物探方法在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

李遠(yuǎn)強(qiáng)

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

物探方法在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

李遠(yuǎn)強(qiáng)

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

物探方法是利用地下巖土體的物理性質(zhì)差異，使用儀器測(cè)試地下介質(zhì)的物性數(shù)據(jù)，利用計(jì)算技術(shù)，反演推斷出地下不同巖土體分布的一種無(wú)損快速的探測(cè)方法。不同的巖土體具有不同的密度、導(dǎo)電性、磁性等物理性質(zhì)，根據(jù)不同的物理性質(zhì)、采用不同儀器設(shè)備和方法進(jìn)行測(cè)試，可以解決不同的地質(zhì)問(wèn)題。本文論述了高密度電法、重力、磁法在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中解決基巖埋深、地下水情況、隱伏斷裂位置及特征、礦產(chǎn)分布等地質(zhì)問(wèn)題的情況，選擇適當(dāng)?shù)奈锾椒椒梢匀〉昧己玫牡刭|(zhì)效果。

高密度電法；重力；磁法；區(qū)域地質(zhì)調(diào)查

0 引言

物探是地球物理勘探的簡(jiǎn)稱，其基本原理是利用地質(zhì)體的物理性質(zhì)（密度、彈性波傳播速度、磁化率、電阻率、熱導(dǎo)率、放射性等）差異，采用儀器測(cè)量的方法，取得地下地質(zhì)體的物性數(shù)據(jù)，再依據(jù)特定的計(jì)算方法進(jìn)行反演，來(lái)確定地質(zhì)體的分布、特征等屬性，進(jìn)而解決地質(zhì)問(wèn)題。對(duì)于區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作來(lái)講，地表調(diào)查取得了很重要的地質(zhì)信息，但對(duì)于地下地質(zhì)體的分布情況，要依靠其它勘探方法，如物探、鉆探、坑槽洞探等，其中物探以其方法種類(lèi)多、應(yīng)用領(lǐng)域廣、經(jīng)濟(jì)效益高、工作效率高、探測(cè)效果好等特點(diǎn)，使其在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作中得到廣泛應(yīng)用，主要解決的地質(zhì)問(wèn)題有：地下金屬礦產(chǎn)勘查、地下水勘查、基巖埋深探測(cè)、隱伏斷層位置確定等。物探方法既可以進(jìn)行面積性普查，也可以進(jìn)行剖面測(cè)量，還可以進(jìn)行單點(diǎn)探測(cè)，方法使用靈活，野外施工方便，是其它勘探方法不可替代的。

本文以《河北1:5萬(wàn)雷莊(J5 0E0 02 019)、石門(mén)(J50E002020)、昌黎縣(J50E002021)、灤南縣(J50E003019)區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查》工作為依托，論述了物探方法在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中解決的地質(zhì)問(wèn)題及效果，物探方法包括高密度電法、重力、磁法、可控源音頻大地電磁法，解決的地質(zhì)問(wèn)題主要有基巖埋深、隱伏斷層分布及特征。

1 地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

工作地區(qū)位于燕山南麓山前平原地帶，地勢(shì)北高南低，平均海拔40～60m，地勢(shì)較為平坦，局部分布孤殘山，海拔80～100m不等。

1.2 氣象水文

工作地區(qū)屬于華北暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)型氣候，冬季受西伯利亞和蒙古冷空氣的影響，盛行偏北風(fēng)；夏季受海洋氣團(tuán)和太平洋高壓的影響，盛行偏南風(fēng)。春季干燥多風(fēng)、夏季悶熱多雨、秋季晝暖夜寒、冬季寒冷少雪。全年平均氣溫10.5℃。全年平均日照2651.5小時(shí)。常年平均降水量為714.5mm。河流有灤河、沙河兩條較大河流。

1.3 地層巖性

主要地層為第四系（Q）、奧陶系、寒武系、薊縣系、長(zhǎng)城系地層，地表多為第四系覆蓋。

第四系(Q):分布于工作區(qū)的大部分區(qū)域，主要為上更新世、全新世沖洪積物，巖性主要為粗-細(xì)礫、粗-中-細(xì)-粉砂、亞砂-亞粘土。沉積由北部前山區(qū)向南部平原區(qū)顆粒物逐漸變細(xì)。

奧陶系亮甲山組（O l）、冶里組（O y）：分布于工作區(qū)西北，表現(xiàn)為局部的孤殘山，巖性為灰?guī)r，多分布采石場(chǎng)。亮甲山組與冶里組平行整合接觸。

