淺湖區(qū)水上瞬變電磁法探測(cè)地下構(gòu)造效果研究

馬 為

(天津市地球物理勘探中心, 天津 300170)

1 引 言

月亮湖位于承德壩上高原東部生態(tài)脆弱區(qū)內(nèi)，是典型的北方高原咸水湖[1]。近年來湖泊面積不斷萎縮，地下水位持續(xù)下降。研究表明，湖泊萎縮原因除與降水變化、人為活動(dòng)及造林活動(dòng)相關(guān)外，不排除地下隱伏導(dǎo)水構(gòu)造因素。為查明湖區(qū)水體下隱伏構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)，制定合理的生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施，選擇瞬變電磁方法開展水域勘探。

水域瞬變電磁法是從陸域瞬變電磁法發(fā)展而來，Edwards[2,3]最早采用瞬變電磁方法探測(cè)了海底地層電性結(jié)構(gòu)，Weiss(2007)[4]研究了水深小于300 m的水域瞬變電磁響應(yīng)特征，Li等(2010)[5]提出在淺水域用簡(jiǎn)易表面拖拽系統(tǒng)開展瞬變電磁測(cè)量，Connell等(2013)[6]進(jìn)行了提高淺水域瞬變電磁法勘探分辨率的研究。國(guó)內(nèi)針對(duì)海洋瞬變電磁法的探測(cè)技術(shù)及響應(yīng)模擬工作也取得了豐碩的成果[7-11]，胡俊華 (2013)[12]建立了一維正演和全時(shí)域視電阻率的計(jì)算方法，認(rèn)為在海洋環(huán)境下,中心回線裝置對(duì)低阻體依然有較好的反映能力和較高的分層能力。鄧宇(2018)[13]利用三維正演模擬了淺水區(qū)低阻異常體的瞬變電磁響應(yīng)。目前水(海)域瞬變電磁法被用于淺水工程異常探測(cè)、港口巷道掘進(jìn)隱伏斷裂探測(cè)、大型線性工程選址勘察等領(lǐng)域[14-21]，勘探深度也從十幾米至300 m，是水上地震、鉆探之外重要的水上探測(cè)手段。

實(shí)際應(yīng)用中，水域瞬變電磁法可分為水上和水下兩種觀測(cè)方式，水下方式即將發(fā)射線圈和接收線圈做水密性處理，置于水下并由動(dòng)力船舶拖動(dòng)，在海底或湖底、河床上觀測(cè)，對(duì)水下的地形起伏有較高要求。本次由于水下地形未知且深度較淺，采用了水上觀測(cè)方式。

2 水上瞬變電磁法探測(cè)原理及裝置

瞬變電磁法(簡(jiǎn)稱TEM，Transient Electromagnetic)是通過在不接地發(fā)射回線中通以階躍電流，在一次場(chǎng)斷電后觀測(cè)地下半空間內(nèi)良導(dǎo)體由感應(yīng)電流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)的時(shí)間域電磁勘探方法(圖1)[22]。斷電初期，感應(yīng)電流集中在地表附近，而后隨著時(shí)間逐步向深部擴(kuò)散，且電流的擴(kuò)散與地下電阻率有關(guān)(電阻率越高擴(kuò)散越快)，大致遵循指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間衰減。通過分析觀測(cè)獲得的包含地下地質(zhì)體信息的二次磁場(chǎng)，經(jīng)分析和處理即可得到不同深度地質(zhì)體位置、埋深等物理參數(shù)信息。實(shí)踐已證明，瞬變電磁法用于水上探測(cè)，可以發(fā)揮其無須接地、抗干擾能力強(qiáng)、觀測(cè)純二次場(chǎng)、勘探深度大、對(duì)低阻斷裂構(gòu)造靈敏及裝置靈活等優(yōu)勢(shì)[14,15]。

圖1 瞬變電磁勘探原理示意圖(引自王雙六[23]，略改)Fig.1 Operational principle of transient electromagnetic method(TEM)(quoted Wang S L, modified)

地下介質(zhì)電阻率與瞬變電磁的勘探深度密切相關(guān)，水上瞬變電磁的關(guān)鍵技術(shù)問題是水層(低阻層)的影響。由于瞬變場(chǎng)的擴(kuò)散速度受低阻層影響而變慢，將導(dǎo)致探測(cè)時(shí)間加長(zhǎng)，影響晚期資料信噪比[24]，易造成低阻層下方出現(xiàn)條帶低阻帶的現(xiàn)象(又稱“低阻屏蔽”)。為提高勘探深度，克服低阻層影響，增加晚期道信號(hào)信噪比，就需要更大的磁矩來提高勘探精度。

