地球物理勘探技术在永城地区隐伏断裂构造的富水性特征研究

苗书雷,张映钱

(1.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心,贵州 贵阳 550016; 2.河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院,河南 郑州 450046)

基岩地区富水性在很大程度上与其成岩后发生的断裂构造有关,其地下水的分布经常受断裂构造的控制[1]。断裂富水性分析向来是找寻和评价基岩裂隙水时的一个关键性问题[2]。断裂不仅指断裂中心部位的破裂面,而是有其一定的影响范围,即断裂影响带。从水文地质角度而言,断裂构造的富水部位及富水性并不局限于破裂面,而是包含整个断裂带内的地下水的积存及运移情况,并且受断裂规模、方位、活动性质及其展布方位等多种因素影响[2-7]。

永城地区位于河南省东部,地貌属于黄河冲积平原和剥蚀残丘,大部分具有较厚的新近系、第四系冲积层,区内穿越有新商断裂,向上切割新近系,并具有活动性,隐伏断裂构造发育[8]。受区域内隐伏断裂构造地质环境的影响,使该地区形成了地下热水资源汇聚之地[9-11]。20世纪80年代,相关地质勘查单位针对该区域的浅部地下热水资源展开了一定的工作,圈定了地热异常区;90年代,该地区划分了新近系、古近系及下古生界热储层,分析了地下热水的成因及生成年龄以及2 000 m以浅的地下热水的可采资源量[12]。鉴于此,本文针对该区域内的富水性特征进行研究分析,对未来地下热水资源的勘探及有效开发有着重要的借鉴意义。

1 研究区地质特征

永城大地构造位置处于华北地台南缘,鲁西台隆构造带、永城断陷褶皱带[13-14]。据河南省前新生界基岩地质图分析,以新商隐伏断裂为界,北部构造线走向为近东西向,基岩以寒武—奥陶系石灰岩为主,伴随有燕山期花岗岩体侵入。南部构造线方向呈北东—北北东向,发育有永城复背斜和太平集、滦湖、刘松园隐伏断层(图1)。其中,永城复背斜轴向延伸长达60 km、宽约40 km,轴线呈北东10°～20°方向延伸于黄口—侯岭—演集一带[15]。轴部地层由寒武—奥陶系灰岩组成,伴有酸性—基性岩浆岩侵入。两翼由石炭系、二叠煤系地层组成,分别形成背斜东部的车集煤矿、刘河煤矿和西翼的城郊煤矿、陈四楼煤矿、新桥煤矿等[16]。

图1 新商断裂(永城段)地质构造简图Fig.1 Geologic structure diagram of Xinshang fracture(Yongcheng section)

2 地球物理勘探方案

为查明永城煤田断裂构造及周边岩石的裂隙发育程度和含水、导水性特征,依据煤系地层的地球物理特性及地物地貌特征,采用WDJD-3多功能直流电法仪进行对称四极电阻率剖面法、对称四极电阻率测深法的地球物理勘查[17-18]。野外工作供电导线采用供电专用线,供电电压达到900 V时,供电线绝缘电阻大于5 MΩ·km。供电电极采用铁电极;接收导线采用军用被覆线,接收导线绝缘电阻大于5 MΩ·km。供电电源采用每块24 V的铅蓄电池串联,最大供电电压小于900 V,最大供电电流小于5 A。

此次研究布设了近东西向对称四极剖面2条、近南北向对称四极剖面4条,共计电阻率剖面6条(图1)。剖面总长度31.52 km,点距80 m,实测物理点461个。其中,AB/2=1 840 m,MN/2=80 m,实测物理点400个,质量检查点17个;AB/2=1 080 m,MN/2=40m,实测物理点44个。剖面长度和点号见表1。

