綜合物探方法在承德地區地下水勘察中的應用

高小青

（河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000）

針對探測目的任務，此次探測重點為對主要控制地下水分布的斷裂構造、地層進行地球物理調查。根據工作區地下水資源賦存深度與該地區深大斷裂相關的特點，確定探測區域內大的斷裂構造寬度、產狀，含水層的埋藏深度與分布等，結合地質-水文地質條件進行分析，提出綜合解譯成果，作為布置水文地質鉆孔的依據。

1 地質概況及地球物理特征

1.1 地質概況

勘探區域內地層從下往上，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，詳細地層情況如下。

（1）太古界地層。

太古界地層變質巖出露于工作區北部。

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

（2）元古界地層。

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

（3）中生界。

工作區出露中生界地層包括：侏羅系（J），分布在東部。

（4）新生界。

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

1.2 勘探區地球物理特征

理想狀態下，完整且干燥的巖石和空氣一樣視電阻率值相對較大，但自然狀態下巖層都是不完整的，且巖層當中的孔隙、裂隙中大概率都是含水的，并且隨著巖石含水率的增加，視電阻率值會急劇下降。同時含水率相同的不同巖性的巖層視電阻率值也會有一定區別，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；巖層的視電阻率值與干燥巖石的視電阻率值關系不大，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小于不含水周圍圍巖的視電阻率值，這就是電法勘探通過電性特征來區別斷層和含水層富水性的物理依據。

此次測量沒有進行電參數測量，表1 為在收集工作區周邊采用露頭小四極法測量的巖石電阻率參數，其中石英斑巖、霏細巖均在平硐內測量，較為接近地下真實電阻率值，而片麻巖、淺粒巖均在地表進行，雖然略有風化，也可代表該類電阻率特征。因此此次參數測量結果較為可靠。

表1 工作區周邊實測巖石電阻率參數表Table 1 Parameter table of measured rock resistivity around working area

此次共測量了50 組巖石的參數，基本覆蓋了區內基本巖石類型。工作區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、片麻巖為相對高阻特征，石英斑巖、霏細巖則呈相對中低阻特征，這種明顯的電阻率差異，為在區內開展電磁測量提供了基礎。同時根據以往工作經驗，在斷裂、破碎帶內因后期物質充填通常呈相對低阻特征。

2 工作方法及數據采集處理

2.1 儀器設備及主要技術指標

（1）可控源音頻大地電磁法。

V8 多功能電法儀1 套，由發射系統、采集（接收）系統、定位系統、數據記錄處理系統組成。

主要包括接收機、發射機等2 個部分，參數如下。

接收機性能參數：

發射機性能參數：

（2）四極電測深法。

多功能數字直流激電儀WDJD-4 技術指標參數如下。

接收部分：

發射部分：

2.2 工作布置

根據物探測線布置原則，測線應盡可能與主要構造或地層巖層走向垂直，根據勘探目的和技術要求，以及所用儀器設備的性能特點，結合勘探區域內的地形、地貌條件，對區域內物探測線進行了布置。

此次勘探共布置可控源音頻大地電磁測線4條，其中L01、L02、L03 測線長度均為510 m，L04 測線長330 m，合計測線長1 860 m，測量點66 個；四極電測深測線3 條，每條測線長2 000 m，測點100 個，合計測線長6 000 m，合計測點300 個。

2.3 數據采集及處理

2.3.1 可控源音頻大地電磁測量

2.3.1.1 數據采集

（1）儀器性能測試。

為了確保野外現場數據采集工作能夠順利開展，野外作業前技術人員對此次物探工作所使用的V8 多功能電法儀進行了檢測檢修，來確保儀器性能正常。V8 多功能電法儀由主機（Sn：4147）、輔助盒子（Sn：4143）、電流盒子（Sn：2586）及磁探頭（Hy：AMTC1619）4 個部件及其它輔助配件組成。

在正式野外測量前對V8 多功能電法儀進行了標定，儀器標定曲線與標準曲線一致，可以投入野外作業。

（2）測量裝置。

此次野外作業采用赤道偶極裝置的標量測量方式，水平方向電場（MN）平行于場源（AB），水平磁場垂直于場源布設（圖1）。此次發射偶極AB=8 km，接收偶極MN=30 m，方向使用羅盤和測距儀現場實測定位。采用2 個電場分量共用1 個磁場分量的排列組合進行觀測，磁探頭一般安置在排列中心點位置。

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

（3）數據采集。

測站按照規定布設完成后，就可以開始測量采集數據。打開主機后連接電道磁道接線，然后將所用儀器同步鎖定到GPS 時間，就可以開始現場測量了。

一條測線測量完畢后要現場寫操作報，操作報的內容包括數據質量、人文干擾情況、地質地貌及相應的測點坐人員均如實填寫可控源音頻大地電磁測量的野外記錄班標、高程等，以備數據處理及資料推斷解釋查用。

