音頻大地電磁法與核磁共振法結(jié)合劃分含水層的試驗(yàn)

于向前，趙義平，王明新，劉 迪，王文婷，汪馨竹

水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020

0 引言

含水層劃分是地下水資源勘察工作的重要內(nèi)容。不同的工作目的，對劃分的精度要求不同，方法也各有差異，如：詳勘階段含水層劃分主要依據(jù)水文地質(zhì)鉆探，并輔助參考一些地球物理探測成果，同時(shí)借助水文地質(zhì)規(guī)律綜合分析得到（通過水文地質(zhì)剖面圖可直觀顯示）；而對于較普遍的野外找水定井，多應(yīng)用地球物理方法給出含水層的大致位置及可能的地層巖性。一般情況下，地球物理方法的成本要低于鉆探，但其劃分的準(zhǔn)確性相對較低，如何應(yīng)用地球物理方法，特別是多種地球物理方法結(jié)合更有效地劃分含水層，一直是地質(zhì)工作者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

隨著應(yīng)用地球物理學(xué)的發(fā)展，前人已將多種地球物理方法結(jié)合用于地下水資源勘察，其中以常規(guī)方法結(jié)合為主。趙國澤等[1]應(yīng)用瞬變電磁法和音頻大地電磁法結(jié)合在煤礦斷層進(jìn)行了富水性探測；Matthew等[2]應(yīng)用直流電法和電磁法結(jié)合分析了冰川沉積巖地層的地下水流狀況；Alastair等[3]應(yīng)用地震折射波法、地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)和電阻率法結(jié)合描繪了冰川冰磧地區(qū)的地下水流路徑；宋希利等[4]提出了應(yīng)用可控源音頻大地電磁法和電阻率測深法結(jié)合在侵入巖地區(qū)找水定井的新模式；張文秀等[5]應(yīng)用可控源音頻大地電磁法和激發(fā)極化法設(shè)計(jì)出一個(gè)分布式電磁測深系統(tǒng)，用于深部地下水勘察。

由于常規(guī)地球物理方法存在非水低阻、解譯成果多解等問題，導(dǎo)致判斷結(jié)果往往失真，限制了方法的應(yīng)用。近年來興起的核磁共振法，可直接獲得含水層深度、厚度、含水量等信息，準(zhǔn)確性更高，但在識別地層整體結(jié)構(gòu)方面存在不足?；诖耍P者提出一種將音頻大地電磁法（audio magnetotelluric method，AMT）與核磁共振法 （nuclear magnetic resonance method，NMR）結(jié)合用于含水層劃分的綜合方法，充分利用每種方法的優(yōu)點(diǎn)，并避免上述存在的不足。以內(nèi)蒙古巴彥寶力格盆地某區(qū)為試驗(yàn)區(qū)，開展野外試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與該區(qū)域供水水文地質(zhì)詳查報(bào)告中的水文地質(zhì)剖面圖進(jìn)行比對，旨在為應(yīng)用地球物理方法更為準(zhǔn)確地劃分含水層提供一個(gè)新的途徑。

1 綜合方法工作步驟

音頻大地電磁法在識別地層整體結(jié)構(gòu)、判斷地層變化的連續(xù)性和穩(wěn)定性、查找斷層和（或）裂隙帶的位置等方面具有優(yōu)勢；核磁共振法為唯一直接找水的地球物理方法，能提供含水層深度、厚度、含水量和介質(zhì)巖性等信息。綜合方法可實(shí)現(xiàn)二者優(yōu)勢互補(bǔ)。具體工作步驟如下：

第1步：布設(shè)音頻大地電磁法測點(diǎn)，根據(jù)解譯成果分析視電阻率分布規(guī)律，查看是否具有視電阻率異常現(xiàn)象并預(yù)判異常原因。

