长期以来，地下水约占北京总供水量的60％，因连续多年超采，浅层地下水的储存量不断减少(岳娜，2007；鲁春霞等，2015)。为提高供水保障程度，近年来北京加强了对深层岩溶水资源的勘查评价工作。北京岩溶分布区约占全区总面积的四分之一，岩溶类型包括山区裸露型和平原覆盖型，面积大致各占一半，按水文地质条件差异，分为七大系统(郭高轩等，2011)，其中昌平高崖口—南口岩溶水系统裸露区大部分位于北京西山，在昌平南口地区隐伏于地下形成岩溶水的排泄区，含水层主要是中-上元古界蓟县系雾迷山组白云岩。地球物理勘探是隐伏岩溶勘察的重要方法。前人在北京西山山前、二十里长山—平谷盆地、房山张坊等隐伏岩溶分布区采用大地电磁测深、直流电阻率测深、可控源音频大地电磁测深等多种地球物理方法开展了不同程度的勘察工作(徐光辉等，2005；肖骑彬等，2006；郭高轩等，2010；雷晓东等，2014)，为岩溶区隐伏断裂位置、岩溶含水层顶板埋深及富水性等问题的研究提供了依据。

本次研究区位于昌平高崖口—南口隐伏岩溶分布区东北部的昌平南口一带，前人在这一地区针对岩溶的系统性勘察工作较少。20世纪八九十年代，北京市水文队开展了昌平卫星城邓庄、化庄岩溶水供水水源地详查及昌平地区隐伏基岩水普查工作；原北京市物探队开展了 1︰5万区域电测深、地面磁法勘探，并对1966～1969年原石油部646厂的重力资料进行归算编图形成了这一地区 1︰10万重力图件，这是本次工作研究的基础地球物理资料。2007年，北京市开展平原区基岩立体地质调查，形成对前新生界地质构造的最新认识，厘定了本区南口—孙河断裂、南口山前断裂位置，阳坊岩体边界和各时代基岩地层界线。南口—孙河断裂、南口山前断裂是北京地区主要的发震断裂，前人围绕其活动性开展了大量工作(车兆宏，1994；江娃利等，2001；Lu et al.，2012；秦向辉等，2014；张磊等，2014a)，近年来，南口—孙河断裂与地热的关系也被逐渐重视起来(吕金波等，2008；王泽龙等，2014)，对该断裂的研究也从平面位置延伸到深部产状、断裂的水文地质意义等方面。本次工作在此基础上开展，系统收集并分析了前人区域性重磁资料，开展了可控源音频大地电磁测深工作，实施了4眼勘探孔，进一步查明了南口—孙河断裂、南口山前断裂位置，及蓟县系雾迷山组岩溶含水层与侏罗系火山岩的界线，新发现两处侵入岩体，探讨了其对岩溶水赋存空间的影响。

1.1 地质概况

研究区大地构造属于中朝准地台燕山台褶带内的西山褶皱带(Ⅲ₁)。地层由老至新依次为：蓟县系(Jx)白云岩，青白口系(Qn)白云质灰岩、砂岩、页岩，寒武系(∈)灰岩、白云岩，奥陶系(O)灰岩，侏罗系上统(J₃)凝灰岩、复成分砾岩，侏罗—白垩系(J—K)火山岩和第四系(Q)松散层。褶皱构造有北小营—昌平向斜，其轴向为北东，核部为侏罗系，南东翼在影壁山推覆构造作用下，蓟县系叠置于侏罗系之上。断裂构造主要有北西向的南口—孙河断裂和北东向的南口山前断裂。南口—孙河断裂是高崖口—南口岩溶水系统的北东边界，断层总体走向为北西40°～50°，倾向为南西，倾角为70°左右，为北京地区规模最大的北西向隐伏、半隐伏断裂，第四纪以来表现出多期活动特点，活动方式以张性反扭转为主(张世民等，2008；张磊等，2014b)。南口山前断裂是该系统山区与平原区的分界断裂，总体走向为北东40°～60°，倾向为南东，倾角为50°～80°，燕山早期表现为逆冲性质，后经过多期活动，上新世—全新世断裂部分段表现为张性正断层(黄秀铭等，1991；焦青等，2005)。研究区内最大的隐伏岩体为燕山期阳坊花岗岩，埋深可达200～300 m。

