综合物探在河北省自然资源地表基质层示范性调查中的应用.pdf

32河北地质2023年第2 期综合物探在河北省自然资源地表基质层示范性调查中的应用黄子莹魏芳（河北省水文工程地质勘查院（河北省遥感中心）石家庄0 5 0 0 2 1）摘要依托项目，针对自然资源地表基质层调查，选用地震折射波法、探地雷达、高密度电法、微动技术、综合测井等，开展综合对比与解译；在简介技术方法的选用、已知物性参数的提取、物探的布设原则、典型案例分析的基础上，对典型地表基质层的地球物理特征、对土岩界线与强弱风化界线等典型的物探标识、典型地区的物性参数进行了总结；针对各示范区典型的地表基质层电性特征的特殊性，进行了对比；并针对物探技术方法的应用，提出了自己的认识与体会。关键词综合物探地表基质层示范性调查应用1前言2物探技术方法的选用依据自然资源部印发的自然资源调查监测体在已有成果资料、遥感解译、地质测量的基础系构建总体方案定义的“地表基质层”概念，即地球上，物探选用地震折射波法、探地雷达、微动技术、高表面孕育和支撑森林、草原、水、湿地等各类自然资密度电法、电测深、综合测井联合开展外业工作。源的基础物质，包括岩石、砾质、土质等。由此可见，依据不同地貌类型与场地条件，有针对性地选地表基质层是地球关键带的主要物质组成部分。取物探技术方法，并分段布设。如，在基岩裸露区，河北省地形地貌复杂多样，高原、盆地、山地、丘以地震折射波法为主，意在查明并划分基岩的风化陵、平原、滩涂（海岛）等地貌类型齐全。地表基质类等级及对应厚度；在基岩浅覆盖区，以高密度电法为型多样且齐全，具有很好的代表性。主，查明土岩界线、地表基质层的类型及其厚度；在河北省自然资源地表基质层示范性调查项目选沟谷、平原区，以探地雷达与高密度电法为主，探地取典型示范区7 处、典型剖面带1处；调查深度雷达重在对浅表层10 m以浅进行精细分层，见30m以浅，重点调查深度3 5 m以浅。图1。山地地震折射波法DZ-1DZ-1全强风化层GD-1V=0.83.5km/s中风化层V=3.55.0km/s微风化片麻岩V=5.0km/s山地基岩浅理区探地雷达DL-2沟谷DL-2高密度电法探地雷达砾质DL-1DL-1GD-12粗砾风化层壤土p=1001500Q/m片麻岩p1500Q/m图1物探技术方法的选用与测线布设示意图砂土全风化层强风化花岗岩收稿日期：2 0 2 2-0 3-18；修订日期：2 0 2 2-0 8-2 8；编辑：高亚峰作者简介：黄子莹（19 6 8 一），男，高级工程师，主要从事于水工环与地热物探的勘查与技术质量管理工作。2023年第2 期3已知物性参数的提取开展外业之前，对各示范区开展了充分的资料收集，掌握各片区的物性特征；外业中，对新施工的43个钻孔开展了综合测井，提取了各地表基质层的物性参数；并针对不同物探方法、不同的采样参数等开展了大量的孔旁测试，进行了方法对比与有效性分析。4物探的布设原则物探测线应垂直地质界线、或垂直盆地边缘布设，应尽可能过已有的钻孔，或与设计的典型地质剖面、钻探剖面线相一致。物探测线、测点的布设应兼顾典型地貌点、地面调查难以判断的地段、钻探试验地段或钻探工作困难地段等；测线长度、点间距、线距以能控制被探测对象为原则；主要物探技术方法的有效探测深度应大于项目设计的控制深度、大于钻探控制深度。5典型案例分析5.1松散层的探地雷达剖面特征由图2 各剖面对比可知，各层间处的反射波信号明显、同相轴界面清晰、连续性好或较好；但各界面处振幅强弱差异明显，说明地层间物性差异明显30深度粗骨土()2黄子莹等：综合物探在河北省自然资源地表基质层示范性调查中的应用张北DL3-4122350m深租背王度()一2 十33不同。对比钻孔可知，对于第四系松散层，地层近水平展布连续、上下界面清晰，对应性较好。如图2 A、图2 B、图2 C，粗骨土、砾石的底界面处反射面清晰、振幅强，为粗颗粒与粘土界面反映；粗骨土与砾石间、细砂土与粗砂土间界面处反射面较清晰、振幅相对较弱（图2 D)。