可控源音頻大地電磁測深在淺部地下水勘查中的應(yīng)用

2013-10-29 01:09:54王文國孟銀生黃力軍

物探化探計算技術(shù) 2013年2期

張威，王文國，孟銀生，黃力軍

（1.成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院，四川成都 610059；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊河北 065000）

0 前言

在水文地質(zhì)勘查中，可控源音頻大地電磁測深法大多采用剖面或者面積性測量。根據(jù)實際地質(zhì)情況，結(jié)合勘查區(qū)巖石和地層的電性特征，利用實測的反演電阻率進(jìn)行地質(zhì)推斷解釋，推斷實測剖面通過地段理想的賦水位置，為采水（水文鉆孔）工程提供可靠依據(jù)。

面對幾年來國內(nèi)一些地區(qū)出現(xiàn)的嚴(yán)重旱情，快速找水解決旱區(qū)用水，是我們義不容辭的責(zé)任和義務(wù)。開展應(yīng)急抗旱救災(zāi)工作就是要求在最短的時間內(nèi)尋找地下水，緩解旱區(qū)缺水問題。2011年初，我們接到中國地質(zhì)調(diào)查局下達(dá)的工作任務(wù)，赴山東泰安開展物探找水工作。根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局任務(wù)書要求以及實際地質(zhì)情況，我們采用可控源音頻大地電磁測深方法，進(jìn)行抗旱找水工作，取得了較好的實際應(yīng)用效果。

文中作者以尋找寒武系碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙水為例，探討可控源音頻大地電磁測深法在淺部地下水勘查中的實際應(yīng)用效果。

1 水文地質(zhì)概況

根據(jù)勘查區(qū)域1∶200 000水文地質(zhì)資料（見下頁圖1），工作區(qū)內(nèi)主要賦水巖層情況五類：

1.1 松散巖類孔隙水

第四系（Q），山前殘破積層出露位置較高，主要為砂質(zhì)粘土、粘質(zhì)砂土夾礫石，厚度小，無供水意義。山地丘陵溝谷中及山前的沖洪積、坡洪積，含水層為砂礫石夾粘土，常伏于黃土狀砂質(zhì)粘土之下，涌水量小。山間河谷平原含水層沿河兩岸為沖積砂及砂礫石，賦水性相對較好。

1.2 碎屑巖孔隙裂隙水

主要為侏羅系（J），巖性為砂巖、礫巖、砂質(zhì)頁巖，賦水性中等。水量受季節(jié)變化控制明顯。

1.3 碳酸鹽巖巖溶裂隙水

主要為奧陶系（O），巖性為厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，下部為竹葉狀灰?guī)r。裂隙巖溶較發(fā)育，但極為不均勻，且裂隙巖溶隨著深度增加而減弱。

1.4 碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙水

寒武系（∈），主要為厚層鮞狀灰?guī)r、薄層灰?guī)r、泥灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r夾頁巖。巖溶發(fā)育較差，其規(guī)律是沿不同巖性界面及構(gòu)造帶附近巖溶發(fā)育。

1.5 塊狀巖類裂隙水

主要巖性為片麻巖及各類火成巖。在中低山地區(qū)由于切割深，地形變化較大，以構(gòu)造裂隙水為主。低山丘陵區(qū)地下水主要賦存于風(fēng)化帶內(nèi)，風(fēng)化帶厚度20m～30m，分布極不均勻，賦水程度相對較差。

根據(jù)工作目的任務(wù)，我們以尋找碳酸鹽巖以及碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙水為主要找水目標(biāo)。

2 技術(shù)措施

可控源音頻大地電磁測深法（CSAMT）是以有限長接地偶極子為場源，在距偶極中心一定距離處同時觀測電、磁場參數(shù)的一種電磁測深方法。其具有裝置簡單、觀測的信號較強、信噪比較高，設(shè)備相對輕便、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點。這符合應(yīng)急抗旱、迅速緩解旱情的要求。

圖1 工作區(qū)水文地質(zhì)圖Fig.1 Hydrogeology map of work area

抗旱找水多以人畜飲用水以及灌溉用水為主，因此電法勘查以淺層儲水構(gòu)造為主，因此根據(jù)旱區(qū)實際地質(zhì)地貌情況和地下水類型，可控源音頻大地電磁測深法的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

供電電極距AB＝1 000m；

測量電極距MN＝50m；

測點距＝50m；

收發(fā)距r≥5 000m；

GDP32電法儀工作頻率8Hz～8 196Hz；

反演深度＝500m。

可控源音頻大地電磁測深工作使用GDP－32Ⅱ多功能電法儀接收機，供電采用GGT－30多功能發(fā)射機。

3 應(yīng)用實例

根據(jù)野外實際水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果和工作區(qū)地形地物情況，以及滿足應(yīng)急抗旱用水的同時，測線布設(shè)盡量與巖溶發(fā)育帶或地質(zhì)構(gòu)造帶相垂直。

根據(jù)常規(guī)電性資料，第四系和碎屑巖電阻率小于200Ω·m，碳酸鹽巖夾碎屑巖電阻率為500Ω·m～1 000Ω·m，碳酸鹽巖電阻率為1 000Ω·m～2 000Ω·m，塊狀巖石電阻率大于2 000Ω·m。因此，我們在該區(qū)采用電法進(jìn)行勘查具有電性前提。

