音頻大地電磁測深法在大格勒地區(qū)地下水資源調查中的應用

白 運，冀顯坤，郭偉立，于峰丹

(中國地質調查局西安地質調查中心，陜西 西安 710054)

音頻大地電磁測深法在大格勒地區(qū)地下水資源調查中的應用

白 運，冀顯坤，郭偉立，于峰丹

(中國地質調查局西安地質調查中心，陜西 西安 710054)

大格勒地區(qū)位于享有“聚寶盆”之稱的柴達木盆地南緣，距青海格爾木市約90 km，區(qū)內高寒干旱，降水稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源勘查研究程度低，在該區(qū)開展地下水的地球物理勘查和水資源評價極為重要。而大量探索性研究結果表明，音頻大地電磁測深法具有地形條件限制小，工作效果效率高等優(yōu)點，能很好的集合地質推斷來解釋，避免地球物理資料的多解性，提高打井見水的成功率。本文通過在青海省大格勒地區(qū)利用音頻大地電磁測深法進行地下水資源調查，查明了該區(qū)域第四系含水層系統(tǒng)水文地質結構，圈定了富水區(qū)，為柴達木盆地循環(huán)經(jīng)濟試驗區(qū)建設開發(fā)利用水資源及環(huán)境保護和生態(tài)建設提供科學依據(jù)。

音頻大地電磁測深法；地下水；電阻率；反演

大格勒地區(qū)位于享有“聚寶盆”之稱的柴達木盆地南緣，距格爾木約90 km，區(qū)內高寒干旱，降水稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源勘查研究程度低。柴達木循環(huán)經(jīng)濟試驗區(qū)是國家首批13個循環(huán)經(jīng)濟產業(yè)試點園區(qū)之一，是國家“十一五”規(guī)劃綱要明確加快實施的循環(huán)經(jīng)濟產業(yè)園區(qū)之一，也是目前國內面積最大、資源較為豐富、唯一布局在青藏高原少數(shù)民族地區(qū)的循環(huán)經(jīng)濟產業(yè)試點園區(qū)，是青海省經(jīng)濟社會發(fā)展最具有活力的地區(qū)，承擔著支撐青海省經(jīng)濟社會發(fā)展、保護三江源、支援西藏建設的重任。因此，在該區(qū)開展地下水的地球物理勘查和水資源評價是一項非常重要的工作。

大量探索性研究工作的結果表明，音頻大地電磁測深法具有地形條件限制小，工作效果效率高等優(yōu)點，能很好的集合地質推斷來解釋，避免地球物理資料的多解性，提高打井見水的成功率。在水文地質工作中，音頻大地電磁測深大多采用剖面或面積性測量。根據(jù)實際地質情況，結合勘查區(qū)巖石和地層電性特征，利用實測的反演電阻率進行地質解釋推斷解釋，推斷實測剖面通過地段理想的富水位置，從而為采水(水文鉆孔)工程提供可靠依據(jù)[1]。對青海省大格勒地區(qū)的開展音頻大地電磁測深的工作，以第四系的含水層為探測對象，結果表明，200m內揭示的第四系含水層結構與水文地質剖面和鉆井資料基本吻合，取得了良好的效果。

1 音頻大地電磁測深(AMT)方法的原理簡及工作方法

音頻大地電磁測深法(Audio Magnetotelluric)主要通過在地面觀測具有區(qū)域性乃至全球性分布特征的天然交變電磁場來探測不同埋深的地質目標體的一種頻率域電磁測深方法[2]，具有勘探深度大，分辨能力強，觀測效率高等特點，是研究中深部地質構造和尋找隱伏型礦的有效手段，探測深度一般為≤2 000 m。

野外觀測測點的電場E分量及與之正交的磁場分量H，計算卡尼亞視電祖率和阻抗相位。視電祖率與電場、磁場的關系式為：

(1)

(2)

