综合物探方法在内蒙古巴彦图嘎萤石矿区水文地质勘查中的应用

王亚飞，赵 璞，刘劭航，闫秀文，尹青青，张 敏，王占川，朱铭清，陈 凡

(1.中煤水文局集团 (天津)工程技术研究院有限公司,天津 300121;2.锡林郭勒盟隆兴矿业有限责任公司,内蒙古 锡林郭勒盟 026000;3.西南交通大学 地球科学与环境工程学院,四川 成都 611756)

1 引言

萤石是氟元素最主要的来源,在新能源、高端制造及信息技术等领域有着广泛的应用,是我国重要的战略性矿产资源,已探明资源量居世界前列[1-2]。内蒙古阿巴嘎旗巴彦图嘎萤石矿床为近年来发现的一处大型独立萤石矿床(热液充填型),矿体多赋存于上石炭统宝力高庙组火山岩地层中[3-5],为查明该类型地下水赋存规律,解决工业及畜牧用水,为矿区深部探采提供水文地质条件相关依据,有必要对矿区及周边勘查区水文地质特征进行系统性研究。由于该地区地表草原覆盖较多,地下水埋藏复杂,根据勘查区内自然条件及地下水赋存形式,采用可控源音频大地电磁法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric Method,简称CSAMT)和视电阻率联合剖面法寻找与断裂有关的富水地段,解译研究区断裂构造体系,查明地下深部隐伏富水构造的空间分布特征,通过不同地球物理勘探方法之间相互验证,减少物探解译的多解性。

近年来,综合地球物理勘探方法在地下水勘查中发挥着越来越重要的作用,尤其在探寻深层水系中,是一项必不可少的勘查手段。部分学者在相关研究中也取得了显著的成果,如张立剑等[6]采用综合电法查明了勘查区内控水构造特征、覆盖层的厚度,确定了富水构造的位置。齐信等[7]利用综合物探方法对海南省琼中县花岗岩地区含水层电性特征及地下水赋存规律进行了研究。黄国民等[8]通过综合电法工作总结了广西碎屑岩地区的勘查经验。杨强等[9]利用可控源音频大地电磁法验证了导水断裂构造带的空间分布特征。刘声凯等[10]采用高密度电法和联合剖面法在赣南花岗岩地区地下水勘查中取得了良好的勘探效果。本次研究在充分分析区域地质资料的基础上,以野外水文地质调查工作为前提,以基岩蓄水构造理论和基岩地下水综合找水技术[11-12]为指导,总结并提出了本地区蓄水构造类型和找水方向。以综合地球物理勘查为技术手段,通过水文地质调查与综合物探相结合的方式,圈定找水靶区,逐步缩小调查研究范围,为水文地质钻探井位井深提供宏观决策依据,积累了火山岩地区复杂构造背景下的水文地质勘查工作经验。

2 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区中北部锡林郭勒盟阿巴嘎旗巴彦图嘎苏木一带,区内地貌主要为波状高原和山前坡麓两种类型,海拔标高1 300～1 391 m,总体地势中间高四周低,山脉与沟壑不明显,地表形成大量低矮丘陵及宽缓沟谷且大面积被植被覆盖,由于降水稀少,季节性缺水严重,区内少有常年性地表水体,只在雨季时有部分积水洼地和季节性河流、坑塘。

2.1 研究区地质特征

2.1.1 地层岩性

区内地层单元由老至新依次出露古生界上石炭统宝力高庙组(C2bl),属陆相火山岩夹火山-正常碎屑沉积岩建造,岩石类型主要包括流纹岩、流纹质角砾熔结凝灰岩、流纹质晶屑凝灰岩等,整体呈北东-北北东向展布;中新生界上侏罗统满克头鄂博组(J3mk),主要为一套陆相酸性火山碎屑岩夹火山熔岩,岩石类型主要为流纹岩、流纹质角砾晶屑岩屑凝灰岩,呈角度不整合覆盖于石炭系宝力高庙组之上;下白垩统梅勒图组(K1m),属陆相火山岩建造,岩石类型主要为青灰色玄武岩、玄武安山岩,与下伏地层角度不整合接触;大磨拐河组(K1d)为河湖相沉积,地表表现为大量砂砾岩风化形成的碎石、卵石,局部夹有炭质泥岩及薄煤层,与下伏梅勒图组整合接触;新生界主要发育第四系更新统阿巴嘎组(Qpa)基性火山岩与残坡积沉积物,以及全新统松散沉积物(Qh)。具体如图1所示。

