音頻大地電磁法在黃土區(qū)填圖中的應(yīng)用

郭 偉，張少鵬，杜利明*，胡創(chuàng)業(yè)，李朝柱，胡加斌，陳 琦，王小玉，張保濤，張永三

（1. 中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東正元地質(zhì)勘查院，濟(jì)南 250101；2. 山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦，山東萊州 261442；3. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081）

0 引言

區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作經(jīng)歷了長(zhǎng)期的傳統(tǒng)的區(qū)域地質(zhì)填圖，對(duì)國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境安全需要更多更完善的地質(zhì)基礎(chǔ)信息，這也對(duì)地質(zhì)填圖工作提出了現(xiàn)代化、高精度、多目標(biāo)等更高要求[1]。區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作除開(kāi)展三維地質(zhì)填圖試點(diǎn)、專題地質(zhì)填圖之外，為滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)對(duì)地質(zhì)調(diào)查工作的新要求，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局于2014年啟動(dòng)了“特殊地質(zhì)地貌區(qū)填圖試點(diǎn)”項(xiàng)目。黃土區(qū)填圖試點(diǎn)作為特殊地質(zhì)地貌區(qū)填圖試點(diǎn)的重要調(diào)查類型之一，不同于傳統(tǒng)的基巖區(qū)的填圖，其主要目標(biāo)是綜合運(yùn)用地表地質(zhì)調(diào)查、遙感、物化探和鉆探等技術(shù)手段，采用數(shù)字填圖方法，查明地層類型及三維結(jié)構(gòu)特征，開(kāi)展黃土覆蓋區(qū)地貌、構(gòu)造、環(huán)境、土壤侵蝕、地質(zhì)災(zāi)害等調(diào)查。本文開(kāi)展音頻大地電磁測(cè)深工作[2]，目的是劃分覆蓋層（黃土層、古土壤層）、第三系、白堊紀(jì)等地層分界[3]，結(jié)合地質(zhì)資料建立地質(zhì)-地球物理模型，為黃土區(qū)的地質(zhì)填圖及物探方法研究提供基礎(chǔ)資料。通過(guò)在研究區(qū)內(nèi)布設(shè)音頻大地電磁測(cè)線，得到測(cè)深數(shù)據(jù)，并結(jié)合已知的地質(zhì)資料進(jìn)行綜合解釋推斷，用以劃分黃土覆蓋層關(guān)鍵層界面和隱伏基巖界面，研究音頻大地電磁法在黃土區(qū)填圖中的適用性。

1 工作區(qū)概況

工作區(qū)位于甘肅省最東部，行政區(qū)劃上隸屬于甘肅省慶陽(yáng)市管轄，主要包括西峰區(qū)、鎮(zhèn)原縣，此外還有寧縣西北角及慶城縣南端各一小部分區(qū)域，地理坐標(biāo)為：35°30′～35°50′N，107°15′～107°45′E，面積約1 614 km2。

1.1 工作區(qū)地質(zhì)概況

鄂爾多斯地塊位于華北地臺(tái)西南部[4]，北鄰內(nèi)蒙地軸，南接秦嶺褶皺帶，東連呂梁隆起，西與鄂爾多斯盆地西緣逆沖構(gòu)造帶相臨[5]，其構(gòu)造性質(zhì)長(zhǎng)期穩(wěn)定，內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)單微弱，地層水平，斜坡平緩，接觸關(guān)系平合。研究區(qū)地處隴東黃土高原西北部，橫跨鄂爾多斯地臺(tái)天環(huán)向斜和中央古隆起2個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元 (圖 1)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造區(qū)劃地質(zhì)簡(jiǎn)圖