第2步：根據(jù)第1步成果布設(shè)核磁共振法測點(diǎn)。布設(shè)原則：①盡量考慮在視電阻率異常點(diǎn)附近布設(shè)，以進(jìn)一步查明異常原因；②沿勘探線均勻分布。

第3步：通過核磁共振法獲得含水層深度、厚度、含水量和平均衰減時(shí)間等信息。大量的野外試驗(yàn)歸納出平均衰減時(shí)間與含水層孔隙大小直接相關(guān)，平均衰減時(shí)間越長，含水層的孔隙越大[6-7]。根據(jù)平均衰減時(shí)間，通過孔隙大小判別，同時(shí)參考已知的水文地質(zhì)條件及解譯含水量，建立平均衰減時(shí)間與介質(zhì)巖性的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而判斷介質(zhì)巖性。

第4步：依據(jù)1-3步得到的成果繪制含水層劃分圖。

需要補(bǔ)充的是，如果在勘探線附近具有前期鉆孔資料，可在鉆孔附近布設(shè)1個(gè)核磁共振法測點(diǎn)，據(jù)此建立平均衰減時(shí)間與介質(zhì)巖性的對應(yīng)關(guān)系，會得到更理想的結(jié)果。

可以看出，綜合方法不僅是2種方法的優(yōu)化組合，也體現(xiàn)了點(diǎn)線關(guān)系的優(yōu)化配置：①音頻大地電磁法可為核磁共振法提供測點(diǎn)布設(shè)依據(jù)；②核磁共振法可檢驗(yàn)音頻大地電磁法探測結(jié)果的合理性并分析其視電阻率異常原因；③音頻大地電磁法可為核磁共振法多個(gè)測點(diǎn)資料的結(jié)合作輔助參考。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古錫林浩特市巴彥寶力格盆地中部，為火山堆積地形，較為平坦。區(qū)內(nèi)含水層可分為2個(gè)含水巖組：上部為第四系上更新統(tǒng)沖洪積松散巖類潛水含水巖組（）；下部為第四系中、下更新統(tǒng)玄武巖、裂隙孔洞潛水含水巖組（）。兩含水巖組下部為白堊系頂部泥巖隔水層（K2）。地下水補(bǔ)給主要為西南部的側(cè)向徑流補(bǔ)給，其次接受大氣降水的入滲補(bǔ)給；排泄主要為東北部的徑流排泄及少量的人工開采。

擬在試驗(yàn)區(qū)所屬區(qū)域選擇部分富水區(qū)作為錫林浩特市的城市供水水源地，已分別于2000年和2007年提交了供水水文地質(zhì)普查及詳查報(bào)告[8-9]，充足的資料為試驗(yàn)順利進(jìn)行提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及技術(shù)方法

2.2.1 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)1條勘探線，長約5km（圖1），為便于對試驗(yàn)結(jié)果作檢驗(yàn)，沿詳查報(bào)告中的已知勘探線布設(shè)。已知的勘探線上分布有2個(gè)鉆孔：B-10孔為普查階段鉆孔；Z-4孔為詳查階段鉆孔。布設(shè)音頻大地電磁法測點(diǎn)23個(gè)，測點(diǎn)間距約200m；核磁共振法測點(diǎn)3個(gè)，1個(gè)布設(shè)在已知的B-10孔旁，用于建立平均衰減時(shí)間與介質(zhì)巖性的對應(yīng)關(guān)系，其余測點(diǎn)根據(jù)音頻大地電磁法解譯成果布設(shè)。根據(jù)水文地質(zhì)條件，本次試驗(yàn)的目標(biāo)地層為100m以淺的第四紀(jì)地層。整個(gè)試驗(yàn)過程假定不知道詳查報(bào)告的任何信息。野外試驗(yàn)時(shí)間為2012年8月22日-9月15日。

