大地電磁法在新疆阜康地區(qū)深層地下水礦化度評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究

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(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

大地電磁法在新疆阜康地區(qū)深層地下水礦化度評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究

田蒲源，朱慶俊，劉玉星，楊曉光

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

深層地下水勘查的地球物理手段一般包括可控源音頻大地電磁測(cè)深、大地電磁測(cè)深和二維地震勘探等方法。本文以新疆阜康地區(qū)深層地下水為研究對(duì)象, 采用大地電磁法對(duì)該區(qū)域深部咸水含水層進(jìn)行識(shí)別和評(píng)價(jià)，探索建立深層地下水礦化度的推算方法。通過分析電阻率值分布特征，并結(jié)合地層巖性、孔隙度、地溫梯度等影響地層電阻率的重要參數(shù)，建立了定量計(jì)算地下水礦化度方法。研究結(jié)果表明，利用大地電磁法推算深層地下水礦化度的技術(shù)勘查方法相對(duì)可行，評(píng)價(jià)結(jié)果與已有地下水礦化度資料較為符合。但同時(shí)大地電磁法屬于粗放的電磁類勘查方法，對(duì)地下水礦化度特征進(jìn)行的是定性分析，勘查精度無(wú)法滿足地下水礦化度精細(xì)分層的需要，在精細(xì)勘查中需謹(jǐn)慎采用。研究結(jié)果以期給國(guó)內(nèi)同行提供參考。

大地電磁法；電阻率；孔隙度；地溫梯度；地下水礦化度；阜康地區(qū)

隨著人口增加，經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)地下水資源的需求越來(lái)越多。由于地表水開發(fā)利用程度接近極限或者因污染而不能利用，淺層地下水開采程度很高以至疏干，或者因淺層地下水屬于劣質(zhì)水無(wú)法利用等種種原因，當(dāng)深層微咸水、咸水開采淡化處理后，即可應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和民用供水。我國(guó)現(xiàn)代鹽湖面臨采鹵不足、地下鹵水品質(zhì)下降、儲(chǔ)量減少、地下鹵水水位下降液體礦固化等問題，使中國(guó)制鹽業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)面臨巨大困擾，開發(fā)地下深部鹵水資源，可補(bǔ)充鹽湖鹵水資源的不足。深部咸水層是二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存的主要目標(biāo)層位，通過將二氧化碳注入深部咸水層，使之驅(qū)替高附加值液體礦產(chǎn)資源(例如鋰鹽、鉀鹽、溴素等)，不僅可實(shí)現(xiàn)CO2長(zhǎng)期儲(chǔ)存的過程，在一定程度上控制氣候變化等環(huán)境問題，而且可提高鉀、鋰等稀缺礦產(chǎn)資源保障。因此，查明深層地下水咸水層(地下水礦化度)具有重要意義。

目前國(guó)際上針對(duì)深層地下水勘查開發(fā)的研究仍處于起步階段，可用于深層地下水勘查的地球物理手段一般包括可控源音頻大地電磁測(cè)深、大地電磁測(cè)深以及二維地震勘探等。國(guó)內(nèi)外在采用地球物理手段勘查地下咸水層空間分布研究領(lǐng)域，公開發(fā)表文獻(xiàn)里僅有通過電阻率測(cè)深法、音頻大地電磁測(cè)深、可控源音頻大地電磁測(cè)深等幾種方法查明淺部地層電阻率斷面，推測(cè)淺層地下淡水層空間分布特征的記載[1]。有關(guān)深層地下水及超深層地下水(1 000 m以深)礦化度的勘查研究工作國(guó)內(nèi)外目前仍處于空白狀態(tài)。2016年，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在新疆阜康市開展大地電磁測(cè)深法推測(cè)深部地下水礦化度的勘查工作，采用大地電磁法識(shí)別和評(píng)價(jià)深部咸水含水層，探索建立深層地下水礦化度的推算方法，通過電阻率值分布情況結(jié)合地層巖性、孔隙度、地溫梯度等影響地層電阻率的重要參數(shù)，建立定量計(jì)算地下水礦化度方法。本文將介紹這種方法的理論及實(shí)際應(yīng)用，以期給同行提供一些參考。

1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

1.1 區(qū)域地質(zhì)及構(gòu)造背景

工作區(qū)地處準(zhǔn)噶爾盆地東部，南起天山北麓，北至沙漠北緣、可分兩帶，北帶為沙漠，南帶為天山北麓山前平原，是主要農(nóng)業(yè)區(qū)。出露地層有古生界石炭系、二疊系，中生界三疊系、侏羅系、白堊系，及新生界古近—新近系、第四系，以泥巖、砂巖、泥砂巖、頁(yè)巖為主。

