地球物理勘探技術(shù)在晉祠泉修復(fù)研究中的應(yīng)用

孫建芳

（太原市水文水資源勘測分局 山西太原 030002）

晉祠泉位于山西省太原市西南邊山，距市中心約25km的懸甕山麓，于中奧陶系上馬家溝組灰?guī)r中溢出，由難老、魚昭、善利三泉組成。晉祠泉不僅是山西省著名的風(fēng)景區(qū)和旅游勝地，而且也曾是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要供水水源地。20世紀(jì)50年代以前泉流量保持天然狀態(tài)，流量穩(wěn)定，平均為1.96m3/s；60年代，人們開始開發(fā)利用巖溶水，使晉泉流量逐漸減少，平均流量為1.69m3/s；70年代泉流量衰減到1.13m3/s；80年代，隨著工農(nóng)業(yè)用水的增加，煤礦排水的迅速增大，使泉流量衰減到平均0.46m3/s；在此期間魚昭、善利兩泉干涸；1994年4月30日難老泉斷流。隨著人們生態(tài)保護(hù)意識的不斷提高，晉祠泉生態(tài)保護(hù)及如何復(fù)流和晉祠泉斷流造成的旅游資源價值降低等成為了人們關(guān)注的問題。因此，對晉祠泉地形進(jìn)行地球物理勘察，為進(jìn)一步對晉祠泉復(fù)流提供資料及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析晉祠泉修復(fù)影響因素十分關(guān)鍵。

1 材料和方法

工作區(qū)位于太原市晉源區(qū)晉祠村與赤橋村之間，屬山丘區(qū)與傾斜平原區(qū)的交匯部位。地勢呈由南東方向至西北方向逐漸升高態(tài)勢。測區(qū)內(nèi)地面標(biāo)高790～850m。

1.1 時間和位置

2012年9-10月，勘測人員在對晉祠難老泉周邊踏勘的基礎(chǔ)上，結(jié)合可控源音頻大地電磁法工作布置要求，確定了僅可在難老泉東北500m左右的晉祠地震臺北側(cè)、赤橋村南側(cè)的溝谷中布置勘測剖面。該剖面走向近東西向，橫跨太原斷陷盆地與太原西山隆起區(qū)，地處交城大斷裂轉(zhuǎn)折部位。共布置了勘測剖面1條，長1250m，計6個排列41個測點（見圖1）。

圖1 大地電磁測深點布置示意圖

1.2 球物理勘測方法及設(shè)備

1.2.1 地球物理勘測方法

本項目選擇受地形影響小、資料精度高、勘探深度大的可控源音頻大地電磁法（CSAMT），并通過反演計算，得到不同深度的電阻率。由于可通過改變頻率的方法控制勘探深度，從而克服了地形對勘測資料的影響。

工作原理及電阻率ρS的關(guān)系式如下：

式中：f——頻率；

Ex——電場分量；

Hy——磁場分量。

CSAMT的測量野外工作方法如圖2所示，CSAMT勘探通過兩組供電電極向大地發(fā)射不同頻率的電磁波，又根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論，導(dǎo)出了趨膚深度公式：

式中：H——最大探測深度；

ρ——趨膚電阻率；

f——頻率。

由接受機(jī)接受相應(yīng)頻率的電場信號與磁場信號，并通過軟件系統(tǒng)，按照（1）式的原理，求得地層的電阻率值。本次工作采用8F60頻率系列，最高信號頻率9 600Hz，最低信號頻率0.646 Hz，共112個頻率，一個數(shù)據(jù)采集周期為60min，接收信號與發(fā)射信號時間通過衛(wèi)星時間控制，以格林威治時間為標(biāo)準(zhǔn)，以實現(xiàn)工作頻率同步。

圖2 CSAMT野外工作方法示意圖

1.2.2 勘測設(shè)備

可控源音頻大地電磁法采用加拿大鳳凰地球物理公司生產(chǎn)的V6-A多功能電磁勘測系統(tǒng)，設(shè)備由信號發(fā)射系統(tǒng)與電磁接收系統(tǒng)兩部分組成，發(fā)射系統(tǒng)主要有30kW大功率發(fā)電機(jī)、T-30發(fā)射系統(tǒng)、MTU衛(wèi)星同步時間控制鐘、GPS衛(wèi)星接收天線、電源、交變電磁場發(fā)射電纜線、信號發(fā)射鋁鉑電極組成。接收系統(tǒng)由V6-A多功能接收機(jī)、用于磁場接收的磁探頭和用于電場接收的不極化電極、電纜線、電源、GPS接收天線組成。