寒武系炒米店組（∈cm）、崮山組（∈g）、張夏組（∈z）：分布于工作區(qū)西北，表現(xiàn)為局部的孤殘山，巖性為灰?guī)r，多分布采石場(chǎng)。奧陶系冶里組與寒武系炒米店組整合接觸，炒米店組與崮山組、崮山組與張夏組均為整合接觸。

待定系景兒峪組（Q bj）、龍山組（Q b l）：分布于工作區(qū)西北，表現(xiàn)為局部的孤殘山，巖性砂巖-粉砂巖。與上覆地層寒武系張夏組接觸關(guān)系不詳，景兒峪組與龍山組整合接觸。

薊縣系霧迷山組（J xw）、楊莊組(J xy)、高于莊組（J xg）: 分布于工作區(qū)北部，表現(xiàn)為局部的孤殘山，巖性為灰?guī)r-白云質(zhì)灰?guī)r-白云巖。與上覆地層待定系龍山組平行不整合接觸，霧迷山組與楊莊組、楊莊組與高于莊組均為整合接觸。

長(zhǎng)城系大洪峪組（C hd）：分布于工作區(qū)北部，表現(xiàn)為局部的孤殘山，巖性為砂巖-粉砂巖。與上覆地層薊縣系高于莊組接觸關(guān)系不詳。

新太古代侵入巖（Ar3ηγ），分布于工作區(qū)北部，巖性為二長(zhǎng)花崗巖。

1.4 構(gòu)造活動(dòng)

工作區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，主要包括近東西向的安各莊斷裂、九百戶斷裂，近南北向的雷莊-趙店子斷裂、西郭莊斷裂、芝麻山西斷裂、灤縣斷裂、山東莊斷裂?；鶐r露頭處多見(jiàn)斷層構(gòu)造。

1.5 地下水

工作區(qū)地下含水層分為第四系孔隙水含水巖組、基巖裂隙水含水巖組和巖溶水含水巖組，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)試潛水位5～30m不等。地下水補(bǔ)給以大氣降水直接補(bǔ)給為主，河水補(bǔ)給為輔；工作區(qū)第四系以粉砂為主，地下水滲流條件好，大氣降水逕流系數(shù)小，大氣降水直接深入地下補(bǔ)給地下水；地下水排泄有地表蒸發(fā)、工業(yè)機(jī)井抽取、農(nóng)業(yè)機(jī)井灌溉等。

1.6 人類(lèi)工程活動(dòng)

人類(lèi)工程活動(dòng)主要為城市擴(kuò)張改造、修建道路、建設(shè)工廠和農(nóng)田耕種，舊縣城改造表現(xiàn)為縣城周邊基礎(chǔ)建設(shè)頻繁，房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)和道路改造等；局部地區(qū)圈地建設(shè)工廠，主要為煉鋼鋼廠，同時(shí)為治理大氣環(huán)境，也關(guān)閉了一些小型煉鋼企業(yè)。開(kāi)山采石現(xiàn)象嚴(yán)重，山上植被遭受了嚴(yán)重破壞，基巖裸露。沿沙河河道有較大的采砂坑，為當(dāng)?shù)夭缮霸斐?，不利于河道泄洪。村莊建設(shè)多為平房，鄉(xiāng)鎮(zhèn)及縣城樓房居多，街道路面已硬化，為水泥路面或混凝土方磚鋪砌。由于人類(lèi)工程活動(dòng)頻繁，當(dāng)?shù)丨h(huán)境污染比較嚴(yán)重，常常是沙塵隨風(fēng)飛揚(yáng)。淺層地下水已經(jīng)遭受污染，飲用水只能從深部抽取。

2 方法原理

物探方法實(shí)施的前提是地質(zhì)體的物性差異，根據(jù)收集資料和樣品測(cè)試總結(jié)出研究區(qū)域地質(zhì)體主要物理性質(zhì)見(jiàn)表1。依據(jù)這些物性差異，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件和解決的地質(zhì)問(wèn)題，采用的物探方法有高密度電法、重力、磁法和可控源大地電磁測(cè)深法。

表1 地質(zhì)體物理性質(zhì)一覽表

2.1 高密度電法

高密度電阻率法（簡(jiǎn)稱高密度電法）勘探是以地殼中巖石和礦物體及其他地質(zhì)問(wèn)題的導(dǎo)電性差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過(guò)觀察與研究人工建立的地中電流場(chǎng)（穩(wěn)定場(chǎng)或交變場(chǎng)）的分布規(guī)律進(jìn)行找礦和解決地質(zhì)問(wèn)題的一組電法勘探分支方法。與常規(guī)電阻率法一樣，它通過(guò)A、B電極向地下供電流i，然后再M(fèi)、N極間測(cè)量電位差，從而可求得該點(diǎn)（M、N之間）的視電阻率值(k為裝置系數(shù))。實(shí)際上，高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，測(cè)量時(shí)只需要將全部電極（幾十至幾百根）沿測(cè)線按一定的電極間距布設(shè)在測(cè)點(diǎn)上。然后用多芯電纜線將各電極按一定的順序連接到電極轉(zhuǎn)換器和多功能直流測(cè)儀上。進(jìn)入正式測(cè)量時(shí)，利用程控電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和直流電法儀，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集，觀測(cè)數(shù)據(jù)將有序的逐次存入隨機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)。當(dāng)測(cè)量結(jié)果傳入計(jì)算機(jī)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種物理解釋的結(jié)果。

