物探方法在区域地质调查中的应用

李远强

（北京市地质研究所，北京 100120）

物探方法在区域地质调查中的应用

李远强

（北京市地质研究所，北京 100120）

物探方法是利用地下岩土体的物理性质差异，使用仪器测试地下介质的物性数据，利用计算技术，反演推断出地下不同岩土体分布的一种无损快速的探测方法。不同的岩土体具有不同的密度、导电性、磁性等物理性质，根据不同的物理性质、采用不同仪器设备和方法进行测试，可以解决不同的地质问题。本文论述了高密度电法、重力、磁法在区域地质调查中解决基岩埋深、地下水情况、隐伏断裂位置及特征、矿产分布等地质问题的情况，选择适当的物探方法可以取得良好的地质效果。

高密度电法；重力；磁法；区域地质调查

0 引言

物探是地球物理勘探的简称，其基本原理是利用地质体的物理性质（密度、弹性波传播速度、磁化率、电阻率、热导率、放射性等）差异，采用仪器测量的方法，取得地下地质体的物性数据，再依据特定的计算方法进行反演，来确定地质体的分布、特征等属性，进而解决地质问题。对于区域地质调查工作来讲，地表调查取得了很重要的地质信息，但对于地下地质体的分布情况，要依靠其它勘探方法，如物探、钻探、坑槽洞探等，其中物探以其方法种类多、应用领域广、经济效益高、工作效率高、探测效果好等特点，使其在区域地质调查工作中得到广泛应用，主要解决的地质问题有：地下金属矿产勘查、地下水勘查、基岩埋深探测、隐伏断层位置确定等。物探方法既可以进行面积性普查，也可以进行剖面测量，还可以进行单点探测，方法使用灵活，野外施工方便，是其它勘探方法不可替代的。

本文以《河北1:5万雷庄(J5 0E0 02 019)、石门(J50E002020)、昌黎县(J50E002021)、滦南县(J50E003019)区域地质矿产调查》工作为依托，论述了物探方法在区域地质调查中解决的地质问题及效果，物探方法包括高密度电法、重力、磁法、可控源音频大地电磁法，解决的地质问题主要有基岩埋深、隐伏断层分布及特征。

1 地质概况

1.1 地形地貌

工作地区位于燕山南麓山前平原地带，地势北高南低，平均海拔40～60m，地势较为平坦，局部分布孤残山，海拔80～100m不等。

1.2 气象水文

工作地区属于华北暖温带半湿润大陆性季风型气候，冬季受西伯利亚和蒙古冷空气的影响，盛行偏北风；夏季受海洋气团和太平洋高压的影响，盛行偏南风。春季干燥多风、夏季闷热多雨、秋季昼暖夜寒、冬季寒冷少雪。全年平均气温10.5℃。全年平均日照2651.5小时。常年平均降水量为714.5mm。河流有滦河、沙河两条较大河流。

1.3 地层岩性

主要地层为第四系（Q）、奥陶系、寒武系、蓟县系、长城系地层，地表多为第四系覆盖。

第四系(Q):分布于工作区的大部分区域，主要为上更新世、全新世冲洪积物，岩性主要为粗-细砾、粗-中-细-粉砂、亚砂-亚粘土。沉积由北部前山区向南部平原区颗粒物逐渐变细。

奥陶系亮甲山组（O l）、冶里组（O y）：分布于工作区西北，表现为局部的孤残山，岩性为灰岩，多分布采石场。亮甲山组与冶里组平行整合接触。

寒武系炒米店组（∈cm）、崮山组（∈g）、张夏组（∈z）：分布于工作区西北，表现为局部的孤残山，岩性为灰岩，多分布采石场。奥陶系冶里组与寒武系炒米店组整合接触，炒米店组与崮山组、崮山组与张夏组均为整合接触。

待定系景儿峪组（Q bj）、龙山组（Q b l）：分布于工作区西北，表现为局部的孤残山，岩性砂岩-粉砂岩。与上覆地层寒武系张夏组接触关系不详，景儿峪组与龙山组整合接触。

蓟县系雾迷山组（J xw）、杨庄组(J xy)、高于庄组（J xg）: 分布于工作区北部，表现为局部的孤残山，岩性为灰岩-白云质灰岩-白云岩。与上覆地层待定系龙山组平行不整合接触，雾迷山组与杨庄组、杨庄组与高于庄组均为整合接触。

长城系大洪峪组（C hd）：分布于工作区北部，表现为局部的孤残山，岩性为砂岩-粉砂岩。与上覆地层蓟县系高于庄组接触关系不详。

新太古代侵入岩（Ar3ηγ），分布于工作区北部，岩性为二长花岗岩。

1.4 构造活动

工作区地质构造复杂，主要包括近东西向的安各庄断裂、九百户断裂，近南北向的雷庄-赵店子断裂、西郭庄断裂、芝麻山西断裂、滦县断裂、山东庄断裂。基岩露头处多见断层构造。