由对比可知，物性差异明显的，反射界面清晰；反之亦然。5.2山前洪积扇与滨海区的电性特征山前冲洪积扇地段，地下水的矿化度低，松散层的电阻率与地层颗粒大小及其含量、孔隙大小等因素有关，即随松散层颗粒粒径的增大与含量增高而电阻率会明显增高。图3 为平原区地表基质层的电阻率剖面图，由图3 可知，电阻率等值线近水平状展布，而垂向上高低变化明显。由图3 a可知，电阻率值整体较高且垂向上呈低一高一低状，是砂土夹砾质的电性反映。在冲积平原区，地下水的矿化度变化大，影响地层电阻率的因素较多。咸水区的电阻率一般小于12Q/m。由陆域到滨海，电阻率值变化明显。在滨海地段，地表基质层的电阻率值整体低，一般为13 2/m，且矿化度越高则电阻率值越低。如图3 b，垂向上电阻率值的高低变化是矿化度变化所致。活源IL2-2砂士100高30m深度(m)2新乐DL1-6距高20m-4-6-8高程（）山前槐河冲洪积扇182022.242628303234363840心0100R40258削30i201o180粗土砂质粗骨土砂质粗骨土ABGD1-2线(5 m)40020060-50150-10015080801005060140100120-4-6-6砾石-8-10图2 松散层探地雷达典型剖面920沧东威水区42点号P(a/n)高程（(m)18.20.22.24264002150200电1001502005060801001601803a图3山前与滨海地带地表基质层的电阻率特征对比细砂土粗砂土夫薄层砂壤夫薄层砂坝-8夹源层砂坝粘土C李-181.2-2825面-38200旺离（）上DGD1-15线（(5 m)2830 32 34363840点号-1.2-1.6-1.61.81.6-1.880100136221201403b1.2160180（m）2 0 00.8346具典型地表基质层的地球物理特征6.1典典型界面的电磁波动力学特征对于电磁波而言，同一界面的反射波同相轴特征相近且连续性好，而界面上下地层因介电差异会出现振幅强弱差异、相位的转化及电磁波周期的变化等现象。(1)松散层对于松散层而言，各反射波同相轴连续性好，说明地层展布连续性好、上下界面清晰。如，壤土、粘土等细颗粒层位；反射波同相轴连续性差，说明地表基质层状特征差。如，砾石、粗骨土等洪积物层状特征差。(2)土岩界线处在土岩界线处，上下层间物性差异明显，电磁波反射信号强，且反射波同相轴连续性好，土岩界面反映清晰。即土岩界线以上松散层的电磁波同相轴表现为低频、相对较散乱；相对于上部松散层，基岩层位的反射波频率高，速度高，反射波同相轴一致性好、连续性好。（3）完整基岩层较完整基岩层位的电磁波反射信号弱，但反射波同相轴一致性、连续性好；而基岩顶板风化带裂隙发育或岩体破碎，反射波强而同相轴较杂乱；在基岩层位的裂隙带处，会出现明显的强反射信号，即反射波信号更明显，能量更强、振幅值更大，且具有一定的规模或延伸方向。6.2岩土层的电阻率与自然伽马的对应性在综合测井的曲线对比解译中，视电阻率曲线与自然伽马曲线一般呈现反相关性。对于砾石、粗骨土等粗颗粒松散层与基岩，其电阻率值一般呈现高阻特征，而自然伽马值呈现低值特征；细颗粒松散层的电阻率值一般呈现低阻，而自然伽马值呈现高值异常。对于砾石、粗骨土、粗砂土等高阻层位，若自然伽马值高，说明该层段含量相对较高。土质技术方法物性参数砾质电阻率中高阻中低阻高密度电法(2/m)河北地质基岩层位一般呈现明显的高阻特征，且随深度的增加风化减弱，其电阻率也随深度增大呈现明显的递增趋势（表1）；而基岩的电阻率值呈现低阻且自然伽马值呈现高值特征，说明该层位基岩裂隙发育或该岩类泥质含量高。6.3岩土层的地震波动力学特征差异勘探区内不同岩土层、基岩强弱风化层界面之间存在着明显波阻抗差异，折射波沿波阻抗界面传播且传播速度明显高于直达波与反射波。