0 引言
西藏日土县地处阿里地区北部盆地平原,是国家级贫困县,气候干旱少雨,年均降水量不足100 mm,是西藏降水量最少的地区之一。日土县地区无大型地表径流分布,严重的水资源匮乏是制约该县社会经济发展的重要因素之一,军民的安全饮用水无法有效保障也影响边疆的长期稳定安全。日土县地区多为高原湖盆地貌,湖盆谷地多以湖相沉积为主,湖相沉积主要为颗粒较细的黏土岩、泥质砂岩、粉砂岩等[1],因岩性含水性差导致了找水难度大、打井成功率低。受自然、社会、历史、经济等多方面的制约,该地区地质勘察、水文地质调查、地球物理勘探、水质评价等工作开展程度极低,相关资料极为匮乏,基本未开展过地下水的调查与研究。提高该区开展地下水的勘探与开发利用程度,不仅可以有效解决当地居民和驻军的安全饮水需求,也有利于维护祖国边疆的长治久安。
按照中国地质调查局军民融合地质调查中心的工作部署,精准对接当地政府、驻军的需求,在部队驻屯区开展了水文地质调查工作,重点部署地球物理工作,结合地球物理勘探与地质调查成果,精准确定钻井孔位,成功破解了日土县部队驻屯区的用水难题。
1 研究区概况
1.1 地理位置及地形地貌
研究区位于日土县城北东向约8 km,北距班公湖南东岸约4 km,西距玛卡藏布流域约9 km,南距781乡道约500 m,交通相对便利。区内地形结构十分复杂,海拔在4 300 m以上,山脉发育,地形切割较深,相对高差较大。
研究区地貌类型属高原湖盆区,为高原亚寒带季风半干旱气候,喀喇昆仑山与冈底斯山支脉横穿全境。由于气候干旱,流水作用弱,高原面保存完整,在四周山脉之间沿断裂带发育宽谷或串珠状湖盆洼地。按地貌的成因类型分类,研究区属于构造侵蚀剥蚀山地,相对切割深度500~1 500 m,山地内山峰陡峭,斜坡坡度为30°~40°,生长稀疏灌丛。
1.2 地层
区内地层主要有:全新世的冲洪积物和风积物;侏罗纪早中世的木嘎岗日群(J1-2M)岩屑石英砂岩与粉砂岩、粉砂质板岩、板岩不等厚互层,局部夹有紫红色砾岩与灰岩透镜体;侏罗纪晚世—白垩纪早世沙木罗组(J3K1s1)中粗砾岩、含细砾砂岩、钙质岩屑石英砂岩、细粒岩屑砂岩与粉砂质板岩,偶夹亮晶生物碎屑灰岩和熔结凝灰岩,以及班公湖蛇绿混杂岩片。地层出露整体呈近EW向带状分布(图1)。
图1
1.3 构造
研究区在大地构造位置上处于岗瓦纳北缘古生代—中生代冈底斯—喜马拉雅构造区,受SN向挤压和EW向扩张作用,构造主要表现形式为断裂,断裂以WN—SE向为主,少量呈SN向。该区的主断层为班公山—卜垄—巴尔琴断裂带。班公山段构造长期受乌江—盐湖NW向断裂控制,呈NW向展布,并发育NW、NS两组方向的剪切带,NS向剪切带与构造混杂岩带总体走向不太协调。构造混杂岩带中心为蛇绿质混杂岩岩片,两侧为木嘎岗日群泥砂质混杂岩带。
1.4 水文地质情况
研究区自第四纪上更新世以来伴随着区域上的持续抬升,形成了高山河谷地貌,山地不断升高,宽谷逐渐堆积形成了数百米厚的第四纪松散沉积物,构成了高山宽谷型水文地质单元。这个宏观格局决定了区内地下水的类型、分布和赋存;区内复杂多样的地层岩性,控制了地下水的类型、富集和运移规律。根据地下水赋存条件、水理性质、水力特征,对不同地下水进行分类:
1)第四系松散岩类孔隙水。区内河(沟)谷地是地下水赋存条件好、分布连续、水量丰富的地带,但受地形、地貌和含水介质的影响,其中也存在较大差异。谷侧山前洪积台(扇)地自第四纪以来接受了大量含不等量泥质的碎屑堆积物,也具有赋存地下水的空间条件,但受山地上升和坡洪积物覆盖影响,地势远高于河谷,且台(扇)地受到支谷水流不同程度的切割,堆积物完整性受到一定破坏,表现出松散岩类孔隙水分布不规律。
2)断裂构造裂隙水。研究区地下水的赋存条件与分布规律严格受地形地貌、地层岩性、地质构造和气象水文等因素的综合控制,在构造运动作用下,在断裂带内岩体整体呈碎块状,碎块之间的裂隙较大,节理裂隙十分发育,为地下水富集提供了较好的储存空间,富水性相对较好。
2 工作方法技术
2.1 方法依据
