基于测氡-磁法探测四川茂县吉鱼沟隐伏断裂

2024-03-08田梦莎

地下水 2024年1期

田梦莎,柯斌

(1.四川省环境政策研究与规划院,四川成都 610041;2.核工业西南勘察设计研究院有限公司,四川成都 610065)

地下热水资源的形成与地下构造断裂密切相关,构造既是地下热水形成的储存空间,又是热水的循环通道[1]。测氡技术早在本世纪二十年代就被应用于地质工作,常见的土壤氡测量的方法有:瞬时氡测量法、电离室法、闪烁室法、静电收集法、固体径蚀迹法等,主要应用于找矿、探测断裂构造、寻找地下水源、地震预报、环境监测、滑坡等领域[3-5],在水文地质和工程地质方面也多有应用,解决了很多水文地质和工程地质等问题。瞬变电磁法最早是在上世纪30年代由前苏联科学家提出,到了上世纪50-60年代,瞬变电磁法建立了解释理论和野外工作方法,明确了一维正、反演模式,才开始利用于实际问题。1992年以后,瞬变电磁法才开始应用于测探地下采空区、金属矿产勘探、划分地下断层、寻找地下水、隧道超前地质预报等领域[6]。

吉鱼温泉出露于吉鱼沟右岸坡脚处,共有两个出水点,两个出水点相距约10.0 m,泉口高程1 640 m,水温34.0℃,流量约1.0 L/s。自“5·12”汶川地震后,龙门山断裂带发生错动,造成一系列地表裂隙,一定程度上改变了原有构造,有隐伏断裂存在的可能性。为合理开发利用该区的地热资源,查找存在的隐伏断裂,选择氡气测量和地面瞬变电磁法对该区进行地热资源有利地质条件的前期研究,确认区内存在的隐伏断裂,查明该隐伏断裂构造的埋深及展布特征,结合土壤Ra A测量和瞬变电磁法,排除了单种物探方法的多解性,为后期地热井工作的部署提供依据。

1 地质背景概况

研究区位于茂县石鼓乡吉鱼村岷江右岸(图1),吉鱼沟沟谷近南北走向,为岷江一级支沟,分水岭高程2 400～3 900 m,岭谷相对高差500～1 000 m,总体呈“V”字型深切窄谷(沟谷底宽仅10～30 m),坡麓多为泥石流堆积物及崩坡积物,沟床纵坡降大(100%左右)。吉鱼沟干流长8.5 km,流域面积15.2 km2。茂汶断裂斜切吉鱼沟而过,沟内岩体破碎、植被覆盖较少。研究区属马尔康及龙门山地层分区,出露的地层有震旦系灯影组、志留系、第四系。地层岩性为第四系砂卵砾石、白云岩、千枚岩,地下水类型主要是松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两大类。

图1 茂县吉鱼沟地理位置图

2 工作原理及方法

2.1 土壤RaA测量

通过氡气浓度测量可间接反映下伏地层裂隙分布特征,直接反应构造开启状况[8-9]。本次测量仪器为FD-3017RaA测氡仪。FD-3017RaA测氡仪是目前运用较为广泛的一种瞬时测氡仪器。它是利用氡衰变后的第一代子体RaA的带电特性,采用外加高压电场3 min,收集衰变子体RaA产生的α粒子,得到α脉冲计数,一般α脉冲计数可反映氡的相对量。在进过高压电场后,采用金硅面垒型半导体探测器对α进行放射性测量3min,得到的α脉冲计数与土壤氡浓度成正比,在平面上反映吉鱼沟内存在的氡异常。

CRn=n·RaA

(1)

式中:CRn为土壤氡浓度;n为比例系数;RaA为脉冲数。

研究区上覆岩层为第四系砂卵砾石层,受土壤湿度变化影响大,探测限度低,在进行野外氡气测量时,选用瞬时氡测量,快速、准确显示出氡气测量的结果,在出现异常的时候能立即重复测量,获得氡气测量的原始数据。根据吉鱼沟及外围地区的地质、水文地质条件等,吉鱼沟沟口布置3条剖面(图2),剖面线间距50 m,测试点距为20 m,剖面总长1 510 m;沟内采用沿沟向加密布点,点距根据地形条件进行适当改变,总体在5～10 m之间。

1.地层界限2.断裂带3.水系4.地层代号5.测点加密区6.剖面编号

2.2 地面瞬变电磁法(TEM)

瞬变电磁法工作过程可以划分为发射、电磁感应和接收三部分。当发射回线中的稳定电流突然切断后,根据电磁感应理论,发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场,该磁场称为一次磁场。一次磁场在周围传播过程中,如遇到地下良导电的地质体,将在其内部激发产生感应电流,又称涡流或二次电流。由于二次电流随时间变化,在其周围又产生新的磁场,称二次磁场。由于良导电矿体内感应电流的热损耗,二次磁场大致按指数规律随时间衰减,如图3所示的瞬变磁场。二次磁场主要来源于良导电地质体内的感应电流,因此它包含着与地质体有关的地质信息。二次磁场通过接收回线来观测,并对所观测的数据进行分析和处理,进而来解释地下矿体及相关物理参数[10]。

