王亞飛,趙 璞,劉劭航,閆秀文,尹青青,張 敏,王占川,朱銘清,陳 凡
(1.中煤水文局集團 (天津)工程技術(shù)研究院有限公司,天津 300121;2.錫林郭勒盟隆興礦業(yè)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟 026000;3.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川 成都 611756)
螢石是氟元素最主要的來源,在新能源、高端制造及信息技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,是我國重要的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源,已探明資源量居世界前列[1-2]。內(nèi)蒙古阿巴嘎旗巴彥圖嘎螢石礦床為近年來發(fā)現(xiàn)的一處大型獨立螢石礦床(熱液充填型),礦體多賦存于上石炭統(tǒng)寶力高廟組火山巖地層中[3-5],為查明該類型地下水賦存規(guī)律,解決工業(yè)及畜牧用水,為礦區(qū)深部探采提供水文地質(zhì)條件相關(guān)依據(jù),有必要對礦區(qū)及周邊勘查區(qū)水文地質(zhì)特征進行系統(tǒng)性研究。由于該地區(qū)地表草原覆蓋較多,地下水埋藏復(fù)雜,根據(jù)勘查區(qū)內(nèi)自然條件及地下水賦存形式,采用可控源音頻大地電磁法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric Method,簡稱CSAMT)和視電阻率聯(lián)合剖面法尋找與斷裂有關(guān)的富水地段,解譯研究區(qū)斷裂構(gòu)造體系,查明地下深部隱伏富水構(gòu)造的空間分布特征,通過不同地球物理勘探方法之間相互驗證,減少物探解譯的多解性。
近年來,綜合地球物理勘探方法在地下水勘查中發(fā)揮著越來越重要的作用,尤其在探尋深層水系中,是一項必不可少的勘查手段。部分學(xué)者在相關(guān)研究中也取得了顯著的成果,如張立劍等[6]采用綜合電法查明了勘查區(qū)內(nèi)控水構(gòu)造特征、覆蓋層的厚度,確定了富水構(gòu)造的位置。齊信等[7]利用綜合物探方法對海南省瓊中縣花崗巖地區(qū)含水層電性特征及地下水賦存規(guī)律進行了研究。黃國民等[8]通過綜合電法工作總結(jié)了廣西碎屑巖地區(qū)的勘查經(jīng)驗。楊強等[9]利用可控源音頻大地電磁法驗證了導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造帶的空間分布特征。劉聲凱等[10]采用高密度電法和聯(lián)合剖面法在贛南花崗巖地區(qū)地下水勘查中取得了良好的勘探效果。本次研究在充分分析區(qū)域地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上,以野外水文地質(zhì)調(diào)查工作為前提,以基巖蓄水構(gòu)造理論和基巖地下水綜合找水技術(shù)[11-12]為指導(dǎo),總結(jié)并提出了本地區(qū)蓄水構(gòu)造類型和找水方向。以綜合地球物理勘查為技術(shù)手段,通過水文地質(zhì)調(diào)查與綜合物探相結(jié)合的方式,圈定找水靶區(qū),逐步縮小調(diào)查研究范圍,為水文地質(zhì)鉆探井位井深提供宏觀決策依據(jù),積累了火山巖地區(qū)復(fù)雜構(gòu)造背景下的水文地質(zhì)勘查工作經(jīng)驗。
