瞬變電磁法在內(nèi)蒙古烏拉特前旗明安鎮(zhèn)西找水工程中的應(yīng)用

郭嵩巍， 閆 強(qiáng)

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.內(nèi)蒙古國(guó)土資源勘查開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,呼和浩特 010020)

內(nèi)蒙古自治區(qū)烏拉特前旗明安鎮(zhèn)西某農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)(圖1)，因灌溉需要，在開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)需建設(shè)數(shù)個(gè)水井，但隨著工程的推進(jìn)，部分井打到基巖，成為無(wú)水干井，因此開(kāi)發(fā)區(qū)決定采用物探方法探測(cè)含水層與基巖的分界面的位置，重新布置井位，避免干井的出現(xiàn)。在物探方法的選擇方面，根據(jù)實(shí)際施工的情況，選擇中心回線瞬變電磁法；在數(shù)據(jù)處理解釋方面，自主開(kāi)發(fā)了基于VisualBasic2015平臺(tái)的處理解釋程序，該程序能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取，煙圈反演，人機(jī)交互解釋功能，實(shí)現(xiàn)了野外數(shù)據(jù)的快速處理、定量解釋一體化，對(duì)找水物探工程的野外現(xiàn)場(chǎng)快速解釋有較大的實(shí)用價(jià)值。

1 物探找水簡(jiǎn)介

水是人類賴以生存的最重要的自然資源之一，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中不可替代的戰(zhàn)略資源。在中國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)和西南巖溶地區(qū)，都是缺水地區(qū)，找水工作是科技工作者、地質(zhì)工作者面臨的重點(diǎn)任務(wù)之一[1]。

圖1 工作區(qū)交通位置圖Fig.1 Location map of work area

找水的類型有巖溶水[2]、構(gòu)造水[3]、基巖裂隙水[4]、第四系孔隙水[5]等；找水的要素包括地下水的補(bǔ)給、儲(chǔ)水空間、排泄區(qū)等[2]；找水方法包括地質(zhì)、物探、鉆探、遙感以及化探等多種方法。其中物探找水作為找水先行的一種方法，在圈定富水區(qū)、劃分地層，指導(dǎo)鉆探等方面都起到了重要的作用。物探找水方法有直接找水和間接找水，直接找水有核磁共振法[1,6]，間接找水包括重力、磁法、電法、地震、放射性等多種物探方法。目前，電法勘探找水在實(shí)際工程中被廣泛應(yīng)用，具體包括常規(guī)電阻率法(包括激發(fā)極化法)、電磁法等。常規(guī)電阻率法，已取得了豐碩的成果，根據(jù)裝置不同可分為聯(lián)合剖面法(簡(jiǎn)稱聯(lián)剖法)和垂向測(cè)深法(VES)以及高密度電法，一般來(lái)說(shuō)有效勘探深度在300 m以內(nèi)[7-8]。對(duì)勘探深度有更大需求的找水勘探，目前大多采用電磁法[9]，包括音頻大地電磁法(AMT)、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)、瞬變電磁法(TEM)等，勘探設(shè)備有EH4、V8、GDP32等。

物探找水可采用單一方法，也有采用多種方法聯(lián)合使用、綜合應(yīng)用，這主要取決于勘探的深度和勘探的需求[10-11]。多種方法測(cè)量，可以相互驗(yàn)證，互為補(bǔ)充，提高找水的準(zhǔn)確性，有效降低勘探風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)在要介紹的找水方法為瞬變電磁法(transient electromagnetic method，TEM)[12-13]，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，通過(guò)觀測(cè)及研究二次渦流場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律來(lái)探測(cè)介質(zhì)的電性。瞬變電磁法對(duì)低阻體反應(yīng)靈敏，橫向分辨能力高，被廣泛地應(yīng)用于找水工程中，如占文鋒等通過(guò)在復(fù)雜地形地質(zhì)條件下的探測(cè)，證明瞬變電磁法對(duì)地層富水性探測(cè)效果明顯[14]；錢(qián)鵬等對(duì)淺層勘探做了研究，認(rèn)為同一回線裝置野外施工相對(duì)簡(jiǎn)便，對(duì)地形條件要求不高，施工成本低等優(yōu)點(diǎn)[15]。

2 地質(zhì)概況

2.1 地層及水文地質(zhì)概況

工作區(qū)古生代地層屬于華北地層大區(qū)，大青山地層小區(qū)；中新生帶地層屬于大興安嶺-燕山地層分區(qū)，陰山地層小區(qū)[16]。地層由老至新主要有：太古代色爾騰山群(ArS)、白堊系固陽(yáng)組(K1g)、古近系烏拉特組(Ew)、第四系(Q)。