1.5 地下水

工作区地下含水层分为第四系孔隙水含水岩组、基岩裂隙水含水岩组和岩溶水含水岩组，现场调查测试潜水位5～30m不等。地下水补给以大气降水直接补给为主，河水补给为辅；工作区第四系以粉砂为主，地下水渗流条件好，大气降水迳流系数小，大气降水直接深入地下补给地下水；地下水排泄有地表蒸发、工业机井抽取、农业机井灌溉等。

1.6 人类工程活动

人类工程活动主要为城市扩张改造、修建道路、建设工厂和农田耕种，旧县城改造表现为县城周边基础建设频繁，房地产开发和道路改造等；局部地区圈地建设工厂，主要为炼钢钢厂，同时为治理大气环境，也关闭了一些小型炼钢企业。开山采石现象严重，山上植被遭受了严重破坏，基岩裸露。沿沙河河道有较大的采砂坑，为当地采砂造成，不利于河道泄洪。村庄建设多为平房，乡镇及县城楼房居多，街道路面已硬化，为水泥路面或混凝土方砖铺砌。由于人类工程活动频繁，当地环境污染比较严重，常常是沙尘随风飞扬。浅层地下水已经遭受污染，饮用水只能从深部抽取。

2 方法原理

物探方法实施的前提是地质体的物性差异，根据收集资料和样品测试总结出研究区域地质体主要物理性质见表1。依据这些物性差异，结合现场条件和解决的地质问题，采用的物探方法有高密度电法、重力、磁法和可控源大地电磁测深法。

表1 地质体物理性质一览表

2.1 高密度电法

高密度电阻率法（简称高密度电法）勘探是以地壳中岩石和矿物体及其他地质问题的导电性差异为物质基础，通过观察与研究人工建立的地中电流场（稳定场或交变场）的分布规律进行找矿和解决地质问题的一组电法勘探分支方法。与常规电阻率法一样，它通过A、B电极向地下供电流i，然后再M、N极间测量电位差，从而可求得该点（M、N之间）的视电阻率值(k为装置系数)。实际上，高密度电阻率法是一种阵列勘探方法，测量时只需要将全部电极（几十至几百根）沿测线按一定的电极间距布设在测点上。然后用多芯电缆线将各电极按一定的顺序连接到电极转换器和多功能直流测仪上。进入正式测量时，利用程控电极转换开关和直流电法仪，可实现数据的快速和自动采集，观测数据将有序的逐次存入随机存储器内。当测量结果传入计算机后，对数据进行处理并给出关于地电断面分布的各种物理解释的结果。

2.2 重力

重力勘探原理是通过测定某种静力平衡体系在重力作用改变时产生的位移来确定重力的相对变化，通过测量不同岩性组合的密度（σ）差异来确定密度界面的起伏变化情况，主要用来圈定构造的范围， 由于在断裂构造上，通常密度变化较大，反映在重力平面图上，等值线较为密集，梯度较大，故利用该方法不但可以了解密度差异界面起伏变化情况，可确定断裂的构造部位，从而可以确定断裂和基底构造的形态、位置等。

2.3 磁法

自然界的岩石和矿石具有不同磁性，可以产生各不相同的磁场，它使地球磁场在局部地区发生变化，出现地磁异常。利用磁力仪发现和研究这些磁异常，进而可以寻找磁性矿体和研究地质构造。

3 探测效果

3.1 高密度电法

高密度电法取得的主要成果为：①垂向地层划分，确定基岩埋深；②确定的断层位置及其特征，经对断层的特征分析，确定有两种类型的断层。

图1 G32测线高密度电阻率法ρs断面及地质解译成果图

图1为G 32测线高密度电法ρs断面及地质解译成果图。从图上可以清晰看出：垂直方向上可清楚地分为3层：①浅表不含水的粉细砂层：高阻层，层厚从10～30m不等，视电阻率值150～500Ω.m。②中部含水丰富的粉细砂：低阻层，层厚30～70m不等，视电阻率值50～100Ω.m。③深部基岩：次高阻层，基岩面深度从70～90m不等，视电阻率值100～400Ω.m。最深探测深度为160m。

在测线480～560m、深80～160m处出现的纵向低阻带，推测为含水破碎带呈低电阻率这一特点在该处的异常反应，结合地质资料推测该处为雷庄—赵店子断裂。该异常特征为：横向宽80m、纵向近直立、两侧基岩埋深相差约15m（西高东低）、岩体较破碎且含水。