研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中北部錫林郭勒盟阿巴嘎旗巴彥圖嘎蘇木一帶,區(qū)內(nèi)地貌主要為波狀高原和山前坡麓兩種類型,海拔標(biāo)高1 300~1 391 m,總體地勢中間高四周低,山脈與溝壑不明顯,地表形成大量低矮丘陵及寬緩溝谷且大面積被植被覆蓋,由于降水稀少,季節(jié)性缺水嚴(yán)重,區(qū)內(nèi)少有常年性地表水體,只在雨季時有部分積水洼地和季節(jié)性河流、坑塘。
2.1.1 地層巖性
區(qū)內(nèi)地層單元由老至新依次出露古生界上石炭統(tǒng)寶力高廟組(C2bl),屬陸相火山巖夾火山-正常碎屑沉積巖建造,巖石類型主要包括流紋巖、流紋質(zhì)角礫熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r等,整體呈北東-北北東向展布;中新生界上侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組(J3mk),主要為一套陸相酸性火山碎屑巖夾火山熔巖,巖石類型主要為流紋巖、流紋質(zhì)角礫晶屑巖屑凝灰?guī)r,呈角度不整合覆蓋于石炭系寶力高廟組之上;下白堊統(tǒng)梅勒圖組(K1m),屬陸相火山巖建造,巖石類型主要為青灰色玄武巖、玄武安山巖,與下伏地層角度不整合接觸;大磨拐河組(K1d)為河湖相沉積,地表表現(xiàn)為大量砂礫巖風(fēng)化形成的碎石、卵石,局部夾有炭質(zhì)泥巖及薄煤層,與下伏梅勒圖組整合接觸;新生界主要發(fā)育第四系更新統(tǒng)阿巴嘎組(Qpa)基性火山巖與殘坡積沉積物,以及全新統(tǒng)松散沉積物(Qh)。具體如圖1所示。
2.1.2 地質(zhì)構(gòu)造
研究區(qū)大地構(gòu)造位置位于西伯利亞板塊東南陸緣古生代增生帶、東烏旗-扎蘭屯晚石炭世-早二疊世火山型被動陸緣南緣。本區(qū)自早古生代以來,受西伯利亞板塊與華北板塊的碰撞拼合、中生代太平洋板塊北西向擠壓改造,產(chǎn)生的斷裂、褶皺和巖漿侵入活動較為復(fù)雜,形成了多系統(tǒng)、多期次的不同構(gòu)造形式及構(gòu)造疊加[13]??傮w構(gòu)造格架以北東向斷裂為主、北西向斷裂為輔,北東向壓性、壓扭性斷裂主要形成于印支期,于燕山期再次活化,延伸長度一般為10 km左右,傾角一般為50°~70°,個別構(gòu)成區(qū)域性大斷裂,北東向斷裂對地層及侵入巖的分布具有明顯的控制作用,是巖漿熱液的運移通道。北西向斷裂形成于燕山期和喜山期,在野外可見北西向斷裂常切割錯斷早期北東向斷裂,延伸長度為2~10 km不等,傾角一般為80°左右,部分次級斷裂規(guī)模較小。北西向張性斷裂是重要的容礦構(gòu)造,為成礦物質(zhì)的富集和沉淀提供了場所,同時也是重要的導(dǎo)水、儲水構(gòu)造[14]。
區(qū)內(nèi)含水巖組主要由第四系沖洪積松散巖類、白堊系大磨拐河組碎屑巖類、石炭系寶力高廟組火山巖類組成。根據(jù)賦存條件劃分為孔隙地下水、風(fēng)化帶裂隙地下水、斷裂構(gòu)造裂隙地下水三種類型。根據(jù)野外水文地質(zhì)調(diào)查,石炭系寶力高廟組構(gòu)造裂隙地下水富水性較好,主要為斷裂構(gòu)造錯動流紋巖、流紋質(zhì)凝灰?guī)r及各類脈巖等脆性巖層部位。受構(gòu)造錯動破碎影響,流紋質(zhì)巖類裂隙較為發(fā)育,容易呈塊狀產(chǎn)出,為地下水提供了賦存空間。礦區(qū)Ⅰ、Ⅱ號礦帶水文孔SH1、SH2證實了此種地下水賦存模式,通過野外調(diào)查可見,位于水文孔(SH2)南側(cè)30 m坡頂處,流紋巖X型節(jié)理極度發(fā)育,裂隙寬度大者可達(dá)2 cm,并出露有石英巖脈,多伴生螢石脈,塊狀石英脈局部空洞發(fā)育,似溶蝕狀,指示其可作為地下水補給通道,十分有利于大氣降水補給,由抽水試驗測得SH1、SH2單井涌水量為300~600 m3/d。