在地震折射波法的相遇时距曲线图上，不同波速层间存在明显的斜率拐点；土岩界面的波阻抗差异大，因此土岩界线上下层纵波速差异明显；松散层纵波速低，基岩层纵波速高，且全强弱风化层波速差异明显。通过表层剥去法与TO法，可以分别求取基质层的波速值（表2）。7山区地表基质层调查中典型的物探标识7.1土岩界线的物探标识在土岩界线的上下，电法的电阻率差异明显，基岩一般表现为高阻。在电测深曲线上多呈现HA型，拐点H点或A点对应的地层界线及其深度即为土岩界线；在电剖面上，垂向特征表现为电阻率呈现高一低一高、低一高一低等特征的变化(图3）。土岩界面的波阻抗差异大。对于微动或面波勘探而言，土岩界线处上下层间面波速度差异大；松散层面波速度低，基岩层面波速度高。在频散曲线图上，不同波速层间存在明显的拐点。地震折射波法的波速差异明显，松散层纵波速低，基岩层纵波速高，完整基岩纵波速更高。在地震折射波法的相遇时距曲线图上，不同波速层间表现出明显的斜率拐点，说明上下层纵波速差异明显（表2）。表1隆化示范区典型地表基质层的电阻率特征及电阻率值对比表岩石一花岗片麻岩砂土壤土、粘土全强风化低阻中高阻800120150302023年第2 期物性差异备注中风化微风化高阻更高阻301010010008002000值差异2000明显页岩等基岩良导除外2023年第2 期技术方法物性参数粗骨土、砂土、壤土地震纵波速折射波法(km/s)黄子莹等：综合物探在河北省自然资源地表基质层示范性调查中的应用表2 平山示范区典型地表基质层的波速特征及纵波速值对比表土质残积、全风化低中低0.30.60.81.535岩石一片麻岩物性差异强风化中风化中高高1.53.53.55.0微风化更高波速差异明显5.0在土岩界线处，探地雷达的电磁波动力学特征差异明显。在土岩界面处，电磁波发生反射，反射波信号强，且同相轴一致性好；在土岩界面上下，反射波的同相轴特征与频率变化明显，详见6.1节。7.2强弱风化界线的物探标识在强弱风化界线附近，直流电法的电阻率差异明显。强风化基岩一般因含水或潮湿而表现为相对低阻；在电测深曲线上多呈现A、H A、A A 型，拐点A对应的地层界线及其深度即为风化层界线。地震折射波法的强弱风化层的波速差异明显。在地震折射波法的相遇时距曲线图上，同侧不同偏移距的时距曲线多呈现喇叭口状；全强风化基岩的纵波速偏低，波速一般小于3.5 km/s；微风化基岩的纵波速高，波速一般大于5 km/s，见表2。微动技术的频散拐点明显，强风化基岩的横波速偏低，但大于5 0 0 m/s以上。7.3砾质与土质的电阻率差异对于直流电法（包括电测深与高密度电法）而言，砾质与土质间的电阻率值差异大，砾质在电阻率上表现为高阻特征，中粗砂土表现为中高阻，壤土与粘土等土质表现为低阻；这也是凭借物探技术手段区分砾质与土质的最直接方法，见表1。8各示范区地表基质层电阻率特征的特殊性8.1咸水区的电阻率特点在张北坝上地区，由于降雨量小而蒸发量大，致使局部地表盐渍化、地下水矿化度升高。无论壤土与黏土层，还是砾石与粗骨土层等，在电性上均呈现明显的低阻、中低阻特征，松散层电阻率一般为5 202/m；矿化度越高，地层电阻值越低。下伏基岩地层的风化层电阻率值也明显降低。在赞皇一黄骅剖面的冲积平原区，地下水的矿化度变化大，影响地层电阻率的因素较多。在咸水区，如宁晋泊一带，其电阻率一般小于12 2/m；在沧东至滨海一带，矿化度更高而电阻率值更低，一般为13/m;而咸水区古河道地带的电阻率又明显升高(表3)。表3 平原区地表基质层的电阻率特征地表基质类型电阻率(2/m)洪积区砾质冲积区土质咸水区盐渍化土滨海区土质、泥质8.2喷出岩的电阻率特点在张北、沽源、塞罕坝一带，多出露玄武岩、粗面岩、安山岩、安山质熔岩等，为喷出岩。岩体原生裂隙、风化裂隙发育，强风化基岩层的电阻率明显低于其他示范区；风化层厚度大，且底板起伏也大。