CSAMT在矿泉水资源地质勘查中的应用研究

韦乖强>

(山东省煤田地质局 第五勘探队，山东 济南 250104)

1 引 言

矿泉水是在特定地质条件下形成的一种非常宝贵的液态矿产资源，含有一定量的矿物盐、微量元素和其他成分而区别于普通地下水资源。矿泉水资源勘查是地下水资源勘查的一种，在矿泉水资源地质勘查中，利用已知地质、水文资料综合分析探测区域矿泉水形成的水文地质条件和含水层特征等，以确定最有利赋存矿泉水的物探工作区域。地球物理勘探手段是在地质-水文资料分析的基础上对含矿泉水的断裂构造或含水层进行地球物理调查，以确定断裂构造的宽度、产状、含水层的埋藏深度与分布等，为合理布置最有利的凿井孔位提供依据，以降低投资开发风险。

在矿泉水资源地质勘查中常用的地球物理探测方法有可控源音频大地电磁测深法(Controlled Source Audio-Frequency Magnetotelluric Sounding,简称CSAMT)、大地电磁测深法(Audio Magnetotelluric Sounding, 简称AMT)、瞬变电磁法(Transient Electromagnetics Method,简称TEM)、直流电法、大功率激电等，在诸多探测方法中，CSAMT、AMT方法以其探测深度大、地形影响小、施工效率高、能穿透高阻屏蔽、纵横向分辨率高等优势而被广泛应用。杨海亮等利用AMT法在五大连池碳酸矿泉水勘查中查清了深度断裂带的规模、走向等情况，推断了研究区内的矿泉水分布区域[2]；张立剑等利用多种物探方法在河北承德地区矿泉水勘查中的应用中利用CSAMT、TEM等方法确定了勘查区的赋存矿泉水的构造范围和走向、含水层的位置[3]；本次研究区域周边，肖为国等对泗水矿泉水矿田的地质背景，形成分布特征进行了研究[4]，为本次开展研究工作提供了参考资料。

本次矿泉水资源勘查工作，选用CSAMT方法通过整体平移排列加密测点开展精细探测，查明探测区域地层结构[6]，精准地反映了赋存矿泉水的断裂构造和含水层的埋藏深度，结合探测区域现场实际合理确定了凿井孔位，经钻探、抽水试验、水质化验，成功获取了锶含量高达1.121 mg/L的优质矿泉水井，为该区域矿泉水规模化开发利用提供了科学依据。

2 CSAMT法概述

CSAMT是在大地电磁测深(Magnetotelluric Sounding,简称MT)和音频大地电磁测深(AMT)的基础上发展起来的一种人工源频率域地球物理勘探方法，它通过改变发射源的发射频率(频率范围0.125～8 192 Hz)来达到不同深度的探测目的[1]。目前常采用电性源赤道偶极装置进行标量测量，测量时场源和测点之间的距离要达到3～5倍的趋肤深度，观测区域布置在以发射偶极形成的60°角的扇形范围内，AB偶极的中点尽量布置在观测剖面的中垂线上，观测与场源平行的电场水平分量Ex和与场源正交的磁场水平分量Hy，通过计算卡尼亚电阻率、阻抗相位来分析解决相关地质问题[10]。该方法的优点为探测深度大、纵横向分辨能力强、低阻反映敏感、能有效压制干扰、施工效率高[5-11]。

3 地质概况

通过收集济宁市东部某地的区域地质、水文资料，分析认为该位置地处单斜断裂凹陷水文地质单元的一个次一级水文地质单元内。该水文地质单元南部、东部边界均为新太古代侵入岩；北部边界为仲都断裂，寒武、奥陶系岩层与太古界侵入岩呈断裂接触。研究区内断裂构造纵横交错，裂隙发育，其中寒武、奥陶系区内广泛分布且岩溶较发育，构成本区良好的含水岩组。通过对含水岩组特征的分析认为，寒武系长清群朱砂洞组碳酸盐岩夹碎屑岩类裂隙岩溶含水亚组，溶蚀裂隙及溶孔发育，在沟谷、断裂带及与侵入岩接触部位，常形成泉水排出地表，尤其是在地形、构造有利的地方，可形成较大的泉水，为本区矿泉水资源的主要含水层。

探测区域内大部分基岩裸露，局部被第四系覆盖，基岩裸露部分多为寒武系灰岩及泥页岩，下部为太古代泰山群混合岩化花岗片麻岩和侵入岩，寒武系灰岩裂隙和溶洞发育，在寒武系与新太古界泰山岩群接触面存在灰岩溶蚀裂隙发育和花岗片麻岩风化裂隙发育。

综合分析认为该区具备赋存矿泉水的可能性，地质勘查研究的主要工作应为查清区内的断裂构造发育地段及矿泉水最有利的含水岩层。

4 应用研究

4.1 CSAMT工作布置

根据该区前期地质水文资料分析成果，在圈定的赋存矿泉水目标区域布置了4条测线(详见图1)，线距120～180 m不等，点距25 m，并对工作测线排列整体平移开展了加密精细探测工作。

