可控源音頻大地電磁法在變質(zhì)巖地區(qū)找水一例

李相民

(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇南京210018)

可控源音頻大地電磁法在變質(zhì)巖地區(qū)找水一例

李相民

(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇南京210018)

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)以其勘探深度大、分辨率高等特點,廣泛應(yīng)用于地下水資源調(diào)查、金屬礦和石油勘查等領(lǐng)域。應(yīng)用該方法在江蘇東海超高壓變質(zhì)帶上尋找地下水,取得了很好的地質(zhì)效果。

CSAMT法;地下水;變質(zhì)巖;江蘇東海

0 引 言

在地下水勘查中,過去通常采用直流電剖面法、直流電測深法與地面磁測相結(jié)合的方法,地質(zhì)效果較好,其局限性在于工作效率較低,勘探深度相對較小。

CSAMT法采用大收發(fā)距的工作裝置,使得笨重的發(fā)射裝置可以有選擇地布設(shè)在地形、交通條件相對較好的地段,同時該方法一次布設(shè)發(fā)射偶極,可進(jìn)行多條測線測量,因而有效地克服了直流電法的某些不足,大深度勘探的特點,更滿足了解決深部地質(zhì)問題對電法工作的要求。

1 方法簡介

可控源音頻大地電磁法(簡稱CSAMT法),是在音頻大地電磁測深(AMT)法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種人工場源頻率測深方法,它基于電磁波在介質(zhì)中傳播的趨膚效應(yīng)原理,通過改變?nèi)斯鲈吹念l率,實現(xiàn)不同深度的探測,該方法具有分辨率高、經(jīng)濟(jì)快速等特點,同時,由于在人工場源中可采用大功率發(fā)射設(shè)備,使其具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

該方法目前多采用赤道偶極裝置標(biāo)量測量方式(圖1),即在接地導(dǎo)線中供以音頻電流,以產(chǎn)生相應(yīng)頻率的電磁場,用多道儀器觀測多個相鄰點間的電場振幅(Ex),以及這些點組成的排列中部與被測電場方向正交的磁場水平分量(Hy),按下式計算卡尼亞電阻率:

圖1 電偶極源CSAMT標(biāo)量測量布置平面圖

用相關(guān)軟件對實測的視電阻率-頻率曲線進(jìn)行擬合,就可得到不同深度介質(zhì)的反演電阻率。通過多測點、多深度的反演電阻率數(shù)據(jù)構(gòu)建立體電性結(jié)構(gòu)以及對電性結(jié)構(gòu)特征的研究,達(dá)到解決地質(zhì)構(gòu)造問題的目的。

由于該方法可以采用較大的收發(fā)距(通?？蛇_(dá)幾千米至十幾千米),因此,勘探深度也較大,一般可達(dá)2km左右。主要用于地?zé)?、油氣藏和煤田探測及固體礦產(chǎn)深部勘查。

2 應(yīng)用實例

2.1 地質(zhì)概況

工作區(qū)位于江蘇省東?？h西北部,地質(zhì)構(gòu)造上處于蘇魯造山帶南緣超高壓變質(zhì)帶上。

區(qū)內(nèi)第四系分布廣泛,但厚度較小,地表大多僅覆蓋有厚度小于2m的風(fēng)化殘坡積物,巖性主要為含礫的亞粘土和亞砂土?；鶐r出露零星,主要為一套以片麻巖為特征的高壓、超高壓變質(zhì)巖和中生代侵入巖(圖2)。

圖2 東?？h溫泉地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖

區(qū)內(nèi)構(gòu)造較發(fā)育,侏羅紀(jì)以前以韌性剪切構(gòu)造發(fā)育為特征,中生代以來以脆性斷裂為主。本區(qū)共發(fā)育北東、北西西向兩組斷裂,北東向主要有雙店—羽山斷裂(F2)、西曉莊—竹墩斷裂(F1),北西西向有代相—姚灣斷裂(F3)。其中,西曉莊—竹墩斷裂總長約20km,是本區(qū)地下水的控制斷層,推測為斷層面直立的張性斷層,切割深度較大。

