可控源音頻大地電磁法在灰?guī)r地區(qū)巖溶水勘查中的應(yīng)用

張 悅 劉蓓蓓 苗景春

(1.河北省地球物理勘查院；2.河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院)

水是人類賴以生存和發(fā)展的珍貴資源,地下水是水資源的重要組成部分,在水資源利用中占有突出的地位。地下水資源中最富水的是巖溶地區(qū),其中的斷層、裂隙和溶洞是地下良好的蓄水構(gòu)造。

巖溶體賦水情況直接影響到巖溶體的電性特征,充水的巖溶體具有較可溶性巖體更高的導(dǎo)電電性(低電阻性),而不充水的巖溶體卻具有較可溶性巖體更低的導(dǎo)電電性(高電阻性),在地表進(jìn)行地下巖溶體探測時,巖溶體的規(guī)模大小也會直接影響到觀測到的導(dǎo)電電性的差異。

對巖溶水勘查的常用方法有四極電阻率剖面法、聯(lián)合剖面法、甚低頻法、激發(fā)極化法、淺層地震法及大地電磁法等,大多是以勘查同地下水相關(guān)的斷層、裂隙、和破碎帶為目的?？煽卦匆纛l大地電磁法(CSAMT)以其理論原理和工作方法,所具有的較高水平、垂直分辨率的特性,在地下巖溶水勘查的物探方法中顯示了明顯的優(yōu)勢。

1 方法原理

可控源音頻大地電磁測深法是一種較成熟的勘探地球物理技術(shù),是上世紀(jì)五十年代在音頻大地電磁測深(AMT)的基礎(chǔ)上,發(fā)展起來的一種人工場源方法,是一種中、淺部地質(zhì)構(gòu)造研究的頻率域電磁測深法。近年來,可控源音頻大地電磁測深法得到了廣泛應(yīng)用,取得良好的效果,從而成為受人重視的一種物探方法。其原理是在地表人工建立一個大地電磁場,當(dāng)觀測點(diǎn)與人工場源相距一定距離時,其切向電場和磁場將具有類似的函數(shù)關(guān)系,此時它們的比值不再依賴于收發(fā)距,該比值幾乎準(zhǔn)確地等于垂直向下入射的平面波的波阻抗,具有這種關(guān)系的區(qū)域稱為電磁場的波區(qū),利用波阻抗及信號頻率可計算得出視電阻率值,在此也稱為卡尼亞電阻率。在波區(qū)內(nèi)通過觀測電磁場信號的變化情況,反映出地球電性分布對大地電磁場的影響,達(dá)到探測地層電性分布情況的目的。電磁波在地下傳播時,其能量隨傳播距離的增加逐漸被吸收,當(dāng)電磁波振幅減小到地表振幅的1/e時,其傳播的距離稱為趨膚深度(δ),即電磁法理論勘探深度。通過對不同頻率信號的觀測,以達(dá)到對不同深度地層電性勘測的目的。

可控源音頻大地電磁測深法使用人工電磁場源信號,其勘測信號具有較高的信噪比,工作效率高,勘探深度范圍大(勘探深度范圍為幾十米到二、三千米),垂向分辨率高(將要探測對象的厚度和埋深之比定義垂向分辨率,它在10%～20%之間),水平分辨率高,地形影響小,高阻層的屏蔽作用小。與直流電測深法相比,這些特點(diǎn)優(yōu)勢明顯。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 基本概況

試驗(yàn)區(qū)為山前地段,區(qū)內(nèi)地層較為簡單,基巖巖性以薊縣系(Jx)地層為主。薊縣系霧迷山組(Jxw)地層在工作區(qū)內(nèi)大面積出露,巖性以灰色厚層硅質(zhì)條帶白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r為主,夾有石英砂巖,地層產(chǎn)狀在山前傾向東南,產(chǎn)狀為140°∠7°,地層厚度約2000m。第四系地層主要分布于丘陵、山間河谷地帶及山前平原區(qū),分布面積小,厚度一般小于20m,表層巖性為粘砂或砂土層,下部巖性為卵礫石層。

霧迷山組白云巖在山前地帶隱伏于地下,形成較好的巖溶水含水層,單井涌水量可達(dá)3000m3/d。地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給,徑流方向總體上由西北向東南。地下水的排泄方式主要為泉水、人工開采、河道排泄。

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)收集到的地層電阻率特征值可見,第四系覆蓋層為松散沉積物,地層電性特征表現(xiàn)為n×10～n×102(Ω·M)的低電阻率特征,而霧迷山組(Jxw)地層平均電阻率值在5000(Ω·M)左右,表現(xiàn)為高電阻率特征。

2.2 方法技術(shù)

可控源音頻大地電磁測深勘查目標(biāo)為可溶性巖體中的構(gòu)造破碎帶、地下構(gòu)造帶及巖溶中是否賦水,巖溶區(qū)域電性與完整可溶性巖體相比較具有兩種特征： 無水巖溶區(qū)域具有較圍巖更高的電阻特性、若充水則具有較圍巖更低的電阻特性。

