特殊地质地貌区填图中地球物理信息的提取及研究——以宁夏同心地区为例

杨 勇， 赵银鑫， 闫国翔

(宁夏地质调查院，宁夏 银川 750021)

随着地质调查技术的快速发展，政府对空间战略发展规划的需求进一步增强，综合地质填图工作逐步由基岩区向被第四系松散沉积或其他风化堆积物大范围覆盖等特殊地质地貌区拓展[1].对这些地区的地层结构、活动断裂展布、地质单元划分等进行调查，不仅要使用传统的填图技术，还要使用地球物理、地球化学、遥感、钻探、样品测试等多种技术方法.而地球物理方法是最经济、有效的方法之一，它能从不同尺度、层次较好地解决相关的地质问题.同心地区位于宁夏的中南部，处在政府规划的清水河城镇产业带的北段，生态环境恶劣，水资源匮乏且水质差，经济发展相对缓慢.笔者依托“宁夏1∶5万徐套公社(J48E019015)、同心(J48E019016)、窑山(J48E019017)3幅新构造-活动构造区填图”项目，通过综合地球物理信息的提取，研究同心地区地层结构、活动断裂展布及地下水水质的分布特征.

1 研究区

1.1 地质概况

研究区大地构造位置处于柴达木-华北板块、阿拉善微陆之腾格里早古生代增生楔，东邻鄂尔多斯地块，南接祁连早古生代造山带.受青藏高原东北缘向北东推挤的影响，区内新构造活动较强烈.区内新生代沉积地层十分发育且沉积较厚，由老到新主要有古近系、新近系和第四系.贺家口子地质剖面成果显示(图1)[2]，区内古近系主要包括寺口子组和清水营组，清水营组和下伏寺口子组连续沉积，厚度为653.2 m.寺口子组岩性主要为中细粒砂岩、泥质长石质细砂岩，偶含石英小砾石；清水营组主要为灰白、浅绿灰、浅紫红色薄-中厚层(含泥质)石膏岩，泥质石膏岩(含砂质石膏岩夹紫红、灰绿、蓝灰、黄绿色泥岩).新近系由老到新主要为彰恩堡组和干河沟组.彰恩堡组厚度为160.9 m，岩性以橘红、橘黄色泥岩，粉砂岩为主；干河沟组岩性主要为灰色厚层-块状中-粗砾岩、砂砾岩、砂岩夹浅橘红、橘黄色粉砂质泥岩及浅紫色红色泥岩，厚度约131 m.

1—古近系始新统；2—古近系渐新统；3—新近系中新统；4—第四系更新统；5—第四系全新统；6—断裂及编号；7—钻孔及编号；8—重点研究区；9—高密度电阻率法、直流电阻率测深剖面；10—氡气测量剖面；F12—天景山断裂；F13—清水河断裂.

另外，已有钻孔资料显示，研究区第四系厚度为100～300 m.更新统主要为萨拉乌苏组和马兰组，萨拉乌苏组出露面积较小，与下伏彰恩堡组呈不整合接触，与上覆马兰组呈侵蚀接触.岩性为浅褐黄、浅褐灰、土黄、土红、深土灰色粉质亚黏土，亚砂土，粉砂土，砂土层夹轻黏土条带.马兰组与下伏萨拉乌苏组呈侵蚀接触，岩性较单一，多为浅黄、灰黄、褐黄、土黄色黄土，粉砂质黄土.全新统与马兰组呈侵蚀间断接触关系，与灵武组呈相变关系.沉积物为灰、褐灰、土灰、黄灰色砂砾石，砾石层夹砂、粉砂及砂质黏土层.

1.2 水文地质

研究区属于清水河平原区砂砾石孔隙水类型.从区域水文背景资料看，区内的含水层上部主要为砂砾石，下部主要为含砾中细砂层.其厚度(从山前到河床)为8.6～94 m，水位埋深为3.26～42.01 m，单井涌水量为500～1 000 m3/d，局部大于2 000 m3/d，矿化度为4～10 g/L，地下水主要为SCn型.

1.3 电性特征

由研究区已有钻孔电阻率测井数据和统计分析结果可知，浅表黄土层厚度约7 m，呈中高阻特征，平均电阻率为44.5 Ω·m；砂砾石层电性特征受地下水的影响较大，浅水面以上电阻率呈明显高电阻率特征，基本大于40 Ω·m，最高达119 Ω·m，平均电阻率为78.5 Ω·m.由于浅水面以下地下水的矿化度较高，显示出低电阻率特征，平均电阻率为15 Ω·m.砂质黏土、粉细砂、粗砂以及泥岩均呈明显的低电阻率特征，平均电阻率小于10 Ω·m.