2.2 重力

重力勘探原理是通過(guò)測(cè)定某種靜力平衡體系在重力作用改變時(shí)產(chǎn)生的位移來(lái)確定重力的相對(duì)變化，通過(guò)測(cè)量不同巖性組合的密度（σ）差異來(lái)確定密度界面的起伏變化情況，主要用來(lái)圈定構(gòu)造的范圍， 由于在斷裂構(gòu)造上，通常密度變化較大，反映在重力平面圖上，等值線較為密集，梯度較大，故利用該方法不但可以了解密度差異界面起伏變化情況，可確定斷裂的構(gòu)造部位，從而可以確定斷裂和基底構(gòu)造的形態(tài)、位置等。

2.3 磁法

自然界的巖石和礦石具有不同磁性，可以產(chǎn)生各不相同的磁場(chǎng)，它使地球磁場(chǎng)在局部地區(qū)發(fā)生變化，出現(xiàn)地磁異常。利用磁力儀發(fā)現(xiàn)和研究這些磁異常，進(jìn)而可以尋找磁性礦體和研究地質(zhì)構(gòu)造。

3 探測(cè)效果

3.1 高密度電法

高密度電法取得的主要成果為：①垂向地層劃分，確定基巖埋深；②確定的斷層位置及其特征，經(jīng)對(duì)斷層的特征分析，確定有兩種類(lèi)型的斷層。

圖1 G32測(cè)線高密度電阻率法ρs斷面及地質(zhì)解譯成果圖

圖1為G 32測(cè)線高密度電法ρs斷面及地質(zhì)解譯成果圖。從圖上可以清晰看出：垂直方向上可清楚地分為3層：①淺表不含水的粉細(xì)砂層：高阻層，層厚從10～30m不等，視電阻率值150～500Ω.m。②中部含水豐富的粉細(xì)砂：低阻層，層厚30～70m不等，視電阻率值50～100Ω.m。③深部基巖：次高阻層，基巖面深度從70～90m不等，視電阻率值100～400Ω.m。最深探測(cè)深度為160m。

在測(cè)線480～560m、深80～160m處出現(xiàn)的縱向低阻帶，推測(cè)為含水破碎帶呈低電阻率這一特點(diǎn)在該處的異常反應(yīng)，結(jié)合地質(zhì)資料推測(cè)該處為雷莊—趙店子斷裂。該異常特征為：橫向?qū)?0m、縱向近直立、兩側(cè)基巖埋深相差約15m（西高東低）、巖體較破碎且含水。

圖2為G05測(cè)線高密度電法ρs斷面及地質(zhì)解譯成果圖。該圖可以看出：在640～700m處，基巖埋深從-40m陡降至-150m，推測(cè)該處存在產(chǎn)狀較陡立的正斷層，傾向約90°，傾角約75°。結(jié)合1/25萬(wàn)地質(zhì)圖上提供的資料信息，判定該處為西郭莊斷裂，其平面位置比原圖標(biāo)注位置向東偏移了480m。

在測(cè)線410m處實(shí)施鉆探驗(yàn)證孔ZK04，揭露基巖灰?guī)r埋深為76.95m，對(duì)應(yīng)該深度高密度電法ρs值為100Ω.m，依據(jù)該鉆孔確定的視電阻率值，準(zhǔn)確地劃定其它剖面線基巖埋深。鉆孔驗(yàn)證了高密度電法的剖面地質(zhì)解譯的準(zhǔn)確性，確定了第四系基巖分界的ρs值，提高了的物探數(shù)據(jù)的可信度和準(zhǔn)確性，解決了斷層的存在、位置和特征的地質(zhì)問(wèn)題。

