基于測(cè)氡-磁法探測(cè)四川茂縣吉魚(yú)溝隱伏斷裂

田夢(mèng)莎,柯 斌

(1.四川省環(huán)境政策研究與規(guī)劃院,四川 成都 610041;2.核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610065)

地下熱水資源的形成與地下構(gòu)造斷裂密切相關(guān),構(gòu)造既是地下熱水形成的儲(chǔ)存空間,又是熱水的循環(huán)通道[1]。測(cè)氡技術(shù)早在本世紀(jì)二十年代就被應(yīng)用于地質(zhì)工作,常見(jiàn)的土壤氡測(cè)量的方法有:瞬時(shí)氡測(cè)量法、電離室法、閃爍室法、靜電收集法、固體徑蝕跡法等,主要應(yīng)用于找礦、探測(cè)斷裂構(gòu)造、尋找地下水源、地震預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、滑坡等領(lǐng)域[3-5],在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)方面也多有應(yīng)用,解決了很多水文地質(zhì)和工程地質(zhì)等問(wèn)題。瞬變電磁法最早是在上世紀(jì)30年代由前蘇聯(lián)科學(xué)家提出,到了上世紀(jì)50-60年代,瞬變電磁法建立了解釋理論和野外工作方法,明確了一維正、反演模式,才開(kāi)始利用于實(shí)際問(wèn)題。1992年以后,瞬變電磁法才開(kāi)始應(yīng)用于測(cè)探地下采空區(qū)、金屬礦產(chǎn)勘探、劃分地下斷層、尋找地下水、隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等領(lǐng)域[6]。

吉魚(yú)溫泉出露于吉魚(yú)溝右岸坡腳處,共有兩個(gè)出水點(diǎn),兩個(gè)出水點(diǎn)相距約10.0 m,泉口高程1 640 m,水溫34.0℃,流量約1.0 L/s。自“5·12”汶川地震后,龍門(mén)山斷裂帶發(fā)生錯(cuò)動(dòng),造成一系列地表裂隙,一定程度上改變了原有構(gòu)造,有隱伏斷裂存在的可能性。為合理開(kāi)發(fā)利用該區(qū)的地?zé)豳Y源,查找存在的隱伏斷裂,選擇氡氣測(cè)量和地面瞬變電磁法對(duì)該區(qū)進(jìn)行地?zé)豳Y源有利地質(zhì)條件的前期研究,確認(rèn)區(qū)內(nèi)存在的隱伏斷裂,查明該隱伏斷裂構(gòu)造的埋深及展布特征,結(jié)合土壤Ra A測(cè)量和瞬變電磁法,排除了單種物探方法的多解性,為后期地?zé)峋ぷ鞯牟渴鹛峁┮罁?jù)。

1 地質(zhì)背景概況

研究區(qū)位于茂縣石鼓鄉(xiāng)吉魚(yú)村岷江右岸(圖1),吉魚(yú)溝溝谷近南北走向,為岷江一級(jí)支溝,分水嶺高程2 400～3 900 m,嶺谷相對(duì)高差500～1 000 m,總體呈“V”字型深切窄谷(溝谷底寬僅10～30 m),坡麓多為泥石流堆積物及崩坡積物,溝床縱坡降大(100%左右)。吉魚(yú)溝干流長(zhǎng)8.5 km,流域面積15.2 km2。茂汶斷裂斜切吉魚(yú)溝而過(guò),溝內(nèi)巖體破碎、植被覆蓋較少。研究區(qū)屬馬爾康及龍門(mén)山地層分區(qū),出露的地層有震旦系燈影組、志留系、第四系。地層巖性為第四系砂卵礫石、白云巖、千枚巖,地下水類(lèi)型主要是松散巖類(lèi)孔隙水和基巖裂隙水兩大類(lèi)。

