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物探与化探, 2023, 47(3): 690-699 doi: 10.11720/wtyht.2023.1443

地质调查·资源勘查

综合物探方法在矿泉水勘查中的应用——以泾县榔桥地区为例

张志,1,2, 徐洪苗2, 钱家忠,1, 谢杰2, 陈皓龙2, 朱紫祥2

1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009

2.安徽省地质矿产勘查局 327地质队,安徽 合肥 230011

An application study of the comprehensive geophysical prospecting method in the exploration of mineral water: A case study of the Langqiao area, Jing County

ZHANG Zhi,1,2, XU Hong-Miao2, QIAN Jia-Zhong,1, XIE Jie2, CHEN Hao-Long2, ZHU Zi-Xang2

1. School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China

2. No. 327 Geological Team, Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province, Hefei 230011, China

通讯作者: 钱家忠(1968-),男,博士,教授,主要从事水工环地质学科的教学和深层次研究工作。Email:qjiazhong@gmail.com

第一作者: 张志(1991-),男,硕士,主要从事地球物理勘查与综合研究工作。Email:2763369850@qq.com

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2022-09-19   修回日期: 2023-01-18  

基金资助: 国家自然科学基金项目“基岩裂隙水非达西流与溶质非费克运移机制及其升尺度模型”(41831289)
泾县人民政府公开招标项目“泾县榔桥镇马渡桥村矿泉水勘查”(JX-CG-GK-2019-066)

Received: 2022-09-19   Revised: 2023-01-18  

摘要

安徽省泾县榔桥镇马渡桥村一带具有开发优质矿泉水的巨大潜力,然而受地质条件及含水介质非均质性影响,其分布范围勘定以及水量、水质定量评价一直是影响矿泉水开发利用的难题。基于此,以泾县榔桥地区为靶区开展了地面物探与水文测井联合的综合物探方法应用研究,取得了重要进展,主要包括:①通过地面综合物探方法实现了花岗闪长岩中断裂构造的精确定位,通过水文测井实现了构造裂隙水层位的精准识别;②成功探明单孔出水量约为50~80 m3/d的偏硅酸型饮用天然矿泉水;③指示了区内富水断裂构造为中浅埋深(约75~140 m),走向主要为NW向。研究成果揭示了该区赋存矿泉水构造的空间分布特征,对后续矿泉水范围勘定具有重要意义,同时,泾县榔桥地区综合勘查的研究思路和技术方法具备系统性,对相近地区矿泉水勘查具有指导意义。

关键词： 综合物探; 地下水勘查; 天然矿泉水; 泾县榔桥地区

Abstract

The area around Maduqiao Village, Langqiao Town, Jing County has great potential for the development of high-quality mineral water. However, due to the geological conditions and the inhomogeneity of water-bearing media, the investigation of the distribution range of the mineral water in the area and the quantitative evaluation of the water quantity and quality have always been challenges to the development and utilization of mineral water in the area. With the Langqiao area of Jing County as the target area, an application study on the comprehensive geophysical prospecting method that comprehensive ground geophysical prospecting with hydrogeological logs was conducted, achieving important progress. The major results are as follows: (1) The fault structures in granodiorites were precisely located through comprehensive ground geophysical prospecting, and the horizon of tectonic fissure water was precisely identified based on hydrogeological logs; (2) The metasilicate natural mineral water for drinking with a single well water yield of 50~80 m3/d was identified; (3) The water-rich fault structures in the study area have a medium to shallow burial depths of about 75~140 m and primarily have a NW strike. These results reveal the spatial distribution characteristics of the mineral water-bearing structures in the study area and are of great significance to the subsequent investigation of the mineral water range. Moreover, the systematic research philosophy and technical methods used for the Langqiao area of Jing County in this study can guide the mineral water exploration in similar areas.