2.3.1.2 數據處理

可控源音頻大地電磁測量的數據處理過程主要包括：①數據整理；②預處理；③遠區數據頻點選擇；④靜態校正；⑤數據反演。具體流程如圖2 所示。

圖2 數據處理流程圖Fig.2 Data processing flow

2.3.2 四極電測深探測

為了保證野外工作的順利進行和測量數據的質量，出隊前項目組對所使用的多功能數字直流激電儀WDJD-4 進行了必要的檢修和維護保養。四極電測深主要部件除主機外還包括電池箱、MN 線2條、AB 線2 條，電極4 根。

儀器性能測試主要是根據生產前（2021.7.25）對儀器主要部件的標定結果來進行評價。在野外施工前對儀器進行了標定，儀器標定曲線與標準曲線一致的情況下，方可投入野外施工。

2.3.2.1 試驗工作

四極電測深實驗工作的主要目的是為了進一步確認地下含水層位置，通過試驗工作的有效性，以便選擇最佳工作方法和裝置參數。試驗工作遵循由已知到未知的原則進行。

2.3.2.2 工作方法

（1）工作裝置。

此次電測深探測采用了四極電測深探測方式，MN 電極間距5～70 m 逐漸增加，AB 電極位置20～2 000 m，測點間距10 m。此次測量在前期物探圈定的3 個井位共布置3 條測線，共計300 個測點。

（2）工作參數。

電測深探測采用四極電測深的技術參數要根據試驗結果來確定。

（3）野外觀測。

野外觀測采用四極電測深探測方式,探測過程中，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。每個測點重復測量3 次，在工作過程中嚴格按儀器說明和規范進行操作。

3 資料解釋

3.1 解釋標志的建立

根據以往經驗，結合揭露資料可知，斷裂構造往往使地層的連續性遭到破壞，巖石破碎、裂隙發育，電阻率降低，在反演電阻率斷面圖上反映明顯，得出如下斷裂構造解釋標志。

（1）反演電阻率等值線出現突變或不連續。

（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，同時又具有各自的特征，反映的地質信息豐富而客觀，下面分別對各斷面進行詳細的地質推斷解釋。

3.2.1 可控源音頻大地電磁測量

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510 m。縱觀整個斷面圖，平距600 m 附近地段，低電阻率區呈舌型分布帶分布，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。區域內深部大部分的高阻區域推斷為基巖區域的高阻反映。

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510 m。縱觀整個斷面圖，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較低，推測基巖破碎，且富水性較好；下部地層電阻率相對較高，推測下部地層基巖較完整，儲水能力相對較弱。

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510 m。縱觀整個斷面圖，在平距400～700 m 存在大范圍的相對低阻區域，其整體呈V 字型分布，由2 個小V 字型相對低阻區域組成，推測該范圍為斷層破碎帶區域。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。推測在平距400～700 m，存在較大規模斷層破碎帶，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330 m。縱觀整個斷面圖，在平距約460 m 虛線處，存在近似V 字型相對低阻異常，推測為斷裂破碎帶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1 小范圍的高阻異常，推測其為其他因素導致的干擾數據。

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 四極電測深探測

圖7 為L01 線四極電測深“探測深度—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由低到高的趨勢；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 線四極電測深視電阻率曲線圖Fig.7 Apparent resistivity curve of L01 line four-pole electric depth-measurement

圖8 為L02 線“探測深度—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由低到高的趨勢。在探測深度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 線相對應，在該層位巖層富水性較好。

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

圖9 為L03 線“探測深度—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由低到高的趨勢；在探測深度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 后期驗證結果

根據探測結果最終確定了3 處水源井井位，具體坐標見表2。

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

后期在標定位置打出3 處水源井，水源井的含水層范圍與此次探測結果相符，出水量經計算滿足當地用水需求，取得了非常好的效果。

4 結論

通過開展可控源音頻大地電磁測量以及四極電測深探測，對區內斷裂格架、巖體分布等有較好的反映，為下一步找礦勘查提供了基礎資料，主要結論如下。

（1）完成可控源音頻大地電磁測線4 條，其中L01、L02、L03 測線長度均為510 m，L04 測線長330 m，合計測線長1 860 m，測量點66 個；四極電測深測線3 條，每條測線長2 000 m，測點100 個，合計測線長6 000 m，合計測點300 個，完成了目的任務。

（2）大致查明了工作區的斷裂格架。共推斷解釋斷裂4 條，F2、F3 斷裂為規模較大的斷裂，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 斷裂規模較小含水層范圍約地表下300 m 以淺。L02 線未發現較明顯斷裂帶，富水性較其他3 條線弱，含水層范圍約地表下220 m 以淺。

（3）依據此次可控源音頻大地電磁測量及四極電測深探測成果，結合區內已有地質資料，對區內儲水有利地段進行了分析，認為工作區內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，有利于地下水的儲存和運移；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，為斷裂規模較大且較為寬陡、電阻率值較低部位，有利于地下水的儲存和運移。