根据实地调查,研究区距离玛卡藏布约9 km,沿途未见支流,受河水补给的影响极小;北侧距班公湖约4 km,受道仁日—多仁分水岭阻断,湖泊水补给极少;考虑到阿里地区年平均降水量不足100 mm,道仁日—多仁分水岭无冰川积雪,冰雪融水、大气降水渗入补给少,故而工作区第四系松散岩类孔隙水贫瘠,难以满足军民用水需求。因此,选择断裂构造裂隙水作为主要研究对象。
通过日土县1∶25万区调资料,发现玛卡藏布及串珠状湖泊均呈NE向展布,指示一系列NE向张性断裂。从地形上判断,研究区呈现NE向负地形,已知的见水井均在河谷两侧。认为该方向的张性断裂具导水性,呈线性分布(图2),因此探查NE向张性断裂为该区寻找构造裂隙水的主要方向。
图2
2.2 地球物理方法
在区域地质资料分析、野外水文地质调查以及已知出水井位置分布规律的基础上,部署了综合地球物理勘探方法,探测地下深部的有利找水靶区,实现精准定孔。构造裂隙水是该区最主要的地下水类型,在以往的电阻率断面图上,该类型含水层往往表现为“条带”或“漏斗”状的低电阻率异常体特征,高、低电阻率起伏分界面与含水层位的变化异常响应关系明显[4],因此选择使用高密度电阻率测深、音频大地电磁测深来查明工作区地下隐伏张性断裂的空间展布特征。
本文依托项目在如色布驮—卜垄—唐刀昂保一带开展地球物理工作,在充分踏勘以及资料研究的基础上,依据研究目标的水文地质、地形、地貌、人文干扰情况,为达到岩性界线划分、了解断层延伸和走向、确定含水体赋存位置的目标,共布设了EW向剖面3条(图2)。
高密度电阻率法测量使用重庆地质仪器厂DZD-8仪器,采用温纳采集装置,点距10 m,隔离系数20层;音频大地磁法测量使用桔灯勘探Ather仪器,点距100 m,选择50 Hz陷波器进行工频滤波。
3 成果分析
3.1 高密度电法成果分析
高密度电法的3条测线方位均为90°,L2、L3测线长度为1 km;L4测线长度为2.2 km。采集数据经过带地形的二维反演,得到反演电阻率断面(图3)。
图3
L2线剖面电阻率变化区间较大,变化范围在50~950 Ω·m之间,横向上呈连续的层状电性结构,纵向上可划分为二个电性层位。第一电性层为高阻层,电阻率为500~1 400 Ω·m,发育厚度小于50 m,厚度分布不均匀,具中间厚、两侧薄的结构特征,电阻率整体较高,推测为第四系粉砂、黏土、粉砂质泥、粉砂互层。第二电性层为低阻层,电阻率范围为200~500 Ω·m,异常分布深度范围在30~120 m,平均厚度50 m,推测为第四系砾石、砂砾石层。
L3线电阻率变化范围较大,为150~1 150 Ω·m,横向连续性较好;纵向上电阻率由浅到深逐渐减小,与L2线电性结构、分层情况基本一致,分为二个电性层。
L4线的电阻率变化范围为150~950 Ω·m。与L2、L3线类似,在深度100 m范围内分为两层:第一层(高阻层)厚度约为80 m,第二层(低阻层)厚度约为20 m。在平距2 650~2 790 m之间有明显电阻率异常显示(东倾、倾角约70°),推测为张性活动断裂所导致,但与L3线所显示的非同一条断裂。
结合3条测线的高密度电法测量结果来分析,在L2、L3线未发现明显断裂,但距地表40 m以下显示为低阻异常,判断可能为透水性较好的砾砂、砂砾岩所形成的导水带所致。综合分析认为该区有很大的找水潜力。
3.2 音频大地电磁成果
为弥补高密度电法探测深度较浅、无法有效反映隐伏断裂等不足,在3条测线上还同时开展了音频大地电磁测量。采用成都理工大学开发的“MTsoft2.3”MT数据处理与解释系统进行非线性共轭梯度二维反演,获取深部电性特征,刻画储水构造的空间特征[8]。
图4a、b显示,L2、L3两条测线高、低阻异常的界线清晰,总体呈现浅部低阻、深部高阻的电性结构特征,电性结构横向连续性较好。第四系埋深厚度约为60~130 m,东西薄、中间厚,厚度分布不均匀,剖面整体显示地层呈高阻,局部包裹低阻岩体。分析认为深部的高阻电性结构主要为沙木罗组地层的反映,该套地层在日土县和班公湖附近,以一套砂板岩岩性组合为主。基于找构造裂隙水的目标,根据音频大地电磁剖面分析,在L2线1 600~1 800 m、L3线1 700~1 900 m处分布一条低阻异常梯级带,为断裂破碎带的反应。断裂向东倾伏、倾角约为70°,走向NE,埋深约为150 m,向下延伸超过500 m。推测该断裂为深渊断裂,是此次工作寻找的目标—NE向张性构造。
