT在礦泉水地質勘查工作中能夠快速高效的確定探測區(qū)域的構造裂隙、巖溶發(fā)育情況、地層界面、含水層富水情況，結合探測區(qū)域現(xiàn)場實際情況確定最有利的鑿井井位，并指導鉆探施工。

3)通過合理布設CSAMT測線位置，整體平移排列實現(xiàn)測點加密工作，可以精細反映探測區(qū)域的構造裂隙發(fā)育及含水層富水情況，鉆探資料和CSAMT推斷成果一致，說明該方法在礦泉水資源勘查工作中是有效的技術手段，為開發(fā)利用礦泉水資源提供了技術性技術資料，大大降低了礦泉水地質勘查工作及開發(fā)利用風險。