基于TEM的山前沖洪積平原地下水源地勘查

陳忠 紀瑞元 盧誠

摘要：用小發(fā)射回線、大電流供電的TEM勘查新疆維吾爾自治區(qū)西北山前沖洪積平原工區(qū)內(nèi)的地下水源地，結(jié)果顯示：依據(jù)電阻率差異，工區(qū)內(nèi)劃分出三個含水地層單元——淺部次低阻層含水層、中部高阻層含水層和深部低阻異常層；工區(qū)內(nèi)地下水開發(fā)利用應以中部高阻層含水層為主，取水位置≥30m；深部低阻異常層含水量小，透水性差，為天然隔水層；國內(nèi)的TEM儀器在地形復雜地區(qū)勘查地下水源地是有效的。

關鍵詞：TEM；沖洪積平原；地下水源地；電阻率

1.引言

在新疆維吾爾自治區(qū)西北的山前地區(qū)，受地形切割強烈、地勢陡峭等因素的影響，在水流沖刷下，常搬運、沉積磨圓差、分選性不好的山前沖洪積物，表現(xiàn)為地層中主要為顆粒較粗的礫石、砂。另外，由于當?shù)氐匦吻懈顝娏?，在山前低洼處常形成小型湖泊，沉積了顆粒較細的土層。沖洪積物及土層形成了山前沖洪積平原，常表現(xiàn)為礫石層、砂層與土層間隔沉積、相互交錯疊加的地層分布。顯然，礫石層、砂層是良好地下水源地?？辈榈叵滤吹貢r，常利用能反映地層電阻率不同大小的地球物理勘查方法[1、2]，通過電阻率不同大小對地層進行劃分，從而勘查出地下水源地。而瞬變電磁法（TEM）因為對低阻層分辨率高，穿透能力強，勘查深度大，能清晰顯示地下水源地埋藏位置，因而被廣泛應用于地下水源地勘查。

在新疆維吾爾自治區(qū)西北地區(qū)，由于降水量少，地下水補給主要來自于雪融水，補給量??；加上山前地區(qū)沉積物粗，孔隙大，導致地下水位面埋深大，所以，地下水源地勘查深度大。提高TEM的勘查深度，必須采用大發(fā)射回線工作方式[3]，但這種勘查方式效率低，同時，由于山前地形復雜，難以開展大發(fā)射回線的測線布置、數(shù)據(jù)采集。

作者基于西北山前地區(qū)地形、地貌特征，采用輕便型大電流發(fā)射正負方波瞬變電磁儀系統(tǒng)，證明用小發(fā)射回線、大電流供電的TEM能被用于地形復雜山前沖洪積平原地下水源地勘查，供同行類似工作條件、類似勘查時借鑒參考。

2. TEM勘查原理

工區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部阿爾泰山西南邊緣，瀕臨國境線，目的是探明地下水水源地及地下水賦存情況，為當?shù)剞r(nóng)業(yè)、旅游業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的后備水資源[4、5]。為達到勘查目的，勘查工作利用TEM對工區(qū)范圍內(nèi)的地下水水源地開展剖面的測量、解譯工作，并進行鉆探驗證。

瞬變電磁法（Transient Electromagnetics Method，TEM）是以巖石的導電性與導磁性差異為物質(zhì)基礎，根據(jù)電磁感應原理，利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場的間隙期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場，并研究二次渦流場的空間與時間分布規(guī)律。由于二次渦流場與物質(zhì)的導電性相關從而獲得巖石的電阻率，利用電阻率大小來分析諸如含水層的地下異常體（圖1）。

TEM具有以下優(yōu)點：（1）斷電后觀測純二次場，不受一次場干擾，發(fā)現(xiàn)地下異常體能力強；（2）不受高阻層屏蔽，能克服低阻覆蓋層的影響，穿透能力強，探測深度大，一般幾百米，最深可達1km以上；（3）受地形影響小。在高阻圍巖地區(qū)不會產(chǎn)生地形起伏影響而造成的假異常；在低阻圍巖地區(qū)，由于是多道觀測，早期地形起伏影響也較易分辨；（4）對低阻層分辨率高，能清晰顯示地下異常體埋藏的相對位置；（5）工作裝置形式靈活多樣，剖面測量和測深工作可同時完成，工作效率高，信息量大，可以減少多解性；（6）儀器輕便、功率大，供電困難的地區(qū)能正常開展工作。

