综合物探方法在福建永泰清凉地下水勘查中的应用

2021-04-14余根锌

福建地质 2021年1期

余根锌

(福建省地质调查研究院，福州，350013)

应用于地下水勘查的物探方法很多，但由于各工作区的地质条件千差万别，影响因素复杂，采用单一物探方法往往难以达到好的效果，因此，需要采用综合物探方法，多种方法相互验证、取长补短，减少“多解性”。多年来，笔者在综合物探方法寻找地下水方面总结了一套有效的方法，该方法在地下水勘查实践中得到较好的验证。福建境内大部分地区为火山岩、侵入岩覆盖[1]，这些火成岩本身贮水性差，但其张性的构造破碎带含水性好，所以寻找基岩裂隙水也就转变为寻找断裂构造带位置，因此，物探方法在此类工程也有了用武之地。首先在工作区投入快速、低价的面积性高精度磁测工作，推断出断裂构造的大致位置；而后在断裂构造有利位置投入有限的联合电剖面法、CSAMT[2]等电法工作，确定断裂构造的产状、埋深等；最后布设钻孔进行验证，往往能取得较好的地质效果。以永泰清凉地下水勘查为例，介绍该方法在此类工作中的应用。

永泰清凉地下水勘查区位于清凉镇渔溪村马厝一带，区内有永泰—闽清省道公路，自然村之间有简易公路相通，交通较方便，中部清凉溪由北向南流过。

1 地质特征与水文地质条件

1.1 地质特征

勘查区内出露地层主要是清凉溪两岸的第四系冲洪积层和晚侏罗世碎斑熔岩(1)福建省地质调查研究院，永泰县清凉镇取用水前期调查地质成果报告，2019。(图1)。第四系冲洪积层岩性多具二元结构，上部为黄褐色粉质黏土，下部为灰黄色的砂砾卵石等。侵入岩为位于勘查区北部的早白垩世正长花岗岩，岩石呈肉红色，具似斑状结构，细-中粒花岗结构，块状构造。似斑晶成分为钾长石，自外向内似斑晶含量增多、粒径变粗，基质矿物粒度也增大。区内构造不发育。

1.2 水文地质条件

区内地貌属于低山地形，第四系覆盖主要在渔溪山间盆地，地下水以基岩裂隙水为主、松散岩类孔隙水为辅。松散岩类孔隙水仅分布在清凉溪、渔溪山间盆地中，含水岩组主要为全新统冲洪积层，岩性为细砂、砂砾卵石、泥质砂砾卵石等。含水层厚度多小于5 m，多数为潜水-微承压水。基岩裂隙水主要靠大气降水补给，以下降泉形式就地排泄于沟谷、洼地等，泉水出露多，泉流量多数小于0.1 L/s，呈分散片状流出，地下水类型属于贫乏-中等。马厝一带地下水贮存于区域性构造裂隙中，沿张性断裂或破碎带可形成局部脉状水，地下水较为丰富。

图1 工作区水文地质及物探剖面位置图Fig.1 Location map of hydrogeological and geophysical profiles in the working area1—第四系冲洪积；2—正长花岗岩；3—晚侏罗世碎斑熔岩；4—地质界线；5—已施工钻孔及编号；6—高精度磁测分布位置及编号；7—电法剖面位置；8—松散岩类孔隙水(水量贫乏，单井涌水量10～100 t/d)；9—块状火山岩类裂隙水(泉流量0.1～1.0 L/s，径流模数3～6 L/s·km2)；10—块状侵入岩类裂隙水(泉流量0.1～1.0 L/s，径流模数3～6 L/s·km2)；11—下降泉