8.3花岗片麻岩类的电阻率特点在隆化示范区，花岗片麻岩、闪长岩等岩体发育；岩体完整性好，地层分布较单一。基岩电阻率值明显高于松散层；由浅到深，电阻率呈递增趋势，且完整基岩的电阻率值明显高于喷出岩地区。基岩层位的闪长岩、花岗岩、花岗片麻岩的电阻率值明显高于变粒岩、角闪片麻岩。8.4片麻岩区的电阻率特点在平山示范区，地表基质类别的分布规律性强，物性特征明显。相对于下伏的强（全）风化基岩，浅表的粗骨土、残积土呈现相对高阻特征，尤其下伏的风化基岩赋水时，这一现象更加突出；在电阻率剖面上，由浅到深呈高一低一高的电性特征；且可知风化层底板起伏大、厚度差异大。在平山示范区与沽源示范区，由电阻率成果推断的强风化基岩的底板起伏较大，说明该区域内风化层发育不均匀，局部厚度大于3 0 m。8.5井示范区的电阻率特点该区碳酸盐岩发育，地形切割严重，地表冲残积物薄。基岩风化层的电阻率值变化梯度大、等值线备注10012123粗骨土最高古河道除外河道两侧除外36密集；说明碳酸盐岩由全强风化到微风化过渡快；推测风化层较薄,厚度一般小于10 m；且微风化基岩的电阻率值明显高于其它示范区。9认识与体会在布置物探之前，宜开展适量的孔旁或露头测试；对不同物探技术方法的有效性、可行性应开展适量的试验工作。试验点或剖面应布置在有代表性的地区、调查工作程度较高或有钻孔控制点的剖面上。进场前，建议充分收集已有的地质、物探资料，总结工作区的地球物理参数。针对不同场地条件，建议因地制宜择优选用适宜的物探技术手段。对于单一物探技术方法不易明确判定的或较复河北地质杂的地表基质问题，宜选用两种或两种以上方法组合的综合物探，发挥各自的特长。针对山区的地表基质层调查，对基岩开展全、强、中、微等风化等级的划分，宜于有效识别地表基质层的类型与厚度。物探外业经济、快速、有效，对环境无破坏、无污染；可以有效地指导钻探工作部署，充分发挥综合性勘探的优势。外业中，建议开展适量的综合测井或井旁测试，便于利用钻孔进行对比分析。如：开展地震类探测时，建议配合波速测井；电法探测时，建议配合视电阻率测井等。2023年第2 期沙河市白涧铁矿勘探项目获2 0 2 2 年度地质找矿重大成果河北省地矿局第九地质大队完成的河北省沙河市白涧铁矿勘探项目获得“2 0 2 2 年度地质找矿重大成果”奖。沙河市白涧铁矿是目前河北省迄今为止探明的最大规模矽卡岩型铁矿床，也是国内少有的高品位未开发铁矿。提交探明十控制十推断铁矿石资源量10 442.7 万吨，矿床潜在经济价值超千亿元。第九地质大队在沙河市白涧铁矿勘探项目中提炼并运用了矽卡岩铁矿“五位一体”（即五个成矿因素：地层、构造、岩浆岩、围岩蚀变及异常）找矿新模式，打破了传统强磁异常找矿局限性，实现了地质找矿新突破，取得了地质找矿重大成果。健康地质工作的六个方面开展全国层面健康地质综合调查，完善岩、土、水等不同层圈基础数据汇聚和综合分析，开展有害健康地质条件以及有益健康地质条件与人群健康关系空间分析，查明地质环境因素、影响过程和规律及健康风险，建立健康地质生命元素图谱，厘定健康地质调查指标体系。选择饮水型地方病区、地质高背景区、矿集区、名特优产品及矿泉水产区、长寿村等典型区，厘清与人群健康相关的有益/有害关键地质要素，完善调查技术方法体系，探索健康地质调查支撑服务赣州、墨江、阿克苏等乡村振兴和美丽乡村建设的路径与模式。厘清安吉、赣州、阜平等试点地区健康地质监测关键要素，探索监测方法技术，动态掌握关键地质要素变化状况，研究其迁移转化规律，支撑关键地质要素影响人群健康途径调查。开展健康地质相关实验测试分析技术和标准研发，提升关键生命元素示踪分析技术，建立健康地质野外现场测试新技术方法体系，支撑服务部、局勘查技术与实验测试标准化工作。建立健康地质调查数据汇聚机制与共享办法，构建健康地质调查基础数据库和信息服务系统，编制健康地质“一张图”。建实建强健康地质调查研究团队，开展健康地质领域科学普及活动。