2 主要地球物理方法

在重点研究区内通过TZK03和TZK01钻孔分别完成Ⅰ-Ⅰ′剖面和Ⅱ-Ⅱ′剖面2条直流电阻率测深及高密度电阻率法综合剖面；在Ⅰ-Ⅰ′剖面的北部800 m处的完成了氡气测量剖面；以及已施工钻孔的多参数的地球物理测井等工作.

2.1 直流电阻率测深

直流电阻率测定是以岩、土导电性的差异为基础，研究在人工施加稳定电流场的作用下，地下介质中传导电流分布规律的一种地球物理方法.通过逐次加大供电(或发送)与测量(或接收)电极极距，观测与研究同一测点下垂直方向不同深度范围岩(矿)层电阻率的变化规律.研究区新生界不同岩性的电阻率见表1.

表1 研究区新生界不同岩性的电阻率

数据采集用WDA-1型直流电法仪，供电系统用BP-145直流电源，供电电压为480 V.装置选择等比对称四极装置，最大极距AB=2 400 m，供电与测量极距之间的关系为AB/MN=10.对采集的数据进行编辑和预处理后，再对整个剖面成果进行1D反演计算.

2.2 高密度电阻率法

高密度电阻率法是一种阵列勘探方法，其原理仍属于直流电阻率法.野外测量时，只需将全部电极置于剖面的各观测点上，实现对地下介质的探测，且达到多次覆盖[3].然后利用程控电极转换装置和电测系统实现数据的快速、自动采集.

数据采集用GD-10集中式高密度电阻率测量系统，采用温纳排列方式，最大电极有120根，电极距为10 m，通过滚动测量方式完成整个剖面的测量.供电系统用BP-145直流电源，供电电压为480 V.当个别电极的接地电阻太低造成过流保护停止测量时，可适当降低电压再对当前电极进行测量.数据采集完成后，用geomative studio软件进行数据下载和格式转换.最后对数据进行整理，删除突变点，设置相关参数进行二维反演计算.

2.3 氡气测量

断裂是地球内部放射性气体溢出地表的主要通道.放射性元素在断裂上方土壤中富集，形成放射性元素异常，而异常值的大小除了与土壤特性、厚度等有关外，还与断层的活动强度密切相关.目前，土壤氡浓度的测量是探测和研究隐伏断裂活动性有效的方法之一.本次使用KJD-2000R测氡仪，取样深度为60 cm，连续2次测量，单次测量时间不小于10 min.野外数据采集结束后，对所有数据进行正态分布统计，确定研究区氡气浓度，从而圈定异常地段.

2.4 地球物理测井

地球物理测井是对已施工的钻孔通过获取不同参数，判别地层岩性及确定地层分界线，获取不同地层岩性的物性参数及划分含水层.笔者重点根据自然伽马、视电阻率、视密度3个参数的测井资料进行地层划分及地下水水质分析.

3 主要含水层的水质特征

地下水的矿化度是指地下水中所含盐分的质量分数.地下水中含有许多导电性离子，如Na+,Cl-,Ca2+,Mg+等，这些导电离子数目的多少不仅反映水中盐分的大小，也反映地层水溶液的电阻率大小，即导电性的好坏，因此，地下水的矿化度与电阻率关系密切.尹秉喜等用电阻率特征研究和评价孔隙类地下水的矿化度，探讨一定温度下含水层的电阻率与矿化度关系[4—5].朱命和根据电测深曲线在含水层上的变化及与矿化度的关系，建立回归曲线，计算地层水的矿化度[6].

研究区属于清水河平原区砂砾石孔隙水类型，砂砾石层是该区主要的含水层，砂砾石层的厚度和埋深一定程度上控制着地下水的分布，其次的含水层为粗、细砂层，砂质黏土层则呈弱透水性.尹秉喜等对银川平原第四系松散层含水岩组矿化度的研究表明，在同一水文地质单元内，电阻率和矿化度之间为幂函数关系[4].清水河盆地的水文钻孔资料相对较少，笔者通过少量钻孔测井及水文资料的对比研究，初步建立电阻率ρ和矿化度ws的关系(图2)模型：

图2 电阻率与矿化度的关系曲线

ws= 98.209ρ-0.953，

式中：ws为矿化度(g/L)；ρ为电阻率(Ω·m).