2.2.2 技術(shù)方法

音頻大地電磁法應(yīng)用德國Metronix公司生產(chǎn)的GMS-07e綜合大地電磁法儀，采用標(biāo)準(zhǔn)的4道設(shè)置；核磁共振法應(yīng)用吉林大學(xué)自主研發(fā)的JLMRS-Ⅱ型核磁共振找水儀，線圈采用100m×100m方形布設(shè)，最大測深100m，設(shè)置16個(gè)脈沖矩。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 音頻大地電磁法試驗(yàn)結(jié)果分析

本次解譯選擇對音頻大地電磁法采集數(shù)據(jù)作二維反演。解譯之前，需對采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量作檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)分析可知，除AMT22測點(diǎn)其頻點(diǎn)表現(xiàn)出較大的跳躍外，其余測點(diǎn)數(shù)據(jù)的一致性和穩(wěn)定性均較好（圖2），可為后續(xù)反演提供合格的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 試驗(yàn)方案布設(shè)位置Fig.1 Locations of designed points in the test

圖2 部分測點(diǎn)視電阻率-頻率、相位-頻率分布Fig.2 Distribution of apparent resistivity-frequency and phase-frequency of part of the testing points

選擇不同的視電阻率曲線極化模式，反演結(jié)果往往差異較大。據(jù)已有研究成果[10-11]，采用TM模式比TE模式或TE＋TM模式反演結(jié)果中的虛假結(jié)構(gòu)更少，且TM模式對模型的二維近似程度要求更低、相位受三維畸變影響更小、對地下異常體更靈敏。本次重點(diǎn)關(guān)注TM模式反演結(jié)果?？紤]到試驗(yàn)區(qū)整體地勢平緩，忽略地形變化對反演結(jié)果的影響。

應(yīng)用OCCAM法作二維反演[12]，并通過相對擬合誤差檢驗(yàn)擬合情況，其計(jì)算公式為

全部測點(diǎn)的相對擬合誤差平均值為2.55%，最大值為4.36%，且整體相對平均，沒有出現(xiàn)個(gè)別測點(diǎn)相對擬合誤差較大的情況（圖3），表明本次反演全局性約束較成功，沒有受制于任何一個(gè)或一些測點(diǎn)的電性變化，反演曲線整體擬合較好。

圖3 部分測點(diǎn)TM模式二維反演擬合曲線Fig.3 Two-dimensional inversion of TM mode for the fit cuive of part of the testing points

圖4 TM模式二維反演視電阻率分布剖面（單位：Ω·m）Fig.4 Two-dimensional inversion of TM mode for distribution of apparent resistivity（unit：Ω·m）

對反演得到的視電阻率分布剖面（圖4）作分析。在垂直方向上：①視電阻率表現(xiàn)為由上至下逐漸減小的分布規(guī)律，這與地層上部為相對高阻的玄武巖地層、下部逐漸過渡到低阻的白堊系泥巖地層的水文地質(zhì)條件吻合。②視電阻率由上至下呈線性平緩減小，表明玄武巖地層裂隙孔洞發(fā)育，含水率逐漸增加，但涉及到玄武巖地層和泥巖地層具體的界線，還需要借助巖石物性資料作辨別。③以100m測深范圍內(nèi)視電阻率為26Ω·m的曲線為典型曲線，垂向上曲線變化整體比較穩(wěn)定，只是在剖面左右兩端因存在高阻層，曲線下移。左端曲線下移是由于剖面左端海拔相對較高，會有一個(gè)相對較厚的包氣帶分布，右端曲線下移還需借助水平方向成果綜合分析。其中，結(jié)論②很好地說明了應(yīng)用常規(guī)地球物理方法難以解決非水低阻、泥水難以區(qū)分問題。