準(zhǔn)噶爾盆地是自晚石炭世以來(lái)經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加而成的復(fù)合型盆地。三疊系不整合面以下構(gòu)造形態(tài)主要表現(xiàn)為石炭—二疊系變形后所形成的隆均相間的構(gòu)造格局，其發(fā)展演化對(duì)蓋層的沉積具有控制作用。根據(jù)基底隆均構(gòu)造格局、隆拗邊界性質(zhì)、沉積蓋層建造演化類型、深、淺構(gòu)造層變形特征的差異及區(qū)域性斷裂對(duì)地層沉積的控制作用，可將準(zhǔn)噶爾盆地及其周緣劃分為6個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元和44個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元。

1.2 深層地下水賦存特征

準(zhǔn)噶爾盆地四周高，中間低。古近系及古近系以下各時(shí)代沉積巖層，基本上構(gòu)成了一個(gè)大向斜。這個(gè)大型向斜盆地，從水文地質(zhì)觀點(diǎn)看，就是一個(gè)大型的承壓自流水盆地，由于四周山區(qū)地勢(shì)高，有河流水和凝結(jié)水的滲入補(bǔ)給，所以盆地內(nèi)各時(shí)代沉積巖層中均有層間承壓水存在。已在第四系(砂礫巖和泥巖的互層中)、古近系、白堊系、侏羅系、三疊系、石炭系的鉆孔中都發(fā)現(xiàn)了承壓水，大多數(shù)能以自噴或自溢的方式流出地面。

受阿爾泰山脈補(bǔ)給的盆地北部承壓自流水，可向南延伸到烏倫古河南岸地區(qū)；受天山山脈補(bǔ)給的盆地南部承壓自流水，分布很廣泛，向北延伸到克拉瑪依地區(qū)、盆地中央地區(qū)、克拉美利山前地區(qū)；受西部山區(qū)補(bǔ)給的承壓自流水?dāng)?shù)量少，范圍小，僅局限于盆地西北緣地區(qū)，如位于克拉瑪依與烏爾禾之間的百口泉地區(qū)第三系小型自流水盆地，是受西部山區(qū)的山楊河、克拉蘇河、達(dá)爾布圖河的下滲補(bǔ)給的，自流水分布面積僅500 km2。

在各時(shí)代地層中，自新至老，承壓自流水的礦化度由小變大，即水質(zhì)由好變差。

埋藏深度小于300～500 m的上第三系新統(tǒng)獨(dú)山子組砂礫巖層中的承壓水，水質(zhì)最好，大多數(shù)礦化度小于1 g/L，是新疆地區(qū)重要的生活飲用水源，如補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)高差大，含水層巖性好，則獨(dú)山子組的低礦化度承壓水的分布深度可達(dá)1 000～1 500 m。

上第三系中新統(tǒng)和下第三系的承壓水水質(zhì)較差，烏倫古河地區(qū)下第三系承壓自流水，礦化度為2～3 g/L；獨(dú)山子背斜的中新統(tǒng)和下第三系承壓水礦化度較高，屬于油田水。

白堊系上部含水層在個(gè)別地區(qū)，如西北緣百口泉地區(qū)，礦化度不大，水質(zhì)略好，以下層位即白堊系中下部、侏羅系、三疊系、二疊系和石炭系的承壓自流水的礦化度較高，不能作生活飲用水源，礦化度一般自上而下加大，但礦化度與含水層埋藏深度不成正比或線性關(guān)系，礦化度和水型的變化主要受古水文地質(zhì)封閉條件和含水層巖性所決定。盆地內(nèi)以風(fēng)成城地區(qū)石炭—二疊系的承壓自流水礦化度最高，為150 g/L，水型為NaHCO3型。

2 大地電磁法技術(shù)方法原理簡(jiǎn)介

大地電磁法是一種被動(dòng)源電磁類物探勘查技術(shù)方法，觀測(cè)的信號(hào)為天然電磁場(chǎng)，通過觀測(cè)到不同頻率的電磁波信號(hào)，依據(jù)不同頻率的電磁波在導(dǎo)體中具有不同趨膚深度的原理，經(jīng)過相關(guān)的數(shù)據(jù)處理和資料分析以獲取地層由淺至深的電性結(jié)構(gòu)。

通過利用相關(guān)儀器設(shè)備采集時(shí)間域兩組正交的電場(chǎng)分量(Ex、Ey)和磁場(chǎng)分量(Hx、Hy、Hz)，經(jīng)過頻譜分析和Robust處理，計(jì)算得到阻抗張量數(shù)據(jù)Zij，進(jìn)而可求得不同頻率視電阻率值和相位，利用的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

其中，式(1)中f代表電磁波頻率，ρij代表視電阻率；式(2)中Φij代表阻抗相位。

探測(cè)深度(趨膚深度)δ由公式(3)求得：

(3)

