综合物探方法在承德地区地下水勘察中的应用

高小青

（河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000）

针对探测目的任务，此次探测重点为对主要控制地下水分布的断裂构造、地层进行地球物理调查。根据工作区地下水资源赋存深度与该地区深大断裂相关的特点，确定探测区域内大的断裂构造宽度、产状，含水层的埋藏深度与分布等，结合地质-水文地质条件进行分析，提出综合解译成果，作为布置水文地质钻孔的依据。

1 地质概况及地球物理特征

1.1 地质概况

勘探区域内地层从下往上，由西北方向到东南方向，依次出露地层为太古界、元古界、中生界以及新生界地层，详细地层情况如下。

（1）太古界地层。

太古界地层变质岩出露于工作区北部。

迁西群（Arqn2）岩性大部分以透斜长角闪岩夹透辉岩、蛇纹大理岩、斜长变粒岩、浅粒岩为主，顶部夹杂部分麻粒岩。

（2）元古界地层。

勘探区域内出露的元古界地层主要为长城系（Ch）和蓟县系（Jx）岩层，主要出露于中部干沟门至山湾子一带，其他区域未见出露。岩层岩性主要以灰岩、白云岩、砂岩、石英砂岩及页岩为主，夹杂少许其它岩性。

（3）中生界。

工作区出露中生界地层包括：侏罗系（J），分布在东部。

（4）新生界。

勘探区域内出露的新生界地层主要为第四系上更新统（Q3al）和全新统（Q4al+pL）地层，其分布区域主要在沟谷及缓坡地带。

1.2 勘探区地球物理特征

理想状态下，完整且干燥的岩石和空气一样视电阻率值相对较大，但自然状态下岩层都是不完整的，且岩层当中的孔隙、裂隙中大概率都是含水的，并且随着岩石含水率的增加，视电阻率值会急剧下降。同时含水率相同的不同岩性的岩层视电阻率值也会有一定区别，其主要原因是所含水分的矿化度不同。所以断层的视电阻率值大小并不完全取决于断层本身的大小，而主要与断层的破碎程度及其含水率和矿化度有关；岩层的视电阻率值与干燥岩石的视电阻率值关系不大，主要取决于岩石的含水率和矿化度。一般而言，含水率和矿化度高的断层和岩层的视电阻率值远小于不含水周围围岩的视电阻率值，这就是电法勘探通过电性特征来区别断层和含水层富水性的物理依据。

此次测量没有进行电参数测量，表1 为在收集工作区周边采用露头小四极法测量的岩石电阻率参数，其中石英斑岩、霏细岩均在平硐内测量，较为接近地下真实电阻率值，而片麻岩、浅粒岩均在地表进行，虽然略有风化，也可代表该类电阻率特征。因此此次参数测量结果较为可靠。

表1 工作区周边实测岩石电阻率参数表Table 1 Parameter table of measured rock resistivity around working area

此次共测量了50 组岩石的参数，基本覆盖了区内基本岩石类型。工作区电阻率差异较为明显，特别是岩体、岩脉与围岩之间存在较大的电性差异，其中浅粒岩、片麻岩为相对高阻特征，石英斑岩、霏细岩则呈相对中低阻特征，这种明显的电阻率差异，为在区内开展电磁测量提供了基础。同时根据以往工作经验，在断裂、破碎带内因后期物质充填通常呈相对低阻特征。

2 工作方法及数据采集处理

2.1 仪器设备及主要技术指标

（1）可控源音频大地电磁法。

V8 多功能电法仪1 套，由发射系统、采集（接收）系统、定位系统、数据记录处理系统组成。

主要包括接收机、发射机等2 个部分，参数如下。

接收机性能参数：

发射机性能参数：

（2）四极电测深法。

多功能数字直流激电仪WDJD-4 技术指标参数如下。

接收部分：

发射部分：

2.2 工作布置

根据物探测线布置原则，测线应尽可能与主要构造或地层岩层走向垂直，根据勘探目的和技术要求，以及所用仪器设备的性能特点，结合勘探区域内的地形、地貌条件，对区域内物探测线进行了布置。

此次勘探共布置可控源音频大地电磁测线4条，其中L01、L02、L03 测线长度均为510 m，L04 测线长330 m，合计测线长1 860 m，测量点66 个；四极电测深测线3 条，每条测线长2 000 m，测点100 个，合计测线长6 000 m，合计测点300 个。

2.3 数据采集及处理

2.3.1 可控源音频大地电磁测量

2.3.1.1 数据采集

（1）仪器性能测试。

为了确保野外现场数据采集工作能够顺利开展，野外作业前技术人员对此次物探工作所使用的V8 多功能电法仪进行了检测检修，来确保仪器性能正常。V8 多功能电法仪由主机（Sn：4147）、辅助盒子（Sn：4143）、电流盒子（Sn：2586）及磁探头（Hy：AMTC1619）4 个部件及其它辅助配件组成。