區(qū)內(nèi)地層比較簡(jiǎn)單，主要發(fā)育有白堊系下統(tǒng)及第四系。白堊系下統(tǒng)志丹群細(xì)分為6個(gè)組，即宜君組、洛河組、華池組、環(huán)河組、羅漢洞組、涇川組。工作區(qū)缺失涇川組，出露羅漢洞組和環(huán)河組，下伏華池組、宜君組、洛河組。第四系發(fā)育良好，出露廣泛。以第四系黃土層居首，廣布全區(qū)。殘塬分布區(qū)發(fā)育完好的新老黃土迭復(fù)堆積，塬側(cè)溝谷中常見(jiàn)湖積、坡積、洪積和滑坡堆積。梁峁分布區(qū)除堆積新老黃土外，有湖積、坡積及洪積作用為主的沖溝堆積。主干道的蒲河、茹河、馬蓮河有發(fā)育較好的沖積層。

區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層產(chǎn)狀平緩，展布構(gòu)造形跡有鎮(zhèn)原向斜，其為天環(huán)向斜的南延部分，向斜軸走向?yàn)镹W-SE，向斜兩翼不對(duì)稱，西翼陡東翼緩。天環(huán)-鎮(zhèn)原向斜軸自北而南呈曲線狀變化，并在南端向東而后又向西偏離。這一變化特征說(shuō)明工作區(qū)不僅受賀蘭褶帶不均勻隆起影響，同時(shí)還受到隴西系的六盤山旋回褶帶復(fù)合的干擾，區(qū)內(nèi)小斷層較少，斷距也較小。

1.2 工作區(qū)物性特征

利用前期測(cè)井工作成果對(duì)測(cè)井資料進(jìn)行了重新統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)時(shí)，根據(jù)鉆孔編錄資料對(duì)各層位測(cè)井資料中的視電阻率值計(jì)算算術(shù)平均值，獲得了各地層巖性（黃土）電性參數(shù)（表1）。

表1 研究區(qū)各地層巖性（黃土）電性參數(shù)

由表1可知，區(qū)內(nèi)各類巖性（地層）電阻率整體均較低，最低的粘土層電阻率為15 Ω·m，最高的馬蘭黃土電阻率值為57 Ω·m，相對(duì)異常值達(dá)73%。相鄰地層間均有一定的異常差值。

2 音頻大地電磁工作原理及方法概論

EH4電法勘探是利用音頻大地電磁場(chǎng)作為場(chǎng)源來(lái)測(cè)定地下目標(biāo)體的電性參數(shù)，并通過(guò)研究地電斷面的變化來(lái)了解地質(zhì)構(gòu)造的一種勘探方法[6-7]。采用人工場(chǎng)和天然場(chǎng)的結(jié)合，俗稱雙源頻率測(cè)深[8-9]。當(dāng)電磁場(chǎng)以波的形式在地下傳播時(shí)，由于趨膚效應(yīng)，不同頻率的電磁波具有不同的穿透深度及作用范圍，其信號(hào)差異反映了地層縱橫向的電性差異，進(jìn)而達(dá)到測(cè)深的目的。不同頻率的電磁波具有反映不同穿透深度和影響范圍的特征，低頻信號(hào)可以反映深層地層的信息，高頻信號(hào)反映淺部地層的信息。其中低頻部分采用天然場(chǎng)，高頻部分(500 Hz以上) 采用人工場(chǎng)，勘探深度一般從數(shù)十米到1 000 m；測(cè)量頻段從10 Hz到100 kHz[10-11]。本次勘查工作開(kāi)始前，進(jìn)行了采集參數(shù)的實(shí)驗(yàn)、野外噪聲水平檢測(cè)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲取最佳野外數(shù)據(jù)采集參數(shù)。