圖1 茂縣吉魚(yú)溝地理位置圖

2 工作原理及方法

2.1 土壤RaA測(cè)量

通過(guò)氡氣濃度測(cè)量可間接反映下伏地層裂隙分布特征,直接反應(yīng)構(gòu)造開(kāi)啟狀況[8-9]。本次測(cè)量?jī)x器為FD-3017RaA測(cè)氡儀。FD-3017RaA測(cè)氡儀是目前運(yùn)用較為廣泛的一種瞬時(shí)測(cè)氡儀器。它是利用氡衰變后的第一代子體RaA的帶電特性,采用外加高壓電場(chǎng)3 min,收集衰變子體RaA產(chǎn)生的α粒子,得到α脈沖計(jì)數(shù),一般α脈沖計(jì)數(shù)可反映氡的相對(duì)量。在進(jìn)過(guò)高壓電場(chǎng)后,采用金硅面壘型半導(dǎo)體探測(cè)器對(duì)α進(jìn)行放射性測(cè)量3min,得到的α脈沖計(jì)數(shù)與土壤氡濃度成正比,在平面上反映吉魚(yú)溝內(nèi)存在的氡異常。

CRn=n·RaA

(1)

式中:CRn為土壤氡濃度;n為比例系數(shù);RaA為脈沖數(shù)。

研究區(qū)上覆巖層為第四系砂卵礫石層,受土壤濕度變化影響大,探測(cè)限度低,在進(jìn)行野外氡氣測(cè)量時(shí),選用瞬時(shí)氡測(cè)量,快速、準(zhǔn)確顯示出氡氣測(cè)量的結(jié)果,在出現(xiàn)異常的時(shí)候能立即重復(fù)測(cè)量,獲得氡氣測(cè)量的原始數(shù)據(jù)。根據(jù)吉魚(yú)溝及外圍地區(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等,吉魚(yú)溝溝口布置3條剖面(圖2),剖面線間距50 m,測(cè)試點(diǎn)距為20 m,剖面總長(zhǎng)1 510 m;溝內(nèi)采用沿溝向加密布點(diǎn),點(diǎn)距根據(jù)地形條件進(jìn)行適當(dāng)改變,總體在5～10 m之間。

1.地層界限2.斷裂帶3.水系4.地層代號(hào)5.測(cè)點(diǎn)加密區(qū)6.剖面編號(hào)

2.2 地面瞬變電磁法(TEM)

瞬變電磁法工作過(guò)程可以劃分為發(fā)射、電磁感應(yīng)和接收三部分。當(dāng)發(fā)射回線中的穩(wěn)定電流突然切斷后,根據(jù)電磁感應(yīng)理論,發(fā)射回線中電流突然變化必將在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng),該磁場(chǎng)稱(chēng)為一次磁場(chǎng)。一次磁場(chǎng)在周?chē)鷤鞑ミ^(guò)程中,如遇到地下良導(dǎo)電的地質(zhì)體,將在其內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流,又稱(chēng)渦流或二次電流。由于二次電流隨時(shí)間變化,在其周?chē)之a(chǎn)生新的磁場(chǎng),稱(chēng)二次磁場(chǎng)。由于良導(dǎo)電礦體內(nèi)感應(yīng)電流的熱損耗,二次磁場(chǎng)大致按指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間衰減,如圖3所示的瞬變磁場(chǎng)。二次磁場(chǎng)主要來(lái)源于良導(dǎo)電地質(zhì)體內(nèi)的感應(yīng)電流,因此它包含著與地質(zhì)體有關(guān)的地質(zhì)信息。二次磁場(chǎng)通過(guò)接收回線來(lái)觀測(cè),并對(duì)所觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,進(jìn)而來(lái)解釋地下礦體及相關(guān)物理參數(shù)[10]。