2.1.2 地质构造

研究区大地构造位置位于西伯利亚板块东南陆缘古生代增生带、东乌旗-扎兰屯晚石炭世-早二叠世火山型被动陆缘南缘。本区自早古生代以来,受西伯利亚板块与华北板块的碰撞拼合、中生代太平洋板块北西向挤压改造,产生的断裂、褶皱和岩浆侵入活动较为复杂,形成了多系统、多期次的不同构造形式及构造叠加[13]。总体构造格架以北东向断裂为主、北西向断裂为辅,北东向压性、压扭性断裂主要形成于印支期,于燕山期再次活化,延伸长度一般为10 km左右,倾角一般为50°～70°,个别构成区域性大断裂,北东向断裂对地层及侵入岩的分布具有明显的控制作用,是岩浆热液的运移通道。北西向断裂形成于燕山期和喜山期,在野外可见北西向断裂常切割错断早期北东向断裂,延伸长度为2～10 km不等,倾角一般为80°左右,部分次级断裂规模较小。北西向张性断裂是重要的容矿构造,为成矿物质的富集和沉淀提供了场所,同时也是重要的导水、储水构造[14]。

2.2 研究区水文地质特征

区内含水岩组主要由第四系冲洪积松散岩类、白垩系大磨拐河组碎屑岩类、石炭系宝力高庙组火山岩类组成。根据赋存条件划分为孔隙地下水、风化带裂隙地下水、断裂构造裂隙地下水三种类型。根据野外水文地质调查,石炭系宝力高庙组构造裂隙地下水富水性较好,主要为断裂构造错动流纹岩、流纹质凝灰岩及各类脉岩等脆性岩层部位。受构造错动破碎影响,流纹质岩类裂隙较为发育,容易呈块状产出,为地下水提供了赋存空间。矿区Ⅰ、Ⅱ号矿带水文孔SH1、SH2证实了此种地下水赋存模式,通过野外调查可见,位于水文孔(SH2)南侧30 m坡顶处,流纹岩X型节理极度发育,裂隙宽度大者可达2 cm,并出露有石英岩脉,多伴生萤石脉,块状石英脉局部空洞发育,似溶蚀状,指示其可作为地下水补给通道,十分有利于大气降水补给,由抽水试验测得SH1、SH2单井涌水量为300～600 m3/d。

2.3 研究区地球物理特征

研究区不同岩性电阻率统计见表1,据统计结果可见, 区内萤石矿体为电阻率最高的地质体,平均电阻率在1 000 Ω·m以上;花岗斑岩电阻率均相对较高,平均电阻率为795 Ω·m;石炭系宝力高庙组流纹岩类电阻率均值在400～500 Ω·m之间,呈中高电阻率电性特征;白垩系玄武岩为区内电阻率较低的岩体,电阻率均值为250 Ω·m;第四系松散物的电阻率值最低,是明显的低阻地质体。由于区内岩体在构造裂隙发育位置的岩石结构遭受破坏,岩石破碎处易于充填地下水或其他低阻介质,与围岩存在明显的电性差异,形成较为明显的低阻异常带,为本次研究工作提供了地球物理勘查前提。

1-第四系湖积淤泥;2-第四系冲洪积砂砾石;3-第四系阿巴嘎组;4-白垩系大磨拐河组;5-白垩系梅勒图组;6-侏罗系满克头鄂博组;7-三叠系青克勒组;8-石炭系宝力高庙组第三岩段;9-石炭系宝力高庙组第二岩段;10-石炭系宝力高庙组第一岩段;11-石炭纪花岗斑岩;12-侏罗纪闪长岩;13-石炭纪石英正长斑岩;14-地质界线;15-角度不整合界线;16-平行不整合界线; 17-实测断层;18-推测断层;19-物探靶区;20-物探测线;21-萤石矿体;22-水文井图1 研究区区域地质构造及物探工作部署Fig.1 Regional geological structure and deployment of geophysical prospecting of the research area