2 結(jié)果與分析

圖3為實測大地電磁測深剖面圖，圖4為實測大地電磁測深剖面解釋圖，剖面走向由西到東。其中：縱坐標(biāo)為勘測深度，頂部橫坐標(biāo)為測點號，底部橫坐標(biāo)為距離。圖中7-1和BM3為兩已知鉆孔。

圖中，以540m和1170m為中心，形成兩條傾向東近垂直的低阻條帶。其中以540m為中心的條帶寬約70m，由地表一直向下延伸至1000m，電阻率值在100～400Ω·m之間；以1170m為中心的條帶寬約30m，由埋深450m處向下延伸至1000m，電阻率等值線近似起立，推斷這兩個異常部位為斷層構(gòu)造反映。

圖3 實測大地電磁測深剖面圖

圖4 大地電磁測深剖面示意解釋圖

以540m和1170m為界，將剖面分為左、中、右三個部分。

左側(cè)部分：電阻率值絕大部分在400～9 000Ω·m之間，推斷為奧陶寒武系灰?guī)r反映，近地表，局部電阻率值小于400Ω·m，推斷為松散沉積物或奧陶系峰峰組泥灰?guī)r的反映。鉆孔7-1位于14、15號大地電磁測深點之間，孔深765.78m，鉆孔揭露地層第四系松散層厚31.53m，下伏為奧陶系寒武系灰?guī)r。

中間部分：以水平方向的400Ω·m等值線分為上下兩層，層界面埋藏深度約為450m。上層電阻率值為小于400Ω·m，推測為第四系松散沉積物反映，在15～24號測深點之間，埋藏深度100m左右，有一高阻閉合圈，電阻率值在400～3000Ω·m，推斷為山前洪積物的反映，BM3鉆孔就位于此，BM3鉆孔孔深332.42m，揭露地層為第四系松散沉積物，地層巖性以卵石、礫石、漂礫為主，未見基巖。下層電阻率值在400～9 000Ω·m之間，推斷為奧陶寒武系灰?guī)r反映。

右側(cè)部分：以水平方向的400Ω·m等值線分為上下兩層，層界面埋藏深度約為900m。上層電阻率值為小于400Ω·m，推測為第四系松散沉積物反映。下層電阻率值在400～3000Ω·m之間，推斷為奧陶寒武系灰?guī)r反映。

3 討論

1）本次勘測，應(yīng)用可控源音頻大地電磁法勘測技術(shù)，完成了工作區(qū)內(nèi)大地電磁勘測剖面1條，取得了反映地層信息的資料，為了解晉祠大斷裂分布情況、覆蓋層厚度及基巖埋深提供了科學(xué)資料。

2）通過資料分析，推斷出階梯狀斷層2條，兩斷層相距約630m。第1條斷層斷距為450m，奧陶系頂板埋藏深度為450m。第2條斷層斷距，也接近于450m，奧陶系頂板埋藏深度接近900m。

3）由于石炭系地層多為砂頁巖，電性特征與上部覆蓋的松散層差異不明顯，故本次勘測資料未能反映出奧陶系頂板上是否有石炭系砂頁巖存在。

4）同任何一種地球物理勘探方法一樣，CSAMT的資料解釋也有多解性，因此，本研究提供的基巖埋深、基地構(gòu)造等也需要結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件和鉆孔作進(jìn)一步驗證。

5）通過地球物理勘探，明確了晉祠泉泉口邊界松散層與灰?guī)r的接觸關(guān)系。通過水位分析，7-1孔巖溶水位標(biāo)高796.744m，BM3孔隙水水位標(biāo)高788.29m，可以看出巖溶水側(cè)向徑流補給孔隙水，如果松散層孔隙水超量開采，引起孔隙水水位下降，則將導(dǎo)致巖溶水排向孔隙水的水量增加。因此，平原區(qū)西邊山孔隙水開采對晉祠泉有一定的影響。