表1 电阻率剖面法完成工作量Tab.1 Completed workload using resistivity profiling method

3 视电阻率剖面断裂构造特征分析

30线AB/2=1 840、1 080 m,MN/2=80、40 m视电阻率ρs剖面曲线如图2所示。图2中,在MO=80 m、30线点382—402段视电阻率ρs曲线呈急速爬升态势,表明该区段存在断层,且断层上下盘电阻率差异明显,表明断层宽度与上下盘落差较大;402—442段曲线基本平缓但电阻率值普遍较高,在点430出现极大233.31 Ω·m,表明该段高阻体(灰岩)埋藏较浅,视电阻率极大值处第四系厚度较薄,且没有稍具规模的构造存在。在MO=40 m、30线点393—399段有断层通过,视电阻率ρs值向南逐渐变小,表明该区段高阻体(灰岩)埋藏较深。由此,结合研究区地质资料,可初步判断存在断层,应为太平集断层,断层倾向向南,且倾角相对较缓。

图2 30线视电阻率ρs剖面曲线Fig.2 The apparent resistivity ρs profile curves of line 30

26线AB/2=1 840、1 080 m,MN/2=80、40 m视电阻率ρs剖面曲线如图3所示。由图3可以看出,26线视电阻率ρs曲线在点338—426段形态逐渐抬升,表明高电阻率地质体埋藏深度逐渐变浅;在点400—426段曲线抬升的斜率较大,推断为上述太平集断层的通过位置;在点366—380段推断为平行于太平集断层的次生断裂带。

05线、03线AB/2=1 840 m、MN/2=80 m视电阻率ρs剖面曲线如图4所示。由图4可知,05线视电阻率ρs曲线总体呈缓平状,数值变化不大,呈两边高中间低,在点266—274段曲线梯度变化较大,表明该区段地下地电介质体变化较大,该段推断应为滦湖断层。03线视电阻率ρs曲线呈两边平缓中间抬高,变化幅度较小,在点228—236段曲线呈快速上升趋势,表明该处应为刘松园断层组存在。

图4 05线、03线AB/2=1 840 m、MN/2=80 m视电阻率 ρs剖面曲线Fig.4 The apparent resistivity ρs profile curves of line 05 and line 03,AB/2=1 840 m,MN/2=80 m

22线、18线AB/2=1 840 m、MN/2=80 m视电阻率ρs剖面曲线如图5所示。

图5 22线、18线AB/2=1 840 m、MN/2=80 m视电阻率 ρs剖面曲线Fig.5 The apparent resistivity ρs profile curves of line 22 and line 18,AB/2=1 840 m,MN/2=80 m

由图5可知,22线视电阻率ρs曲线在点394—420段变化较快,表明为太平集断层通过此段。其中,点410—416段曲线呈平缓状,表明太平集断层在该区段呈不规整的小台阶状。在点420—456段曲线平缓,表明地下地质体稳定且连续。18线视电阻率ρs曲线在点386—448段曲线呈缓慢逐步抬升,表明地下地电介质体规则、连续,该段从南到北地层界面逐渐变浅且地层倾角较小;在点448—460段曲线变化梯度明显增大,表明地下地电介质体不连续,推断为太平集断层的通过位置;在点474处出现V形曲线,表明该点地下地质体视电阻率ρs值明显变小,推断为该点深部的岩石破碎、溶蚀所引起。

4 测深法断裂构造富水性特征分析

采用对称四极电阻率测深法,在研究区垂直于太平集含水断层的走向布设4条测深剖面,薛湖断层组共布设测深剖面1条(图1)。完成电阻率法对称四极电阻率测深点75个,孔旁(ZK0001孔)十字测深点1个,质量检查点3个,电阻率测深点的最大AB/2=2 800 m、MN/2=160 m,最小AB/2=9 m、MN/2=3 m,各测深线号和点号见表2。

表2 对称四极电阻率测深法完成工作量Tab.2 Complete workload of symmetrical quadrupole resistivity sounding method

