物探方法在區域地質調查中的應用

李遠強

（北京市地質研究所，北京 100120）

物探方法在區域地質調查中的應用

李遠強

（北京市地質研究所，北京 100120）

物探方法是利用地下巖土體的物理性質差異，使用儀器測試地下介質的物性數據，利用計算技術，反演推斷出地下不同巖土體分布的一種無損快速的探測方法。不同的巖土體具有不同的密度、導電性、磁性等物理性質，根據不同的物理性質、采用不同儀器設備和方法進行測試，可以解決不同的地質問題。本文論述了高密度電法、重力、磁法在區域地質調查中解決基巖埋深、地下水情況、隱伏斷裂位置及特征、礦產分布等地質問題的情況，選擇適當的物探方法可以取得良好的地質效果。

高密度電法；重力；磁法；區域地質調查

0 引言

物探是地球物理勘探的簡稱，其基本原理是利用地質體的物理性質（密度、彈性波傳播速度、磁化率、電阻率、熱導率、放射性等）差異，采用儀器測量的方法，取得地下地質體的物性數據，再依據特定的計算方法進行反演，來確定地質體的分布、特征等屬性，進而解決地質問題。對于區域地質調查工作來講，地表調查取得了很重要的地質信息，但對于地下地質體的分布情況，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多、應用領域廣、經濟效益高、工作效率高、探測效果好等特點，使其在區域地質調查工作中得到廣泛應用，主要解決的地質問題有：地下金屬礦產勘查、地下水勘查、基巖埋深探測、隱伏斷層位置確定等。物探方法既可以進行面積性普查，也可以進行剖面測量，還可以進行單點探測，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1:5萬雷莊(J5 0E0 02 019)、石門(J50E002020)、昌黎縣(J50E002021)、灤南縣(J50E003019)區域地質礦產調查》工作為依托，論述了物探方法在區域地質調查中解決的地質問題及效果，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，解決的地質問題主要有基巖埋深、隱伏斷層分布及特征。

1 地質概況

1.1 地形地貌

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

1.2 氣象水文

工作地區屬于華北暖溫帶半濕潤大陸性季風型氣候，冬季受西伯利亞和蒙古冷空氣的影響，盛行偏北風；夏季受海洋氣團和太平洋高壓的影響，盛行偏南風。春季干燥多風、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。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、長城系地層，地表多為第四系覆蓋。

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

奧陶系亮甲山組（O l）、冶里組（O y）：分布于工作區西北，表現為局部的孤殘山，巖性為灰巖，多分布采石場。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）：分布于工作區西北，表現為局部的孤殘山，巖性為灰巖，多分布采石場。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）：分布于工作區西北，表現為局部的孤殘山，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）: 分布于工作區北部，表現為局部的孤殘山，巖性為灰巖-白云質灰巖-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。

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

新太古代侵入巖（Ar3ηγ），分布于工作區北部，巖性為二長花崗巖。

1.4 構造活動

工作區地質構造復雜，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。基巖露頭處多見斷層構造。

1.5 地下水

工作區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，現場調查測試潛水位5～30m不等。地下水補給以大氣降水直接補給為主，河水補給為輔；工作區第四系以粉砂為主，地下水滲流條件好，大氣降水逕流系數小，大氣降水直接深入地下補給地下水；地下水排泄有地表蒸發、工業機井抽取、農業機井灌溉等。

1.6 人類工程活動

人類工程活動主要為城市擴張改造、修建道路、建設工廠和農田耕種，舊縣城改造表現為縣城周邊基礎建設頻繁，房地產開發和道路改造等；局部地區圈地建設工廠，主要為煉鋼鋼廠，同時為治理大氣環境，也關閉了一些小型煉鋼企業。開山采石現象嚴重，山上植被遭受了嚴重破壞，基巖裸露。沿沙河河道有較大的采砂坑，為當地采砂造成，不利于河道泄洪。村莊建設多為平房，鄉鎮及縣城樓房居多，街道路面已硬化，為水泥路面或混凝土方磚鋪砌。由于人類工程活動頻繁，當地環境污染比較嚴重，常常是沙塵隨風飛揚。淺層地下水已經遭受污染，飲用水只能從深部抽取。

2 方法原理

物探方法實施的前提是地質體的物性差異，根據收集資料和樣品測試總結出研究區域地質體主要物理性質見表1。依據這些物性差異，結合現場條件和解決的地質問題，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深法。