式中：f為頻率，單位為Hz，ρ為電阻率，單位為Ω·m。

在電磁理論中，把電磁場(E、H)在大地中傳播時，其振幅衰減到初始值1/e時的深度，定義為穿透深度或趨膚深度(δ)。

(3)

本次工作采用加拿大鳳凰公司MTU-5A大地電磁系統(tǒng)，配備AMTC-30磁探頭，采集頻率10 400～0.35 Hz，總計60個頻點。采用十字布極張量觀測方式，接收電極距MN=40 m，單點采集時間約60 min。

2 工作區(qū)水文地質概況

工區(qū)位于大格勒溝-五龍溝洪積扇中前部，鉆孔揭露地層主要為第四系更新統(tǒng)和全新統(tǒng)(見圖1)。

圖1 大格勒沖洪積扇水文地質剖面圖(張戈等)

大格勒沖洪積扇受地質構造、巖性巖相及補給徑流排泄條件等因素控制，地下水賦存條件差異較大。沖洪積扇區(qū)巖性顆粒粗大，孔隙發(fā)育，有利于河水垂直滲漏，在前緣細顆粒堆積物阻隔作用下，地下水賦存富集于洪積扇區(qū)，含水層富水性較好。地下水溢出帶以下的沖湖積平原區(qū)，巖性顆粒變細，為粉土、粉質粘土、粘土夾細砂、粉砂，含水層層數(shù)增多、單層厚度漸薄，不利于地下水富集，含水層富水性變差。

工區(qū)物性資料顯示，砂礫石層視電阻率為100～120 Ω·M；中粗砂層的視電阻率為80～100 Ω·M; 中細砂層的視電阻率為60～90 Ω·M；亞砂土的視電阻率為40～60 Ω·M；亞粘土的視電阻率為30～50 Ω·M；粘土的視電阻率為20～40 Ω·M。因此，電性差異成為在該區(qū)開展音頻大地電磁測深的前提。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 預處理

野外采集得到測點的時間序列文件，通過SSMT2000軟件經(jīng)傅里葉變換、互功率譜計算、近磁參考處理、阻抗張量估算，進而求取測點不同頻率視電阻率相位，生成中間結果EMT和MMT文件。用MTEDITOR軟件對生成的中間結果文件進行頻譜編輯，將電磁干擾嚴重的頻譜刪除(去飛點)，提高野外數(shù)據(jù)采集的質量[6]。

預處理得到的視電阻率和阻抗相位等資料一般包含多種干擾影響，其中尤以靜位移與地形影響最為突出，特別在山區(qū)地形復雜地區(qū)，地形影響往往造成資料反演解釋的較大偏差[5]。結合工區(qū)特點，此次數(shù)據(jù)處理采用空間濾波法，本方法的一個重要優(yōu)點是地形校正與靜校正可以一次完成，使用得當會取得良好的效果。

3.2 反演

大地電磁常用的反演方法有Bostick、Occam、RRI(快速松弛)、NLCG(非線性共軛梯度)[3-4]。對于本工區(qū)反演方法的選擇，不僅考察了常用方法對初識模型的依賴程度、收斂的穩(wěn)定性、反演效果的優(yōu)劣等問題[6]，又考慮本區(qū)的地電特征。采用成都理工大學地球探測與信息技術教育部重點實驗室王緒本等自主開發(fā)的MTSoft2D大地電磁二維處理和解釋軟件進行后續(xù)處理解釋，該軟件自帶曲線編輯、靜態(tài)校正、正演模擬、空間濾波、一維二維反演等模塊，是國內較為先進的大地電磁處理軟件。