电阻率测深曲线大多呈H型、HA型,少部分呈HK型[19]。H型的前支下降部分为第四系黄土的反映,前支越长表明第四系覆盖越厚;后支上升部分为基岩的反映。H型、HA型曲线反映了地下地质体的电阻率逐渐变大,表明地下地质体破碎程度低、含水不丰富。HK型曲线的后支呈下降趋势,反映了地下地质体电阻率相对变小,表明地下地质体破碎程度高、地下水含量丰富。H型、HA型为地下水开采不利位置,HK型曲线为地下水开采有利位置[20]。

18线ρs一阶导数断面等值线如图6所示。图6显示,距地表附近的浅部一阶导数值均呈负值且从南到北负值区域逐渐变薄,说明对应该区段内松散层的厚度逐渐变薄。深部的一阶导数值在点440—460段,有一阶导数呈负值的明显区段,且在点440附近负值区域出现较深,在点460附近负值出现深度较浅,该负值区段连续性好,表明该区段有一连续性较好的低阻体存在,该低阻体倾向南,倾角约为50°。结合地质资料,推断该低阻体为灰岩破碎含水体。

22线ρs断面等值线如图7所示。由图7可知,22线视电阻率ρs断面等值线浅部较为平缓,从南至北逐渐上抬,表明该测线松散层从南向北逐渐变薄。在该剖面AB/2=2 080 m剖面深度,ρs断面等值线从南至北值电阻率值有规律地逐步增大,表明该深度断层宽度有一定规模。在AB/2=2 560 m剖面深度,点374—402段ρs值逐渐增大,等值线疏密均匀,表明该段岩层破碎程度较低;在点402—416段ρs值处在一个等值区,表明该段岩层比较破碎,推断为受太平集断层的影响所引起的;在点416—420段,ρs等值线呈密集状态,表明该区段进入太平集断层的下盘。

图6 18线ρs一阶导数断面等值线Fig.6 The ρs first derivative cross-section contour line of line 18

图7 22线ρs断面等值线Fig.7 The ρs cross-section contour line of line 22

26线ρs断面和一阶导数断面等值线如图8所示。图8(a)中,26线ρs断面等值线从南到北逐渐增大,表明该区段为太平集断层的通过位置。从图8(b)可以看出,在点404,当AB/2=1 360 m时有一规模较小的低阻体存在,该低阻体规模较小、倾向南,倾角45°～50°。表明该区段岩石破碎程度较低,岩溶不太发育,推断有一含水不太丰富的含水层存在。

图8 26线ρs断面等值线和一阶导数断面等值线Fig.8 The first derivative cross-section contour line and ρs cross-section contour of line 26

30线ρs断面等值线和一阶导数断面等值线如图9所示。30线与26线ρs断面等值线形态相近,但比26线ρs断面等值线更加密集,表明太平集断层在该区段倾角变陡。从图9(b)可以看出,该区段的含水破碎带规模更小,破碎程度更低,仅在点368深处有一规模很小的含水体存在。

03线ρs断面等值线和一阶导数断面等值线如图10所示。由图10可知,03线深部ρs等值线的形态均无规律,且没有稍具规模的低阻体存在,表明该区段深部基岩中破碎程度较低,富水性差。

图9 30线ρs断面等值线和一阶导数断面等值线Fig.9 The first derivative cross-section contour and ρs cross-section contour of line 30

图10 03线ρs断面等值线和一阶导数断面等值线Fig.10 The first derivative cross-section contour and ρs cross-section contour of line 03

5 结论

(1)太平集断层通过30线测点382—402段、26线测点366—426段、22线测点394—420段、18线测点448—460段,倾向向南,且倾角相对较缓。

(2)05线测点266—274段、03线测点228—236段的视电阻率ρs剖面曲线的变化,分别反映滦湖断层组、刘松园断层组的存在。

(3)18线测点440—460段存在灰岩破碎含水体,倾向南,倾角约为50°。

(4)26线测点404处,AB/2=1 360 m深度时存在含水不太丰富的含水层,规模较小,倾向南,倾角为45°～50°。