表1 研究区主要岩石物性参数

3 物探工作方法

3.1 物探靶区的选择

根据前期水文地质调查工作以及基岩地下水理论研究的地下水赋存规律,明确物探勘查靶区及勘查方向,主要依据为：断裂构造对本区火山岩地下水的分布、赋存规律起重要的控制作用,尤其北西向张性断裂、新近活动的断裂导水、富水性较好。野外调查发现,北西向断裂起源于燕山期,于喜马拉雅构造运动期再次复活,常切割北东向断裂,同时控制新生代阿巴嘎组玄武岩的分布,其力学性质为张性、张扭性特征,源于深部的岩浆容易沿构造薄弱部位、伸展环境下侵位上升。北西向断裂因其近期的活动性,往往具有充填程度低,胶结程度差的特点,产生的空隙有利于地下水的导水与富集,从而对地下水的的运动起着控制作用[15]。因此,本次研究选择的物探靶区主要勘查方向为：①各类脉岩于构造发育产出部位;②已知张性F1、F3断裂及二者交汇部位;③花岗斑岩侵入体与围岩接触部位。

3.2 物探方法的选择

本次地球物理勘探工作为了解不同勘查方法的效果,达到本区有效、合理的勘查方法组合,同时考虑到不同的含水层深度、分布特征及类型,不同分辨率及抗干扰强度等方面,首先于研究区布设了一条2.5 km综合物探实验剖面,该剖面自东北向西南依次通过2号水文孔(SH2)至1号水文孔(SH1)位置,分别布置了视电阻率联合剖面测量、可控源音频大地电磁、瞬变电磁测量工作。通过勘查实验认为：在拟布设的勘查方法中,视电阻率联合剖面法、可控源音频大地电磁法在本矿区均有较好的勘查效果,大定源装置的瞬变电磁勘查不具备避开区内电磁干扰的观测条件,小线框勘查实验的反演深度较浅,无法达到勘探深度的要求,因此选定联合剖面法、可控源音频大地电磁法为本次物探勘查工作方法,两种方法的反演结果与已知钻孔揭露、断裂构造发育情况吻合程度较高。视电阻率联合剖面法在寻找和追索良导电陡立地质体和划分岩石分界面等方面具有明显的效果,可以用来识别陡立含水构造,但其勘探深度有限[16-17]。可控源音频大地电磁法具有探测深度大、受地形影响小、分辨率高的优势,对一定深度内的隐伏断裂构造识别能力较强[18-22],两种物探方法综合探测,互为补充,相互验证,可以较准确地确定隐伏构造的位置以及深部发育特征。

3.3 仪器及参数选择

本次视电阻率联合剖面法采用奔腾WDJD-4型多功能数字直流激电仪,由AMN和NMB两组三级装置组合而成,A、B为装置的供电电极,M、N为测量电极。为保证达到一定勘探深度,选择AO=BO=200 m、MN=40 m,测点距为20 m,在发现有利交测点的地段AO=OB加大到300 m,以确认低阻正交点的存在,并确定断裂构造的产状。可控源音频大地电磁测深工作采用美国Zonge公司生产的GDP-32Ⅱ型多功能电法工作站,采用赤道偶极装置进行测量,观测范围为电偶源形成的60°扇形区域,测量频率范围1～8 192 Hz,共有24个频点,测点距40 m。野外测地工作采用2台中海达测量仪器,其中一台作为基准站,另外一台进行RTK动态测量。

4 物探解释分析

通过野外测量数据的预处理、校正和反演,对综合物探成果图进行分析与解释,靶区内共完成可控源剖面5条,在异常反应较好地段进行了2条剖面的视电阻率联合剖面测量。由于篇幅所限,本文中仅选取L16综合物探剖面进行分析研究,其他剖面物探解译过程相似,不再赘述。