2 地球物理特征

工作区主要出露第四系和晚侏罗世碎斑熔岩，侵入早白垩世正长花岗岩。不同岩性的磁参数(2)福建省地质调查研究院，福建省磁测资料应用研究成果报告，2011。和电参数统计(表1)。从表1可见，第四系粉质黏土为无磁性，电阻率低；碎斑熔岩磁性较不均匀，变化范围较大，易形成跳跃变化的不稳定磁异常，磁场表现杂乱；正长花岗岩会引起低缓正磁异常，中基性闪长玢岩磁性强，能引起正负跳变强烈异常。一般情况下，完整岩石磁性稳定，破碎后磁性降低，电阻率也因含水率的增加明显降低，可达1个数量级。工作区地层、岩石的磁性存在差异，且岩石由于构造破碎、风化等因素影响，其磁性减弱较明显，电阻率值则会明显降低，因此在该区开展磁法、电法工作寻找构造破碎带具备地球物理前提。

表1 岩石磁参数、电参数统计

3 工作方法

3.1 高精度磁测

根据地表地质调查发现，主要构造方向以北北西向为主。为了使测线尽可能垂直于构造线方向，测线布设为北东向，方位为65°，(编号120～190线)。采用GSM-19T质子磁力仪进行总场测量，经日变、正常场、纬度、高度改正，计算ΔT异常值[3]。

3.2 联合电剖面测量

在高精度磁测推断的断裂构造位置布置联合电剖面测量工作[4]。“无穷远极”垂直于测线方向布设，与测线的距离为1.2 km(大于AO的5倍)。AO=BO采用80 m和160 m两种供电极距，相应MN极距采用20 m和40 m。观测点距均为10 m。

3.3 可控源音频大地电磁测深(CSAMT)

CSAMT采用扇形装置进行标量观测，收发距r=6 100 m、发射偶极距AB=1 100 m，测量偶极距MN为20 m，每个排列采用7个电分量电极和1个磁分量电极的6个物理点方式测量。测线分布在供电极中点成60°夹角的扇形范围内，通过在接收点同时测量电场和磁场两个互相垂直的水平分量的振幅Ex、Hy和相位φEx，φHy，计算卡尼亚电阻率[5]来探测地下不同深度内的电性异常值。

3.4 数据处理与反演计算

高精度磁测采用中国地质调查局发展研究中心软件RGIS2014进行数据处理与制图[6]。剖面平面图是将原始数据干扰、畸变点等处理后直接绘制。为了便于成图和资料处理，对高精度磁测数据先采用克里金法(Kriging)进行网格距20 m×20 m的网格化处理，而后勾绘等值线平面图。这是为了更好地辅助确定线性构造位置，求取了磁异常水平总梯度模。磁力场的一阶水平导数Tx、Ty反映了磁力场在x方向与y方向的变化率，若有一个走向沿x方向的垂直台阶，则沿y方向就会出现水平梯度带，利用这一特征可以依据磁异常水平总梯度模进行断裂构造的推断。

磁异常的反演计算采用2.5D重磁反演模块，反演流程根据已知地质资料建立初始模型→正演计算→模型参数修改→再正演计算，反复计算使计算曲线与实测曲线达到拟合，并使地质模型符合地质规律为止。

CSAMT法数据处理采用美国Zong公司的CSC数据处理包，数据处理分3步进行：第一步进行数据的预处理，识别干扰并去除干扰数据；第二步进行静态校正处理；第三步进行带地形二维反演处理。

4 资料解释

4.1 高精度磁测

高精度磁测主要用于推断隐伏断裂构造位置。从高精度磁测△T剖析图(图2)可见，工作区内磁场总体变化不大，但跳跃比较明显，主要特征是东南磁场低，西部磁场杂乱，中部线状正负伴生异常明显，东北-西南磁场较强，磁异常幅值变化为-250～250 nT。根据线性低磁异常带，磁异常突变、跳跃、正负值交替过渡等异常特征，参考水平总梯度模的线性梯度带以及异常突变等特征，结合物性和地质资料，工作区共推断了2处断裂构造，编号为F-1和F-2。其中，F-1断裂的异常特征为2条平行的低磁异常带，中间夹1条相对高磁异常带，结合物性资料与CSAMT成果，高磁异常带应为闪长玢岩脉沿断裂构造侵入引起，F-1断裂构造应由2条近于平行的次级断裂F-1a、F-1b组成。F-2断裂在水平总梯度模图上显示为异常突变、不连续，推断F-2时代较早，受F-1断裂的错断而不连续。