前人在研究区内开展过系统的物性测试工作(刘则制，1987)，总体情况如下：1)岩层的电阻率差异明显，可分为高阻、中阻、低阻3种类型。其中第四系松散沉积物、侏罗白垩系泥岩呈低阻，常见值为10～80 Ω·m；侏罗系火山岩和青白口系页岩夹碳酸盐岩呈中阻，一般为70～250 Ω·m；奥陶系灰岩、寒武系灰岩夹白云岩、蓟县系和长城系的碳酸盐岩、燕山期侵入岩呈高阻，一般大于250 Ω·m。 2)地层由老到新密度值由大变小。由此可划分出新生界、中生界、元古界与太古界3个密度层。第四系为1.75g/cm³、侏罗系为2.72 g/cm³、蓟县系为2.75 g/cm³、侵入岩(花岗岩)为2.60 g/cm³。3)岩层磁性强弱差异较大。侵入岩与太古界磁性最强，平均值达2 400 Κ×4π·10^-6SI；侏罗系安山岩、火山碎屑岩磁性次之，平均值为1 260 Κ×4π·10^-6SI；侏罗白垩系流纹岩、熔岩、凝灰岩平均值为190 Κ×4π·10^-6SI；其它地层呈弱磁或无磁。总体来看，研究区岩溶含水层(蓟县系碳酸盐岩)与其它地层之间存在物性差异。

重力方法测量地层密度，在反映断裂构造格架及基岩起伏形态等方面效果明显。磁法测量地层磁参数，可以用来研究岩浆岩体的埋藏深度或火山岩的空间展布形态。我们收集到了 1︰10万重力资料和1︰5万地面磁测资料^①，数字化后对其进行分析研究。

① 北京市地矿局物化探队. 1986. 1︰10万重力资料和1︰5万地面磁测资料.

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是一种利用人工场源进行频率域深部勘探的地球物理方法，具有工作效率高、勘探深度大、分辨率高、地形影响小等特点。自20 世纪八九十年代起，它逐渐成为了地球物理勘探方法中一种强有力的非地震勘探手段，除成功地应用于金属矿、地热资源、地下水等勘探外，近年来，在采空区、公路隧道、地基和活动断层等工程地质和环境调查中也发挥了重要的作用(吴璐萍等，1996；于昌明，1998；底青云等，2006；黄力军等，2007；雷达等，2014；尚通晓等，2015)。

CSAMT法是以有限长接地电偶极子为场源，在距偶极中心一定距离处同时观测电、磁场参数的一种电磁测深。一般采用赤道偶极装置进行标量测量，同时观测与场源平行的电场水平分量E_x和与场源正交的磁场水平分量H_y。数据处理时利用电场振幅E_x和磁场振幅H_y计算阻抗电阻率ρ_s(式1)；利用电场相位E_p和磁场H_p计算阻抗相位φ； 最后以阻抗电阻率和阻抗相位联合反演电阻率参数并进行地质推断解释。

式中，f为频率。

根据电磁波的趋肤效应理论，还可导出趋肤深度公式：

式中，H为探测深度。从式(2)可见：当电阻率ρ_s固定时，电磁波的传播深度(或探测深度)与频率成反比。高频时，探测深度小；低频时，探测深度大。通过改变发射频率来改变探测深度，从而达到变频测深的目的。

本次共完成CSAMT测线5条(图 1)，剖面总长度为30 km，测深点点距为50 m，物理点共626个。野外数据采集使用美国Zonge公司GDP-32多功能电法仪，采用赤道偶极装置进行标量测量，即用发送机通过接地电极A、B向地下供不同频率交变电流，在距离AB足够远的地方观测沿测线方向的水平电场分量和垂直测线方向的磁场分量。供电偶极距为1 km，收发距为6～10 km，观测电磁信号的频段范围为1～8 192 Hz。由于测线所在区域路网密集、工矿企业、军事基地众多，观测数据受到不同程度干扰，室内对野外原始测量的数据进行了必要的编辑处理。在数据预处理基础上，采用可控源音频大地电磁法二维反演方法，对视电阻率和阻抗相位数据进行了二维反演，经反复修改控制参数和初始模型，达到了数据的最佳拟合，在此基础上进行了地质构造推断解释。