图3 瞬变电磁法工作原理示意图

3 土壤RaA测量分析

3.1 测量数据统计

实际测量中吉鱼沟内的每一个测试点,对应一个相应的坐标位置,且均有一个氡气子体脉冲值,氡气测量数据共取得163个数据,其中沟口有55个数据点,沟内108个数据点。由于研究区农灌、覆盖层较薄等情况,局部地区土壤较湿,土壤气体相对较少,难以抽取土壤气体,造成测氡脉冲数值很小,甚至为0。为了确定研究区内氡气背景值和异常值,对取得实测数据进行三种统计方法的处理:(1)预先计算平均值;(2)去掉0脉冲点后求平均值;(3)去除小于等于10的测点后求平均值。小于平均值的数据再次平均求得小值平均值,作为背景值。计算全部数据的标准偏差(σ),氡气测量数值分为三级:X+1σ为偏高值,X+2σ为异常值,X+3σ为高异常值。在本次统计中,采用第二种统计方法,通过统计计算,有16个脉冲值高异常测量点,17个脉冲值偏高测量点,统计结果见表1。另外,需要说明的是在进行计算背景值和异常值时,剔除了吉鱼沟氡气子体脉冲高异常测量值(>400)的测点数据进行统计计算。

表1 吉鱼沟土壤RaA测量数据统计表

3.2 测量数据综合分析

为了反映测区内氡气子体脉冲值的分布特征,绘制氡气子体脉冲值等值线图,推测可能存在的隐伏断裂及其走向。根据土壤RaA等值线图(图4)显示,存在3处氡气子体脉冲异常,分别命名为异常A、异常B、异常C。

图4 吉鱼沟土壤RaA等值线图

异常A:该处为温泉的天然露头。此处5个测量点的氡气子体脉冲异常均为高异常值,最高脉冲达到96.50,此处裂隙较为发育,出露位置清晰。

异常B:位于吉鱼沟内西侧台地,距沟口约350 m,3个氡气子体脉冲高异常测量点,在其周围分布有6个脉冲偏高测量点,根据其氡气子体脉冲等值线走势,可推测一条走向大致沿沟向(近南北)的隐伏构造。

异常C:位于吉鱼沟沟口位置,范围展布较大。该处存在6个氡气子体脉冲异常测量点,异常点周围分布有7个氡气子体脉冲测量偏高点,异常点总体呈两对双峰状,根据该处氡气子体等值线走势,可推测2条隐伏构造,其中1条走向190°,1条走向249°。

4 地面瞬变电磁法(TEM)数据分析

本次研究共布设五条地面瞬变电磁法勘探测线。J1线位于213国道东侧,测线平行于岷江布置,点距20 m、测线长300 m;J2线位于213国道西侧,测线分布于土壤RaA测量C异常区内,点距20 m、测线长380 m;J3线和J4线分布于吉鱼沟内西侧台地上,台地距沟口约350 m,分布在土壤RaA测量B异常区内,呈“V”字型布置,J3线点距5 m、测线长50 m,J4线点距5 m、测线长40 m;J5线位于吉鱼温泉出露位置,近沟向布线,点距10 m、测线长200 m,小号点从0～40号点穿过两处温泉出露点,测线中部斜切溪沟而过,在测线的大号点即测线北段有一较大的人工蓄水池。由于受地形地貌的限制,大功率瞬变电磁工作均采用中心回线。从J1线的视电阻率反演断面图中可知(图5),断面图浅部有一视电阻率低阻体,视电阻率值<200 Ω·m,在300与400点之间此低阻体向深部方向弯曲,视电阻率曲线发生转折扭动,此低阻体部位位于吉鱼沟沟口与岷江的交汇处附近,推测可能是含水河道的反映。从J2线的视电阻率反演断面图(图6)可知,在200点附近有一楔型的低阻体,此低阻体产状较倾陡,视电阻率值<200 Ω·m,推断此低阻体可能是断裂破碎带的反映。由J3线和J4线的视电阻率反演断面图(图7和图8)可知, 在该测区内有两条特高压线与测线平行,高压线对于J3、J4测线的影响较大。在J3和J4测线的小号点处均存在曲线转折的现象,初步推断在J3和J4测线的小号点间可能存在北东向的小构造展布。在J5线的视电阻率反演断面图(图9)中,小号点出现一局部低阻异常体,在测线中段有一楔型的低阻体,在测线大号点也有一较小的局部低阻异常,低阻异常体的视电阻率值<200 Ω·m。综合分析,该测线的小号点的视电阻率低阻异常是由该处出露的温泉水所引起的浅表异常;中段低阻异常体疑为溪沟引起,但从此处异常体的形态推断此处更有可能是断裂破碎带引起的深部异常;对于北段小的异常,推断是由人工蓄水池中的水体所引起。