中生代是本區(qū)巖漿活動最為強(qiáng)烈的地質(zhì)時期,形成了大面積分布的侵入巖,分布于溫泉鎮(zhèn)附近及羽山水庫東側(cè),巖性主要為二長花崗巖。侵入巖受西側(cè)郯廬斷裂帶及其次級構(gòu)造控制明顯,總體呈北北東向展布。與侵入巖伴生的脈巖種類較多,主要有花崗斑巖、石英斑巖、煌斑巖等,走向大部分受斷裂構(gòu)造控制,呈北東向、北北東向,部分則是沿巖體原生裂隙侵入。

區(qū)內(nèi)主要巖石類型二長花崗巖和片麻巖的電阻率均較高,其中二長花崗巖的電阻率可達(dá)30 000Ω·m以上,片麻巖的電阻率一般為10 000Ω·m左右,巖石經(jīng)風(fēng)化后其電阻率會有不同程度的降低,但與地下水間的電阻率差異仍十分明顯,因此,在富水地段或含水?dāng)嗔褬?gòu)造上可以獲得明顯的視電阻率低值異常。

2.2 工作方法

數(shù)據(jù)采集使用美國Zonge公司研制的GDP-32Ⅱ電法工作站,該系統(tǒng)發(fā)射機(jī)最大輸出功率可達(dá)30kW,接收機(jī)具8個常規(guī)通道。

野外工作中采用赤道偶極裝置標(biāo)量測量方式,工作初期在地下水開采區(qū),通過開采井布置了試驗剖面,進(jìn)行了不同收發(fā)距試驗,試驗所選的收發(fā)距分別為7 000m和12 000m,其他技術(shù)參數(shù)為:發(fā)射偶極距1 500m,接收偶極距50m,點距50m,工作頻率1Hz～8 192Hz,發(fā)射電流在高頻段不小于3A,中低頻段不小于28A。

在不同的收發(fā)距下,所獲得的電阻率-頻率曲線形態(tài)基本相同,所不同的僅是過渡區(qū)低谷出現(xiàn)的頻點有異,表明采用兩種收發(fā)距均能采集到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。為獲取盡可能多的深部信息,全區(qū)最終采用大于11 000m的收發(fā)距。

數(shù)據(jù)預(yù)處理采用美國Zonge公司的通用軟件DATPRO,處理內(nèi)容包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)平均等。反演采用二維圓滑反演軟件SCS2D,以測線為單位分別進(jìn)行,反演結(jié)果以電阻率斷面形式表達(dá)。

2.3 異常特征

圖3為試驗剖面上不同收發(fā)距CSAMT反演的電阻率斷面,由圖3可見,在開采井附近,電阻率低值異常明顯,低阻體在近地表寬度較大,往深部逐漸變窄。從圖3中還可以看出,兩種收發(fā)距的CSAMT反演電阻率斷面,在中淺部表現(xiàn)為相同的電性結(jié)構(gòu),而大收發(fā)距資料可以反映更深層的電性結(jié)構(gòu)。

在地下水普查區(qū),共布置5條相互平行的剖面,各剖面反演的電阻率斷面上,均有低阻異常顯示(圖4),低阻異常淺部寬,往深部逐漸變窄,這些特征與地下水開采區(qū)的試驗剖面上的異常特征基本一致。特別是各剖面上的低阻異常在平面上呈帶狀展布,圖5為普查區(qū)CSAMT反演電阻率-200m深度切片圖,由圖5可見,低阻異常在平面上呈北北東向的帶狀展布,與該區(qū)控水?dāng)嗔褬?gòu)造的走向基本一致。

圖3 不同收發(fā)距CSAMT反演電阻率斷面圖

據(jù)地質(zhì)資料,區(qū)內(nèi)基巖主要為片麻巖和二長花崗巖,其電阻率均很高,可達(dá)n×104Ω·m,因而認(rèn)為呈北北東走向的低阻異常為含水?dāng)嗔褬?gòu)造的反映。低阻異常更明顯,異常范圍更大的測區(qū)南部地區(qū),為區(qū)內(nèi)最好的富水地段,為取水井布置首先應(yīng)考慮的位置。