图 1(Fig.1)

图 1 研究区基岩地质构造及勘查工作布置图 Fig.1 Deep tectonic map and location of survey work

在物探工作基础上，共布置勘探井4眼，分别是雪山村CG-K-1井、七间房CG-K-2井、葛村CG-T-1井和曹庄CG-K-3井。CG-K-1井和CG-K-2井的目的是查明南口—孙河断裂位置，CG-T-1井和CG-K-3井的目的是查明岩溶含水层顶板埋深及隐伏岩体边界。

3.1 重磁特征

从研究区剩余重力异常图(图 2a)上看，在南口至马池口一线北西向密集梯度带显示了南口—孙河断裂的位置。断裂北东侧重力值相对较高，说明第四系较薄，下伏为高密度的蓟县系白云岩地层。断裂南西侧重力值相对较低，且存在两个低值圈闭(G1和G2)，G1位于曹庄至南口一带，异常中心重力值小于-24 mGal；在此区域有两种可能会引起低重力异常，一是第四系厚度大，二是有低密度的、侵位浅的花岗岩岩体。G2位于阳坊至马池口一带，异常中心重力值小于-14 mGal。马池口一带为北小营—昌平向斜核部，钻孔资料显示第四系厚度大于600 m，G2低重力异常较多的反映了密度较低的第四系的分布特征。

图 2(Fig.2)

图 2 区域重力及磁异常特征 a. 剩余重力异常平面图(单位：mGal)；b. 磁异常ΔZ平面图(单位：nT) Fig.2 Regional gravity anomalies and magnetic anomalies

从磁异常等值线图(图 2b)上看，研究区存在3处高磁异常带，分别命名为M1、M2和M3异常。M1位于研究区南侧，地质上称为阳坊岩体。除阳坊岩体外，位于流村附近的M2异常和位于曹庄至南口一带的M3异常，此前一直不被人重视。这两处磁异常值已超过500 nT，定性解释为深部存在岩体侵入。需要注意的是，流村附近为高重高磁，而曹庄至南口一带为低重高磁，推断两处存在不同期次磁性相差不大但密度有一定差异的岩体。

从电性特征上看，CK1剖面(图 3a)反演电阻率为中低阻显示，浅部低阻等值线圈闭，是第四系的反映，推断其厚度在600 m左右。深部分层特征明显，阻值略高于浅部，推断是侏罗系火山岩的反映，而不是蓟县系白云岩(图 4a)。CK2线横向上电性变化大(图 3b)。剖面160号点附近等值线密集陡立，推断为南口—孙河断裂。剖面左部为断裂上盘，总体上阻值不高，但比CK1剖面略高，推断垂向上地层层序为第四系、侏罗系和蓟县系。1 500 m深度以内有存在岩溶含水层的可能，但厚度不会太大(图 4b)。

图 3(Fig.3)

图 3 CSAMT二维反演电阻率断面等值线图 Fig.3 Resistivity contour map from two-dimensional inversion of CSAMT profiles

图 4(Fig.4)

图 4 CSAMT地质推断解释图 Fig.4 The result map of geological interpretation from CSAMT

CK3剖面(图 3c)浅部低阻同样为第四系的反映，推断厚度为500～800 m。深部呈现高阻，结合磁测资料显示的高磁异常范围，推断剖面第四系之下存在隐伏岩体；剖面自左至右低阻层厚度加大，反映了岩体埋深逐渐加大(图 4c)。CK4剖面(图 3d)反演电阻率等值线成层性较差，低阻层厚度大，应是第四系和侏罗系的综合反映，同样磁测资料显示该剖面处为高磁，因此可以认为深部有存在岩体侵入的可能，并且推断无稳定连续的碳酸盐岩地层(图 4d)。