3 深層地下水礦化度推算公式

一般認(rèn)為，松散類沉積巖的電阻率受巖石孔隙度、孔隙水礦化度、溫度等因素的共同影響。

3.1 引用的經(jīng)驗(yàn)公式

目前，國(guó)內(nèi)在采用電法推測(cè)地下水礦化度研究領(lǐng)域，前人在新疆、甘肅等地做過一些研究工作，主要為采用電測(cè)深法、音頻大地電磁法等技術(shù)手段獲取地層的電阻率信息，綜合地層孔隙度、地溫梯度信息等參數(shù)，推測(cè)淺層地下水礦化度范圍，在劣質(zhì)水中尋找可供飲用的優(yōu)質(zhì)地下水。他們采用的地下水礦化度計(jì)算公式如下[2]：

(4)

其中，Δt=t0+tt·h-18，

式中，C代表孔隙地下水礦化度；α代表溫度常數(shù)，通常取值0.025Ωm/℃；t0代表大地表層常溫帶溫度(℃)；tt代表地溫梯度(℃/m)；h表示為數(shù)據(jù)點(diǎn)的深度(m)；ρ代表地層電阻率值；β代表礦化度常數(shù)，對(duì)NaCl型孔隙水一般取值為-0.95。

地層因子F=ρ/ρ水=(3-Φ)/2Φ。

本次大地電磁測(cè)深法推測(cè)深層地下水礦化度工作以此公式為基礎(chǔ)，嘗試通過已有測(cè)井資料標(biāo)定求取關(guān)鍵影響因子，構(gòu)建適用于研究區(qū)公式，在此基礎(chǔ)上開展深層地下水礦化度推算工作。

3.2 工作區(qū)地下水礦化度評(píng)價(jià)

大地電磁勘查結(jié)果顯示：研究區(qū)新近系地層視電阻率值稍高于白堊系及侏羅系地層視電阻率值，新近系、白堊系及侏羅系地層實(shí)測(cè)視電阻率值主要受地層巖性、溫度和地下水礦化度的控制。在利用實(shí)測(cè)視電阻率預(yù)測(cè)工作區(qū)地下水礦化度變化時(shí)，需綜合地質(zhì)資料、鉆孔資料和測(cè)井資料。通過前期收集到的中石化石油井(編號(hào)董7井)資料顯示，5 365 m深度鉆井液溫度為75.9℃，工作區(qū)年均氣溫6.7℃，由此計(jì)算出地溫梯度并推算出不同深度的溫度值；根據(jù)已有資料統(tǒng)計(jì)孔隙度隨深度的變化并計(jì)算出不同深度孔隙度值，在此基礎(chǔ)上，可忽略巖性變化對(duì)電阻率值的貢獻(xiàn)，主要考慮地下水礦化度變化對(duì)地層電阻率值的影響，完成上述兩項(xiàng)工作之后，利用實(shí)際視電阻率值預(yù)測(cè)工作區(qū)地下水礦化度變化規(guī)律。根據(jù)收集到的中石化石油井編號(hào)為董7井及董2井資料，計(jì)算出地層孔隙度與深度的關(guān)系式：

Φ=(5 768.5-h)/18 840

(5)

式(5)中，Φ為地層孔隙度，h為對(duì)應(yīng)深度。

將式(5)代入式(4)，則工作區(qū)孔隙構(gòu)造地層地下水礦化度評(píng)價(jià)基本公式可簡(jiǎn)為下式：

(6)

其中ρ為反演后地層電阻率值。

綜上所述，本次工作對(duì)地層地下水礦化度評(píng)價(jià)依據(jù)公式(6)開展。首先獲取地下水礦化度分布斷面，在此基礎(chǔ)上，與鉆孔資料和水樣化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)工作區(qū)地下水礦化度評(píng)價(jià)公式進(jìn)行修正，再重新預(yù)測(cè)工作區(qū)地層水礦化度分布規(guī)律，以期接近地下水水質(zhì)特征的真實(shí)面目。在此需要說(shuō)明的是：大地電磁法本身是一種較為粗放的電磁類勘查方法，僅能通過獲取的視電阻率斷面結(jié)果來(lái)進(jìn)行定性的地下水礦化度特征分析，其勘查精度無(wú)法滿足地下水礦化度精細(xì)分層的需要。另外，由地質(zhì)構(gòu)造如斷層引起的低阻會(huì)導(dǎo)致礦化度評(píng)價(jià)的誤差；由地面高壓線等造成的強(qiáng)電磁干擾影響將造成電阻率結(jié)果不準(zhǔn)確，引起礦化度評(píng)價(jià)誤差；電阻率值受巖性和礦化度、溫度等多重因素的影響因而根據(jù)視電阻率值計(jì)算出來(lái)的礦化度斷面結(jié)果難免會(huì)有誤差。