L16综合物探剖面位于靶区中部,剖面方位北东向45°,其中可控源音频大地电磁、视电阻率联合剖面测线长度为1 480 m,由西南100号点至北东248号点,点距为40 m。剖面大部分出露地层为石炭系宝力高庙组二段,主要岩性为流纹岩,测线西端与晚石炭世花岗斑岩(C2γπ)接触,已知北西向张性断层F3在剖面160测点附近通过,因此将侵入岩接触带和断层破碎带作为主要的目标含水层,综合物探测量成果图如图2所示。

图2 L16剖面综合物探解释推断与地质剖面对比Fig.2 Comparison of comprehensive geophysical interpretation inference and geological section in L16 section

4.1 视电阻率联合剖面资料分析

4.2 可控源音频大地电磁资料分析

可控源音频大地电磁(CSAMT)反演电阻率断面图(图2b)显示,上部表层电阻率较低,深部中高阻的电性特征,整体呈现“低-高”的变化规律。根据地质资料及物性特征显示,浅部低阻为第四系覆盖层及风化带的反映,电阻率值在10～100 Ω·m之间。深部中高阻为流纹质、英安质岩性地层,116号测点处显示为一高低阻等值线梯度密集带电性特征,边界清晰,116号测点以西小号点方向,电阻率由浅至深呈明显低阻异常,纵向较为连续,综合地质资料与联合剖面法结果,确定该异常为流纹质岩类与花岗斑岩断层接触破碎带Ft2,因测线位置与该接触带相切或呈小角度相交,在图面上显示宽度大约为100 m的低阻异常,该处产状和位置与联合剖面法120号测点处基本一致,Ft2构造倾向南西,倾角85°左右,向深部延伸较远。116～148号测点之间呈明显的局部高阻异常,由上至下连续贯通,结合实地勘查及岩层电性特征,该处高阻区域推断为石炭系宝力高庙组流纹岩,高阻两侧电性差异明显,为不同岩性地层所致。

148号测点以东至大号点方向,海拔1 200 m以上显示为横向较为连续的低阻异常,深部电阻率以中高阻为主。148号测点两侧,同样显示为一条边界清晰的电阻率等值线梯度密集带,结合钻孔ZK16-1分析250 m以浅两侧为不同岩性的分界面,表明CSAMT电阻率反演结果与钻探揭露吻合较好,推断大号点方向低阻异常区岩性为角闪安山岩,电阻率值在100～400 Ω·m之间,该电性分界面与已知张性F3断层位置接近,受断层右旋作用力,地层发生平移错动,导致不同地层岩性相连。该断层发育部位岩石破碎,裂隙发育,电阻率值较低,富水性较好。在CSAMT断面图152测点处也能清晰地反映出该低阻异常呈漏斗状向下延伸趋势,进一步印证了已知F3断裂构造的存在。由图2(b)可见,F3断裂构造倾向北东,倾角较陡呈近直立分布。

测线东部测点号200～208之间,深部存在垂向条带状低阻异常区,推测为隐伏断裂Ft3向深部延伸发育所致,断层倾向北东,倾角85°左右,垂向低阻异常由浅部角闪安山岩向深部过渡为流纹质脆性岩类,该处构造影响宽度80 m左右,断层深部两侧为流纹质、英安质高阻岩体,电阻率值在500～800 Ω·m之间。断层发育部位呈高中低阻电性特征,推测与含水破碎带有关。

本次CSAMT方法较好地刻画了地下深部隐伏断裂的构造形态,断面成果图上显示了岩石在受构造应力破碎、充水情况下与围岩产生的明显电性差异,以及不同电性差异地质体的分布情况。

4.3 综合物探异常解译分析

根据上述物探反演断面异常推断及分析方法,对整个目标靶区综合物探剖面进行了解释,整体原则为：以视电阻率联合剖面法中的低阻正交点为依据,大致确定断裂构造的位置和产状特征,结合CSAMT水平与纵向剖面综合确定并提高断层及构造破碎带、岩性界面的识别率,对于邻近有钻孔的剖面,对其钻孔钻遇地层及地质结构进行了解,与断面异常推断解释成果进行对比,分析断面电性特征与钻遇地层及构造的对应关系,以佐证或充实推断解释。