CK5剖面两端纵向上电阻率呈现浅部低阻、深部高阻的变化，中部大范围呈现中低阻特点(图 3e)。中低阻层在剖面中部厚度较大，反映了北小营—昌平向斜核部地层的电性特点，第四系之下有厚度较大的侏罗系，1 500 m深度内蓟县系厚度较小。500号点附近，等值线出现密集带，推断为南口—孙河断裂。影壁山断裂为逆冲推覆构造，因断距小，CSAMT反演图电性差异不明显，根据地质资料标示于图上(图 4e)。

CG-K-1和CG-K-2井分别位于南口—孙河断裂两侧。CG-K-1井位于物探CK2剖面180号点附近，钻探揭露第四系松散层厚度仅为13.5 m，下伏基岩为蓟县系雾迷山组白云岩，钻至1 500 m深度未揭穿。CG-K-2井原定于CK1剖面的138号点施工，后移动至其西北侧约1.1 km的七间房村，实钻揭露第四系厚达800 m，下伏侏罗白垩系英安质角砾熔岩、流纹质角砾熔岩、流纹岩、英安岩，厚为300 m，其下为蓟县系雾迷山组白云岩，钻至1 500 m深度未揭穿。

CG-K-3井位于南口山前断裂下降盘的曹庄村，物探CK3剖面326号点东侧，钻探揭露情况为：第四系松散层为0～734 m；燕山期二长岩为734～1 000 m(未揭穿)。CG-T-1井位于阳坊岩体北侧的葛村，CK4剖面308号点北侧，钻探揭露情况为：第四系松散层0～479 m；侏罗系玄武岩为479～855 m；燕山期闪长岩为855～1 350 m(未揭穿)。

从表 1可以看出，勘探孔钻遇地层的测井电阻率与CSAMT反演电阻率在阻值特征上有较好的对应关系。第四系、侏罗—白垩系与侏罗系均为中低阻，蓟县系雾迷山组、燕山期侵入岩均为中高阻。蓟县系岩溶含水层与侵入岩电性差异不明显，应结合磁测资料确定含水层边界和埋藏深度。

表 1(Table 1)

表 1 钻孔测井电阻率与CSAMT反演电阻率对比 Table 1 The resistivity comparison of drilling and CSAMT inversion results 地层 岩性特征 测井电阻率/Ω·m CSAMT反演电阻率/Ω·m 第四系(Q) 砂粘土、卵砾石 30～200 10～300 侏罗—白垩系(J—K) 熔岩、流纹岩 7～50 100～150 侏罗系(J) 玄武岩 80～280 200～400 蓟县系雾迷山组(Jxw) 白云岩 30～3100 40～3000 燕山期侵入岩 二长岩 100～700 160～2700 闪长岩 80～1200 50～3500

表 1 钻孔测井电阻率与CSAMT反演电阻率对比 Table 1 The resistivity comparison of drilling and CSAMT inversion results

5.1 南口—孙河断裂和南口山前断裂

在以往重力结果图(图 2)上，南口—孙河断裂有明显的梯度带，显示了清晰的重力异常。本次CSAMT工作的CK2剖面和CK5剖面(图 3)精确定位了南口—孙河断裂位置。从CG-K-1和CG-K-2钻探结果看，此两井相距不到1 100 m，若以蓟县系雾迷山组顶板埋深计算，两井反映断层落差达1 085 m。南口山前断裂，以往一直认为在研究区范围内断距小于100 m，断裂上盘第四系之下为蓟县系或长城系，从本次CSAMT工作的CK3剖面(图 3)和钻探CG-K-3井勘查情况看，该断裂断距达700 m左右，且上盘第四系下直接为侵入岩，说明这条断裂可能与燕山期岩浆活动有密切关系。