Keywords： comprehensive geophysical prospecting; groundwater exploration; natural mineral water; Langqiao area of Jing County

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本文引用格式

张志, 徐洪苗, 钱家忠, 谢杰, 陈皓龙, 朱紫祥. 综合物探方法在矿泉水勘查中的应用——以泾县榔桥地区为例[J]. 物探与化探, 2023, 47(3): 690-699 doi:10.11720/wtyht.2023.1443

ZHANG Zhi, XU Hong-Miao, QIAN Jia-Zhong, XIE Jie, CHEN Hao-Long, ZHU Zi-Xang. An application study of the comprehensive geophysical prospecting method in the exploration of mineral water: A case study of the Langqiao area, Jing County[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(3): 690-699 doi:10.11720/wtyht.2023.1443

0 引言

天然矿泉水作为宝贵的液态矿产资源,富含对人体有益的矿物质与微量元素,其饮用和医疗价值巨大[1-2]。榔桥镇马渡桥村位于安徽省泾县东南部,前人在该区开展过浅层地下水检测和水文地质条件分析[3],认为该区具备开发优质偏硅酸型饮用矿泉水的潜力。但是,目前的研究依然停留在初步调查阶段,矿泉水水量、水质定量评价工作尚未系统开展。为满足政府长期规划、合理利用资源、改善民生用水等方面的需求,迫切需要科学有效地开展矿泉水勘查工作。

地球物理探测技术具有快速无损、分辨率高、施工高效等优势[4-5],已经成为地下水勘查的主要技术方法,特别在严重缺水、基岩广泛出露等地质条件复杂的地区,取得了诸多突出的找水成果[6⇓⇓-9]。国内外学者对花岗岩类地区水文地质条件和地下水勘查技术的相关研究主要解决了以下问题:①明确了花岗岩类及相近地区地下水勘查主要方向为寻找构造裂隙[10-11];②发展形成了水文地质调查、综合物探与水文钻探结合的系统勘查模式[12⇓-14];③总结出综合利用联合剖面法、高密度电法、激电测深等传统地面物探方法可有效识别断裂构造[15-16],利用水文测井可替代取心方法来确定构造裂隙水层位[17-18]。

泾县榔桥地区主要赋存榔桥岩体花岗闪长岩,完整岩体通常不透水且含水性差。综合地质情况和前人成果,本文以泾县榔桥马渡桥村一带为研究靶区,开展了地面物探与水文测井在矿泉水勘查中的综合应用研究。通过本次综合物探工作及后期抽水试验,验证了研究区开展的综合物探方法的有效性,在一定程度上促进了矿泉水绿色勘查物探模式的发展。

1 地质概况

研究区地处榔桥镇马渡桥村,北距泾县县城约32 km,南西与旌德县三溪镇相邻,行政区划隶属宣城市泾县。

1.1 区域地质

研究区位于江南古陆北缘与扬子凹陷的交接地带,分布的地层主要为志留系—三叠系碎屑岩、碳酸盐岩。岩浆岩侵入体分布广泛,代表性岩体为榔桥岩体,岩性为花岗闪长岩,年龄为135.8±0.58 Ma[19-20]。印支期NE向褶皱铸就了区内NE向构造为主体的构造格局,区内构造十分发育,以NE和NW向断层最为普遍,见图1。

图1

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图1   区域地质简图

Fig.1   Regional geological sketch map


1.2 研究区地质及水文地质

研究区内主要出露榔桥岩体花岗闪长岩,平面上呈NE向长条状分布(图2)。岩体风化强烈,地表多为风化层覆盖,露头情况较差。区内构造类型主要为断层和节理:断层发育规模较小;节理以剪节理为主,张节理多为NW或NE走向。

图2

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图2   研究区地质及物探工程布置

Fig.2   Geological and geophysical engineering layout of the study area


区内地下水类型主要为风化带裂隙水、基岩裂隙水和构造裂隙水。风化带裂隙水含水岩组一般由风化成砂状的花岗闪长岩组成,单井出水量一般为10~20 m3/d;基岩裂隙水和构造裂隙水含水岩组由花岗闪长岩组成,节理、裂隙较为发育,含较为丰富的裂隙和构造裂隙水,在导水断裂和构造有利部位单井出水量较大,可达50~150 m3/d。

