瞬變電磁法在內蒙古烏拉特前旗明安鎮西找水工程中的應用

郭嵩巍， 閆 強

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083；2.內蒙古國土資源勘查開發有限責任公司,呼和浩特 010020)

內蒙古自治區烏拉特前旗明安鎮西某農業開發區(圖1)，因灌溉需要，在開發區內需建設數個水井，但隨著工程的推進，部分井打到基巖，成為無水干井，因此開發區決定采用物探方法探測含水層與基巖的分界面的位置，重新布置井位，避免干井的出現。在物探方法的選擇方面，根據實際施工的情況，選擇中心回線瞬變電磁法；在數據處理解釋方面，自主開發了基于VisualBasic2015平臺的處理解釋程序，該程序能實現數據讀取，煙圈反演，人機交互解釋功能，實現了野外數據的快速處理、定量解釋一體化，對找水物探工程的野外現場快速解釋有較大的實用價值。

1 物探找水簡介

水是人類賴以生存的最重要的自然資源之一，也是國民經濟發展過程中不可替代的戰略資源。在中國北方干旱、半干旱地區和西南巖溶地區，都是缺水地區，找水工作是科技工作者、地質工作者面臨的重點任務之一[1]。

圖1 工作區交通位置圖Fig.1 Location map of work area

找水的類型有巖溶水[2]、構造水[3]、基巖裂隙水[4]、第四系孔隙水[5]等；找水的要素包括地下水的補給、儲水空間、排泄區等[2]；找水方法包括地質、物探、鉆探、遙感以及化探等多種方法。其中物探找水作為找水先行的一種方法，在圈定富水區、劃分地層，指導鉆探等方面都起到了重要的作用。物探找水方法有直接找水和間接找水，直接找水有核磁共振法[1,6]，間接找水包括重力、磁法、電法、地震、放射性等多種物探方法。目前，電法勘探找水在實際工程中被廣泛應用，具體包括常規電阻率法(包括激發極化法)、電磁法等。常規電阻率法，已取得了豐碩的成果，根據裝置不同可分為聯合剖面法(簡稱聯剖法)和垂向測深法(VES)以及高密度電法，一般來說有效勘探深度在300 m以內[7-8]。對勘探深度有更大需求的找水勘探，目前大多采用電磁法[9]，包括音頻大地電磁法(AMT)、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)、瞬變電磁法(TEM)等，勘探設備有EH4、V8、GDP32等。

物探找水可采用單一方法，也有采用多種方法聯合使用、綜合應用，這主要取決于勘探的深度和勘探的需求[10-11]。多種方法測量，可以相互驗證，互為補充，提高找水的準確性，有效降低勘探風險。

現在要介紹的找水方法為瞬變電磁法(transient electromagnetic method，TEM)[12-13]，它是利用不接地回線或接地線源向地下發送一次脈沖磁場，通過觀測及研究二次渦流場隨時間的變化規律來探測介質的電性。瞬變電磁法對低阻體反應靈敏，橫向分辨能力高，被廣泛地應用于找水工程中，如占文鋒等通過在復雜地形地質條件下的探測，證明瞬變電磁法對地層富水性探測效果明顯[14]；錢鵬等對淺層勘探做了研究，認為同一回線裝置野外施工相對簡便，對地形條件要求不高，施工成本低等優點[15]。

2 地質概況

2.1 地層及水文地質概況

工作區古生代地層屬于華北地層大區，大青山地層小區；中新生帶地層屬于大興安嶺-燕山地層分區，陰山地層小區[16]。地層由老至新主要有：太古代色爾騰山群(ArS)、白堊系固陽組(K1g)、古近系烏拉特組(Ew)、第四系(Q)。

2.1.1 太古代色爾騰山群(ArS)

巖性為斜長角閃片巖、片麻巖，混合巖夾磁鐵石英巖。單泉流量為3.9×10-3～2.4×10-1L·s-1，礦化度為2.1×10-1～2.7×10-1g·L-1。

2.1.2 白堊系固陽組

巖性為深灰色、灰白色泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖夾礫巖。含水層厚6～103 m，水位埋深11～38 m，單孔涌水量3～38 t·d-1，礦化度5.2×10-1～6.75 g·L-1。

2.1.3 古近系烏拉特組

巖性為紅色、磚紅色泥巖，泥質粉砂巖，局部夾灰白色砂礫巖、砂巖，基本無水。

2.1.4 第四系

巖性為沖洪積、沖湖積砂礫石、砂卵石、淤泥質粉砂巖、黏土質砂巖。含水層厚20～87 m，水位埋深1.96～88.64 m，含水層頂板埋深28～98 m，單孔涌水量3×102～5.5×103t·d-1。

2.2 區域水文地質條件

按工作區所在區域地下水的埋藏條件，可劃分為三個不同的儲水類型：

2.2.1 平原河谷砂礫石孔隙潛水

山間溝谷內堆積3～10 m的砂礫石層，砂礫石層下部普遍飽含孔隙潛水，其水量大小與溝谷及匯水范圍的大小，砂礫石層厚薄有關，一般較大溝谷水量豐富，達102～103t·d-1，較小溝谷水量亦達10～102t·d-1。