在正式野外测量前对V8 多功能电法仪进行了标定，仪器标定曲线与标准曲线一致，可以投入野外作业。

（2）测量装置。

此次野外作业采用赤道偶极装置的标量测量方式，水平方向电场（MN）平行于场源（AB），水平磁场垂直于场源布设（图1）。此次发射偶极AB=8 km，接收偶极MN=30 m，方向使用罗盘和测距仪现场实测定位。采用2 个电场分量共用1 个磁场分量的排列组合进行观测，磁探头一般安置在排列中心点位置。

图1 可控源音频大地电磁测量野外测量测站敷设示意Fig.1 Layout of field measurement station of controlled source audio magnetotelluric method

（3）数据采集。

测站按照规定布设完成后，就可以开始测量采集数据。打开主机后连接电道磁道接线，然后将所用仪器同步锁定到GPS 时间，就可以开始现场测量了。

一条测线测量完毕后要现场写操作报，操作报的内容包括数据质量、人文干扰情况、地质地貌及相应的测点坐人员均如实填写可控源音频大地电磁测量的野外记录班标、高程等，以备数据处理及资料推断解释查用。

2.3.1.2 数据处理

可控源音频大地电磁测量的数据处理过程主要包括：①数据整理；②预处理；③远区数据频点选择；④静态校正；⑤数据反演。具体流程如图2 所示。

图2 数据处理流程图Fig.2 Data processing flow

2.3.2 四极电测深探测

为了保证野外工作的顺利进行和测量数据的质量，出队前项目组对所使用的多功能数字直流激电仪WDJD-4 进行了必要的检修和维护保养。四极电测深主要部件除主机外还包括电池箱、MN 线2条、AB 线2 条，电极4 根。

仪器性能测试主要是根据生产前（2021.7.25）对仪器主要部件的标定结果来进行评价。在野外施工前对仪器进行了标定，仪器标定曲线与标准曲线一致的情况下，方可投入野外施工。

2.3.2.1 试验工作

四极电测深实验工作的主要目的是为了进一步确认地下含水层位置，通过试验工作的有效性，以便选择最佳工作方法和装置参数。试验工作遵循由已知到未知的原则进行。

2.3.2.2 工作方法

（1）工作装置。

此次电测深探测采用了四极电测深探测方式，MN 电极间距5～70 m 逐渐增加，AB 电极位置20～2 000 m，测点间距10 m。此次测量在前期物探圈定的3 个井位共布置3 条测线，共计300 个测点。

（2）工作参数。

电测深探测采用四极电测深的技术参数要根据试验结果来确定。

（3）野外观测。

野外观测采用四极电测深探测方式,探测过程中，随着AB 电极之间距离的不断增加，MN 电极之间的距离也在增加。每个测点重复测量3 次，在工作过程中严格按仪器说明和规范进行操作。

3 资料解释

3.1 解释标志的建立

根据以往经验，结合揭露资料可知，断裂构造往往使地层的连续性遭到破坏，岩石破碎、裂隙发育，电阻率降低，在反演电阻率断面图上反映明显，得出如下断裂构造解释标志。

（1）反演电阻率等值线出现突变或不连续。

（2）反演电阻率等值线梯度密集带或变异带。

（3）舌状、条带状低阻体。

3.2 资料解析

纵观各线反演电阻率断面图可知，测线位于不同地段，断面图具有不同的电性特征，相邻线间反演电阻率具有一定的相似性，同时又具有各自的特征，反映的地质信息丰富而客观，下面分别对各断面进行详细的地质推断解释。

3.2.1 可控源音频大地电磁测量

3.2.1.1 L01线反演电阻率断面异常特征与推断解释

断面图总长510 m。纵观整个断面图，平距600 m 附近地段，低电阻率区呈舌型分布带分布，上部电阻率较低，下部逐渐升高，推断解释为断层破碎带填充地下水后引起的低阻异常，断层倾斜方向近于直立，地下延伸约300 m。区域内深部大部分的高阻区域推断为基岩区域的高阻反映。

反演电阻率断面图如图3 所示。

图3 L01 线反演电阻率断面图Fig.3 Section diagram of L01 line inversion resistivity

3.2.1.2 L02 线反演电阻率断面异常特征与推断解释

断面图总长510 m。纵观整个断面图，推断在平距200～500 m 虚线处存在1 处地层岩性分界面，整体地下地层倾向向北。上部地层电阻率相对较低，推测基岩破碎，且富水性较好；下部地层电阻率相对较高，推测下部地层基岩较完整，储水能力相对较弱。