研究区地下水补给条件良好。地下水总体径流方向自东向西,较为发育的NW向构造具张扭性力学特征,为天然矿泉水的形成提供了良好的储水和导水通道;加之区内花岗闪长岩次级构造裂隙和节理较为发育,对降水的入渗、地下水的运移和富集十分有利,也为天然矿泉水的形成创造了有利条件。

2 矿泉水成因模式及研究路线

根据收集到的区内地质及水文资料以及榔桥岩体及含水岩组特征、浅层地下水采集结果等资料,研究区具备向斜式的构造背景,断层破坏的核部或翼段多发育顺向深大断裂及与之配套的横向断层,与安徽省旌德、黄山地区偏硅酸型矿泉水地质条件相似[21],应为花岗闪长岩中的断裂深循环型(图3)。

图3

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图3   研究区矿泉水成因示意

Fig.3   The schematic sketch of the genesis of mineral water in the study area


为进一步明确研究区矿泉水形成机制,确定矿泉水异常区范围,在研究区及周边进行了约15 km2的1∶50 000水文地质调查,主要参照《1∶50 000水文地质调查规范》(DZ0282-13727-2015)[22]。其中民井调查点38处,地质(构造)调查点85点,地表水调查点6处,采集样品44件,分析结果见表1。

表1   研究区地下水、地表水采样分析结果

Table 1  Analysis results of groundwater and surface water sampling in study area

水样指标/(mg·L-1)水化学类型
偏硅酸锶氟总硬度总碱度
浅层地下水24.4~58.80.07~0.430.63~1.3128.28~211.3829.57~139.76HCO3-Ca·Mg或
HCO3-Ca·Na
地表水(水库和溪流)11.9~22.2

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通过水文地质调查,总体确定了以榔桥马渡桥村一带为本次研究靶区。受出露花岗闪长岩风化强烈且植被覆盖等影响,地质调查对断裂构造追索效果并不理想。经充分研究,设计技术线路见图4,矿泉水勘查全过程参照《天然矿泉水资源地质勘查规范》(GB/T13727-2016)[23]。

图4

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图4   研究区矿泉水勘查技术线路

Fig.4   The technical route map for mineral water exploration in the study area


3 物探方法选择

通过前述总结,指示该区矿泉水勘查的主要方向为与断裂构造直接联系的裂隙水。根据前人研究和地质资料,完整花岗闪长岩电阻率ρs约为800~2 000 Ω·m,而含水破碎带的电阻率ρs约为100~800 Ω·m,表现为明显的低阻异常区[24]。另一个用来寻找含水破碎带的重要参数为横波波速vs,花岗岩类vs一般为2.0~3.8 km/s,断层破碎带和断裂构造在天然源面波勘探(微动)视横波速度显示低速异常或明显的速度差异[25]。

根据花岗闪长岩中断裂构造与完整岩体的电阻率ρs、横波波速vs的差异,设计了包括联合剖面法、高密度电法、瞬变电磁、天然源面波勘探(微动)的地面综合物探方法;根据含水层位的水文测井异常特征,设计了水文测井的井中物探方法。通过地井联合方法不仅能相互验证,也能进一步明细区内富水构造的空间展布情况。

3.1 联合剖面法

联合剖面法对低阻异常体具有分辨率高、异常明显的优势,可直接用来寻找断裂构造等良导目标体[26]。一般而言,陡倾良导体正上方会出现明显的正交点,正交点通常表现同步ρsA曲线下降和ρsB曲线上升的交点,以及同步低交点。

研究区开展联合剖面法主要使用的仪器有DJF-6型5 kW发送机及DWJ-3B型接收机等,为北京地质仪器厂生产研发。选用2种不同极距(AO=55 m、110 m)同点观测, MN=10 m,B∞,AB约为700~1 000 m,遵循《电阻率剖面法技术规程》(DZ/T0073-2016)[27]。

