綜合物探法在青海省海東市后備水源地勘查中的應用

李 聰，張文科，趙 軍

(1.青海省水文地質工程地質環境地質調查院，青海 西寧 810000；2.青海省水文地質及地熱地質重點實驗室，青海 西寧 810000)

隨著青海省海東市的建立，東部城市群規模的日益擴大，社會經濟不斷發展，當下對水資源的需要亦日益激增。后備水源地尋找調查工作關鍵且急迫，是當地水資源短缺的主要解決辦法之一，能夠很好地助力社會經濟發展。

綜合物探法是找水的有效勘查手段[1-3]。高頻大地電磁測深技術因具有便攜、測深、高效、受地形影響條件小等優點，可以快速查明剖面上電阻率分布特征等情況。隨后利用激電測深探測可評價低阻異常的可靠性，結合區域地質特征，判斷是否具有鉆探驗證的價值。此組合法適用于青海省東部城市群復雜地形條件下的水文地質勘查。本文以青海省湟水流域內湟源茶石浪地區為例，運用此種組合地球物理勘測手段進行研究，并提出建議，以供同類工作參考借鑒。

1 區域水文地質概況

1.1 地形地貌

研究區位于青藏高原邊緣地帶，地勢高亢，地形復雜，屬湟水流域[4-7]。區內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。第四紀地層根據古氣候、古生物、地貌、沉積物巖性、結構、構造等方面的特征以及鄰區地層對比進行相對劃分。流域內第四紀沉積物的主要成因類型有：冰磧、冰水堆積、沖積、洪積、湖積、風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 研究區第四紀地層Tab.1 Quaternary strata in the study area

區內分布最廣的前第四紀地層見表2。主要有：元古界深變質地層；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。流域內地層在漫長的地史演化過程中，古生代地層缺失了寒武系下統、奧陶系中統和石炭系地層。

表2 研究區主要前第四紀地層Tab.2 Main pre Quaternary strata in the study area

1.3 構造

研究區隸屬于祁連加里東褶皺系，斷裂構造十分發育，其中深大斷裂具有規模大，延伸長，深度大的特點，在大地構造上往往成為構造分區的界線。構造線呈北西向，在擠壓應力作用下，發育一系列具有壓扭性質的斷裂和褶皺，含水性較差。此外，北東向發育張性斷裂發育，是尋找地下水的目標。

1.4 地下水特征

區域地下水類型主要有以下4類：松散巖類孔隙潛水主要分布在第四系中；碎屑巖類裂隙孔隙潛水主要分布在侏羅系泥巖、砂巖中；碳酸鹽巖類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 區域地球物理概況

綜合前人對本區地層巖性的電性差異特征的總結[8-12]，對大量地電參數統計，各地層電物性結果見表3。

表3 地層、巖石電性參數統計Tab.3 Statistics of formation and rock electrical parameters

由表3可知，①地表風成黃土、砂礫卵石、礫卵石層，電性變化較大，電阻率在15～132 Ω·m，當巖性含水時，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電阻率會增高；③古近系、白堊系、侏羅系中泥巖、泥質粉砂巖電阻率較低，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至數十Ω·m。④三疊系及元古界變質巖，為區內高阻電性層，電阻率400 Ω·m以上，元古界灰巖、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 研究區水文地質概況

區內主要發育地層主要以碎屑巖和碳酸鹽巖為主，如圖1所示。區內發育斷層有四條斷裂構造，屬于擠壓性質，含水性較差。中部存在一條規模較大的北西向溝谷，在研究區內長約6 km，寬約1 km。推測北東向存在隱伏斷裂構造。

圖1 研究區水文地質Fig.1 Hydrogeological map of the study area

地下水類型有：松散巖類孔隙潛水主要分布在全新世河床河漫灘沖洪積砂卵礫石；碎屑巖類裂隙孔隙潛水主要分布在古近紀西寧組紫紅色長石石英砂巖、奧陶紀灰色花崗巖；碳酸鹽巖類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巖、灰巖質礫巖中；基巖裂隙水區內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、長城系湟中群青石坡組灰黑色粉砂質板巖中(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類型依次為HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg、SO4·HCO3-Ca·Na、SO4·Cl-Ca·Mg或HCO3·SO4-Ca型水。從水中離子總量來看，湟水干流河水在中高山區礦化度小于0.2 g/L，中、下游(西寧以下)礦化度變為0.2～0.5 g/L。