在水平方向上：①視電阻率整體變化平穩(wěn)，說明地層變化具有很好的連續(xù)性和穩(wěn)定性。②剖面右端、以AMT21測點(diǎn)為中心，在淺地層表現(xiàn)為相對高阻異常，視電阻率為26Ω·m的典型曲線在此區(qū)域最深達(dá)到260m。通過400m測深范圍內(nèi)視電阻率曲線整體分布看，在100～300m深度范圍內(nèi)，視電阻率為20～26Ω·m的曲線表現(xiàn)為連續(xù)分布，可判斷此區(qū)域淺地層不具備斷層或裂隙帶分布的基本特征。AMT22測點(diǎn)的頻點(diǎn)表現(xiàn)出較大的跳躍，通過查閱該點(diǎn)野外記錄，初步判斷剖面右端淺地層相對高阻異?？赡芘cAMT22測點(diǎn)附近居民用電引起的噪聲干擾有關(guān)，同時(shí)也不排除在此區(qū)域有相對高阻的含水率較低的巖體分布的可能。

2.3.2 核磁共振法試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)音頻大地電磁法分析結(jié)果：NMR01測點(diǎn)布設(shè)在B-10鉆孔旁；NMR03測點(diǎn)布設(shè)在AMT19測點(diǎn)附近，既可進(jìn)一步查明異常原因，又可有效避免居民用電噪聲干擾；NMR02測點(diǎn)布設(shè)在兩測點(diǎn)之間。核磁共振信號易受電磁噪聲干擾，需借助信噪比對采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量作檢驗(yàn)。1-3號測點(diǎn)信噪比分別為5.80、2.18、1.27，信號可很好地壓制噪聲，表明數(shù)據(jù)的質(zhì)量較好。應(yīng)用文獻(xiàn)[13]中的數(shù)學(xué)方法作解譯（表1）。

自由水和束縛水具有不同的衰減時(shí)間，自由水的衰減時(shí)間為30～1000ms，而束縛水的衰減時(shí)間小于30ms。由于核磁共振法的電流脈沖間隔時(shí)間為30ms，只能接收自由水的信號，接收不到束縛水的信號，所以對于衰減時(shí)間為30ms的地層，即認(rèn)為介質(zhì)不含水[6]。從NMR02和NMR03測點(diǎn)的含水量和衰減時(shí)間看，兩點(diǎn)數(shù)據(jù)的一致性較好，可判定圖4中剖面右端淺地層相對高阻異?，F(xiàn)象由電磁噪聲干擾引起。

將NMR01測點(diǎn)解譯成果與B-10鉆孔資料作比對（圖5），可以看出：不同的介質(zhì)巖性表現(xiàn)出不同的衰減時(shí)間和含水量，且衰減時(shí)間與含水量具有一致的變化規(guī)律，兩者具有較強(qiáng)的相關(guān)性。根據(jù)該圖反應(yīng)的介質(zhì)巖性與衰減時(shí)間的對應(yīng)情況，并借鑒前人成果[14-15]，得出適于試驗(yàn)區(qū)水文地質(zhì)條件的衰減時(shí)間與介質(zhì)巖性的對應(yīng)關(guān)系：介質(zhì)巖性為泥巖、粉質(zhì)黏土、粉土、氣孔狀玄武巖、砂礫時(shí)，其衰減時(shí)間分別為≤30、30～60、60～120、120～260、260～600ms。

2.3.3 綜合分析

根據(jù)上述成果得到勘探線第四系含水層劃分圖（圖6a）。由顯示的介質(zhì)巖性分布可知，各含水層之間無連續(xù)隔水層，水力聯(lián)系密切，可根據(jù)含水層厚度加權(quán)計(jì)算整個(gè)含水巖組的含水量。

表1 核磁共振法解譯結(jié)果Table1 Interpretations of nuclear magnetic resonance method

圖5 B-10鉆孔資料（a）與NMR01測點(diǎn)解譯成果（b、c）對比Fig.5 Comparison between the B-10borehole data（a）and the interpretations of NMR01（b，c）

圖6 試驗(yàn)結(jié)果和詳查報(bào)告成果對比Fig.6 Comparison between the test results and the report results of detailed surveys