表1 地質體物理性質一覽表

2.1 高密度電法

高密度電阻率法（簡稱高密度電法）勘探是以地殼中巖石和礦物體及其他地質問題的導電性差異為物質基礎，通過觀察與研究人工建立的地中電流場（穩定場或交變場）的分布規律進行找礦和解決地質問題的一組電法勘探分支方法。與常規電阻率法一樣，它通過A、B電極向地下供電流i，然后再M、N極間測量電位差，從而可求得該點（M、N之間）的視電阻率值(k為裝置系數)。實際上，高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，測量時只需要將全部電極（幾十至幾百根）沿測線按一定的電極間距布設在測點上。然后用多芯電纜線將各電極按一定的順序連接到電極轉換器和多功能直流測儀上。進入正式測量時，利用程控電極轉換開關和直流電法儀，可實現數據的快速和自動采集，觀測數據將有序的逐次存入隨機存儲器內。當測量結果傳入計算機后，對數據進行處理并給出關于地電斷面分布的各種物理解釋的結果。

2.2 重力

重力勘探原理是通過測定某種靜力平衡體系在重力作用改變時產生的位移來確定重力的相對變化，通過測量不同巖性組合的密度（σ）差異來確定密度界面的起伏變化情況，主要用來圈定構造的范圍， 由于在斷裂構造上，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，可確定斷裂的構造部位，從而可以確定斷裂和基底構造的形態、位置等。

2.3 磁法

自然界的巖石和礦石具有不同磁性，可以產生各不相同的磁場，它使地球磁場在局部地區發生變化，出現地磁異常。利用磁力儀發現和研究這些磁異常，進而可以尋找磁性礦體和研究地質構造。

3 探測效果

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，經對斷層的特征分析，確定有兩種類型的斷層。

圖1 G32測線高密度電阻率法ρs斷面及地質解譯成果圖

圖1為G 32測線高密度電法ρs斷面及地質解譯成果圖。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。最深探測深度為160m。

在測線480～560m、深80～160m處出現的縱向低阻帶，推測為含水破碎帶呈低電阻率這一特點在該處的異常反應，結合地質資料推測該處為雷莊—趙店子斷裂。該異常特征為：橫向寬80m、縱向近直立、兩側基巖埋深相差約15m（西高東低）、巖體較破碎且含水。

圖2為G05測線高密度電法ρs斷面及地質解譯成果圖。該圖可以看出：在640～700m處，基巖埋深從-40m陡降至-150m，推測該處存在產狀較陡立的正斷層，傾向約90°，傾角約75°。結合1/25萬地質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注位置向東偏移了480m。

在測線410m處實施鉆探驗證孔ZK04，揭露基巖灰巖埋深為76.95m，對應該深度高密度電法ρs值為100Ω.m，依據該鉆孔確定的視電阻率值，準確地劃定其它剖面線基巖埋深。鉆孔驗證了高密度電法的剖面地質解譯的準確性，確定了第四系基巖分界的ρs值，提高了的物探數據的可信度和準確性，解決了斷層的存在、位置和特征的地質問題。

圖2 G05測線高密度電法ρs斷面及地質解譯成果圖

3.2 重力

重力勘探剖面曲線反映出地下基巖埋深的特征：剖面線兩側及中間有基巖出露，其重力值較大；對應重力值較小區段，為基巖埋深較大區段。1400號點西部表現重力負異常，說明地下的巖性密度較小，第四系覆蓋厚。1620號點附近有二長花崗巖出露，這與剖面顯示的正值吻合。1400號點以東表現正異常，說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，及地質解譯圖，其中，856、1048 、1392這3個點位與雷莊－趙店子斷裂、西郭莊斷裂及芝麻山西斷裂構造的位置相對應，248點位推斷為隱伏斷裂；點號248為新發現的斷裂。

新發現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 測線布格重力Δg剖面曲線及地質解譯圖

3.3 磁法

在經濟較為發達的河北唐山地區進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，干擾磁場值的特征為：背景值上下幾百nT范圍內的跳躍式劇變，故干擾區域難以提取到有用的信息。

在沒有干擾的區域，測線1804點—1868點處存在一處ΔT正異常區，異常寬約640m，異常值500～1500nT（背景值-100nT），呈雙峰“M”形。據原鐵礦勘探資料，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ΔT剖面曲線圖

4 結語

應用物探方法可以很好地解決區域地質調查工作中的具體地質問題。

通過高密度電阻率法、重力勘探法可以準確地劃定基巖埋深，兩種方法結果一致，并經過鉆孔的驗證和校準，探測結果準確可靠。

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

該地區磁法勘探干擾較多，但在相對干擾小的區域也可以取得良好的探測效果。

致謝

對于李良景和王山亮兩位地質高級工程師的熱情幫助和有益建議，在此表示感謝。

［1］李金銘.地電場與電法勘探.北京：地質出版社，2005.

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

［3］李清林等. 地電成像及其在地學領域中的應用研究.北京：地震出版社，2010.

［4］曾化霖. 重力場與重力勘探. 北京:地質出版社,2005.

［5］西安地質學院. 磁法勘探. 北京:地質出版社,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