圖2 大格勒工區(qū)AMT二維反演綜合解釋圖

4 推斷解釋

通過對多種反演方法的對比研究，最終選擇以均勻半空間作為初識模型，進行二維非線性共軛梯度反演的方法，對剖面的資料進行反演得到了剖面的二維電性結構，圖2為大格勒工區(qū)AMT二維反演綜合解釋圖，本次將電阻率10～120 Ω·M解釋為第四系。圖中電性層位比較穩(wěn)定，盆地基地為花崗巖[8]，電阻率呈高阻特征，含水層電阻率呈低阻特征。第四系底界面(紅色虛線)在剖面南部從地表延伸到盆地底部，成臺階狀。臨盆山體中發(fā)育的小型斷裂(F1、F2)對盆地與山體的接觸關系并不一定起控制作用，但有可能形成局部隆起，在河流出山口附近形成地下跌水陡坎。含水層在剖面南部埋深較深(100～200 m)，沿著剖面埋深逐漸變淺，在剖面北部埋深小于50 m，已進入地下水溢出帶。鉆井資料顯示，在剖面11.5 km處，為多層含水地層，且各含水層厚度較薄，但剖面反演結果沒有反映出來，這與AMT本身的體積效應和分辨率有關。

一般情況下，巖石電阻率與地下水礦化度間具有相關性，即地下水礦化度高則地層電阻率相對低，礦化度低則電阻率值相對高[7]。從圖2可以看出，沿著剖面方向含水層的電阻率在減小，說明地下水的礦化度在逐漸升高，這一點與水文地質資料相吻合。

5 結語

(1)一般情況下，地下含水層呈相對低阻，音頻大地電磁測深對低阻體反映較為靈敏，且勘探深度大，為尋找地下水的有效地球物理手段。

(2)工作區(qū)含水層主要為第四系砂礫卵石、中粗砂、細砂層、其次是粉砂層。從南往北第四系含水層厚度總體上呈現(xiàn)厚-最厚-薄的趨勢。即工區(qū)南部山前地帶含水層較厚，含水層主要為砂礫卵石、砂礫巖；中部含水層最厚，含水層主要為中粗砂、細砂；北部含水層較薄，巖性以細砂、粉砂為主。

(3)工作區(qū)地下水礦化度在橫向上呈現(xiàn)南低、北高的特點，縱向上呈現(xiàn)淺部礦化度高、深部礦化度低，礦化度隨著深度增加而逐漸減小的特點。

(4)音頻大地電磁測深以電性差異作為勘探前提，分辨率還不夠高，視電阻率反演可能存在很多假象，在選擇使用時，應充分了解工區(qū)的地形、地貌及電性特征，對多種反演方法進行對比研究，才能確定適合不同條件下的反演參數(shù)，結合更多的地質資料，方能取得最佳的應用效果。

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Application of Audio Magnetotelluric Sounding Method in Investigation of Groundwater Resources in the Dagler Region

BAI Yun, JI Xian-kun, GUO Wei-li, YU Feng-dan

(Xi'an Geological Survey Center of China Geological Survey, Shaanxi Xi’an 710054)

The Dagler region is located in the southern margin of the Qaidam Basin, which is known as the "cornucopia", about 90km away from Qinghai Golmud City. This area is cold and arid, with rare precipitation, weak ecological environment and lower degree of water resources exploration, so that it is extremely important to carry out geophysical exploration and water resources assessment of groundwater. The results of a large number of exploratory studies show that the audio magnetotelluric sounding method has the advantages of lower control of terrain conditions and high efficiency in working, so it can be a good collection of geological inference to explain and avoid the multi-solution of the geophysical data, also improve the successful rate of developing water wells. In this paper, the groundwater resources survey of the Quaternary aquifer system in the Dagler region of Qinghai province is carried out by using the audio magnetotelluric sounding method, the water and geological structure of the Quaternary aquifer system in this area is identified, and the water - rich area is delineated, which provide a scientific basis for the development and utilization of water resources, environmental protection and ecological construction in the Qaidam Basin circular economy pilot area.

Audio Magnetotelluric Sounding Method; the groundwater; resistivity；inversion

2017-03-27

東昆侖銅鎳多金屬資源基地調查(121201011000150005)

白運(1983-)，男，陜西淳化人，工程師，主要從事電磁法資料處理與解釋工作。

P641.8

B

1004-1184(2017)04-0030-02