可控源音頻大地電磁測深采用赤道偶極裝置進(jìn)行標(biāo)量測量,人工激發(fā)電磁波場信號,在波區(qū)同時觀測與場源平行的電場水平分量Ex和與場源正交的磁場水平分量Hy。利用電磁波信號的波阻抗(電場振幅Ex和磁場振幅Hy的比值)計算得出視電阻率ρs。

沿垂直于區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造帶方向布置測線,測線長13km 左右。地層基巖電性特征顯示為高阻特征,為使測線處于波區(qū)范圍,收發(fā)距設(shè)計大于10 km,觀測點(diǎn)位于電偶源中垂線兩側(cè)各30°角組成的扇形區(qū)域內(nèi),接收點(diǎn)距40 m,設(shè)計測線方位角為135°。

使用加拿大鳳凰地球物理公司生產(chǎn)的V8System2000.net地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成可控源音頻大地電磁測量外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,有效去除各種干擾,合理分析異常起因。對野外測量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,得到視電阻率、阻抗相位等參數(shù)曲線。CSAMT 測點(diǎn)距較小(40m),判斷靜態(tài)位移效應(yīng)相對容易,相鄰測點(diǎn)之間進(jìn)行互相對比即可有效去除靜態(tài)位移效應(yīng)。采用二維共軛梯度反演方法,對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計算,并最終得到測線電阻率剖面圖。

2.3 成果分析

可控源音頻大地電磁資料經(jīng)過處理,得到測線反演剖面圖(圖1)。從圖1中清晰可見剖面電性變化情況： 巖溶發(fā)育區(qū)電阻率值在102～104Ω·M；溶蝕發(fā)育區(qū)電阻率值在103～105Ω·M；斷層構(gòu)造區(qū)域呈明顯低阻,電阻率值小于102Ω·M。

根據(jù)電性特征差異變化很容易推斷出斷層、溶洞發(fā)育區(qū)和溶蝕發(fā)育區(qū)的分布情況。

圖1 測線CSAMT反演剖面圖

將10000～13000 m 水平位置的剖面放大(圖2),從圖2中12000～13000m 水平位置上可見,從地表大角度延深-1000m 高程以下的低阻梯度帶,電阻率值小于102Ω·M,推斷其為構(gòu)造破碎帶的電性反映。一般來講,條帶狀低阻電性異常反映為含水破碎帶。

圖2 斷層電性變化剖面圖

將500～5000m 的剖面放大(圖3),圖3中反映出地下巖性的電性變化情況,電阻率值在102～104Ω·M。在高程為0m 以上的深度內(nèi)出現(xiàn)低電阻特征,反映出巖層淺部裂隙發(fā)育特征；在-400m高程以上出現(xiàn)多組自上而下條帶狀低阻,反映出巖層節(jié)理、裂隙發(fā)育特征；在2000～3500 m 范圍內(nèi),-400～-700m 高程深度內(nèi)出現(xiàn)水平低阻電性特征,反映出明顯溶洞特征。

剖面圖3中所顯示出的巖層電性變化特征與巖溶形成的機(jī)理相吻合。電性變化剖面圖3反映出： 地表水通過沿可溶性巖體的裂隙面或節(jié)理面流動,從而發(fā)生溶蝕現(xiàn)象,形成溶溝或溶槽,并沿巖體裂隙向下滲流、溶蝕,進(jìn)入含水層后發(fā)生橫向流動進(jìn)而形成溶洞。

圖3 溶洞發(fā)育區(qū)電性變化剖面圖

將6000～10000 m 的剖面放大(圖4),由圖4可見,在剖面圖中只出現(xiàn)了多組自上而下窄條帶狀中低阻特征,水平橫向的低阻層特征不明顯,整體電阻率值在103～105Ω·M,由此認(rèn)為此區(qū)域具有一定的溶蝕現(xiàn)象,無明顯溶洞特征。

圖4 溶蝕發(fā)育區(qū)電性變化剖面圖

3 總結(jié)

結(jié)合已知地質(zhì)資料及當(dāng)?shù)厮闆r分析得出： 在溶洞發(fā)育區(qū),地下賦水性較好；在溶蝕發(fā)育區(qū),具有一定的賦水性但較溶洞發(fā)育區(qū)差。充分說明此次可控源音頻大地電磁測深在地下巖溶水勘查應(yīng)用的成功。

可控源音頻大地電磁法在灰?guī)r地區(qū)巖溶水勘查中具有較高的工作效率,使其具有獲取豐富信息的可能,彌補(bǔ)了常規(guī)電磁方法信息量少的缺陷。

地下巖溶水的發(fā)育都基于可溶性巖體被溶蝕的程度,這種溶蝕現(xiàn)象主要是受可溶性巖體構(gòu)造破碎帶的發(fā)育以及節(jié)理、裂隙發(fā)育情況控制,而可控源音頻大地電磁勘查方法在水平分辨率上能夠很好的滿足勘查要求,是一種優(yōu)選的方法。