测区位于东准噶尔地区中蒙边境附近, 所在地区为大陆性干旱荒漠气候, 干燥、多风、少雨, 昼夜温差大; 地形较为平坦, 主要由丘陵和戈壁滩组成, 属中低山区, 海拔一般在1 000~1 300 m, 相对高差一般在50~150 m, 丘陵基岩多裸露, 植被稀少。戈壁及沟谷大部分被第四系覆盖, 多长红柳、灌木、草丛。

测区内出露地层主要为中泥盆统托让格库都克组(D₂t), 其下部为凝灰质砂岩、砾岩、粗砂岩、砂岩等, 中部主要为钙质页岩、细砂岩、粉砂岩, 上部为凝灰岩、沉凝灰岩, 夹有凝灰质砾岩、含砾粗砂岩、粉砂岩等。测区东南部花岗岩体侵入, 在紧靠岩体的外接触带上普遍发生角岩化。

图1

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	图1 区域地质概况及物探测线布置

工区断裂十分发育, 主要有深大断裂F1以及4个次级断裂F2~F5(图1)。其中, F1分布于中部位置, 走向北西约300° , 挤压破碎带宽40余米, 岩石挤压破碎, 石英脉发育, 为一高角度逆冲断层; F2、F3、F5皆与F1复合, 破碎带宽均约10 m。F4位于F1东边, 断裂走向约5° , 向北延伸走向角度逐渐增大, 断裂面陡立, 倾向约85° 。

对测区中出露的中泥盆统砂岩和花岗岩分别采集了10块标本进行物性测量, 结果显示花岗岩相对砂岩呈高阻(表1)。

表1

表1

表1 测区中泥盆统砂岩和花岗岩物性测量结果 序号 中泥盆统砂岩ρ/(Ω·m)η/% 花岗岩ρ/(Ω·m)η/% 1 1 564 1.5 3 563 1.2 2 2 445 2.2 2 667 1.5 3 1 677 1.4 5 756 2.1 4 3 676 1.1 5 645 1.6 5 2 552 1.1 6 445 0.9 6 2 338 2.4 7 545 1.7 7 1 492 2.1 3 459 1.5 8 943 1.8 4 564 1.1 9 2 278 1.3 4 998 1.1 10 1 875 1.7 3 423 1.3 均值 2 084 1.66 4 806.5 1.4

表1 测区中泥盆统砂岩和花岗岩物性测量结果

此次物探工作的主要目的是查明断裂位置、产状以及第四系洪冲积含水层厚度, 确定条件好的富水区域。

根据地质情况布置高频大地电磁测深测线(图1), 长2 700 m, 测点距20 m, 测线覆盖了测区内的5条断裂。使用美国EMI公司和Geometrics公司联合推出的EH-4型StrataGem电磁系统, 工作中布置4个电极, 每两个电极组成一个电偶极子, 分别与测线方向一致(X-Dipole)和垂直(Y-Dipole); 为便于对比监视电场信号, 其长度都为20 m。为了保证两个电偶极子相互垂直, 要用罗盘仪定向, 误差< ± 2° ; 电偶极子的长度用测绳测量, 误差< ± 0.5 m。磁棒距离前置放大器> 5 m; 为了消除人文因素干扰, 两个磁棒要埋在地下, 保证其平稳; 用罗盘仪定向使H_x、H_y两磁棒相互垂直, 误差< ± 2° , 且水平; 所有的工作人员离开磁棒至少5 m, 尽量选择远离房屋、电缆、大树的地方布置磁棒。

采用EH-4自带数据处理软件作数据预处理, 再进行一维BOSTICK反演; 以此反演结果作为初始模型参数, 进行二维反演; 最后进行二维地形校正, 绘制电阻率二维断面图。

由于高频大地电磁测深测线的右端穿过高压输电线, 对电磁数据采集形成了强干扰, 因此在高压输电线下方, 以其为中心, 对称布置双频激电测线。测线长280 m, 测点距10 m, 与高频大地电磁测深测线2 410~2 690 m段重合。使用双频道SQ-3C型激电仪, 野外工作中高频频率为4 Hz, 低频频率为4/13 Hz。采用三极测深装置进行测深, 在测量电极M、N不动的情况下, 最大极距AO=600 m。采用中南大学自主研发的直流激电反演解释系统IPInv进行二维反演成像。