综合L14、L15、L16等5条北东向测线的剖面成果,从三维可视化空间对靶区进行整体解译。通过不同纵向断面以及横向水平切片之间电阻率特征对比,对邻近剖面异常特征相似的测点进行关联,能够直观地反映目标区域地层岩性的起伏变化和断层的分布情况,并判断断层的产状。结合已知地质和钻孔资料,综合解译出靶区内较大规模北西向断裂三条,由西至东依次为Ft2、F3、Ft3,断裂大小规模不等,如图3所示。北西向F3断裂构造以右行平移正断层形式出现,Ft2、Ft3近似平行分布于F3两侧。

图3 靶区CSAMT剖面反演电阻率断面Fig.3 Inversion of resistivity section of CSAMT profile in target area

图4 靶区断裂构造空间展布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of fault in the target area

由CSAMT反演电阻率三维切片在1 200 m、1 000 m、800 m、600 m不同海拔电阻率等值线图(图4)可见,电阻率异常由西南至北东呈现低高-低高的分布特征,高低阻两侧形成比较明显的等值线梯级带。根据上述不同断面推断解释和水平切片异常特征,结合已知地质和钻孔资料,位于中部高、低阻电性异常分界处的断裂构造与已知实测F3正断层位置对应一致,走向约310°,倾向北东,倾角85°;F3断层西侧等值线异常梯级带陡变位置为本次新发现的隐伏断裂Ft2,走向约320°,倾向南西,倾角85°左右;F3构造东侧高中低阻异常带推断为隐伏断裂构造Ft3,构造走向与F3基本平行,倾向北东,倾角85°左右,规模贯穿整个靶区。经过实地勘测,将拟布设钻探井位定于F3正断层经过L12线交点位置附近,该点同时为北西向F3与北东向F1断裂交汇部位,在+1 000～600 m标高低阻异常明显,富水性较好。根据反演结果,推测1 000 m附近进入断层影响范围,900 m处进入断层破碎带,向下延伸至700 m岩石整体破碎,因此设计终孔深度为650 m,以穿透破碎带为限。

5 结论

通过视电阻率联合剖面法和可控源音频大地电磁法在火山地区水文地质勘查中的应用研究,得到结论如下：

1)本次研究通过前期水文地质调查工作,确定了主要勘探方向为流纹质脆性地层中深层断裂构造裂隙地下水。由于区内存在多期次的构造活动,研究不同构造的力学属性及后期活动性是水文地质勘查中的重要环节。目标靶区内北西向张性新构造断裂充填程度低,胶结程度差,是地下水的导水通道,同时也是主要的赋水空间,可作为地下水探查的最有利地段。

2)通过潜在富水靶区布置的不同极距视电阻率联合剖面法勘探工作,初步揭示了地下不同深度的视电阻率变化规律,确定了低阻正交点及异常区,判断了断裂破碎带的位置和产状。对未见明显构造现象的区域,发挥CSAMT探测深度的优势,进一步查明工作区主要构造分布位置及地下空间分布特征。以L16综合物探剖面为例进行阐述,进一步了解已知F3正断层的纵向延伸特征及发育规模,解译出具有一定规模的北西向隐伏断裂构造Ft3、Ft2,近似平行分布于F3断裂两侧。通过利用不同物探方法的优势和特点,解译出勘查区整体的构造格架,达到了较好的勘查效果。

3)在复杂构造背景下的火成岩地区地下水勘查工作中,应以水文地质理论为基础,通过建立水文地质调查—综合物探勘查的工作模式,合理地规划不同方法的勘查顺序。由面至线逐步缩小勘查范围,形成深浅结合,水平与垂向相结合相结合的立体勘查模式,查明断裂、接触破碎带与地层的分布及接触关系、富水性等特征,最终为水文地质钻探井位及深度提供依据,提高成井率,该方法可为同类型地下水资源勘查工作提供参考。