研究區(qū)不同巖性電阻率統(tǒng)計見表1,據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可見, 區(qū)內(nèi)螢石礦體為電阻率最高的地質(zhì)體,平均電阻率在1 000 Ω·m以上;花崗斑巖電阻率均相對較高,平均電阻率為795 Ω·m;石炭系寶力高廟組流紋巖類電阻率均值在400~500 Ω·m之間,呈中高電阻率電性特征;白堊系玄武巖為區(qū)內(nèi)電阻率較低的巖體,電阻率均值為250 Ω·m;第四系松散物的電阻率值最低,是明顯的低阻地質(zhì)體。由于區(qū)內(nèi)巖體在構(gòu)造裂隙發(fā)育位置的巖石結(jié)構(gòu)遭受破壞,巖石破碎處易于充填地下水或其他低阻介質(zhì),與圍巖存在明顯的電性差異,形成較為明顯的低阻異常帶,為本次研究工作提供了地球物理勘查前提。
1-第四系湖積淤泥;2-第四系沖洪積砂礫石;3-第四系阿巴嘎組;4-白堊系大磨拐河組;5-白堊系梅勒圖組;6-侏羅系滿克頭鄂博組;7-三疊系青克勒組;8-石炭系寶力高廟組第三巖段;9-石炭系寶力高廟組第二巖段;10-石炭系寶力高廟組第一巖段;11-石炭紀(jì)花崗斑巖;12-侏羅紀(jì)閃長巖;13-石炭紀(jì)石英正長斑巖;14-地質(zhì)界線;15-角度不整合界線;16-平行不整合界線; 17-實測斷層;18-推測斷層;19-物探靶區(qū);20-物探測線;21-螢石礦體;22-水文井圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及物探工作部署Fig.1 Regional geological structure and deployment of geophysical prospecting of the research area
表1 研究區(qū)主要巖石物性參數(shù)
根據(jù)前期水文地質(zhì)調(diào)查工作以及基巖地下水理論研究的地下水賦存規(guī)律,明確物探勘查靶區(qū)及勘查方向,主要依據(jù)為:斷裂構(gòu)造對本區(qū)火山巖地下水的分布、賦存規(guī)律起重要的控制作用,尤其北西向張性斷裂、新近活動的斷裂導(dǎo)水、富水性較好。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),北西向斷裂起源于燕山期,于喜馬拉雅構(gòu)造運動期再次復(fù)活,常切割北東向斷裂,同時控制新生代阿巴嘎組玄武巖的分布,其力學(xué)性質(zhì)為張性、張扭性特征,源于深部的巖漿容易沿構(gòu)造薄弱部位、伸展環(huán)境下侵位上升。北西向斷裂因其近期的活動性,往往具有充填程度低,膠結(jié)程度差的特點,產(chǎn)生的空隙有利于地下水的導(dǎo)水與富集,從而對地下水的的運動起著控制作用[15]。因此,本次研究選擇的物探靶區(qū)主要勘查方向為:①各類脈巖于構(gòu)造發(fā)育產(chǎn)出部位;②已知張性F1、F3斷裂及二者交匯部位;③花崗斑巖侵入體與圍巖接觸部位。
本次地球物理勘探工作為了解不同勘查方法的效果,達(dá)到本區(qū)有效、合理的勘查方法組合,同時考慮到不同的含水層深度、分布特征及類型,不同分辨率及抗干擾強度等方面,首先于研究區(qū)布設(shè)了一條2.5 km綜合物探實驗剖面,該剖面自東北向西南依次通過2號水文孔(SH2)至1號水文孔(SH1)位置,分別布置了視電阻率聯(lián)合剖面測量、可控源音頻大地電磁、瞬變電磁測量工作。