以往因缺乏深部钻孔资料，北小营—昌平向斜核部侏罗系的分布范围和厚度一直未能查明。本次工作提供了一些线索。在电性特征上，侏罗系表现为中低阻，蓟县系表现为高阻，两者存在电性差异，因此在物探剖面上能够较容易区分开来。CK1、CK2、CK5剖面(图 3)第四系下伏均为侏罗系。CG-K-2与 CG-T-1钻探结果也证实了物探推断。CG-K-2井揭露的熔岩、流纹岩地层时代是侏罗白垩系张家口组，CG-T-1井则揭露了更早期的侏罗系窑坡组玄武岩。这说明北小营—昌平向斜核部侏罗纪火山岩具有多期次喷发的特点。从CSAMT和钻探结果来看，研究区中部侏罗系、侏罗白垩系的分布范围比以往认识有所扩大，其与蓟县系的地层界线应向西移动至CG-K-2和CG-T-1西侧，相比2007年基岩地质构造图西移了2.4 km。

依据磁异常下限和ΔZ等值线梯度带，结合CSAMT物探和钻探工作成果，可以圈出隐伏岩体分布范围。除前人已经划定的阳坊花岗岩体外，还有两处岩体，其一位于南口至曹庄一带，岩性为二长岩，呈北东—南西向展布，长约为6 km，宽约为2.5 km，面积为15 km²，其上覆直接为第四系，此岩体在研究区西南部埋深较浅、东北部埋深较大，在北部靠近南口—孙河断裂处埋深超过800 m。其二位于流村—葛村一带，岩性为闪长岩，呈北东—南西向展布，长约为4 km，宽约为2.5 km，面积为10 km²，其上覆有厚度不大的侏罗系、蓟县系，埋深一般在600 m以上。

研究区岩溶含水层主要为蓟县系雾迷山组白云岩，呈北东向条带状分布于北小营—昌平向斜两翼，其中位于向斜西翼部分隐伏面积相对较大，西部边界在曹庄至南口一带，东部边界在流村至南口农场五分场一带；向斜东翼部分隐伏面积较小，位于马池口村东至西沙屯一带。

南口—孙河断裂的活动使其两侧蓟县系埋深产生巨大差异，在勘探深度1 500 m内，以南口—孙河断裂为界，断裂北东盘含水层厚度较大，一般在1 000 m以上；断裂南西盘含水层厚度一般在800 m之下。本次认为，除南部阳坊岩体外，在研究区西南部还有闪长岩、西部有二长岩岩体侵入，中部侏罗系覆盖层的范围也较以往认识有所扩大，侵入岩和火山岩的广泛分布使得蓟县系岩溶含水层空间受到挤压。从CG-K-3井至CG-T-1井推断地质剖面图(图 5)可以清楚看出这一点。

图 5(Fig.5)

图 5 CG-K-3井至CG-T-1井推断地质剖面图(剖面位置见图 1) Fig.5 The map of geological interpretation along CG-K-3 and CG-T-1

研究区属于高崖口—南口岩溶裂隙含水系统的排泄区。岩溶含水层上覆分布有厚度较大的第四系松散层和侏罗系火山岩，其获得补给的途径主要是通过山区侧向径流。由于研究区存在多处岩体侵入，不仅大大挤压了岩溶含水层空间，还阻断了山区岩溶水补给的通道，形成了大范围的隔水边界。北部边界则由于南口—孙河断裂的阻隔，补给也受到影响。总的来看，这一区域的岩溶水资源潜力不大。

(1)重、磁、电3种物探方法相结合，从不同侧面反映了隐伏岩溶区地质构造信息，与地质钻探结果吻合。

(2)南口—孙河断裂走向为北西，倾向为南西，在雪山村附近断层落差达1 017.5 m，是目前发现的断距最大的地区。南口山前断裂走向为北东，倾向为南东，断距大于700 m。北小营—昌平向斜西翼、南口—孙河断裂上盘蓟县系碳酸盐岩与侏罗系火山岩的地层界线应向西移动2.4 km。

(3)除阳坊花岗岩体外，研究区西部曹庄至南口一带、西南部流村至葛村一带分别存在燕山期二长岩和闪长岩侵入，中部则分布有面积较大的侏罗系(侏罗—白垩系)火山岩，导致岩溶含水层空间范围不大，补给通道受阻。总的来看，这一区域的岩溶水资源供水潜力不大。

致谢 本文得到北京市地质勘察技术院薛洪林高级工程师的支持；田金教授级高工、陈坚工程师给予了十分有益的指导；审稿专家的意见，使本文进一步完善，在此一并表示感谢！