2.4 異常驗證

因施工條件限制,實際施工孔位位于測區(qū)的中北部(圖5)。實際施工孔深300.8m,鉆遇地層自上而下為:0m～8.0m主要巖性為粘土、粉細(xì)砂、礫石等表土層;8.0m～30.0m主要巖性為黃白色、米黃色片麻巖風(fēng)化帶;30.0m～300.8m為灰色、黑灰色片麻巖。其中,在65m～90m、115m～125m巖心較為破碎,90m左右有石英巖脈貫入,質(zhì)地堅硬。

圖4 普查區(qū)各剖面CSAMT反演電阻率斷面

圖5 普查區(qū)CSAMT反演電阻率-200m深度切片圖

鉆進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn),在鉆進(jìn)至68m～72m段,鉆孔中水位上升,孔中出清水,泥漿池中水面抬升;鉆進(jìn)至75m～80m段,泥漿漏失嚴(yán)重,鉆孔中水位埋深也較淺。這些現(xiàn)象表明孔深68m～80m為主要的富水段。

終孔后進(jìn)行了電測井,結(jié)果表明,全孔存在多個富水段,其中26.50m～53.15m、59.00m～66.25m地層破碎,裂隙發(fā)育,累計厚度33.90m,為富水層;76.65m～85.70m、92.55m～113.45m、133.75m～ 143.00m、149.90m～155.40m、170.10m～177.70m、191.95m～194.50m、214.60m～216.30m、285.40m～294.05m裂隙相對發(fā)育,累計厚度63.35m,為弱含水層;其他層段均為地層完整段。

3 結(jié) 語

變質(zhì)巖地區(qū)的地下水以基巖裂隙水為主,基巖裂隙的發(fā)育程度及其連通性,決定了儲水空間的大小和導(dǎo)水能力的強(qiáng)弱,因而造成地下水富集的嚴(yán)重不均,利用變質(zhì)巖與地下水之間明顯的導(dǎo)電性差異,以及儲水、導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造空間展布上的方向性,用CSAMT法可以有效地劃分出地下水富集地段,從而規(guī)避因盲目布設(shè)開采井而帶來的風(fēng)險。

[1] 劉天佑.地球物理勘探概論[M].北京:地質(zhì)出版社,2007.

[2] 石昆法.可控源音頻大地地磁法理論與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,1999.

[3] 張青杉,穆建強(qiáng).CSAMT與地?zé)峥辈閇J].地質(zhì)找礦論叢,2003,18(增刊):185.

[4] 吳璐蘋,石昆法,李蔭槐,等.可控源音頻大地電磁法在地下水勘查中的應(yīng)用研究[J].地球物理學(xué)報, 1996,39(5):712.

[5] 原文濤.綜合電法在地下水資源勘查中的應(yīng)用實例[J].太原科技,2008(7):76-78,81.

Water exploration by CSAMTmethod in metamorphic rock area

L I X iang-m ing
(Geological Survey of Jiangsu Province,Nanjing 210018,China)

Controlled source audio-frequencymagnetotellurics(CSAMT)is a high resolution electromagnetic sounding techniquewhich uses a fixed grounded dipole or horizontal loop as an artificial signal source.CSAMTmethod was characteristic of big exploration depth and high resolution and widely used in the fields of ground water resource investigation,exploration of metallic minerals and oil resources.Groundwater exploration practice byCSAMTwaspresented in the text to show a fine result in ultra-pressuremetamorphic zone in Donghai of Jiangsu Province.

CSAMTmethod;Ground water;Metamorphic rock;Donghai,Jiangsu

book=3,ebook=175

P641.72;P631.3+25

A

1674-3636(2010)03-0300-04

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.03.300

2009-09-18;編輯:侯鵬飛

李相民(1962—),男,高級工程師,長期從事固體礦產(chǎn)與地下水地球物理勘查工作.