图4
根据L4线勘探结果(图4c),剖面整体呈现高—低—高三层电阻率特征,电性结构界限清晰,横向连续性好。因处于洪积扇扇缘的位置,第四系埋深较深,约150~200 m。深部的高阻岩体与L2、L3一致。在该剖面上出现二条倾向不同、深度不一的低阻异常梯级带:1 600~ 2 000 m处显示的低阻异常,推测由区域上NW向断裂引起,断裂西倾、倾角约为60°;2 700 ~2 900 m处出现的低阻异常推测为NE向张性断裂引起,断裂东倾、倾角约为70°。2条断裂下延均超过300 m,其中东侧出现的断裂为此次工作寻找的目标。
3.3 钻孔验证
综合高密度电法、音频大地电磁测深的成果分析,L2与L3所反应的应为同一条NE向张性断裂,该断裂在L3线附近岩石破碎程度较高、裂隙较发育,富水性更好,应优先开展钻孔施工;L4线中2 700~2 900 m处的断裂,两种物探方法对其均有显示,为此次勘查目标。因此,结合测线处水文地质情况并考虑施工条件,设计了2口井位。一口井位于L3线1 720 m处,设计孔深300 m,钻探揭露地层为沙木罗组,钻孔出水量为580 m3/d,见水处位于深度150 m、NE向张性构造处。另一口井位于L4线2 700 m处,设计孔深400 m,钻探揭露地层为沙木罗组,钻孔出水量为820 m3/d,见水段为200 m深处断裂破碎带位置。
4 讨论
4.1 物探方法对比
考虑到研究区的地下水类型、含水层的结构及深度、干扰强度,以及物探方法的分辨率等因素,建议同时采用这两种方法进行优化组合探测,以扬长避短、相互修正、相互补充和验证,可大大提高找水打井的成功率。
4.2 电性特征曲线差异成因
对不同地下水类型的电阻率特征进行梳理统计(表1),建立了不同含水层的电性特征曲线。该区地下水主要储藏在第四系松散岩类孔隙、构造裂隙中,因为裂隙和孔隙成因、规模产状、形态等不同,围岩(沙木罗组)的电阻率范围为1 000~11 000 Ω·m,裂隙和孔隙的含水层电阻率范围为80~800 Ω·m,电阻率的差异使不同地下水类型的电性曲线形态特征具有一定的差异性。该区断裂构造产状多呈陡倾角,沿断裂带裂隙垂直发育,且裂隙密度深度向下渐疏,地下水沿着断裂构造带赋存于裂隙中,断裂构造带含水层电性特征为“漏斗状”或“条带状”明显的低电阻率异常,这也是判别该区断裂构造裂隙水的标志[11-12]。第四系松散岩类孔隙水相对于断裂构造裂隙水,其电性特征的呈现方式略有不同,以“层”状低阻电性特征为主,是识别第四系具备储存地下水的重要标志。
表1 不同地下水类型电性特征
Table 1
| 地下水类型 | ρs/(Ω·m) | 电性特征 曲线形态 | |
|---|---|---|---|
| 围岩 | 含水层 | ||
| 断裂构造 裂隙水 | 1800~11000 | 200~600 | 呈陡降低阻“漏斗状”或“条带状”异常电性特征曲线 |
| 第四系松散 岩类孔隙水 | 600~1050 | 170~400 | 呈“层”状低阻电性特征曲线 |
5 结论
1)应用电法勘探手段在沉积环境相对稳定、地势平坦、水文条件相对简单的沉积岩区找水,不能只凭高密度电法显示的低阻异常就认为是富水岩层的地球物理标志,还要结合区域地质、水文地质情况及其他物探方法确定区域含水层、含水构造的位置[13]。本文在工作区采用高密度电阻率法+音频大地电磁法的方法组合,充分发挥两种物探方法的优势,多参数综合分析,提高了数据纵、横向分辨率,取得了较好的应用效果,有效提高了找水井位的准确度。
2)日土县地层构造发育,地下水的主要赋存多以断裂构造裂隙水的形式存在,使得该区域具备一定的补给面积、导水通道和储水空间等3个地下水富集的基本条件,下一步的工作部署将以寻找NE向张性断裂为目标。
3)本次找水工作取得的地球物理资料,可为日土县的找水定井工作提供基础数据参考和思路。同时,本文梯级的工作流程也对研究区水文地质研究工作开展具有一定的借鉴意义。
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