2.1.1 太古代色爾騰山群(ArS)

巖性為斜長(zhǎng)角閃片巖、片麻巖，混合巖夾磁鐵石英巖。單泉流量為3.9×10-3～2.4×10-1L·s-1，礦化度為2.1×10-1～2.7×10-1g·L-1。

2.1.2 白堊系固陽(yáng)組

巖性為深灰色、灰白色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖夾礫巖。含水層厚6～103 m，水位埋深11～38 m，單孔涌水量3～38 t·d-1，礦化度5.2×10-1～6.75 g·L-1。

2.1.3 古近系烏拉特組

巖性為紅色、磚紅色泥巖，泥質(zhì)粉砂巖，局部夾灰白色砂礫巖、砂巖，基本無(wú)水。

2.1.4 第四系

巖性為沖洪積、沖湖積砂礫石、砂卵石、淤泥質(zhì)粉砂巖、黏土質(zhì)砂巖。含水層厚20～87 m，水位埋深1.96～88.64 m，含水層頂板埋深28～98 m，單孔涌水量3×102～5.5×103t·d-1。

2.2 區(qū)域水文地質(zhì)條件

按工作區(qū)所在區(qū)域地下水的埋藏條件，可劃分為三個(gè)不同的儲(chǔ)水類型：

2.2.1 平原河谷砂礫石孔隙潛水

山間溝谷內(nèi)堆積3～10 m的砂礫石層，砂礫石層下部普遍飽含孔隙潛水，其水量大小與溝谷及匯水范圍的大小，砂礫石層厚薄有關(guān)，一般較大溝谷水量豐富，達(dá)102～103t·d-1，較小溝谷水量亦達(dá)10～102t·d-1。

2.2.2 碎屑巖類型裂隙孔隙水

該類型水主要分布在工作區(qū)附近東西向臺(tái)地當(dāng)中，由白堊系地層組成，為一套湖相—湖濱相沉積。根據(jù)已有鉆孔揭露：地層含水層巖性主要為磚紅色、紫紅色砂礫巖、含礫砂巖；單層厚度1.12～12.65 m，含水層不連續(xù)，透水性不良，含水微弱。

2.2.3 基巖裂隙水

據(jù)已有鉆孔資料反映，基巖裂隙水賦存于太古界巖漿巖破碎帶中，深度40～120 m不等。裂隙發(fā)育深度因地而異，一般地形高，切割深，無(wú)覆蓋的地區(qū)裂隙帶厚，有良好的降水滲入條件。在低洼溝谷中常與第四系砂礫石潛水構(gòu)成統(tǒng)一含水體。

2.3 工作區(qū)水文地質(zhì)條件

分析工作區(qū)地形地貌，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)資料，工作區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，地表水系不發(fā)育，位于山前沖積河谷平原(圖2、圖3)，地下水補(bǔ)給以大氣降水為主，第四系(Q)松散層孔隙潛水含水層，即第一種儲(chǔ)水類型，結(jié)合本次打井需求，是本次找水勘探的目標(biāo)。古近系地層(E)，巖性為紅色、磚紅色泥巖，局部夾灰白色砂礫巖、砂巖，基本不含水，為隔水層。太古代基巖地層(Ar)不含水，是工作區(qū)出現(xiàn)干井的區(qū)域。

圖2 工作區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖、地形圖、工程布置圖Fig.2 Regional geological, topographic，profile layout map of work area

圖3 工作區(qū)綜合水文地質(zhì)圖Fig.3 Comprehensive hydrogeological map of work area

3 地球物理特征

3.1 航磁

本次工作搜集到1∶50萬(wàn)航磁資料(圖4)，航磁正異常呈條帶狀分布，走向北西向。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)，因沉積巖一般呈弱磁異?；蜇?fù)磁異常，與第四系地層對(duì)應(yīng)；因太古代地層中含有含鐵石英巖，正磁異常對(duì)應(yīng)太古代地層；正負(fù)磁異常過(guò)渡帶對(duì)應(yīng)隱伏斷層所在位置。

圖4 工作區(qū)航磁異常ΔT等值線平面圖Fig.4 Aero-magnetic anomaly ΔT contour map of work area

3.2 電性特征

根據(jù)已經(jīng)收集到資料(圖5)顯示，第四系砂礫石電阻率略高，為50～102Ω·m(對(duì)數(shù)值1.7～2.0)；古近系地層，泥巖含量大，電阻率較低，一般在10～20 Ω·m(對(duì)數(shù)值1.0～1.3)；太古代色爾騰山群(ArS)，電阻率一般大于3×102Ω·m(對(duì)數(shù)值大于2.4)。由此可見(jiàn)，工作區(qū)地層電性差異明顯，具備較好的瞬變電磁找水條件。