图2为工区高频大地电磁测深二维电阻率反演断面, 图3为推断解释成果。由图2可以看出, 上覆地层的电阻率普遍较低, 约在10~200 Ω · m, 推断可能为风化钙质砂岩、花岗岩, 厚度约5~55 m, 含少量风化裂隙水。640~670号点电阻率等值线在横向上梯度变化较大, 并向下呈漏斗状, 为断层破碎带的反映, 断层产状较陡立, 倾角约75° , 结合区域地质资料, 推断对应次级断裂F2, 在100~220 m深度范围内岩石破碎, 裂隙较发育, 含构造裂隙水。

图2

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	图2 高频大地电磁测深电阻率反演断面

1540~1570号点电阻率等值线在横向上梯度变化较大, 并且等值线在纵向上有一定程度延伸, 为构造破碎带的反映, 倾角约70° , 结合区域地质资料, 推断对应次级断裂F3, 在80~250 m深度范围内岩石破碎, 裂隙较发育, 含构造裂隙水。1840~1910号点电阻率等值线在横向上梯度变化较大, 并且在纵向上有一定程度延伸, 为构造破碎带的反映, 倾角约78° , 破碎带较宽, 向下延伸大, 属深大断裂构造, 结合区域地质资料, 推断对应次级断裂F1(图3)。

图3

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	图3 高频大地电磁测深地质推断解释断面

2600~2700号点电阻率等值线在横向上梯度变化较大, 并且在纵向上有一定程度延伸, 为构造破碎带的反映, 倾角约83° , 结合区域地质资料, 推断对应次级断裂F4。由于受高压线的影响, 导致该段低阻异常在横向有偏移, 进而在2410~2690号点开展双频激电测深, 采用对称四级测深方法, 最大AB/2为500 m, 以便两种方法进行相互补充和验证。结合2410~2690点激电测深二维反演结果(图4a), 电阻率等值线在2510~2530号点呈现出密集带, 说明断层带岩石与围岩的激电性差异较大, 断层异常特征较为明显, 推断断层带附近岩石破碎程度较高, 破碎带宽约20 m, 富含构造裂隙水。

图4

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	图4 2410~2690点双频激电法测深结果

双频激电测量可同时测得视电阻率与视幅频率, 在不增加成本的情况下提高了野外观测效率。图4b为幅频率二维反演结果, 断层或破碎带与围岩极化率具有一定的差异, 由于断层岩石破碎和充水, 大多呈低阻低极化表现, 可用于辅助电阻率拟断面图对断层或破碎带的推断解释。在图4b中对应于图4a中推断的F4位置, 幅频率呈低极化表现, 两边围岩相对呈高极化表现; 2幅图中的推断F4位置相对应, 提高了F4位置推断的可靠度。该结果与高频大地电磁测深结果(图2、图3)显示的F4位置在横向上相差了近100 m, 后期的钻探工作证实了通过双频激电测深法确定的F4位置是正确的, 避免了对异常位置因高压线干扰而做出错误判断。

在前期对资料进行初步推断解释的基础上, , 在2522点对构造破碎带F4开展了钻探工作(钻孔编号ZK4-1, 见图3), 在深130 m处打到构造破碎带, 含水量较大。由于水压过大, 导致冲击钻探方法难于施工, 并于135 m深度处终孔, 未打穿断层破碎带, 终孔孔径110 mm。采用32 m³/h水泵进行抽水试验, 静水位2.1 m, 动水位28 m, 水位降深25.9 m, 经计算, ZK4-1出水量为46.3 m³/h(1 111.2 m³/日)。

在2526号点开展钻探工作(编号ZK4-2, 距ZK4-1孔4 m, 见图3), 孔径315 mm, 在深度165~180 m范围内见断层破碎带。采用 32 m³/h水泵进行抽水试验, 静水位3.5 m, 动水位160 m, 水位降深156.5 m, 经计算, ZK4-2出水量为16.05 m³/h(385.2 m³/日)。

针对构造破碎带F3, 在1890点设计了探水钻孔, 编号ZK7(见图3)。钻孔出水量不大, 补给缓慢。可能由于围岩为钙质砂岩及断层较陡立等因素, 断层带易于被泥质充填物堵塞, 导致断层的导通性差, 影响地下水补给速度。

在人文干扰较小的情况下, 高频大地电磁测深法很好地反映了构造断裂带的位置以及产状, 对于探明大断裂构造是有效的。双频激电法在有人文干扰的情况下, 补充了高频大地电磁测深法易受干扰的不足, 正确反映了构造断裂带相关信息。在查明断层的含赋水性方面, 通过电阻率与激电性的表现, 具有一定的分析作用。两种方法相结合, 具有效率高、成本低、效果显著的特点, 有效地解决了矿山找水的问题, 具有一定的研究和应用意义。