3 音頻大地電磁測(cè)深工作情況

本次工作主要采用美國(guó)EMI與Geometrics公司聯(lián)合研制的EH4測(cè)量系統(tǒng)。

因工作區(qū)位于人口比較密集的城鎮(zhèn)，人為干擾因素較多，而音頻大地電磁測(cè)量是通過(guò)觀測(cè)由遠(yuǎn)程天電引起的天然平面電磁波信號(hào)以確定地下電阻率值的方法[12]，因此受人為干擾的影響較大。為保證獲取較高質(zhì)量的原始觀測(cè)野外數(shù)據(jù)，在董志鎮(zhèn)和肖金鎮(zhèn)工區(qū)采用井字形的方式布設(shè)測(cè)線，4條測(cè)線都盡可能地遠(yuǎn)離城區(qū)。測(cè)點(diǎn)按照不等距的方式布設(shè)，基礎(chǔ)點(diǎn)距為200 m。如遇測(cè)點(diǎn)的測(cè)深曲線異?；蚴ミB續(xù)性時(shí)則適當(dāng)加密測(cè)點(diǎn)；如設(shè)計(jì)的測(cè)點(diǎn)位置遇到居民區(qū)、變電所及其他工業(yè)設(shè)施等對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)量干擾較大的障礙物時(shí)，可適當(dāng)偏移或稀疏測(cè)點(diǎn)。在茹河岸邊的的柳家咀工區(qū)布設(shè)測(cè)線1條，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距為100 m。工作布置情況見(jiàn)圖2。

為了檢驗(yàn)儀器是否工作正常，確定工作區(qū)最合理電極距，在正式測(cè)量前進(jìn)行了平行實(shí)驗(yàn)和極距試驗(yàn)。平行實(shí)驗(yàn)是將2個(gè)磁棒相隔5 m遠(yuǎn)，平行放在地面，2個(gè)電偶極子也平行。只有在觀測(cè)的電場(chǎng)及磁場(chǎng)通道的時(shí)間序列信號(hào)分別為低頻段和高頻段的磁場(chǎng)及電場(chǎng)信號(hào)，兩者形成的波形圖的波形形態(tài)和強(qiáng)度才趨于一致；觀測(cè)頻率域的視電阻率和相位的曲線形態(tài)和強(qiáng)度也基本一致，且在相鄰電道或磁道間測(cè)試的頻率域結(jié)果相對(duì)誤差不大于2%的情況下，說(shuō)明儀器工作正常。極距實(shí)驗(yàn)是在區(qū)內(nèi)選擇干擾背景較小地方，在觀測(cè)條件基本一致的情況下進(jìn)行。在進(jìn)行25 m、50 m 2種極距試驗(yàn)后，從2種極距下音頻大地電磁視電阻率、相位響應(yīng)圖中確定了工作區(qū)最合理電極距為50 m。

圖2 工作區(qū)音頻大地電磁測(cè)量工作布置圖

資料處理首先采用Winglink軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。再結(jié)合當(dāng)?shù)匾延械牡刭|(zhì)與測(cè)井資料對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行約束反演，設(shè)計(jì)反演網(wǎng)格和反演初始模型。反演網(wǎng)格按照測(cè)點(diǎn)布設(shè)的情況，橫向上為100 m均勻剖分，中間井口位置適當(dāng)做了加密處理，網(wǎng)格寬度為50 m?？v向上的網(wǎng)格寬度是依照標(biāo)志層位的厚度劃分，而不是采用簡(jiǎn)單的由淺及深網(wǎng)格逐漸稀疏的剖分方式。反演的初始模型也是結(jié)合測(cè)井的電阻率數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的，設(shè)定為一個(gè)多層模型，各層的電阻率值盡可能地接近各標(biāo)志層位電阻率值的幾何平均值。其求解過(guò)程可以概括為5個(gè)步驟：①將地下半空間剖分成離散的網(wǎng)格單元；②正演計(jì)算模型的響應(yīng)；③計(jì)算雅可比矩陣；④求取模型的更新量；⑤更新模型以及模型參數(shù)。以上5個(gè)步驟反復(fù)迭代，直到達(dá)到反演的終止條件。