选择开展综合物探工作的160线进行高精度磁测剖面反演计算。地表出露的第四系粉质黏土无磁性，碎斑熔岩大面积分布只会引起背景磁场，不会引起明显的局部正磁异常，结合物性及CSAMT测量结果，推断高磁异常由隐伏的中基性岩脉(闪长玢岩)引起。假设剩磁与感磁方向一致，依据闪长玢岩的磁化率、剩磁，其有效磁化强度为1 780×10-3A/m，磁化倾角39.32°、磁化偏角-4.34°。反演结果见图3。

图2 高精度磁测△T剖析图Fig.2 Profile chart of high precision magnetic survey △T1—第四系冲洪积；2—正长花岗岩；3—晚侏罗世碎斑熔岩；4—地质界线；5—已施工钻孔及编号；6—高精度磁测ΔT异常曲线(1cm=100nT)；7—ΔT异常等值线(单位：nT)；8—推断断裂及编号

4.2 视电阻率联合剖面

选择在160线175～221点开展工作，按照两种不同极距(AO=OB为80 m、160 m)进行测量。其目的在于通过联合电剖面测量进一步确定低阻构造位置和产状特征。当AO=OB=80 m和AO=OB=160 m时，在197点附近ρaA与ρaB曲线形成“正交点”(图3)；且AO=OB=80 m和AO=OB=160 m正交点位置变化不大，据此推断在197位置存在一低阻构造，倾角较陡，有略向南西方向倾斜的特征。该构造对应于高精度磁测推断的F-1断裂。

4.3 可控源音频大地电磁测深(CSAMT)

根据高精度磁测和联合电剖面测量结果，断裂构造F-1的位置与浅部特征基本确定，但往深部的延伸情况还不清楚，选择在160线175～221点开展CSAMT工作。通过数据反演结果，能够有效地反映视电阻率在横向和纵向上的变化特征，推断构造的延伸情况。

从160线物探综合成果图可以看出，CSAMT反演断面图中部存在一条明显的带状高阻异常，高阻等值线沿南西方向延伸，梯度变化大，视电阻率值为10 000～n×10 000 Ω·m，其上下两侧为2处条带状低阻异常带，视电阻率值为n×10～n×1 000 Ω·m。根据异常特征，高阻异常推断为岩脉引起，其上下两侧的低阻异常推断为构造破碎带，产状较陡，向南西方向倾斜，进一步证实了高精度磁测推断的北北西向F-1断裂构造是由两条近于平行的次级断裂F-1a、F-1b组成。

图3 160线物探综合成果图Fig.3 Comprehensive results map of No.160 line geophysical exploration1—晚侏罗世碎斑熔岩；2—晚侏罗世闪长玢岩脉；3—推断断裂构造及编号；4—验证钻孔及编号

5 钻探验证

综合高精度磁测、联合电剖面与CSAMT测深结果可知，高精度磁测表现为正负伴生强磁异常，联合电剖面在160线197点附近存在着“正交点”，推测为一条中基性岩脉和断裂构造F-1，且F-1是由2条近于平行的次级断裂F-1a、F-1b组成。脉岩上下两侧由于断裂构造作用相对破碎，F-1走向北北西，向南西方向倾斜，建议在160线197点布设钻孔ZK-1(3)福建省地质调查研究院，福建省永泰县清凉镇矿泉水资源地球物理勘查成果报告，2018。，为了F-1的2组断裂都能得到验证，设计孔深350 m。

后期对ZK-1进行了钻探验证，孔深268.51 m，在孔深91.90～167.80 m处岩性为灰色中基性闪长玢岩脉，其中，在91.90～106.70 m和106.70～108.00 m处发现2段构造破碎带，为断裂构造脉状水。进行了2次降深的抽水试验，第一次涌水量为331.680 t/d(降深34.82 m)，第二次涌水量为159.120 t/d(降深18.98 m)；计算单孔涌水量约为300 t/d(降深30.00 m)，获得较好的找水效果。由于已达预期目的，故验证孔深未达F-1b处，仅F-1a得到验证，如果继续加深至设计孔深，有望获得更高水量。