3.2 高密度电法

高密度电法可以同时提供地下一定深度的横向和垂向的电性变化,具有采集效率高、地电信息丰富等优点,在工程建设、矿产勘查等领域获得了广泛的应用[28⇓-30]。

研究区高密度电法野外工作采用的仪器为GD-10型直流电法测量系统,采用温纳装置,测量点距为10 m,隔离系数1~32,最大电极数为120根,主要遵循《电阻率剖面法技术规程》(DZ/T0073-2016)[25]、《电阻率测深技术规程》(DZ/T0072-93)[31]。

3.3 瞬变电磁法

瞬变电磁法是通过在不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场,在一次脉冲场间歇期间观测地下半空间内二次涡流场的时间域电磁勘探方法[32]。瞬变电磁的感应电压U与电阻率ρ的2/3次方成正比[33],因此瞬变电磁对电性差异的分辨率比直流电法更高。

研究区开展瞬变电磁工作使用仪器为重庆大学生产研发的FCTEM小回线瞬变电磁系统,该系统利用高速线性关断技术实现了大电流的高速关断[34],达到了兼顾减小盲区和保证深度的目的。采用中心回线装置,测量点距20 m,发射磁矩1 500 A·m2,供电电流60 A,参照技术标准为《地面磁性源瞬变电磁技术规程》(DZ/T0187-2016)[35]。

3.4 天然源面波勘探(微动)

大量统计数据的结果表明,当以天然源面波振幅分布作为随机变量时,可以通过自相关函数研究其时间稳定性[36]。天然源面波勘探(微动)即是从天然场的复杂信号中提取出瑞雷面波的频散特性,最后通过反演频散曲线来获取地下视横波速度vs的方法[37]。

研究区天然源面波勘探(微动)使用合肥国维有限公司生产制造的GN201微动探测系统,采用嵌套式等边三角形台阵,提取频散曲线所用方法为空间自相关法(SPAC),采样频率0.25 MHz,采集时间30 min,有效勘探深度约为300 m,参照《城市工程地球物理探测标准》(CJJ7-2017)[38]进行施工。

3.5 水文测井

笔者根据多年的水文测井实践总结得到:富水断裂构造表现为明显低电阻率;自然电位异常幅度能反映渗透性强弱,研究区矿物离子浓度较大,对应透水性好的层段表现为明显右偏;断裂构造致岩体部分破碎,自然伽马数值明显减小。 本次水文测井工作采用中地装(重庆)地质仪器有限公司生产的JGS-1B智能测井系统进行数据采集,测量方式为向上测量,测量点距0.2 m,参照《水文测井工作规范》(DZ/T0181-1997)[39]进行施工。

4 综合物探成果及验证研究

按照研究实施进度,分地面综合物探、水文钻孔宜井井位、综合物探成果验证具体展开。

4.1 地面综合物探

区域地质资料显示主要断裂构造为NW向和NE向,据此设计投入与其垂直的物探剖面,南区布设S1~S7剖面,北区布设N1~N5剖面,如图2所示。本文首先通过联合剖面法对断裂构造良导体指示性好进行研究区断裂构造的全面调查,继而于有利异常位置合理布置高密度电法、瞬变电磁、微动中的一种或多种,进行查证对比及综合分析。

以S7及N3综合物探剖面成果(图5)为例。对应联合剖面法结果显示:在正交点附近(S7剖面1600点、N3剖面1100点及N3剖面1500点),微动显示正对明显低速异常中心,高密度电法及瞬变电磁均表现明显低阻下凹异常。通过地面综合物探方法的相互验证,可以较为直观地筛选出潜在断裂构造异常。结合区域构造发育特征及平行剖面的综合物探异常反映,于S7剖面推测F5断裂构造,于N3剖面推测F6、F7断裂构造,其具体展布情况见表2。其后,分别于S7剖面推测F5及N3剖面推测F6断裂构造位置施工ZK01、ZK02(图5),经水文钻探及水文测井综合验证确为赋水断裂构造。