在反演參數(shù)選擇上，使用TE模式反演、TM模式反演以及TE模式和TM模式聯(lián)合反演，誤差底數(shù)視電阻率為10%，相位為5%，自光滑因子選定為2，光滑因子通過(guò)多次試驗(yàn)，最終選定為10。其他參數(shù)均設(shè)置為默認(rèn)參數(shù)。

4 資料分析解釋

結(jié)合已知的地質(zhì)資料及研究所得數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合解釋推斷，對(duì)該區(qū)黃土覆蓋層關(guān)鍵層界面和隱伏基巖界面進(jìn)行劃分。

對(duì)茹河河道附近的柳家咀測(cè)線進(jìn)行推斷解釋，根據(jù)圖3反演結(jié)果推斷：0～40 m深度范圍內(nèi)為相對(duì)高阻（電阻率值57～49 Ω·m）的馬蘭黃土以及離石組的上段（Q上）；40～180 m深度范圍內(nèi)為相對(duì)低阻（電阻率值31～22 Ω·m）的離石組中下段、午城黃土以及三門組（Q下）；180～220 m深度為新近系紅粘土（N）（電阻率值 15 Ω·m）；220 m 深度處具有明顯的分界，反映為新近系紅粘土（N）與白堊系基巖面（電阻率值 37～15 Ω·m）（K）的地質(zhì)界線。

根據(jù)圖4、圖5反演結(jié)果，對(duì)董志1、2測(cè)線及肖金1、2測(cè)線進(jìn)行對(duì)比推斷解釋，數(shù)據(jù)結(jié)果可以分為幾個(gè)明顯的分段：0～40 m深度范圍內(nèi)為相對(duì)高阻（電阻率值57～49 Ω·m）的馬蘭黃土以及離石組的上段（Q上）；40～160 m深度范圍內(nèi)為相對(duì)低阻（電阻率值31～22 Ω·m）的離石組中下段、午城黃土以及三門組（Q 下）；160～210（220） m 深度為新近系紅粘土（N）（電阻率值 15 Ω·m）；210（220） m 深部左右為新近系紅粘土（N）與白堊系（電阻率值37～15 Ω·m）（K）的地質(zhì)界線。兩者的反演結(jié)果基本一致，表明工作區(qū)內(nèi)的地層產(chǎn)狀比較穩(wěn)定。新近系紅粘土層（N）的地質(zhì)界線相較于柳家咀測(cè)線在反演結(jié)果中反映得并不清晰，可能是測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距較大，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不夠精細(xì)。

圖3 柳家咀測(cè)線反演解析圖

圖4 董志1測(cè)線及董志2測(cè)線反演解析圖

圖5 肖金1測(cè)線及肖金2測(cè)線反演解析圖

5 結(jié)論

根據(jù)上述工作，可以得到以下結(jié)論：

1）音頻大地電磁測(cè)深法對(duì)工作區(qū)的地層巖性（Q上、Q下、新近系紅粘土、白堊系）分層具有較好的效果。

2）根據(jù)反演結(jié)果，工作區(qū)內(nèi)的地層產(chǎn)狀比較穩(wěn)定，即：Q上（馬蘭黃土以及離石組的上段）為0～40 m，Q下（離石組中下段、午城黃土以及三門組）為40～160（180）m，新近系粘土（N）為 160（180）～210（220）m，210（220）m以下為白堊系。

3）肖金工區(qū)及董志工區(qū)的反演結(jié)果中，新近系紅粘土層（N）的地質(zhì)界線反映得并不清晰。這可能是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)點(diǎn)距較大（200 m）、測(cè)量結(jié)果不夠精細(xì)導(dǎo)致的，證明測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距對(duì)測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)度具有一定的影響。

總之，音頻大地電磁測(cè)深法在黃土區(qū)填土中可以較好地反映地層中的大層位，并對(duì)深部（200 m以下）的基巖面與上部土層的分界具有較好的反映，基本可以滿足輔助黃土區(qū)填圖的需要。