图1 工作测线布置Fig.1 Working line layout

4.2 CSAMT探测成果分析

根据地质水文资料分析该区存在赋存矿泉水的可能，CSAMT法勘查的主要目的是查清该区的电性标志层及断裂构造，以确定最有利的凿井位置。当研究区域存在断裂构造时，因岩石受应力作用破碎、充水，与围岩具有明显电性差异，通过视电阻率断面图，反映出研究区域不同测线电阻率的断裂构造带、接触破碎带的空间分布及与围岩的接触关系，富水性等物理信息。本次CSAMT法共布设4条测线，点距25 m，为了提高勘探精度，在点距25 m基础上，异常位置局部对排列整体平移10 m进行了加密工作，经过精细处理，形成了各测线的视电阻率断面成果图。

图2为从不同视角展示的4条测线三维可视化视电阻率图件，该图件清晰地展示了各测线的纵、横向电阻率特征及各条测线异常的相关性特征，反映了探测区域地层的垂向分层、起伏变化情况以及断层的分布情况。断层反映在断面图中的特征主要是视电阻率等值线的扭曲、不连续以及梯度变化等[9]。整体来看，各测线视电阻率断面图横向向上呈现高、低相间的电性特征，清晰地反映了断裂构造发育位置；各测线探测成果视电阻率在剖面图纵向上呈现由低至高的变化特征，反映了探测位置地层的变化情况。

图2 CSAMT勘查视电阻率三维可视化成果Fig.2 3D visualization results of apparent resistivity of CSAMT exploration

该区灰岩和花岗片麻岩出露，局部被第四系所覆盖，导致浅部视电阻率高低相间，综合分析CSAMT探测的4条测线视电阻率特征，第四系地层视电阻率在10～200 Ω·m之间，下寒武系地层视电阻率在200～5 000 Ω·m之间，花岗岩视电阻率在2 000～25 000 Ω·m，纵向上视电阻率值差异明显，为较好的电性标志层，反映了各地层的界面标高。其中L1线在位置529 700～529 800、530 250～530 350，L2线在位置529 650～529 750、530 200～530 300，L3线在位置529 550～529 650、53 150～530 400，L4线在位置530 200～530 400位置均表现为明显的高、低电阻率差异，结合断裂构造的地球物理反映特征，推断各测线以上位置为断裂构造的电性反应，分别标记为F1、F2断层，倾角均在70°左右，该断层带位置视电阻率值相对最低，低电阻率范围横向有一定的延伸，推断含水性较强。从各测线的电阻率差异结合基岩露头岩性分析，F2断层的左边为灰岩，右边为花岗片麻岩，灰岩区视电阻率差异较大，出现多处低电阻率异常区，推断灰岩区岩溶裂隙发育，富水性强。

根据推断解释的F1、F2断层位置，经过现场实际勘测，从有利于凿井和开发利用的角度出发，最终确定孔位为L4线的530 280位置，初步设计孔深700 m。图3中红色椭圆表示岩性破碎，钻探至该位置要采取相关技术措施，确保钻孔安全和顺利钻进。

图3 CSAMT法L4线反演电阻率剖面与钻探验证成果对比Fig.3 Resistivity profile of CSAMT L4 line inversion and comparison of drilling verification results

4.3 钻探情况

该钻孔0～30 m口径Φ325mm，30～122 m口径Φ245mm，122～545 m口径Φ190mm。在钻进至92～105 m时，对应寒武系朱砂洞组石灰岩，该段岩溶裂隙发育，富水性强，在钻至112～113 m、270～272 m、260～262 m、387～389 m、534～538 m 时，岩性破碎、裂隙发育，成功出水，为断裂构造及岩性接触带，富水性强。从L4线视电阻率断面图来看，以上位置均表现为低电阻率及等值线梯度变化较大，为岩溶发育或断裂构造接触带位置，钻探情况和CSAMT推断成果一致，图2为L4线CSAMT探测成果与钻探验证对比图。在钻至545 m时，岩性破碎严重，钻进困难，水量42 m3/h,已满足开发利用30 m3/h的水量要求，及时终孔。

钻探施工完毕对该钻孔进行了抽水试验，经三个降程连续抽水试验和水位恢复观测，获得了该孔的水文地质参数如表1所示。

表1 三个降程抽水试验数据一览

4.4 水质化验

通过水质化验，所取水样锶的含量为1.121 mg/L，远超锶矿泉水标准指标大于等于0.20 mg/L的要求，且其他所检项目均符合GB 8537-2018、GB 2762-2017的要求，详见表2，说明本井地下水满足锶矿泉水的指标要求。

表2 水文孔饮用天然矿泉水界限指标和部分限量指标

5 结 论

通过CSAMT在矿泉水资源地质勘查中的应用研究，结合钻探、水质化验资料分析，结论如下：

1)在矿泉水地质勘查工作中，通过对收集的探测区域地质、水文资料综合分析，确定探测区域是否赋存矿泉水的可能，并初步分析赋存矿泉水的含水层位及探测区域的断裂构造发育情况，确定物探工作靶区。

2)CSAMT在矿泉水地质勘查工作中能够快速高效的确定探测区域的构造裂隙、岩溶发育情况、地层界面、含水层富水情况，结合探测区域现场实际情况确定最有利的凿井井位，并指导钻探施工。

3)通过合理布设CSAMT测线位置，整体平移排列实现测点加密工作，可以精细反映探测区域的构造裂隙发育及含水层富水情况，钻探资料和CSAMT推断成果一致，说明该方法在矿泉水资源勘查工作中是有效的技术手段，为开发利用矿泉水资源提供了技术性技术资料，大大降低了矿泉水地质勘查工作及开发利用风险。