2.4 試驗(yàn)結(jié)果可靠性檢驗(yàn)及誤差分析

圖6b為試驗(yàn)區(qū)所屬區(qū)域供水水文地質(zhì)詳查報(bào)告提供的勘探線第四系水文地質(zhì)剖面圖。將圖6a與圖6b作比對，可以看出兩圖在地層結(jié)構(gòu)、含水層深度、厚度、介質(zhì)巖性分布等方面基本一致，且含水層含水量變化與水文地質(zhì)剖面圖的涌水量變化規(guī)律一致，表明綜合方法在描繪地層結(jié)構(gòu)、判斷含水層的位置和介質(zhì)巖性、提供含水層含水量等方面均表現(xiàn)良好，具有很強(qiáng)的可行性。

圖6a和圖6b的不同之處主要表現(xiàn)在：①海拔高度為920～940m的粉土層，圖6a表現(xiàn)為連續(xù)，而圖6b該層只在B-10孔附近有分布；②920～940m的砂礫層，圖6b要稍厚于圖6a；③880～900m，圖6a未見黏土層分布；④底部氣孔狀玄武巖層，圖6a最小高度為872m，而圖6b最小高度為862m；⑤底層砂礫層寬度，圖6b要寬于圖6a。

初步分析，誤差原因主要為：①測點(diǎn)周圍有電磁噪聲干擾，雖然數(shù)據(jù)處理證明其影響較小，但還是會對解譯成果造成一定的影響，這是地球物理方法的共有問題；②試驗(yàn)區(qū)大范圍分布玄武巖地層，火成巖具有的高磁化率會對核磁共振信號產(chǎn)生影響[16-17]；③核磁共振法因脈沖矩的設(shè)置，各探測分層的深度和厚度為固定值，所測信號為厚度范圍內(nèi)的平均值，對一些薄的地層變化刻畫不夠精細(xì)；④圖6b含水層分布狀況除在鉆孔位置準(zhǔn)確外，其他位置與實(shí)際情況也會有一定程度的差別；⑤圖6b為2007年勘察成果，當(dāng)時(shí)的地下水賦存環(huán)境與試驗(yàn)期會有一定的變化，這會對地球物理方法產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論與討論

1）通過將試驗(yàn)結(jié)果與供水水文地質(zhì)詳查報(bào)告中的水文地質(zhì)剖面圖作比對可知：本試驗(yàn)方法在描繪地層結(jié)構(gòu)、判斷含水層的位置和介質(zhì)巖性、提供含水層含水量等方面均表現(xiàn)良好，表明該方法具有很強(qiáng)的可行性。由誤差分析可知，誤差主要由電磁噪聲干擾、玄武巖高磁化率影響、核磁共振法脈沖矩設(shè)置、水文地質(zhì)剖面圖自身的不確定性，以及地下水賦存環(huán)境變化等引起。

2）試驗(yàn)選擇在玄武巖地層分布的地區(qū)進(jìn)行，火成巖具有的高磁化率會對核磁共振信號產(chǎn)生影響，方法更適宜在孔隙水大范圍分布的沉積巖地層，也可用于基巖裂隙水分布地區(qū)，但要注意應(yīng)在主要裂隙區(qū)增加核磁共振測點(diǎn)。

3）本試驗(yàn)方法成本相對水文地質(zhì)鉆探大幅減少，試驗(yàn)證明其劃分含水層的準(zhǔn)確性較高，在生產(chǎn)實(shí)踐中具有推廣價(jià)值。

4）本試驗(yàn)方法為含水層劃分提供了一個(gè)新的思路，未來可考慮與其他方法（如同位素、水文地球化學(xué)方法）結(jié)合，用于識別地下水水流路徑，或研究含水層的非均質(zhì)性。

長安大學(xué)李云峰教授、防災(zāi)科技學(xué)院姜紀(jì)沂博士在試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及文章修改等方面提供了幫助，中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所雷達(dá)研究員提供了AMT的反演軟件，并對文章修改提供寶貴意見，在此一并致謝。

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