图5

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图5   S7(a)、N3(b)综合物探剖面成果

Fig.5   The map of S7(a) and N3(b) integrated physical prospecting profile results


表2   地面综合物探推测断裂构造

Table 2  Fracture structure inferred by ground-based integrated physical prospecting

推测断
裂构造		走向具体展布
F1NNES2:1030点—S4:1110点
F2NWS1:1400点—S4:1110点
F3NNES2:1420点—S5:1300点
F4NNES7:1600点—S4:1900点—S3:1600点
F5NWWS6:1420点—S7:1600点—S3:1120点
F6NWWN5:1090点—N2:1680点—
N3:1080点—N1:1080点
F7NWWN4:1810点—N3:1520点—N1:1540点

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基于S7及N3剖面综合物探异常特征,既验证了在研究区寻找断裂构造具备充分的地球物理前提,也指示了应以联合剖面正交点位置为引导、查证对应低电阻率ρs和低横波速度vs为断裂构造识别特征。结合区内主要断裂构造走向,综合推测了7条断裂构造(表2),其中F2断裂构造经地质调查为平移断层、F5及F6断裂构造得到水文测井验证。

4.2 水文钻孔宜井井位

水文钻孔的井位确定遵循以下的研究思路:①通过遥感地质解译初步判断区内主要断裂构造的分布;②通过综合物探推测的断裂构造确定精细目标;③通过地质调查对部分地表出露的断裂构造查明验证;④综合①、②、③成果及井位周边环境情况确定2处宜井井位。

图6为地面综合物探推测及遥感解译成果,可以看到:研究区地面综合物探推测的断裂构造与遥感地质解译的断裂构造在区域分布上相近,空间走向经地质调查,地面综合物探推测的F2断裂构造为平移断层。该断层出露于工作区中部西边方家附近,地表出露宽度约3~5 m,产状227°∠85°,发育构造角砾岩,角砾成分主要为花岗闪长岩及石英碎块,硅质胶结(图7)。

图6

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图6   地面综合物探推测成果(a)及遥感解译成果(b)

Fig.6   The map of ground-based integrated physical prospecting results(a) and remote sensing interpretation results(b)


图7

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图7   F2断层面(a)及构造角砾岩(b)

Fig.7   F2 fault surface (a) and tectonic breccia (b) in real view


对比研究区遥感地质解译成果、露头断层调查成果,认为研究区地面综合物探推测的断裂构造较为准确,与实际地质情况基本相符。结合区内NW向断裂构造为张扭性,具备储水和导水的良好条件。综上,以地面综合物探推测的NW向断裂构造为重点,实地勘测水源地及周边环境状况,优选S7物探剖面1600点布设ZK01、N3物探剖面1100点布设ZK02。其中ZK01位于钟山小学附近,地面综合物探反映为F4、F5断裂构造交汇点及低电阻率低波速异常,设计孔深300 m;ZK02位于上谈村附近,地面综合物探反映为F6断裂构造及低电阻率低波速异常,设计孔深300 m。

4.3 综合物探成果验证

ZK01、ZK02均采用气动潜孔锤钻进,整孔未取心,引入水文测井方法来作为含水层判别的主要依据。ZK01、ZK02水文测井及抽水试验等结果分别很好的验证了地面综合物探推测的NW向F5、F6富水断裂构造。

4.3.1 水文测井

对于完整花岗闪长岩(隔水层),水文测井表现为高电阻率、高自然伽马及相对稳定自然电位特征;对于裂隙含水层,总体表现为低电阻率和自然电位右偏水文测井特征。而根据ZK01、ZK02实测结果(图8)来看,本区裂隙含水层又可分为风化裂隙(深度较浅)、基岩裂隙及断裂构造3种,分别呈现不同的组合异常特征,以ZK01、ZK02具体情况展开。