通過地面水文地質調查結果，湟源縣茶石浪地區以碳酸鹽巖類巖溶裂隙水為重點開展物探工作。

4 工作方法技術

本次工作采用電導率成像系統(EH4)進行高頻大地電磁測深。激電測深法是通過改變供電極距和測量極距大小，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構、斷裂構造特征，確定基底起伏形態及第四系厚度變化規律，預測地下水礦化度高低等[13-16]。具體工作方法如下。

(1)為確保電測深曲線的完整性，達到勘探目的，供電極與測量極距，采用對稱非等比裝置。AB放線方向與MN放線方向保持在同一條直線上，遠距離放線方向偏差不超過±3°。

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

(4)測點用GPS定點，羅盤定向，連續放線時，可依導線節數量距定位。

(5)每個測深點都對供電和測量導線及儀器隨時檢查是否漏電。遇到漏電現象時，無論漏電大小，首先排除漏電，然后觀測讀數。

(6)為了保證測量數據的有效性，確保成果質量，質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沿北東向溝谷布置高頻大地電磁測深剖1條，旨在尋找低阻異常區后采用激電測深方法進行評價。EH4共測點205個，長度6.12 km，點距30 m，激電測深法布置剖面2條，物探測點10個，長度690 m，點距為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3580m，由端點(17694624，4 047 115)經過拐點(17 698 671，4 051 221)再到(17 698 635，4 051 639)剖面前端方向為40°，拐點后剖面方向為5°，測量點距為30 m，起端點高程為+2 972 m；終端點高程+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以內，厚度變化范圍在地表到140 m之間，呈現為規則水平層狀，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150 m；巖性為第四系砂礫洪積物、黃土覆植層。剖面南端點到850 m處，電性層為中阻層，電阻率變化范圍在200 Ω·m內，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，與南部灰巖屬不整合接觸關系。距剖面南端點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，巖性為灰色結晶灰巖，與南部千枚巖屬斷層接觸關系，其中距南端點1 400～1 650 m段夾砂板巖，接觸帶巖性破碎，屬斷層接觸關系，斷層傾角近直立，其地表面狀泉水發育，距南端點2 700 m處為灰巖向斜構造軸部，附近面狀泉水發育；距南端點3 000、3 700 m處由于電阻率變化很大，基巖露頭巖性破碎，地表點狀泉水發育，故推斷為兩處北傾斷裂，傾角80°左右。距南端點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，屬斷層接觸關系，斷層傾角南傾，傾角80°左右，距南端點5 200 m到北端點，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′剖面激電測深推斷解釋

布置在Ⅰ-Ⅰ′剖面86號點南處的Ⅱ-Ⅱ′激電測深剖面方向為120°，點距為20 m，剖面長度為400 m。剖面起點坐標(17 696 500，4 049 223)，剖面終點坐標(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：從西起點到東端點，低阻層電阻率變化在200 Ω·m以內，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180 m，距西端點220 m處由于電阻率變化很大，故推測一東傾斷裂，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，巖性為灰色結晶灰巖，斷裂附近地表面狀泉水發育，斷裂東側松散層較厚是古河道所致，古河道東岸因測距短未顯封閉。

5.2.3 Ⅲ-Ⅲ′剖面激電測深推斷解釋

布置在Ⅰ-Ⅰ′剖面100號點處Ⅲ-Ⅲ′激電測深剖面方向為130°，點距50 m，剖面長度260 m。剖面起點坐標(17 696 806，4 049 545)，剖面終點坐標(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：從西起點到東端點，低阻層電阻率變化在200 Ω·m以內，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100 m，距西端點100 m處由于電阻率變化很大，故推測一東傾斷裂，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，巖性為灰色結晶灰巖，斷裂附近地表點狀泉水發育，距剖面西端點50～200 m松散層較厚是古河道所致。

5.3 鉆探驗證建議

根據物探測量成果，結合附近基巖露頭結構構造，以及地貌特點及泉點發育等特征，建議選擇在Ⅰ-Ⅰ′號剖面27號點、57號、91號點、101號點處為首選布孔位置。

6 結論

(1)采用高頻大地電磁法在青海省海東市湟源茶石浪地區發現低阻異常多處，并且運用激電測深進行評價，灰巖區內的低阻異常區是尋找巖溶裂隙水的目標層位。本文提供鉆探驗證建議，為該區后備水源勘探工作提供技術支撐。

(2)采用“高頻大地電磁測深+激電測深”綜合物探方法在復雜地形條件下的水文地質勘查經驗證行之有效，該方法可作用于干旱缺水處的基巖區找水工作，具一定的參考價值。