圖3 瞬變電磁法工作原理示意圖

3 土壤RaA測(cè)量分析

3.1 測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

實(shí)際測(cè)量中吉魚(yú)溝內(nèi)的每一個(gè)測(cè)試點(diǎn),對(duì)應(yīng)一個(gè)相應(yīng)的坐標(biāo)位置,且均有一個(gè)氡氣子體脈沖值,氡氣測(cè)量數(shù)據(jù)共取得163個(gè)數(shù)據(jù),其中溝口有55個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),溝內(nèi)108個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。由于研究區(qū)農(nóng)灌、覆蓋層較薄等情況,局部地區(qū)土壤較濕,土壤氣體相對(duì)較少,難以抽取土壤氣體,造成測(cè)氡脈沖數(shù)值很小,甚至為0。為了確定研究區(qū)內(nèi)氡氣背景值和異常值,對(duì)取得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行三種統(tǒng)計(jì)方法的處理:(1)預(yù)先計(jì)算平均值;(2)去掉0脈沖點(diǎn)后求平均值;(3)去除小于等于10的測(cè)點(diǎn)后求平均值。小于平均值的數(shù)據(jù)再次平均求得小值平均值,作為背景值。計(jì)算全部數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ),氡氣測(cè)量數(shù)值分為三級(jí):X+1σ為偏高值,X+2σ為異常值,X+3σ為高異常值。在本次統(tǒng)計(jì)中,采用第二種統(tǒng)計(jì)方法,通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算,有16個(gè)脈沖值高異常測(cè)量點(diǎn),17個(gè)脈沖值偏高測(cè)量點(diǎn),統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。另外,需要說(shuō)明的是在進(jìn)行計(jì)算背景值和異常值時(shí),剔除了吉魚(yú)溝氡氣子體脈沖高異常測(cè)量值(>400)的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

表1 吉魚(yú)溝土壤RaA測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3.2 測(cè)量數(shù)據(jù)綜合分析

為了反映測(cè)區(qū)內(nèi)氡氣子體脈沖值的分布特征,繪制氡氣子體脈沖值等值線圖,推測(cè)可能存在的隱伏斷裂及其走向。根據(jù)土壤RaA等值線圖(圖4)顯示,存在3處氡氣子體脈沖異常,分別命名為異常A、異常B、異常C。

圖4 吉魚(yú)溝土壤RaA等值線圖

異常A:該處為溫泉的天然露頭。此處5個(gè)測(cè)量點(diǎn)的氡氣子體脈沖異常均為高異常值,最高脈沖達(dá)到96.50,此處裂隙較為發(fā)育,出露位置清晰。

異常B:位于吉魚(yú)溝內(nèi)西側(cè)臺(tái)地,距溝口約350 m,3個(gè)氡氣子體脈沖高異常測(cè)量點(diǎn),在其周?chē)植加?個(gè)脈沖偏高測(cè)量點(diǎn),根據(jù)其氡氣子體脈沖等值線走勢(shì),可推測(cè)一條走向大致沿溝向(近南北)的隱伏構(gòu)造。

異常C:位于吉魚(yú)溝溝口位置,范圍展布較大。該處存在6個(gè)氡氣子體脈沖異常測(cè)量點(diǎn),異常點(diǎn)周?chē)植加?個(gè)氡氣子體脈沖測(cè)量偏高點(diǎn),異常點(diǎn)總體呈兩對(duì)雙峰狀,根據(jù)該處氡氣子體等值線走勢(shì),可推測(cè)2條隱伏構(gòu)造,其中1條走向190°,1條走向249°。