图8

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图8   ZK01、ZK02水文测井曲线及综合解释

Fig.8   ZK01, ZK02 hydrological logging curves and integrated interpretation


对于ZK01,以150~200 m段为完整花岗闪长岩的测井背景场,其水文测井异常特征分为2种:①75~85 m,表现明显低电阻率、自然电位明显右偏以及低自然伽马异常,对应变化幅值分别约为-200 Ω·m、10 mV、-40 API,且钻机描述该段较为破碎,解释为断裂构造,显示透水性好,为强富水;②85~138 m和256.5~300 m,表现为低电阻率、自然电位右偏异常,解释为基岩裂隙发育,显示透水性较好,为弱富水。

ZK02中部破碎严重,致底部垮塌,水文测井最大深度为142 m。以52~82 m段为完整花岗闪长岩的测井背景场,其含水层水文测井异常特征分为3种:①34~52 m,表现为明显低阻、自然电位右偏特征,解释为风化裂隙,显示透水性较好,为弱富水;②82~96.5 m和130~142 m,表现为明显低阻、自然电位明显右偏以及低自然伽马异常,对应变化幅值分别约为-400 Ω·m、30 mV、-100 API,且提钻过程中带出大量似角砾岩碎状物,解释为断裂构造,显示透水性好,为强富水;③96.5~130 m,表现为低电阻率、自然电位右偏异常,解释为基岩裂隙发育,显示透水性较好,为弱富水。

4.3.2 抽水试验

按照水文测井解译的裂隙含水层位置下置滤水管,稳井后分别对ZK01、ZK02进行了3个落程的稳定流抽水试验,对应均取最大降深为S3时计算涌水量,对具体抽水时间及试验结果进行了统计(表3)。由结果可知:当最大降深为80 m时,ZK01渗透系数日出水量为51.36 m3,当最大降深为35.27 m时,ZK02 日出水量为81.69 m-3,基本满足研究区矿泉水勘查单孔出水量要求。

表3   ZK01、ZK02抽水试验结果

Table 3  ZK01,ZK02 pumping test results

项目ZK01ZK02
降深(S)S3S3
抽水开始时刻2021/1/4 20:302021/1/17 13:00
抽水结束时刻2021/1/5 23:302021/1/19 12:00
抽水延续时长/h2747
抽水稳定时长/h2424
降深值/m8035.27
涌水量/(m3·d-1)51.3681.69

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4.3.3 水质分析

经统计(表4),ZK01、ZK02送检水样品偏硅酸含量达到矿泉水水质要求,其他各项主要指标均符合天然矿泉水标准。

表4   ZK01、ZK02水质分析主要指标结果

Table 4  Main index results of ZK01 and ZK02 water quality analysis

水文钻孔取样时间水样分析项w(偏硅酸)
/(mg·L-1)		w(锶)
/(mg·L-1)
ZK014033.50~42.700.09~0.10
ZK02枯水期3841.50~48.100.17~0.19
丰水期3938.80~41.330.22~0.23

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5 结论

1)为了寻找构造裂隙水,科学投入了地井联合的综合物探方法。通过地面综合物探方法实现了花岗闪长岩中断裂构造的精确定位;通过水文测井方法实现了构造裂隙水层位的精准识别,成功探明单孔出水量约为50~80 m3/d的偏硅酸型饮用天然矿泉水。

2)通过联合剖面正交点、低电阻率ρs及低横波速度vs地面综合物探异常推测了7条断裂构造,其中 NW向F2断裂构造经查证为断层, NW向F4和F6断裂构造得到水文测井验证,预示了其他未验证NW向推测断裂构造为扩大矿泉水勘查成果的重点方向。

3)通过低电阻率、低自然伽马及自然电位明显右偏的水文测井异常精准响应,指示了区内富水断裂构造为中浅埋深(约75~140 m),走向主要为NW向。该成果在很大程度上揭示了区内赋存矿泉水断裂构造的空间分布,对后续矿泉水范围勘定具有重要意义。

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