2.2.2 碎屑巖類型裂隙孔隙水

該類型水主要分布在工作區附近東西向臺地當中，由白堊系地層組成，為一套湖相—湖濱相沉積。根據已有鉆孔揭露：地層含水層巖性主要為磚紅色、紫紅色砂礫巖、含礫砂巖；單層厚度1.12～12.65 m，含水層不連續，透水性不良，含水微弱。

2.2.3 基巖裂隙水

據已有鉆孔資料反映，基巖裂隙水賦存于太古界巖漿巖破碎帶中，深度40～120 m不等。裂隙發育深度因地而異，一般地形高，切割深，無覆蓋的地區裂隙帶厚，有良好的降水滲入條件。在低洼溝谷中常與第四系砂礫石潛水構成統一含水體。

2.3 工作區水文地質條件

分析工作區地形地貌，結合區域水文地質資料，工作區水文地質條件簡單，地表水系不發育，位于山前沖積河谷平原(圖2、圖3)，地下水補給以大氣降水為主，第四系(Q)松散層孔隙潛水含水層，即第一種儲水類型，結合本次打井需求，是本次找水勘探的目標。古近系地層(E)，巖性為紅色、磚紅色泥巖，局部夾灰白色砂礫巖、砂巖，基本不含水，為隔水層。太古代基巖地層(Ar)不含水，是工作區出現干井的區域。

圖2 工作區區域地質圖、地形圖、工程布置圖Fig.2 Regional geological, topographic，profile layout map of work area

圖3 工作區綜合水文地質圖Fig.3 Comprehensive hydrogeological map of work area

3 地球物理特征

3.1 航磁

本次工作搜集到1∶50萬航磁資料(圖4)，航磁正異常呈條帶狀分布，走向北西向。結合區域地質，因沉積巖一般呈弱磁異常或負磁異常，與第四系地層對應；因太古代地層中含有含鐵石英巖，正磁異常對應太古代地層；正負磁異常過渡帶對應隱伏斷層所在位置。

圖4 工作區航磁異常ΔT等值線平面圖Fig.4 Aero-magnetic anomaly ΔT contour map of work area

3.2 電性特征

根據已經收集到資料(圖5)顯示，第四系砂礫石電阻率略高，為50～102Ω·m(對數值1.7～2.0)；古近系地層，泥巖含量大，電阻率較低，一般在10～20 Ω·m(對數值1.0～1.3)；太古代色爾騰山群(ArS)，電阻率一般大于3×102Ω·m(對數值大于2.4)。由此可見，工作區地層電性差異明顯，具備較好的瞬變電磁找水條件。

4 方法選擇與測線布置依據

4.1 測線布置依據

(1)通過對工作區的實地踏勘，工作區地形較為平坦，位于山前沖洪積平原，地表溪流、沖溝、河道等地質標志不明顯，因此測線方向的布置應參考收集到的資料來確定。

(2)通過收集資料，包括區域地質資料、水文地質資料，以及物探1∶50萬航磁資料，本次勘探的目標含水層為第四系地層，且厚度在50～100 m之間。北西向隱伏斷裂構造是富水區與無水區的界限，準確定位構造位置成為問題關鍵。

(3)因工期要求，施工正值嚴冬臘月，于2015年元旦前后，工作區氣溫低至-10 ℃左右，滴水成冰。常規電測深等需要接地電測深方法不具備施工條件。

因此，選擇使用瞬變電磁測深法，錢鵬等[16]在瞬變電磁法在淺層勘探中的研究中認為，同一回線裝置野外施工相對簡便，對地形條件要求不高，施工成本低。本次勘探工作采用中心回線裝置單框發射、單點接收的數據采集方式，與同一回線類似，同樣具有施工效率高、成本低等優點。垂直構造走向，共布置5條勘探測線(圖2、圖4)，做到控制住整個開發區。

4.2 反演算法選取

由于瞬變電磁一維反演計算較為費時，不利于對瞬變電磁野外一手數據做現場反演解釋，因此選擇瞬變電磁成像算法煙圈反演[12]，作為本次數據的解釋依據。煙圈反演是一種近似反演技術，將瞬變感應等效為“層間”渦流擴散，得到似電阻率和對應視深度，主要計算公式如下：

(1)

(2)

式中:ρ為介質電阻率；dr為煙圈的垂向深度；tji是tj、ti的算數平均值；ρr不是經典定義之視電阻率，也非某地層的真電阻率，又有別于反演擬合得出之電阻率，故稱之為“似”電阻率。

求ρr所對應的視深度Hr：

(3)