4 方法選擇與測(cè)線布置依據(jù)

4.1 測(cè)線布置依據(jù)

(1)通過(guò)對(duì)工作區(qū)的實(shí)地踏勘，工作區(qū)地形較為平坦，位于山前沖洪積平原，地表溪流、沖溝、河道等地質(zhì)標(biāo)志不明顯，因此測(cè)線方向的布置應(yīng)參考收集到的資料來(lái)確定。

(2)通過(guò)收集資料，包括區(qū)域地質(zhì)資料、水文地質(zhì)資料，以及物探1∶50萬(wàn)航磁資料，本次勘探的目標(biāo)含水層為第四系地層，且厚度在50～100 m之間。北西向隱伏斷裂構(gòu)造是富水區(qū)與無(wú)水區(qū)的界限，準(zhǔn)確定位構(gòu)造位置成為問(wèn)題關(guān)鍵。

(3)因工期要求，施工正值嚴(yán)冬臘月，于2015年元旦前后，工作區(qū)氣溫低至-10 ℃左右，滴水成冰。常規(guī)電測(cè)深等需要接地電測(cè)深方法不具備施工條件。

因此，選擇使用瞬變電磁測(cè)深法，錢(qián)鵬等[16]在瞬變電磁法在淺層勘探中的研究中認(rèn)為，同一回線裝置野外施工相對(duì)簡(jiǎn)便，對(duì)地形條件要求不高，施工成本低。本次勘探工作采用中心回線裝置單框發(fā)射、單點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)采集方式，與同一回線類似，同樣具有施工效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。垂直構(gòu)造走向，共布置5條勘探測(cè)線(圖2、圖4)，做到控制住整個(gè)開(kāi)發(fā)區(qū)。

4.2 反演算法選取

由于瞬變電磁一維反演計(jì)算較為費(fèi)時(shí)，不利于對(duì)瞬變電磁野外一手?jǐn)?shù)據(jù)做現(xiàn)場(chǎng)反演解釋，因此選擇瞬變電磁成像算法煙圈反演[12]，作為本次數(shù)據(jù)的解釋依據(jù)。煙圈反演是一種近似反演技術(shù)，將瞬變感應(yīng)等效為“層間”渦流擴(kuò)散，得到似電阻率和對(duì)應(yīng)視深度，主要計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中:ρ為介質(zhì)電阻率；dr為煙圈的垂向深度；tji是tj、ti的算數(shù)平均值；ρr不是經(jīng)典定義之視電阻率，也非某地層的真電阻率，又有別于反演擬合得出之電阻率，故稱之為“似”電阻率。

求ρr所對(duì)應(yīng)的視深度Hr：

(3)

式(3)中，0.441為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

采用煙圈反演快速成像算法，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)采集數(shù)據(jù)后現(xiàn)場(chǎng)繪圖解釋，大大提高了解釋效率。

5 推斷解釋

5.1 地層解釋

根據(jù)電法探測(cè)的基本原理，一般情況下,與圍巖地層電阻率值相比，含水巖層會(huì)表現(xiàn)低電阻率特性，如果巖層不富水，則會(huì)表現(xiàn)為相對(duì)高阻特性，可稱為“低阻找水”；若巖性以泥巖為主，電阻率很低，不含水為隔水層，而砂巖層、砂礫巖等則呈現(xiàn)為相對(duì)高阻，為含水層，可稱為“高阻找水”。

結(jié)合本工作區(qū)的物性特征，如測(cè)井曲線所示(圖5)，屬“高阻找水”。根據(jù)航磁異常等值線平面圖(圖4)正磁異常范圍，排除掉太古代色爾騰山群地層表現(xiàn)的高阻區(qū)域，航磁負(fù)異常區(qū)域的淺表高阻(對(duì)數(shù)值在2左右)層，可推斷為第四系地層，下伏低阻(對(duì)數(shù)值在1左右)層可推斷為巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主的古近系地層(圖6)。

圖5 工作區(qū)附近鉆孔測(cè)井曲線Fig.5 Borehole logging curve near work area

5.2 斷層解釋

在橫向上，沉積地層的電性特征一般情況是均一的或變化不大。由于斷層造成了相互地層錯(cuò)動(dòng)，打破水平方向電性均一性，在電阻率斷面圖上斷層兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)電阻率突變現(xiàn)象。根據(jù)1∶50萬(wàn)航磁資料(圖4)，以及區(qū)域水文地質(zhì)資料顯示(圖3)，工作區(qū)存在隱伏斷層F1可基本確定，5條勘探測(cè)線的電阻率反演斷面圖(圖6)和高程切片圖(圖7)中均顯示明顯。

