深部地下水勘查的一般目的是为开发地热, 这种地下水埋藏浅的也要近千米, 深的可能达三千米或更深。一般而言, 物探很难就地下水温做出有效的判断, 所以严格意义上说, 利用物探方法勘查地热还是一个深部地下水勘查的过程, 只是从地表地温、地质构造和埋藏深度可以推测出地下水是否属于地热(水)。笔者因地热勘查工作, 于同一工作区寻找深部地下水, 先后投入了地面高精度磁测(HM)、CSAMT、TEM、使用EH-4做MT(f_min=0.1 Hz)、使用V8做MT等勘查方法。多种方法的投入既提供了多参数多信息, 又相互验证了方法的有效性, 从而对最终结果的判识起到了至关重要的作用。

工作区位于辽宁省桓仁县境内, 地理上属长白山脉东南延续, 位于NW— SE向山间谷地的哈达河一级阶地中, 属著名的丹东— 岫岩— 庄河— 普兰店地热带。区域大地构造位置处于华北地台北缘胶辽台隆之上。褶皱构造和断裂构造较发育, 新构造运动明显。在区域地层划分上属营口— 丹东地层小区。地层出露较全, 由老至新见有太古界鞍山群, 古元古界辽河群, 中— 新元古界青白口系、震旦系, 古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二迭系, 中生界侏罗系、白垩系及新生界第四系等。由于本工作区面积较小, 地表仅见第四系冲洪积砂砾石层和小岭组凝灰岩质角砾岩, 安山岩, 流纹岩, 流纹石英斑岩等, 以及大石桥组白云质大理岩。

工作区内侵入岩也比较发育。常见有太古宇混合岩及混合花岗岩、古元古代辉绿岩。同时断裂构造发育, 属晚侏罗世, 即燕山期产物, 其中NW向断裂为本区的主构造, 沿哈达河谷呈NW290~310° 方向展布, 规模大, 断距大。

1985年, 在工作区曾开展过地面热红外普查, 普查结果显示地温受NW向断裂控制; 同时, 在热异常区布置了不同极距的联合剖面法勘探, 得到几个不同深度正交点, 说明地下深部存在构造破碎带的可能。由于受当时工作方法及工作量的限制, 未能提出进一步的工作建议。1999年, 在该区又投入了物探工作, 含10条电阻率联合剖面、3个电阻率测深点、4条磁测剖面、48个α 卡测量物理点、335个地表浅层温度测量物理点。同样, 由于激电测深的深度不够, 根据测深结果仅解释出第四系厚度为5~10 m左右, 没有其他更有价值的成果; 联合剖面法的解释结论为有1条NW— SE向断裂破碎带通过地热异常区, 倾向E; 根据磁测成果确定了NE向大断裂及火山岩下变质岩系的界线; α 卡法的应用因地表农田耕种效果不佳。根据上述勘探工作成果先后进行了布钻和掘进, 均未取得理想效果。

工作区地表见有一自流地热泉水, 据地表泉统计, 一般流量大于1.0 L/s, 最大时可达5.0 L/s。该地热泉水位于哈达河一级阶地, 说明沿哈达河于地热水上涌存在更次一级构造带(图1)。综合前人的资料, 我们认为地热是客观存在的。

图1

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	图1 工作区地质与工作布置

另据水文地质资料^[1], 工作区存在第四系松散堆积层孔隙水、碎屑岩类裂隙孔隙层间水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水和基岩裂隙水4种储水类型。其中, 第四系松散堆积层孔隙水埋深1.5~4 m, 含水层由冲积、冲洪积砂、砂砾石、亚砂土组成, 含水层厚2~4 m; 碎屑岩类裂隙孔隙层间水的含水层由安山岩、火山碎屑岩、砂岩、砾岩、流纹岩等组成, 为弱含水层; 碳酸盐岩类裂隙溶洞水广泛分布于工作区的碳酸盐中, 有岩裂隙水和溶洞水。由于含水层岩性及水通道等因素的差异, 富水性有所不同, 最高平均涌水量达136.4 L/s, 钻孔涌水量最大达1 767.9 t/d, 少者为121.39 t/d。基岩裂隙水大面积分布于本区流纹斑岩、混合岩、花岗岩中, 富水极不均匀。

因为地表有地热水, 因此可认为是构造将地下热水导到地面, 寻找地下热水首先要寻找构造— — 导水(热)构造。据地质条件分析, 凝灰岩质角砾岩、凝灰质安山岩、流纹岩、流纹石英斑岩、白云质大理岩电阻率一般在800~1 800 Ω · m^{[2, 3]}, 都是高阻岩性, 利用电法区分这些岩性是困难的; 而目标构造破碎带探测深达2 000 m, 围岩电性差异本身又不大, 使用单一方法应当存在很大的困难与风险^{[4, 5, 6, 7]}。因此决定在工作区开展大比例尺、高密度、多类型的地面物探勘查, 目的是探测深层断裂破碎带的空间展布规律, 探测深部可能富水部位及高温水赋存情况, 以指导进一步开展的地下热水钻探。