通常瞬變電磁裝置由發(fā)射回線和接收系統(tǒng)組成[25]，水上勘探受工作條件限制多采用輕便、靈活的重疊回線裝置，即多匝小線框大電流探測(cè)，缺點(diǎn)是多匝線圈存在互耦，因電感效應(yīng)影響有效采樣時(shí)間。結(jié)合本次探測(cè)的干擾條件、目標(biāo)深度等因素，選擇采用中心回線大定源回線裝置開展工作。采用邊長(zhǎng)數(shù)百米的單匝發(fā)射回線可以提供大電流獲得較強(qiáng)磁矩，有利于壓制晚期道中的隨機(jī)干擾，同時(shí)減小電感所致淺部盲區(qū)。

發(fā)射線圈產(chǎn)生的一次磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度B可用式(1)表述。其中，S發(fā)為發(fā)射回線面積，單位為m2；I為發(fā)射電流強(qiáng)度，單位為A；M=S×I是發(fā)射回線磁矩；μ為磁導(dǎo)率，一般取為4π×10-7H/m；σ為電導(dǎo)率，即電阻率的倒數(shù)；t為時(shí)間,單位為s。

式(2)表述了中心回線在接收框中心產(chǎn)生的感應(yīng)場(chǎng)ε。其中S收為接收回線面積，單位為m2；b為接收線框邊長(zhǎng)，單位為m[26-28]?？梢钥闯霾煌谥绷麟姺ㄖ须娢徊钆c電阻率的正比關(guān)系，瞬變電磁的感應(yīng)電壓ε(單位為mV)與電阻率的2/3次方成正比，因此對(duì)電阻率的變化更加敏感，換言之對(duì)電性差異的分辨率更高。

式(3)、式(4)定義了定源裝置晚期視電阻率ρ(單位為Ω·m)及等效探測(cè)深度h(單位為m)， 其中dB/dt為磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，η為最小可分辨信號(hào)水平，一般取0.5 nV/m2。

3 地質(zhì)背景及物性特征

月亮湖所處壩上地區(qū)，平均海拔約1 800 m，地層主要發(fā)育中生代白堊系張家口組(J3z)、九佛堂組(J3jf)火山熔巖、火山碎屑巖及新生代的漢諾壩組(N1h)玄武巖，地表低洼處為第四系風(fēng)積、洪積覆蓋，侵入巖以白堊紀(jì)花崗斑巖體為主(圖2)、區(qū)內(nèi)水文勘探孔揭露第四系砂質(zhì)地層為厚約12.9 m的腐殖土及中-細(xì)砂層；下伏中新世漢諾壩灰黑色玄武巖，孔洞發(fā)育，微風(fēng)化、砂層的含水率為12.6 %～40.1 %。

1-第四系水體;2-第四系:風(fēng)積、洪積物;3-新近系漢諾壩組:玄武巖; 4-下白堊統(tǒng)九佛堂組:安山質(zhì)砂巖;5-下白堊統(tǒng)張家口組-凝灰?guī)r流紋巖; 6-白堊紀(jì)花崗斑巖體;7-剖面位置及方向；8-發(fā)射回線(500 m×500 m)圖2 月亮湖區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖及瞬變電磁測(cè)線布設(shè)Fig 2 Geological sketch map of moon-lake area and transient electromagnetic work layout

經(jīng)物性測(cè)定了解了各地層巖性的電阻率規(guī)律(表1)，其中湖(咸)水電阻率小于10 Ω·m，第四系淤泥土為隔水層電阻相對(duì)較高，約為50～100 Ω·m，玄武巖由于空洞發(fā)育充水電阻率急劇下降，大致于湖水電阻率相當(dāng)，約10～20 Ω·m，為連續(xù)分布的低阻特征層。深部凝灰?guī)r表現(xiàn)為高阻，電阻率大于1 000 Ω·m。各地層間存在較大的電性差異。斷裂構(gòu)造由于巖層破碎充水，通常表現(xiàn)為垂向延伸的低阻條帶異常。

表1 主要地層電性特征

4 數(shù)據(jù)采集及處理

水上瞬變電磁法勘探的裝備如圖3所示，適用于平靜湖面。前方拖拽船為塑料材質(zhì)，由船槳?jiǎng)潉?dòng)，后方采用硬連桿拖動(dòng)懸浮平臺(tái)，平臺(tái)上水平放置三分量接收線圈，并通過連線與主機(jī)連接。