通過勘查實驗認(rèn)為:在擬布設(shè)的勘查方法中,視電阻率聯(lián)合剖面法、可控源音頻大地電磁法在本礦區(qū)均有較好的勘查效果,大定源裝置的瞬變電磁勘查不具備避開區(qū)內(nèi)電磁干擾的觀測條件,小線框勘查實驗的反演深度較淺,無法達(dá)到勘探深度的要求,因此選定聯(lián)合剖面法、可控源音頻大地電磁法為本次物探勘查工作方法,兩種方法的反演結(jié)果與已知鉆孔揭露、斷裂構(gòu)造發(fā)育情況吻合程度較高。視電阻率聯(lián)合剖面法在尋找和追索良導(dǎo)電陡立地質(zhì)體和劃分巖石分界面等方面具有明顯的效果,可以用來識別陡立含水構(gòu)造,但其勘探深度有限[16-17]??煽卦匆纛l大地電磁法具有探測深度大、受地形影響小、分辨率高的優(yōu)勢,對一定深度內(nèi)的隱伏斷裂構(gòu)造識別能力較強[18-22],兩種物探方法綜合探測,互為補充,相互驗證,可以較準(zhǔn)確地確定隱伏構(gòu)造的位置以及深部發(fā)育特征。
本次視電阻率聯(lián)合剖面法采用奔騰WDJD-4型多功能數(shù)字直流激電儀,由AMN和NMB兩組三級裝置組合而成,A、B為裝置的供電電極,M、N為測量電極。為保證達(dá)到一定勘探深度,選擇AO=BO=200 m、MN=40 m,測點距為20 m,在發(fā)現(xiàn)有利交測點的地段AO=OB加大到300 m,以確認(rèn)低阻正交點的存在,并確定斷裂構(gòu)造的產(chǎn)狀。可控源音頻大地電磁測深工作采用美國Zonge公司生產(chǎn)的GDP-32Ⅱ型多功能電法工作站,采用赤道偶極裝置進行測量,觀測范圍為電偶源形成的60°扇形區(qū)域,測量頻率范圍1~8 192 Hz,共有24個頻點,測點距40 m。野外測地工作采用2臺中海達(dá)測量儀器,其中一臺作為基準(zhǔn)站,另外一臺進行RTK動態(tài)測量。
通過野外測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理、校正和反演,對綜合物探成果圖進行分析與解釋,靶區(qū)內(nèi)共完成可控源剖面5條,在異常反應(yīng)較好地段進行了2條剖面的視電阻率聯(lián)合剖面測量。由于篇幅所限,本文中僅選取L16綜合物探剖面進行分析研究,其他剖面物探解譯過程相似,不再贅述。
L16綜合物探剖面位于靶區(qū)中部,剖面方位北東向45°,其中可控源音頻大地電磁、視電阻率聯(lián)合剖面測線長度為1 480 m,由西南100號點至北東248號點,點距為40 m。剖面大部分出露地層為石炭系寶力高廟組二段,主要巖性為流紋巖,測線西端與晚石炭世花崗斑巖(C2γπ)接觸,已知北西向張性斷層F3在剖面160測點附近通過,因此將侵入巖接觸帶和斷層破碎帶作為主要的目標(biāo)含水層,綜合物探測量成果圖如圖2所示。
圖2 L16剖面綜合物探解釋推斷與地質(zhì)剖面對比Fig.2 Comparison of comprehensive geophysical interpretation inference and geological section in L16 section
可控源音頻大地電磁(CSAMT)反演電阻率斷面圖(圖2b)顯示,上部表層電阻率較低,深部中高阻的電性特征,整體呈現(xiàn)“低-高”的變化規(guī)律。根據(jù)地質(zhì)資料及物性特征顯示,淺部低阻為第四系覆蓋層及風(fēng)化帶的反映,電阻率值在10~100 Ω·m之間。深部中高阻為流紋質(zhì)、英安質(zhì)巖性地層,116號測點處顯示為一高低阻等值線梯度密集帶電性特征,邊界清晰,116號測點以西小號點方向,電阻率由淺至深呈明顯低阻異常,縱向較為連續(xù),綜合地質(zhì)資料與聯(lián)合剖面法結(jié)果,確定該異常為流紋質(zhì)巖類與花崗斑巖斷層接觸破碎帶Ft2,因測線位置與該接觸帶相切或呈小角度相交,在圖面上顯示寬度大約為100 m的低阻異常,該處產(chǎn)狀和位置與聯(lián)合剖面法120號測點處基本一致,Ft2構(gòu)造傾向南西,傾角85°左右,向深部延伸較遠(yuǎn)。116~148號測點之間呈明顯的局部高阻異常,由上至下連續(xù)貫通,結(jié)合實地勘查及巖層電性特征,該處高阻區(qū)域推斷為石炭系寶力高廟組流紋巖,高阻兩側(cè)電性差異明顯,為不同巖性地層所致。