圖2 G05測(cè)線高密度電法ρs斷面及地質(zhì)解譯成果圖

3.2 重力

重力勘探剖面曲線反映出地下基巖埋深的特征：剖面線兩側(cè)及中間有基巖出露，其重力值較大；對(duì)應(yīng)重力值較小區(qū)段，為基巖埋深較大區(qū)段。1400號(hào)點(diǎn)西部表現(xiàn)重力負(fù)異常，說(shuō)明地下的巖性密度較小，第四系覆蓋厚。1620號(hào)點(diǎn)附近有二長(zhǎng)花崗巖出露，這與剖面顯示的正值吻合。1400號(hào)點(diǎn)以東表現(xiàn)正異常，說(shuō)明地下的巖性密度較大，基巖埋深較淺。

圖3為布格重力Δg剖面曲線，及地質(zhì)解譯圖，其中，856、1048 、1392這3個(gè)點(diǎn)位與雷莊－趙店子斷裂、西郭莊斷裂及芝麻山西斷裂構(gòu)造的位置相對(duì)應(yīng)，248點(diǎn)位推斷為隱伏斷裂；點(diǎn)號(hào)248為新發(fā)現(xiàn)的斷裂。

新發(fā)現(xiàn)斷裂在剖面上反映為向東傾斜，傾角較大；雷莊－趙店子斷裂在剖面上反映為向西傾斜，傾角較小；西郭莊斷裂，在剖面上反映為向東傾斜，傾角較大；芝麻山西斷裂剖面上反映為向西傾斜，傾角稍大于西郭莊斷裂。

圖3 測(cè)線布格重力Δg剖面曲線及地質(zhì)解譯圖

3.3 磁法

在經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的河北唐山地區(qū)進(jìn)行磁法勘探受干擾因素較多，主要有村莊、廠礦、配電站、鐵路、道路、高壓線等，干擾磁場(chǎng)值的特征為：背景值上下幾百nT范圍內(nèi)的跳躍式劇變，故干擾區(qū)域難以提取到有用的信息。

在沒(méi)有干擾的區(qū)域，測(cè)線1804點(diǎn)—1868點(diǎn)處存在一處ΔT正異常區(qū)，異常寬約640m，異常值500～1500nT（背景值-100nT），呈雙峰“M”形。據(jù)原鐵礦勘探資料，該處存在相鄰兩處、近南北向、條帶狀鐵礦帶，與該磁異常位置一致。說(shuō)明該磁異常是地下鐵礦引起的。

圖4為異常處磁法勘探ΔT剖面曲線圖。

圖4 異常處磁測(cè)ΔT剖面曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用物探方法可以很好地解決區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作中的具體地質(zhì)問(wèn)題。

通過(guò)高密度電阻率法、重力勘探法可以準(zhǔn)確地劃定基巖埋深，兩種方法結(jié)果一致，并經(jīng)過(guò)鉆孔的驗(yàn)證和校準(zhǔn)，探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

高密度電法和重力勘探均反映出隱伏斷裂的分布，除了驗(yàn)證雷莊-趙店子斷裂、西郭莊斷裂、芝麻山西斷裂，新發(fā)現(xiàn)1處新斷裂，位于沙河西側(cè)。此外，發(fā)現(xiàn)主斷裂附近發(fā)育多處次級(jí)隱伏斷裂。

該地區(qū)磁法勘探干擾較多，但在相對(duì)干擾小的區(qū)域也可以取得良好的探測(cè)效果。

致謝

對(duì)于李良景和王山亮兩位地質(zhì)高級(jí)工程師的熱情幫助和有益建議，在此表示感謝。

［1］李金銘.地電場(chǎng)與電法勘探.北京：地質(zhì)出版社，2005.

［2］謝忠球等.提高高密度電阻率成像分辨率的數(shù)據(jù)處理技術(shù).湖南省地球物理論叢(2001),中南大學(xué)出版社.

［3］李清林等. 地電成像及其在地學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究.北京：地震出版社，2010.

［4］曾化霖. 重力場(chǎng)與重力勘探. 北京:地質(zhì)出版社,2005.

［5］西安地質(zhì)學(xué)院. 磁法勘探. 北京:地質(zhì)出版社,2008.

The Application of Geophysical Exploration in Regional Geology Survey

LI Yuanqiang

(Beijing Institute of Geology, Beijing 100120)

Geophysical exploration is based on different physical property of rock-soil body to measure the rock-soil body physical-value by equipment, and inversely compute and distinguish different rock-soil. It’s quick and non-destructive. Rocks and soils have different density, electrical conductivity and magnetic. It needs to apply different equipment and method for different physical property, to solve different geoscience problem. This paper discusses high density resistivity method, gravity method and magnetic method to solve geoscience problem in regional geology survey, for example, determ ining the depth of bed-rock and underground water, location and feature of hidden fault, m ineral resources. Suitable geophysical equipment and method can acquire effective geological result.

High density resistivity method；Gravity method；Magnetic method；Regional geology survey

P631

C

1007-1903（2015）01-0056-05