反演电阻率断面图如图4 所示。

图4 L02 线反演电阻率断面图Fig.4 Section diagram of L02 line inversion resistivity

3.2.1.3 L03 线反演电阻率断面异常特征与推断解释

断面图总长510 m。纵观整个断面图，在平距400～700 m 存在大范围的相对低阻区域，其整体呈V 字型分布，由2 个小V 字型相对低阻区域组成，推测该范围为断层破碎带区域。主要由410 m处的F2 与660 m 处的F3 组成。断层F2 向北倾斜，倾角较陡，向地下延伸近600 m；断层F3 向南倾斜，倾角较陡，向地下延伸约400 m 后与断层F2 相交。推测在平距400～700 m，存在较大规模断层破碎带，富水性较好。

反演电阻率断面图如图5 所示。

图5 L03 线反演电阻率断面图Fig.5 Section diagram of L03 line inversion resistivity

3.2.1.4 L04 线反演电阻率断面异常特征与推断解释

断面图总长330 m。纵观整个断面图，在平距约460 m 虚线处，存在近似V 字型相对低阻异常，推测为断裂破碎带F4，富水性较好，其倾角较陡，近乎直立，向下延伸约300 m。在平距250 m 上部，见1 小范围的高阻异常，推测其为其他因素导致的干扰数据。

反演电阻率断面图如图6 所示。

图6 L04 线反演电阻率断面图Fig.6 Section diagram of L04 line inversion resistivity

3.2.2 四极电测深探测

图7 为L01 线四极电测深“探测深度—视电阻率”曲线图，由图7 可知，视电阻率随地层由浅到深整体呈现由低到高的趋势；在0～-250 m 整体电阻率值较低，岩层富水性较好。另在-400 m 深度附近范围视电阻率值较低，在该层位岩层富水性较好。

图7 L01 线四极电测深视电阻率曲线图Fig.7 Apparent resistivity curve of L01 line four-pole electric depth-measurement

图8 为L02 线“探测深度—视电阻率”曲线图，由图8 可知，视电阻率随地层由浅到深整体呈现由低到高的趋势。在探测深度0～-350 m 整体视电阻率值较低，岩层富水性较好。另在-400 m 深度附近范围视电阻率值较低，与L01 线相对应，在该层位岩层富水性较好。

图8 L02 线四极电测深视电阻率曲线图Fig.8 Apparent resistivity curve of L02 line four-pole electric depth-measurement

图9 为L03 线“探测深度—视电阻率”曲线图，由图9 可知，视电阻率随地层由浅到深整体呈现由低到高的趋势；在探测深度0～-320 m 整体视电阻率值较低，岩层富水性较好。

图9 L03 线四极电测深视电阻率曲线图Fig.9 Apparent resistivity curve of L03 line four-pole electric depth-measurement

3.3 后期验证结果

根据探测结果最终确定了3 处水源井井位，具体坐标见表2。

表2 3 处水源井井位坐标Table 2 Location coordinates of 3 water source wells

后期在标定位置打出3 处水源井，水源井的含水层范围与此次探测结果相符，出水量经计算满足当地用水需求，取得了非常好的效果。

4 结论

通过开展可控源音频大地电磁测量以及四极电测深探测，对区内断裂格架、岩体分布等有较好的反映，为下一步找矿勘查提供了基础资料，主要结论如下。

（1）完成可控源音频大地电磁测线4 条，其中L01、L02、L03 测线长度均为510 m，L04 测线长330 m，合计测线长1 860 m，测量点66 个；四极电测深测线3 条，每条测线长2 000 m，测点100 个，合计测线长6 000 m，合计测点300 个，完成了目的任务。

（2）大致查明了工作区的断裂格架。共推断解释断裂4 条，F2、F3 断裂为规模较大的断裂，切割深度较深，含水层范围约地表下400 m 以浅；其次为F1 断裂，含水层范围约地表下300 m 以浅；F4 断裂规模较小含水层范围约地表下300 m 以浅。L02 线未发现较明显断裂带，富水性较其他3 条线弱，含水层范围约地表下220 m 以浅。

（3）依据此次可控源音频大地电磁测量及四极电测深探测成果，结合区内已有地质资料，对区内储水有利地段进行了分析，认为工作区内F1、F2 以及F3 断裂处为有利地段，由于F1 断裂范围较大，且形成了明显的电阻率等值线V 字型梯度带，有利于地下水的储存和运移；而F2 以及F3断裂处切割较深，切割深度大于500 m，形成了明显的电阻率等值线舌状梯度带，为断裂规模较大且较为宽陡、电阻率值较低部位，有利于地下水的储存和运移。