148號測點以東至大號點方向,海拔1 200 m以上顯示為橫向較為連續(xù)的低阻異常,深部電阻率以中高阻為主。148號測點兩側(cè),同樣顯示為一條邊界清晰的電阻率等值線梯度密集帶,結(jié)合鉆孔ZK16-1分析250 m以淺兩側(cè)為不同巖性的分界面,表明CSAMT電阻率反演結(jié)果與鉆探揭露吻合較好,推斷大號點方向低阻異常區(qū)巖性為角閃安山巖,電阻率值在100~400 Ω·m之間,該電性分界面與已知張性F3斷層位置接近,受斷層右旋作用力,地層發(fā)生平移錯動,導(dǎo)致不同地層巖性相連。該斷層發(fā)育部位巖石破碎,裂隙發(fā)育,電阻率值較低,富水性較好。在CSAMT斷面圖152測點處也能清晰地反映出該低阻異常呈漏斗狀向下延伸趨勢,進一步印證了已知F3斷裂構(gòu)造的存在。由圖2(b)可見,F3斷裂構(gòu)造傾向北東,傾角較陡呈近直立分布。
測線東部測點號200~208之間,深部存在垂向條帶狀低阻異常區(qū),推測為隱伏斷裂Ft3向深部延伸發(fā)育所致,斷層傾向北東,傾角85°左右,垂向低阻異常由淺部角閃安山巖向深部過渡為流紋質(zhì)脆性巖類,該處構(gòu)造影響寬度80 m左右,斷層深部兩側(cè)為流紋質(zhì)、英安質(zhì)高阻巖體,電阻率值在500~800 Ω·m之間。斷層發(fā)育部位呈高中低阻電性特征,推測與含水破碎帶有關(guān)。
本次CSAMT方法較好地刻畫了地下深部隱伏斷裂的構(gòu)造形態(tài),斷面成果圖上顯示了巖石在受構(gòu)造應(yīng)力破碎、充水情況下與圍巖產(chǎn)生的明顯電性差異,以及不同電性差異地質(zhì)體的分布情況。
根據(jù)上述物探反演斷面異常推斷及分析方法,對整個目標(biāo)靶區(qū)綜合物探剖面進行了解釋,整體原則為:以視電阻率聯(lián)合剖面法中的低阻正交點為依據(jù),大致確定斷裂構(gòu)造的位置和產(chǎn)狀特征,結(jié)合CSAMT水平與縱向剖面綜合確定并提高斷層及構(gòu)造破碎帶、巖性界面的識別率,對于鄰近有鉆孔的剖面,對其鉆孔鉆遇地層及地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行了解,與斷面異常推斷解釋成果進行對比,分析斷面電性特征與鉆遇地層及構(gòu)造的對應(yīng)關(guān)系,以佐證或充實推斷解釋。
綜合L14、L15、L16等5條北東向測線的剖面成果,從三維可視化空間對靶區(qū)進行整體解譯。通過不同縱向斷面以及橫向水平切片之間電阻率特征對比,對鄰近剖面異常特征相似的測點進行關(guān)聯(lián),能夠直觀地反映目標(biāo)區(qū)域地層巖性的起伏變化和斷層的分布情況,并判斷斷層的產(chǎn)狀。結(jié)合已知地質(zhì)和鉆孔資料,綜合解譯出靶區(qū)內(nèi)較大規(guī)模北西向斷裂三條,由西至東依次為Ft2、F3、Ft3,斷裂大小規(guī)模不等,如圖3所示。北西向F3斷裂構(gòu)造以右行平移正斷層形式出現(xiàn),Ft2、Ft3近似平行分布于F3兩側(cè)。
圖3 靶區(qū)CSAMT剖面反演電阻率斷面Fig.3 Inversion of resistivity section of CSAMT profile in target area