对钻孔视电阻率测井资料进行整理统计，用该模型进行地下水的ws计算(表2).根据计算出的TZK01,TZK05钻孔地下水的ws，对比文献中7,8,12,13号孔资料(图3)，发现该模型计算的地下水ws基本符合区域地下水水质分布规律.说明该模型能粗略地计算清水河盆地地下水的矿化度.

表2 研究区主要含水层的埋深、电阻率特征及矿化度

图3 区域地下水勘探孔位置及水质分布

4 区域构造特征解译

由于隐伏活动断裂被第四纪松散沉积物覆盖、地表没有醒目的活动迹线，尤其是规模小的活动断层的断距小，断层两盘的岩性无明显差异，探测难度较大.随着对活动断裂的深入研究、探测手段和方法的增多，在隐伏断层探测上取得了一些成果，其中，高密度电阻率法、氡气测量方法在隐伏断层探测中发挥着一定的作用[7—8].

从同心地区高密度电阻率测定结果看(图4)，按电性特征差异可将整个剖面划分为3个电性单元：A段，电性特征在垂向上呈高-低-高-低四元结构特点，深部高阻层主要反应第四系砂砾石的特征，厚度约80 m.B段，垂向电性结果与A段基本一致，但深部高阻层的厚度明显变薄.C段，在电性上除了浅部风积层呈明显高阻外，深部电阻率中低阻相间分布.这些电性特征分布反映了隐伏断裂的存在，这些隐伏断裂可能为天景山断裂的次级断层，倾角为50°～60°.氡气测量剖面位于高密度剖面北部约800 m位置，在沿研究区主构造线方向(北西向)引入参考线进行对比分析.结果显示，高密度电阻率法推断断层位置存在明显的高氡气浓度，进一步佐证了电性推断的可靠性.

图4 Ⅰ-Ⅰ′剖面高密度电阻率解译断层

5 对第四系结构的认识

影响岩石电阻率的因素很多，除与导电矿物质含量有关外, 岩(矿石)的结构、构造、孔隙度、含水量及地下水的矿化度、温度、压力等都或多或少地影响电阻率的大小[9].测井资料的对比分析表明，研究区内影响电阻率的主要因素是含水层的富水性特征和地下水中矿物离子含量的高低，其次是岩性的差异，也就是岩石的结构、构造和孔隙度等.砂砾石较粉砂质黏土表现出相对高电阻率的特点，在密度和自然伽马2个测井曲线上显示出高密度、低自然伽玛的特征(图5).以此物性特征为基础，笔者对常规直流电阻率测深和高密度电阻率法资料进行综合分析，对研究区的地层进行划分(图6).

图5 TZK03钻孔测井资料对比分析

由于高密度电阻率法的电极距小、分布密度大，垂向分辨率高，能清晰地分辨150 m以上不同地层的岩性.电阻率测深法的分辨率相对较低，但由于供电极距大，探测深度大，较好地控制了第四系的起伏变化.由图6可知，剖面上表层为10 m左右的黄土，之下主要为厚度较大的第四系砂夹黏土，局部为夹砂砾石.值得注意的是，在40～120 m，分布有大厚度的砂砾石层，该层厚度自山前洪积扇向清水河方向从厚约80 m到剖面中部逐步减小到约40 m，直至剖面右端消失，同时，山前洪积扇向清水河冲积平原区过渡，砂砾石层厚度逐渐变薄、埋深逐渐变浅.

图6 Ⅰ-Ⅰ′剖面综合解释成果

此外，通过对研究区内实施的2条剖面进行相关处理及综合地质解译，结合初步的地质认识，勾画山前洪积扇至清水河段的垂向地层结构特征(图7).

图7 宁夏同心地区山前洪积扇—清水河段垂向地层结构示意图

6 结论

1)通过对研究区钻孔测井资料进行对比分析，结合文献，初步建立电阻率与地下水矿化度的关系模型.

2)依据高密度电阻率法测量结果、高阻错层断等信息，推断解译研究区的隐伏断层，结果与常规氡气浓度异常段十分吻合.

3)对电阻率测井资料进行整理，统计分析第四系不同岩性的电性参数，并根据高密度电阻率法和常规直流电阻率测深法划分垂向地层结构.