为此我们设计投入了可控源音频大地电磁测深(CSAMT)^{[8, 9, 10]}、大地电磁测深(MT)^[11]、瞬变电磁测深(TEM)^{[12, 13]}、地面高精度高密度磁测(HM)等综合地球物理探查。

下面通过其中1条测线的实例分析, 来说明综合物探方法的相互认证、相互支持、相互补充。

LineB剖面是本次工作的重点剖面(见图1), 原因有三:①该测线与地热泉平面距离较近, 以地热泉为观察点所获得的信息在LineB剖面可信赖度较高; ②地热泉位于河谷偏SW, 其构造走向NW280° , LineB剖面为NE100° 方向, 再考虑NE倾向, 未来可能的施钻位置是在沟谷, 便于设计验证孔; ③相比其它剖面, LineB剖面更便于物探施工, 这包括工作后期安排的TEM工作。

3.2 CSAMT测量

由反演结果(图2)可以看出, CSAMT的工作深度只有400 m, 这与最初的设想是吻合的。按地热泉以NW280° 推算, LineB线48点处是构造位置, 而测量结果表明该处正是一低阻异常区。

图2

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	图2 LineB剖面CSAMT的反演电阻率断面

从整个断面看, 是高背景下发育了3条低阻带。第一条低阻带在12~16点, 宽约80 m, 中心点位于12点, 低阻带窄而陡。第二条低阻带从20~52点, 与第一条低阻带所不同的是该带的左半段近地表被高阻层所遮盖, 右半段又近地表呈低阻特征, 深部为高阻; 也就是说, 这条低阻带是一个反“ ㄅ” 形。这两条低阻带中间为一陡立的高阻带, 因为有2个点控制, 其存在是基本可信的。第二条低阻带往北紧邻一高阻体, 其宽度接近600 m, 至本剖面探测度400 m时未封闭, 可见其规模是比较大的; 从地势上看, 该高阻带自山脚直至半山腰, 均在其影响范围之内。再向北(山上)为一低阻窄条、陡立异常, 因为是3点控制, 也可以视其为可靠异常, 只是其位置近于山顶; 该异常推断为岩性变化引起, 对于我们关注的地热泉关系不大, 这里也不对其进行评价。

3.3 MT测量

LineB线总计做过3次MT测量。第一次使用V8做长时间(4 h)观测; 然后使用EH-4做测量仪器, 32次叠加; 基本确定验证孔位以后, 又在全线使用EH-4做一次MT观测。

1)V8短剖面, 剖面起始点为B12, 终止点为B52, 整个断面全在低阻带中(图3a)。该低阻带呈“ (” 形, 即浅部为SW倾向, 至深部1 000 m为NE倾向, 电阻率值一般为500 Ω · m。该剖面MT测量结果与CSAMT测量结果基本吻合, 只是浅部频点少, 刻划不够细致。

2)EH-4短剖面。该剖面与前面的V8剖面同点位, 使用EH-4做测量仪完成MT(图3b)。EH-4所得结果在浅部与CSAMT非常吻合, 包括反“ ㄅ” 形异常都反映得非常细致。而在V8测量中的“ (” 形异常, EH-4测量结果表明该低阻带自200 m深就开始NE向倾斜, 直到 2 000 m 还在低阻带中。本次工作结果中没有出现尖灭迹象。

经过对B线的初步推断, 认为地热泉是由源自深部的地热水沿断裂构造上侵形成, 该地热泉并不是深部导热构造的地表投影位置。这一结果也可以解释前人一直纠结的在地热泉打井200 m反而无热水的问题。我们认为:自地表下2 000 m开始, 该地热自深部NE方向沿很陡的角度SE方向上侵, 至近地表(200 m左右)折向NE方向, 以近40° 较缓的角度上侵地表出露成“ 泉” 。

3)EH-4长剖面。图3c中近地表100 m范围内为低阻层, 该低阻层无论是厚度、形态、规模等都与近地表风化坡积层相吻合。低阻层以下, 以43点为界, 剖面的NE段是总体呈高阻反映。近地表的低阻层下是厚度约800~1 200 m的高阻体, 其NE端未封闭且有稳定的趋势, 这与沉积变质的地质特征相吻合。该高阻体最大电阻率高于20 000 Ω · m, 也与大理岩的地球物理性质相吻合。

图3

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	图3 3次MT测量反演电阻率断面(单位:Ω · m)

巨厚的高阻体下, 发育一条带状的低阻长条异常, 该异常带SW端埋藏浅, NE端埋藏深, 至剖面SW段与CSAMT的反“ ㄅ” 形低阻带相交, 总体成“ C” 状。这应是同一个低阻异常, 只是因为发育在不同的地质背景中, 阻值稍有差别。