4 地面瞬變電磁法(TEM)數(shù)據(jù)分析

本次研究共布設(shè)五條地面瞬變電磁法勘探測(cè)線。J1線位于213國(guó)道東側(cè),測(cè)線平行于岷江布置,點(diǎn)距20 m、測(cè)線長(zhǎng)300 m;J2線位于213國(guó)道西側(cè),測(cè)線分布于土壤RaA測(cè)量C異常區(qū)內(nèi),點(diǎn)距20 m、測(cè)線長(zhǎng)380 m;J3線和J4線分布于吉魚(yú)溝內(nèi)西側(cè)臺(tái)地上,臺(tái)地距溝口約350 m,分布在土壤RaA測(cè)量B異常區(qū)內(nèi),呈“V”字型布置,J3線點(diǎn)距5 m、測(cè)線長(zhǎng)50 m,J4線點(diǎn)距5 m、測(cè)線長(zhǎng)40 m;J5線位于吉魚(yú)溫泉出露位置,近溝向布線,點(diǎn)距10 m、測(cè)線長(zhǎng)200 m,小號(hào)點(diǎn)從0～40號(hào)點(diǎn)穿過(guò)兩處溫泉出露點(diǎn),測(cè)線中部斜切溪溝而過(guò),在測(cè)線的大號(hào)點(diǎn)即測(cè)線北段有一較大的人工蓄水池。由于受地形地貌的限制,大功率瞬變電磁工作均采用中心回線。從J1線的視電阻率反演斷面圖中可知(圖5),斷面圖淺部有一視電阻率低阻體,視電阻率值<200 Ω·m,在300與400點(diǎn)之間此低阻體向深部方向彎曲,視電阻率曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折扭動(dòng),此低阻體部位位于吉魚(yú)溝溝口與岷江的交匯處附近,推測(cè)可能是含水河道的反映。從J2線的視電阻率反演斷面圖(圖6)可知,在200點(diǎn)附近有一楔型的低阻體,此低阻體產(chǎn)狀較傾陡,視電阻率值<200 Ω·m,推斷此低阻體可能是斷裂破碎帶的反映。由J3線和J4線的視電阻率反演斷面圖(圖7和圖8)可知, 在該測(cè)區(qū)內(nèi)有兩條特高壓線與測(cè)線平行,高壓線對(duì)于J3、J4測(cè)線的影響較大。在J3和J4測(cè)線的小號(hào)點(diǎn)處均存在曲線轉(zhuǎn)折的現(xiàn)象,初步推斷在J3和J4測(cè)線的小號(hào)點(diǎn)間可能存在北東向的小構(gòu)造展布。在J5線的視電阻率反演斷面圖(圖9)中,小號(hào)點(diǎn)出現(xiàn)一局部低阻異常體,在測(cè)線中段有一楔型的低阻體,在測(cè)線大號(hào)點(diǎn)也有一較小的局部低阻異常,低阻異常體的視電阻率值<200 Ω·m。綜合分析,該測(cè)線的小號(hào)點(diǎn)的視電阻率低阻異常是由該處出露的溫泉水所引起的淺表異常;中段低阻異常體疑為溪溝引起,但從此處異常體的形態(tài)推斷此處更有可能是斷裂破碎帶引起的深部異常;對(duì)于北段小的異常,推斷是由人工蓄水池中的水體所引起。

圖5 J1線TEM視電阻率反演斷面圖

圖7 J3線TEM視電阻率反演斷面圖

圖9 線TEM視電阻率反演斷面圖

5 結(jié)語(yǔ)

利用氡氣測(cè)量和地面瞬變電磁測(cè)量方法對(duì)研究區(qū)的隱伏構(gòu)造進(jìn)行測(cè)量,利用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析測(cè)量數(shù)據(jù),得到以下結(jié)論:

(1)通過(guò)氡氣測(cè)量,圈定3個(gè)異常區(qū),推測(cè)異常區(qū)B有一條走向大致沿溝向(近南北)的隱伏構(gòu)造,異常區(qū)C有2條隱伏構(gòu)造;

(2)利用地面瞬變電磁法進(jìn)行異常區(qū)驗(yàn)證測(cè)量,推測(cè)J5線可能為斷裂破碎帶引起的深部異常;

(3)綜合兩種物探方法測(cè)量成果,在吉魚(yú)溝溝口處反映為土壤RaA異常、電磁異常,縱向上的電磁異常與吉魚(yú)溫泉處的電磁異常較為相似,分析認(rèn)為吉魚(yú)溝溝口處具備地?zé)崴纬傻男?gòu)造環(huán)境。

(4)土壤Ra A測(cè)量與地面瞬變電磁相結(jié)合探測(cè)隱伏斷裂,避免了單種物探方法的多解性和不確定性,達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),增加了結(jié)果的可信度。