圖7 不同高程反演電阻率平面等值線圖Fig.7 The result of inversion map of Different Elevations

5.3 人機(jī)交互式定量解釋

從等值線反演斷面可以看到，地層分層明顯，斷層、地層產(chǎn)狀清晰。本文采用自主開(kāi)發(fā)的瞬變電磁定量解釋程序，解釋界面如圖8、圖9所示。導(dǎo)入反演斷面圖圖片，首先必須輸入圖片位置對(duì)應(yīng)點(diǎn)號(hào)、坐標(biāo)的關(guān)系；之后在“測(cè)線模式”選擇“點(diǎn)畫(huà)線”，再選擇需要解釋的地層或斷層，最后在圖片上單擊鼠標(biāo)左鍵劃線，雙擊鼠標(biāo)左鍵，劃線結(jié)束，解釋完畢。

圖8 斷面圖解釋窗體界面Fig.8 Interpretation form of profile

圖9 平面圖解釋窗體界面Fig.9 Interpretation form of contour map

5.3.1 地層解釋

選擇推斷的地層名稱，之后在圖中點(diǎn)出地層界限，程序可算出所點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)高程，完成地層界限繪制后程序即可算出地層傾向。減去上覆地層高程(第一層減去地表高程)，便可算出推斷地層的層厚度。

5.3.2 構(gòu)造解釋

選擇斷層名稱，在斷面圖中點(diǎn)出斷層位置，程序即可算出所點(diǎn)斷層點(diǎn)位坐標(biāo)，完成斷層繪制后便可算出斷層傾向，將圖片模式改為“平面圖”，選擇平面圖，選擇“推斷轉(zhuǎn)換”菜單欄里的“將斷層投到當(dāng)前平面圖上”，即可將在斷面圖中推斷的斷層位置投影到平面圖中，并且程序會(huì)根據(jù)投影點(diǎn)位的首尾坐標(biāo)算出構(gòu)造走向方位角，這樣，通過(guò)人機(jī)交互程序，就完成了斷層位置、產(chǎn)狀的定量解釋。本次工作，重點(diǎn)定位的北西向隱伏斷層F1，經(jīng)投影計(jì)算構(gòu)造走向308.7°(圖9)，5條勘探測(cè)線定量解釋結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 地質(zhì)推斷結(jié)果

6 成果與結(jié)論

本次找水工程在開(kāi)展野外工作前收集了區(qū)域地質(zhì)、水文、1∶50萬(wàn)航磁等資料，了解并分析了工區(qū)出現(xiàn)干井的原因，確定準(zhǔn)確定位隱伏斷層F1位置是本次找水工作的關(guān)鍵。物探方法選擇方面，采用不接地瞬變電磁測(cè)深法，一方面克服了常規(guī)電法在極寒天氣下無(wú)法布設(shè)電極的困難，在-10 ℃左右不利氣象環(huán)境中，采集到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)；另一方面充分利用了瞬變電磁中心回線裝置橫向分辨能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，工作裝置為100 m×100 m，保證有效勘探深度不低于100 m，滿足打井深度要求，點(diǎn)距50 m，為發(fā)射線框一半，不僅提高了施工效率，而且準(zhǔn)確定位出隱伏斷層F1的精確位置，取得了不錯(cuò)的找水效果。

圖10 推斷第四系等值線圖Fig.10 Contour map of deduced quaternary

圖11 建議打井范圍平面圖Fig.11 Suggested drilling range plane

數(shù)據(jù)處理解釋方面，采用煙圈反演快速成像算法，開(kāi)發(fā)人機(jī)交互定量解釋程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻率反演斷面的定量解釋：提取出推斷第四系地層底板的高程值，算出并繪制第四系底板地形圖、第四系厚度等值線圖(圖10)，進(jìn)而推斷出第四系地層的傾向，含水層的流向(圖11)，即地下水的補(bǔ)給方向；提取出隱伏斷層F1的坐標(biāo)，算出斷層在斷面圖中的傾角，并投影定位到平面圖中，算出F1的走向方位角，最終圈定了富水區(qū)范圍(圖11)，從而為打井的位置和深度提供了依據(jù)?？梢钥吹?，富水區(qū)范圍與1∶20萬(wàn)水文地質(zhì)圖(圖3)中“水量豐富”對(duì)應(yīng)良好，后經(jīng)打井驗(yàn)證，在推斷斷層附近的井均為有水井(圖11)，證明推斷斷層定位準(zhǔn)確，避免了干井的再次出現(xiàn)。