这一长条低阻异常下伏地质体的电性是大致均匀的, 在1 000~4 000 Ω · m, 一般为2 000~3 000 Ω · m的中高阻异常。这个阻值低于上覆的高阻体, 但又高于一般的低阻, 推断可能是混杂岩, 比如工作区已出露的斜长岩、角闪岩等, 也有可能是破碎的大理岩。

43点以SW为整体低阻, 阻值一般低于 1 000 Ω · m。该异常陡立, 稍右倾, 在1 000 m与上面描述的长条低阻异常相遇以后, 阻值有增高的趋势, 甚至与剖面NE段下伏的中高阻异常连为一体。由于没有钻探资料, 无法更合理地推断。结合NE段的推断意见, 将SW段下伏的中高阻异常与NE段中高阻异常推断成一个下伏岩体可能更近合理。

3.4 TEM测量

TEM测量是LineB重新以整间隔距离布设, 反演断面见图4。整个剖面15 m以上为近地表破碎、湿潮低阻层; 20~350 m左右为高阻层, 该高阻层左厚右薄呈楔型; 自350 m向下则为低阻带, 略右倾, 左高右低, 显示该低阻带核心偏出测量范围以外。这一点与MT-V8的测量结果极为相近。

CSAMT、MT测量的B16低阻特征在TEM剖面刻划得更详细, 34点的TEM结果明显显示为高阻体, CSAMT、MT只是一个点的反映。这也说明因为MT与TEM测深的机理不同, 在不同地电条件下所反映的细节也可能不同。在高阻体下面与MT一样, 也是低阻带的显著特征, 只是TEM异常SE倾向更加明显。也就是说, TEM比CSAMT、MT更细致地刻划了浅部的地电特征。

图4

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	图4 LineB剖面TEM反演电阻率断面

图5是CSAMT的推断地质断面。整条剖面上100 m以浅的岩石有不同程度的破碎, 而这种破碎与其下伏的岩性也有着不同程度的关系, 灰岩的破碎程度比较低, 而凝灰岩或混合杂岩的破碎程度就比较高。

图5

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	图5 LineB剖面CSAMT推断地质断面

利用CSAMT和V8数据资料, 于剖面的SW段推断出了2条断裂。这两条断裂与MT测量结果似乎有冲突, 但是宏观位置和形态没有冲突, 我们认为这与CSAMT测量深度以及静态校正不够完全都有关系。由于几次MT测量的结果一致, 并结合地质条件分析, 更偏向MT所谓“ 2条断裂实际上是1条断裂带反映” 的结论。尽管也用CSAMT的数据资料做了推断解释断面, 但也仅推出了以43点为界的SW段为凝灰混杂岩区和NE段的大理岩区的地质成果。之所以把SW段定为凝灰混杂岩区, 是因为凝灰岩和其他杂岩在电性上很难区分。同时, 就本工作区的地质特点而言, 也是凝灰岩、安山岩、流纹岩、石英斑岩、角砾岩混杂; 包括上面讨论过的剖面1 000 m以下下伏的斜长岩、角闪岩等, 都很难区分。

前面在讨论电性特征时说过, CSAMT和MT是相互认证、相互补充的关系, 由此, 有理由就CSAMT的浅部细节优势和MT勘探深度特点分别做出相应的地质解释。

根据LineB全剖面MT成果推断地质断面(图6), 推出了近地表的风化坡积层。所谓风化坡积层就是基岩风化层和坡积层未分。近地表10 m左右可能是坡积层, 其下至100 m左右可能就是风化层。风化层就是表现在上部以岩石破碎、蚀变为主要特征。然后是HM、CSAMT、MT、TEM共同的探测结果:以43点为界, SW段为凝灰混杂岩区, NE段为大理岩区。

图6

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	图6 LineB剖面MT推断地质断面

主体构造地下800 m处分为左右两部分, 其右侧(NE)与剖面右侧(NE)山坡一陡立构造相连, 呈现出复杂的构造体系, 但是也指出了工作区地热泉的部分水源补给。我们认为该导热构造为“ C” 型:深部的地热源从打虎沟的山下约3 000 m, 沿SW方向斜上至1 500 m左右, 近乎直立向上, 到近地表200 m左右折向NE, 以60° 向上涌出地表。

基于上述工作成果, 设计了第一个验证孔22/LineB。经钻探验证, 该孔涌水量大于100 t/h, 地面孔口水喷高度达2 m。

通过此次工作, 我们认识到综合利用物探方法是客观对待勘查工作的基本理念。没有万能的勘查技术手段去针对某种地质勘查工作, 即便同一种勘查技术也可以使用不同的仪器从而扬长避短, 做到知此知彼。尝试多种数据处理手段, 甚而采用多人背靠背解释也不失为一种有效的解释途径。结合地质背景, 甚至与地质人员共同研讨, 借鉴其他专业资料开展综合地球物理勘查成果解释是十分必要的。