圖4 靶區(qū)斷裂構(gòu)造空間展布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of fault in the target area
由CSAMT反演電阻率三維切片在1 200 m、1 000 m、800 m、600 m不同海拔電阻率等值線圖(圖4)可見,電阻率異常由西南至北東呈現(xiàn)低高-低高的分布特征,高低阻兩側(cè)形成比較明顯的等值線梯級帶。根據(jù)上述不同斷面推斷解釋和水平切片異常特征,結(jié)合已知地質(zhì)和鉆孔資料,位于中部高、低阻電性異常分界處的斷裂構(gòu)造與已知實測F3正斷層位置對應(yīng)一致,走向約310°,傾向北東,傾角85°;F3斷層西側(cè)等值線異常梯級帶陡變位置為本次新發(fā)現(xiàn)的隱伏斷裂Ft2,走向約320°,傾向南西,傾角85°左右;F3構(gòu)造東側(cè)高中低阻異常帶推斷為隱伏斷裂構(gòu)造Ft3,構(gòu)造走向與F3基本平行,傾向北東,傾角85°左右,規(guī)模貫穿整個靶區(qū)。經(jīng)過實地勘測,將擬布設(shè)鉆探井位定于F3正斷層經(jīng)過L12線交點位置附近,該點同時為北西向F3與北東向F1斷裂交匯部位,在+1 000~600 m標(biāo)高低阻異常明顯,富水性較好。根據(jù)反演結(jié)果,推測1 000 m附近進入斷層影響范圍,900 m處進入斷層破碎帶,向下延伸至700 m巖石整體破碎,因此設(shè)計終孔深度為650 m,以穿透破碎帶為限。
通過視電阻率聯(lián)合剖面法和可控源音頻大地電磁法在火山地區(qū)水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用研究,得到結(jié)論如下:
1)本次研究通過前期水文地質(zhì)調(diào)查工作,確定了主要勘探方向為流紋質(zhì)脆性地層中深層斷裂構(gòu)造裂隙地下水。由于區(qū)內(nèi)存在多期次的構(gòu)造活動,研究不同構(gòu)造的力學(xué)屬性及后期活動性是水文地質(zhì)勘查中的重要環(huán)節(jié)。目標(biāo)靶區(qū)內(nèi)北西向張性新構(gòu)造斷裂充填程度低,膠結(jié)程度差,是地下水的導(dǎo)水通道,同時也是主要的賦水空間,可作為地下水探查的最有利地段。
2)通過潛在富水靶區(qū)布置的不同極距視電阻率聯(lián)合剖面法勘探工作,初步揭示了地下不同深度的視電阻率變化規(guī)律,確定了低阻正交點及異常區(qū),判斷了斷裂破碎帶的位置和產(chǎn)狀。對未見明顯構(gòu)造現(xiàn)象的區(qū)域,發(fā)揮CSAMT探測深度的優(yōu)勢,進一步查明工作區(qū)主要構(gòu)造分布位置及地下空間分布特征。以L16綜合物探剖面為例進行闡述,進一步了解已知F3正斷層的縱向延伸特征及發(fā)育規(guī)模,解譯出具有一定規(guī)模的北西向隱伏斷裂構(gòu)造Ft3、Ft2,近似平行分布于F3斷裂兩側(cè)。通過利用不同物探方法的優(yōu)勢和特點,解譯出勘查區(qū)整體的構(gòu)造格架,達(dá)到了較好的勘查效果。
3)在復(fù)雜構(gòu)造背景下的火成巖地區(qū)地下水勘查工作中,應(yīng)以水文地質(zhì)理論為基礎(chǔ),通過建立水文地質(zhì)調(diào)查—綜合物探勘查的工作模式,合理地規(guī)劃不同方法的勘查順序。由面至線逐步縮小勘查范圍,形成深淺結(jié)合,水平與垂向相結(jié)合相結(jié)合的立體勘查模式,查明斷裂、接觸破碎帶與地層的分布及接觸關(guān)系、富水性等特征,最終為水文地質(zhì)鉆探井位及深度提供依據(jù),提高成井率,該方法可為同類型地下水資源勘查工作提供參考。