采集儀器為Geonics公司的PROTEM-57(含增強(qiáng)模塊)瞬變電磁儀。合理的采集技術(shù)參數(shù)是確保觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵，考慮到湖區(qū)水深條件、目標(biāo)深度及分辨率等因素，進(jìn)行了采集參數(shù)試驗(yàn)。圖4為三個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)6.25 Hz和25 Hz兩個(gè)頻率觀測(cè)的衰減曲線，根據(jù)場(chǎng)值強(qiáng)度及晚期數(shù)據(jù)質(zhì)量，確定高頻25 Hz、30門觀測(cè)(58～7 819 μs)，供電電流14 A, 疊加時(shí)間30 s，發(fā)射回線采用500 m×500 m邊長(zhǎng)單匝回線，測(cè)量點(diǎn)距5 m，共計(jì)測(cè)深點(diǎn)291個(gè)，剖面長(zhǎng)度1 450 m。

原始數(shù)據(jù)經(jīng)壞道剔除、電位歸一化、時(shí)間道選擇、干擾濾波等一系列預(yù)處理，獲得多測(cè)道電壓衰減曲線，通過1X1D3.4軟件，基于一維水平層狀大地模型的正反演計(jì)算進(jìn)行資料的定量解釋。

圖3 水上瞬變電磁探測(cè)裝備示意圖Fig 3 Schematic diagram of TEM detection equipment above water

圖4 瞬變數(shù)據(jù)采集參數(shù)試驗(yàn)響應(yīng)曲線Fig 4 Curve diagram of TEM acquisition parameter test results

5 探測(cè)效果分析

多測(cè)道剖面是按時(shí)間道抽取的全部測(cè)點(diǎn)的二次場(chǎng)感應(yīng)電壓值，可直觀、快速了解感應(yīng)二次場(chǎng)沿剖面的橫向變化。低阻體在多測(cè)道剖面呈現(xiàn)倒“U”形的特征；一維反演電阻率斷面描述了剖面不同深度電阻率分布特征，通過電阻率差異、結(jié)合物性及鉆孔資料和直觀做出地質(zhì)解釋。

圖5多測(cè)道剖面橫向存在顯著的分帶性，具有中部低阻、兩側(cè)高阻的特點(diǎn)，反演電阻率斷面上看，由淺到深有“中阻-低阻-高阻”的層狀特征，且橫向低阻異常與多測(cè)道圖中的位置一致。淺部存在厚度約15 m中阻為第四系淤泥土；下伏為橫向連續(xù)低阻層，且深度與鉆孔揭露的玄武巖層一致，厚度范圍21～50 m，異常成因與玄武巖空洞充水有關(guān)；深部整體為高阻，符合凝灰?guī)r物性特征。湖區(qū)水體范圍(220～840 m)以下電阻率降低至約100 Ω·m，但深部恢復(fù)高阻且橫向聯(lián)通，不符合斷裂特征，低阻異常成因主要與水體“低阻屏蔽效應(yīng)”有關(guān)。

1-第四系淤泥土;2-玄武巖;3-白堊系凝灰?guī)r;4-水文地質(zhì)勘探孔;5-推測(cè)地質(zhì)界線圖5 TEM 多測(cè)道剖面及一維反演電性結(jié)構(gòu)Fig 5 TEM multi-channel profile and 1D inversion electrical structure

綜上所述，由水上瞬變電磁探測(cè)獲得月亮湖區(qū)垂向水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)隱伏導(dǎo)水?dāng)嗔选?/p>

6 結(jié) 語

采用中心回線大定源裝置完成了月亮湖區(qū)水上瞬變電磁探測(cè)，相對(duì)于小線框的重疊回線方法具有更高的施工效率，且適用于解決大深度探測(cè)問題。通過數(shù)據(jù)處理及反演計(jì)算獲得了湖區(qū)水體下深度200 m內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)，推斷巖層橫向連續(xù)性好，未發(fā)現(xiàn)隱伏斷裂破碎帶，為湖區(qū)水文地質(zhì)研究及生態(tài)保護(hù)措施制定提供了技術(shù)支撐。

值得注意的是，采集過程接收線圈平臺(tái)的穩(wěn)定性受水流及風(fēng)速影響較大，且大定源發(fā)射回線裝置對(duì)工程場(chǎng)地的要求較高，在進(jìn)行水上瞬變電磁勘探時(shí)，具體工作裝置建議結(jié)合探測(cè)目的、目標(biāo)深度和工作條件等因素合理選擇，并建議與其他物探方法、鉆探和地質(zhì)資料進(jìn)行綜合研判，提高勘探準(zhǔn)確率。