可控源音頻大地電磁測深反演電阻率斷面圖，是可控源音頻大地電磁測深方法地質(zhì)解釋的基本圖件，測深地質(zhì)解釋根據(jù)可控源音頻大地電磁測深反演電阻率斷面內(nèi)電阻率相對變化，結(jié)合已知地質(zhì)資料進(jìn)行綜合解釋。

3.1 斷裂破碎帶水應(yīng)用實例

一號剖面工作區(qū)內(nèi)出露上寒武統(tǒng)泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r、饅頭組紫紅色頁巖夾灰?guī)r，巖層傾向北西西，并出露有中生代火成巖。根據(jù)地質(zhì)條件和野外實際踏勘結(jié)果，構(gòu)造走向為北東向。所以可控源測深剖面方向定為100°。

一號剖面可控源音頻大地電磁測深綜合斷面圖（見下頁圖2）。由圖2可見，測深反演電阻率淺部電阻率相對較低，并隨著深度增加逐漸升高，分別在x＝40m和x＝300m附近，出現(xiàn)兩處電阻率橫向間斷現(xiàn)象，推斷這兩處電阻率橫向間斷為斷裂（分別編號為F1和F2）產(chǎn)生，大致推斷F1向東傾，F(xiàn)2向西傾。根據(jù)反演電阻率斷面推斷，剖面經(jīng)過地段第四系很薄，第四系以下為碳酸鹽巖夾碎屑巖類（∈）。根據(jù)地質(zhì)資料綜合推斷，剖面內(nèi)兩斷裂間巖石較為破碎，是開采地下水的最佳位置，建議在x＝50m和x＝300m之間布設(shè)水文鉆井。綜合考慮地質(zhì)地貌等因素，物探工作完成以后在剖面x＝240m處布設(shè)開采水文孔。終孔孔深195m，涌水量2 400m3／d。

3.2 巖溶裂隙水應(yīng)用實例

二號剖面南部為太古界條帶狀中細(xì)粒英云閃長巖，北部為寒武系饅頭組頁巖夾灰?guī)r。西部有一條320°走向的壓性斷裂。推斷測線在這條斷裂產(chǎn)生的平行次生斷裂上，根據(jù)抗旱用水需要及野外實際踏勘結(jié)果，測線按30°布設(shè)。

二號剖面可控源音頻大地電磁測深勘查綜合斷面圖（見下頁圖3）。由下頁圖3可見，可控源音頻大地電磁測深反演淺部電阻率相對較低，隨著深度增加，電阻率逐漸升高，分別在x＝180m、x＝300m附近出現(xiàn)二處微弱相對低阻帶，推斷這二微弱低阻帶為巖溶裂隙帶產(chǎn)生。在x＝460m附近出現(xiàn)電阻率橫向間斷，推斷此處電阻率間斷為斷裂（編號為F）產(chǎn)生。根據(jù)反演電阻率斷面和常規(guī)電性資料推斷，剖面經(jīng)過地段第四系很薄，第四系以下為碳酸鹽巖夾碎屑巖類（∈），碳酸鹽巖夾碎屑巖類下部存在塊狀巖類。根據(jù)地質(zhì)資料綜合推斷，剖面內(nèi)巖溶裂隙帶和斷裂附近是開采地下水的最佳位置。考慮當(dāng)?shù)貙嶋H地理地貌以及村民取水方便等因素，確定井位在剖面x＝175m處，終孔孔深126m，涌水量達(dá)到1 200m3／d。

3.3 局部破碎帶水應(yīng)用實例

三號剖面工作區(qū)為第四系所覆蓋，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)踏勘和地質(zhì)資料推測，在區(qū)內(nèi)可能有東西向斷裂穿過，因此在工作區(qū)布置一條剖面方向為356°的可控源音頻大地電磁測深剖面。

三號剖面可控源音頻大地電磁測深勘查綜合斷面圖（見后面圖4）。由圖4可見，剖面內(nèi)整體電阻率相對較低，在x＝70m出現(xiàn)電阻率橫向間斷，推斷其為斷裂產(chǎn)生（編號為F），x＝370m和x＝650m附近出現(xiàn)微弱低阻帶，推斷這兩處微弱低阻為局部破碎產(chǎn)生。根據(jù)反演電阻率斷面和電性資料推斷，剖面經(jīng)過地段第四系很薄，第四系以下為碳酸鹽巖夾碎屑巖類（∈）。由于剖面內(nèi)整體電阻率很低，推斷其碎屑巖成份相對較高。其中x＝370m處縱向低阻帶為整個斷面內(nèi)電阻率最低位置，推測該段巖層較為破碎，是開采淺部斷裂破碎水的最佳位置。考慮到實際地理地貌等因素，最終開采井位設(shè)在x＝350m處，終孔孔深185m，涌水量720m3／d。

4 結(jié)語

從上面的三個實例可以看到，三個鉆孔深度均不超過200m。由此可見，可控源音頻大地電磁測深即可尋找深部地下水，也可以開展淺部地下水探測，而且找水效果相對較好。一般情況下，巖溶破碎和斷裂破碎賦水均呈相對低阻，可控源音頻大地電磁測深橫向分辯率相對較高，對低阻體反映較為靈敏，為尋找淺層地下水的有效手段。

上述三個勘查區(qū)均處在人口稠密區(qū)，干擾較大。可控源音頻大地電磁測深采用選頻測量，具有較強的抗干擾能力，所以是人口稠密地區(qū)找水的有效手段。另外，由于其工作的高效性，加之與水文地質(zhì)工作的緊密配合，這次赴山東抗旱找水工作基本是剖面測完當(dāng)天就能提供設(shè)計鉆孔位置。