4 勘查結(jié)果分析

大地電磁法測(cè)深工作在新疆阜康市北部古爾班通古特沙漠南緣開展，Ⅰ剖面勘查工作為近東西向布設(shè)，以剖面穿過董7井及董2井為基準(zhǔn)，由西至東布設(shè)，共布設(shè)測(cè)點(diǎn)34個(gè)，點(diǎn)距約500 m，測(cè)線長(zhǎng)度16 500 m。大地電磁法勘查工作采用的儀器為加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8多功能電法儀，單點(diǎn)采集時(shí)長(zhǎng)為約8 h?？辈榻Y(jié)果見圖1。

圖1上為EMAP處理后的視電阻率等值線圖，由圖可知，視電阻率等值線縱向梯度變化較小，剖面視電阻率值縱向分布特征由淺到深呈低—高—低的趨勢(shì)，視電阻率分布范圍為2 ～30 Ω·m。通常而言，新近系、古近系、白堊系由于沉積地層巖性多為泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖及其互層，地層的電性差異較小，僅依靠電阻率值差異劃分地層時(shí)代難度較大。由于新近系、古近系、白堊系地層巖性差異較小，地層電阻率值受礦物質(zhì)組成(含砂量)、地下水富集度、地下水礦化度等因素共同影響。圖1為使用公式14計(jì)算處理得到的地下水礦化度推測(cè)結(jié)果，由圖可知，地下水礦化度呈現(xiàn)高—低—高的變化特征，其礦化度分布范圍為約1.0～40 g/L。

(上)視電阻率等值線圖 (下)地下水礦化度分布圖

5 結(jié)語(yǔ)

本次在新疆阜康市開展大地電磁法推測(cè)深部地下水礦化度的勘查工作，通過分析視電阻率特征結(jié)合地層孔隙度、地溫梯度以及地層因子等參數(shù)推算深層地下水礦化度的技術(shù)勘查手段，取得了較好的結(jié)果，與已有地下水礦化度資料較為符合，由此可見，通過大地電磁法視電阻率結(jié)果推算深層地下水礦化度分布范圍是一種可取的技術(shù)手段。但是，在使用過程中，由于大地電磁法是一種較為粗略的電磁法勘查技術(shù)，僅能取得大尺度深度的電阻率值(往往跨越幾百米深度才能獲取一個(gè)頻點(diǎn)的電阻率值信息)，無(wú)法滿足精細(xì)勘查的需要。在通過此方法計(jì)算深層地下水礦化度時(shí)，對(duì)地質(zhì)模型做了簡(jiǎn)單的假設(shè)，但實(shí)際的地質(zhì)信息可能十分復(fù)雜且變化劇烈，因此，通過本方法推算的深層地下水礦化度信息與實(shí)際可能存在較大的誤差。

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TheapplicationofmagnetotelluricmethodintheevaluationofdeepgroundwatersalinityinFukangregionofXinjiang

TIANPu-yuan，ZHUQing-jun，LIUYu-xing，YANGXiao-guang

(China geological survey hydrogeological environment geological survey center, Baoding,Hebei,071051, China)

Geophysical methods of deep groundwater exploration generally include methods such as controlled source audio earth electromagnetic sounding, earth electromagnetic sounding and 2d seismic exploration. This paper based on deep groundwater in Xinjiang Fukang area as the research object, uses the magnetotelluric method identification and evaluation of the regional deep saline aquifers, explores the establishment of deep groundwater salinity calculation method. Through the analysis of distribution characteristics of resistivity values, combined with the important parameters affecting the lithology, such as :porosity, geothermal gradient resistivity, and established the groundwater salinity quantitative calculation method. The research results show that using magnetotelluric method calculate deep groundwater salinity technology exploration method relatively feasible, the evaluation results is consistent with the existing groundwater salinity data. But at the same time the magnetotelluric method belongs to extensive electromagnetic exploration method, the groundwater salinity characteristics is the qualitative analysis, the survey precision can not meet the needs of groundwater salinity stratification in the fine, careful monitoring should be adopted in fine exploration. The results of this study are expected to provide reference for domestic counterparts.

magnetotelluric method；the resistivity；porosity；geothermal gradient；groundwater salinity；Fukang region

P641.5

A

1004-1184(2017)05-0012-03

2017-05-04

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目：“準(zhǔn)噶爾等盆地二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存綜合地質(zhì)調(diào)查”(121201012000150010)資助

田蒲源 (1983-)，男，河北保定人，工程師，主要從事物探技術(shù)應(yīng)用及地下水勘查等方面研究工作。