图2为G05测线高密度电法ρs断面及地质解译成果图。该图可以看出：在640～700m处，基岩埋深从-40m陡降至-150m，推测该处存在产状较陡立的正断层，倾向约90°，倾角约75°。结合1/25万地质图上提供的资料信息，判定该处为西郭庄断裂，其平面位置比原图标注位置向东偏移了480m。

在测线410m处实施钻探验证孔ZK04，揭露基岩灰岩埋深为76.95m，对应该深度高密度电法ρs值为100Ω.m，依据该钻孔确定的视电阻率值，准确地划定其它剖面线基岩埋深。钻孔验证了高密度电法的剖面地质解译的准确性，确定了第四系基岩分界的ρs值，提高了的物探数据的可信度和准确性，解决了断层的存在、位置和特征的地质问题。

图2 G05测线高密度电法ρs断面及地质解译成果图

3.2 重力

重力勘探剖面曲线反映出地下基岩埋深的特征：剖面线两侧及中间有基岩出露，其重力值较大；对应重力值较小区段，为基岩埋深较大区段。1400号点西部表现重力负异常，说明地下的岩性密度较小，第四系覆盖厚。1620号点附近有二长花岗岩出露，这与剖面显示的正值吻合。1400号点以东表现正异常，说明地下的岩性密度较大，基岩埋深较浅。

图3为布格重力Δg剖面曲线，及地质解译图，其中，856、1048 、1392这3个点位与雷庄－赵店子断裂、西郭庄断裂及芝麻山西断裂构造的位置相对应，248点位推断为隐伏断裂；点号248为新发现的断裂。

新发现断裂在剖面上反映为向东倾斜，倾角较大；雷庄－赵店子断裂在剖面上反映为向西倾斜，倾角较小；西郭庄断裂，在剖面上反映为向东倾斜，倾角较大；芝麻山西断裂剖面上反映为向西倾斜，倾角稍大于西郭庄断裂。

图3 测线布格重力Δg剖面曲线及地质解译图

3.3 磁法

在经济较为发达的河北唐山地区进行磁法勘探受干扰因素较多，主要有村庄、厂矿、配电站、铁路、道路、高压线等，干扰磁场值的特征为：背景值上下几百nT范围内的跳跃式剧变，故干扰区域难以提取到有用的信息。

在没有干扰的区域，测线1804点—1868点处存在一处ΔT正异常区，异常宽约640m，异常值500～1500nT（背景值-100nT），呈双峰“M”形。据原铁矿勘探资料，该处存在相邻两处、近南北向、条带状铁矿带，与该磁异常位置一致。说明该磁异常是地下铁矿引起的。

图4为异常处磁法勘探ΔT剖面曲线图。

图4 异常处磁测ΔT剖面曲线图

4 结语

应用物探方法可以很好地解决区域地质调查工作中的具体地质问题。

通过高密度电阻率法、重力勘探法可以准确地划定基岩埋深，两种方法结果一致，并经过钻孔的验证和校准，探测结果准确可靠。

高密度电法和重力勘探均反映出隐伏断裂的分布，除了验证雷庄-赵店子断裂、西郭庄断裂、芝麻山西断裂，新发现1处新断裂，位于沙河西侧。此外，发现主断裂附近发育多处次级隐伏断裂。

该地区磁法勘探干扰较多，但在相对干扰小的区域也可以取得良好的探测效果。

致谢

对于李良景和王山亮两位地质高级工程师的热情帮助和有益建议，在此表示感谢。

［1］李金铭.地电场与电法勘探.北京：地质出版社，2005.

［2］谢忠球等.提高高密度电阻率成像分辨率的数据处理技术.湖南省地球物理论丛(2001),中南大学出版社.

［3］李清林等. 地电成像及其在地学领域中的应用研究.北京：地震出版社，2010.

［4］曾化霖. 重力场与重力勘探. 北京:地质出版社,2005.

［5］西安地质学院. 磁法勘探. 北京:地质出版社,2008.

The Application of Geophysical Exploration in Regional Geology Survey

LI Yuanqiang

(Beijing Institute of Geology, Beijing 100120)

Geophysical exploration is based on different physical property of rock-soil body to measure the rock-soil body physical-value by equipment, and inversely compute and distinguish different rock-soil. It’s quick and non-destructive. Rocks and soils have different density, electrical conductivity and magnetic. It needs to apply different equipment and method for different physical property, to solve different geoscience problem. This paper discusses high density resistivity method, gravity method and magnetic method to solve geoscience problem in regional geology survey, for example, determ ining the depth of bed-rock and underground water, location and feature of hidden fault, m ineral resources. Suitable geophysical equipment and method can acquire effective geological result.

High density resistivity method；Gravity method；Magnetic method；Regional geology survey

P631

C

1007-1903（2015）01-0056-05