與傳統(tǒng)直流電法相比[6]，TEM具有上述6個優(yōu)點，所以，在地質(zhì)找礦、地下水源地勘查等領域得到了越來越廣泛的應用，但由于國外生產(chǎn)的瞬變電磁儀售價昂貴，發(fā)射功率小，要解決深部勘查問題必須采用大發(fā)射回線工作方式。但生產(chǎn)效率低，在復雜地形條件下大發(fā)射回線難以開展工作等因素的影響，國內(nèi)的推廣應用受到限制。而國內(nèi)開發(fā)的輕便型大電流發(fā)射正負方波瞬變電磁儀系統(tǒng)，用小發(fā)射回線、大電流供電，為TEM用于深部地下異常體勘查創(chuàng)造了條件。本次工作采用中國地質(zhì)大學（武漢）高科資源探測儀器研究所生產(chǎn)的CUGTEM-8型瞬變電磁儀。

3. TEM勘查工作

3.1測線布置

勘查的范圍1.6km×1.6km，近似倒梯形。在工區(qū)內(nèi)布置了四條橫貫工區(qū)的“井”字形測線，測線編號分別為8線、11線、12線、13線（圖2）[7、8]。

3.2地層、電性特征

工區(qū)地貌上屬于山前沖洪積平原，基底巖性為第三系的泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖。第四系分布廣泛，以沖洪積砂礫石為主的第四紀更新世地層覆蓋在以第三系為基底的高階地和平原上；以粉砂、粉質(zhì)砂土及粘土為主的第四紀全新世地層主要分布于河流谷地、河漫灘和三角洲地帶[9]。

工區(qū)物性特征[10]：（1）中粗的砂、卵礫石電阻率一般大于300Ω？m，工區(qū)內(nèi)高阻標志層；（2）粉砂、粉質(zhì)砂土及粘土的電阻率100Ω？m～250Ω？m，工區(qū)內(nèi)次低阻層；（3）泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖電阻率一般小于100Ω？m，工區(qū)內(nèi)低阻標志層。

3.3勘查結(jié)果

對采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過野外施工數(shù)據(jù)質(zhì)量簡單判別→數(shù)據(jù)處理準備工作→輸入采集數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)預處理向?qū)А鷷r間道設置→數(shù)據(jù)濾波處理→完成解釋圖，得到測線剖面電阻率異常特征及綜合地質(zhì)解釋（圖3）

3.4鉆探驗證

基于含水層的延展性，在13線上設計了ZK13-1鉆孔，鉆孔深度160m，鉆探結(jié)果：0～9.6m粉砂層；9.6m～32m粉土層；32m～78m卵礫石層；78m～160m第三紀砂巖和第三紀泥巖互層（圖4）；地下水位埋深2.6m，TEM成果與鉆探結(jié)果基本吻合。

4.結(jié)論

（1）依據(jù)電阻率差異，工區(qū)內(nèi)劃分出三個含水地層單元：①淺部次低阻層含水層。地表至10m～30m，該層含水介質(zhì)由粉砂、粉質(zhì)粘土及粘土等組成，接受大氣降水、地表徑流補給，地下水更新緩慢，蒸發(fā)濃縮作用強，地下水礦化度較高；②中部高阻層含水層。地面以下10m～30m至80m～100m，主要為第四系含礫中—粗砂層、細砂層，厚度大，多孔隙，透水性好，是周邊山前冰雪融水和泉水匯成河水的主要通道，地下水礦化度較低，是良好的水源地；③深部低阻異常層。地面以下80m～280m，為第三系上部泥巖、泥質(zhì)砂巖及砂巖的互層，顆粒較細且含有一定水分，形成了電的良導體，形成底部低阻異常，經(jīng)鉆探驗證，該層透水性弱，為隔水層。

（2）地下水開發(fā)利用應以②層為主，取水位置≥30m，近③層位置。鑿井施工中對地表至30m深度范圍內(nèi)采取止水措施，防止混采淺層咸水。

（3）工區(qū)③層為第三系泥巖與砂巖互層，由于泥巖與含水砂巖電性特征相近，物探方法不能有效區(qū)分。經(jīng)鉆探驗證，該層含水量小，透水性差，為天然隔水層，不宜做取水位置，工區(qū)施工水源井，遇泥巖或砂巖即可終孔。

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