式(3)中，0.441為經驗系數。

采用煙圈反演快速成像算法，通過程序實現采集數據后現場繪圖解釋，大大提高了解釋效率。

5 推斷解釋

5.1 地層解釋

根據電法探測的基本原理，一般情況下,與圍巖地層電阻率值相比，含水巖層會表現低電阻率特性，如果巖層不富水，則會表現為相對高阻特性，可稱為“低阻找水”；若巖性以泥巖為主，電阻率很低，不含水為隔水層，而砂巖層、砂礫巖等則呈現為相對高阻，為含水層，可稱為“高阻找水”。

結合本工作區的物性特征，如測井曲線所示(圖5)，屬“高阻找水”。根據航磁異常等值線平面圖(圖4)正磁異常范圍，排除掉太古代色爾騰山群地層表現的高阻區域，航磁負異常區域的淺表高阻(對數值在2左右)層，可推斷為第四系地層，下伏低阻(對數值在1左右)層可推斷為巖性以泥巖、粉砂質泥巖為主的古近系地層(圖6)。

圖5 工作區附近鉆孔測井曲線Fig.5 Borehole logging curve near work area

5.2 斷層解釋

在橫向上，沉積地層的電性特征一般情況是均一的或變化不大。由于斷層造成了相互地層錯動，打破水平方向電性均一性，在電阻率斷面圖上斷層兩側會出現電阻率突變現象。根據1∶50萬航磁資料(圖4)，以及區域水文地質資料顯示(圖3)，工作區存在隱伏斷層F1可基本確定，5條勘探測線的電阻率反演斷面圖(圖6)和高程切片圖(圖7)中均顯示明顯。

圖7 不同高程反演電阻率平面等值線圖Fig.7 The result of inversion map of Different Elevations

5.3 人機交互式定量解釋

從等值線反演斷面可以看到，地層分層明顯，斷層、地層產狀清晰。本文采用自主開發的瞬變電磁定量解釋程序，解釋界面如圖8、圖9所示。導入反演斷面圖圖片，首先必須輸入圖片位置對應點號、坐標的關系；之后在“測線模式”選擇“點畫線”，再選擇需要解釋的地層或斷層，最后在圖片上單擊鼠標左鍵劃線，雙擊鼠標左鍵，劃線結束，解釋完畢。

圖8 斷面圖解釋窗體界面Fig.8 Interpretation form of profile

圖9 平面圖解釋窗體界面Fig.9 Interpretation form of contour map

5.3.1 地層解釋

選擇推斷的地層名稱，之后在圖中點出地層界限，程序可算出所點點位坐標及對應高程，完成地層界限繪制后程序即可算出地層傾向。減去上覆地層高程(第一層減去地表高程)，便可算出推斷地層的層厚度。

5.3.2 構造解釋

選擇斷層名稱，在斷面圖中點出斷層位置，程序即可算出所點斷層點位坐標，完成斷層繪制后便可算出斷層傾向，將圖片模式改為“平面圖”，選擇平面圖，選擇“推斷轉換”菜單欄里的“將斷層投到當前平面圖上”，即可將在斷面圖中推斷的斷層位置投影到平面圖中，并且程序會根據投影點位的首尾坐標算出構造走向方位角，這樣，通過人機交互程序，就完成了斷層位置、產狀的定量解釋。本次工作，重點定位的北西向隱伏斷層F1，經投影計算構造走向308.7°(圖9)，5條勘探測線定量解釋結果見表1。

表1 地質推斷結果

6 成果與結論

本次找水工程在開展野外工作前收集了區域地質、水文、1∶50萬航磁等資料，了解并分析了工區出現干井的原因，確定準確定位隱伏斷層F1位置是本次找水工作的關鍵。物探方法選擇方面，采用不接地瞬變電磁測深法，一方面克服了常規電法在極寒天氣下無法布設電極的困難，在-10 ℃左右不利氣象環境中，采集到高質量的數據；另一方面充分利用了瞬變電磁中心回線裝置橫向分辨能力強的優點，工作裝置為100 m×100 m，保證有效勘探深度不低于100 m，滿足打井深度要求，點距50 m，為發射線框一半，不僅提高了施工效率，而且準確定位出隱伏斷層F1的精確位置，取得了不錯的找水效果。

圖10 推斷第四系等值線圖Fig.10 Contour map of deduced quaternary

圖11 建議打井范圍平面圖Fig.11 Suggested drilling range plane

數據處理解釋方面，采用煙圈反演快速成像算法，開發人機交互定量解釋程序，實現對電阻率反演斷面的定量解釋：提取出推斷第四系地層底板的高程值，算出并繪制第四系底板地形圖、第四系厚度等值線圖(圖10)，進而推斷出第四系地層的傾向，含水層的流向(圖11)，即地下水的補給方向；提取出隱伏斷層F1的坐標，算出斷層在斷面圖中的傾角，并投影定位到平面圖中，算出F1的走向方位角，最終圈定了富水區范圍(圖11)，從而為打井的位置和深度提供了依據。可以看到，富水區范圍與1∶20萬水文地質圖(圖3)中“水量豐富”對應良好，后經打井驗證，在推斷斷層附近的井均為有水井(圖11)，證明推斷斷層定位準確，避免了干井的再次出現。