張 悅 劉蓓蓓 苗景春

(1.河北省地球物理勘查院；2.河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院)

水是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的珍貴資源,地下水是水資源的重要組成部分,在水資源利用中占有突出的地位。地下水資源中最富水的是巖溶地區(qū),其中的斷層、裂隙和溶洞是地下良好的蓄水構(gòu)造。

巖溶體賦水情況直接影響到巖溶體的電性特征,充水的巖溶體具有較可溶性巖體更高的導(dǎo)電電性(低電阻性),而不充水的巖溶體卻具有較可溶性巖體更低的導(dǎo)電電性(高電阻性),在地表進(jìn)行地下巖溶體探測(cè)時(shí),巖溶體的規(guī)模大小也會(huì)直接影響到觀測(cè)到的導(dǎo)電電性的差異。

對(duì)巖溶水勘查的常用方法有四極電阻率剖面法、聯(lián)合剖面法、甚低頻法、激發(fā)極化法、淺層地震法及大地電磁法等,大多是以勘查同地下水相關(guān)的斷層、裂隙、和破碎帶為目的?？煽卦匆纛l大地電磁法(CSAMT)以其理論原理和工作方法,所具有的較高水平、垂直分辨率的特性,在地下巖溶水勘查的物探方法中顯示了明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 方法原理

可控源音頻大地電磁測(cè)深法是一種較成熟的勘探地球物理技術(shù),是上世紀(jì)五十年代在音頻大地電磁測(cè)深(AMT)的基礎(chǔ)上,發(fā)展起來(lái)的一種人工場(chǎng)源方法,是一種中、淺部地質(zhì)構(gòu)造研究的頻率域電磁測(cè)深法。近年來(lái),可控源音頻大地電磁測(cè)深法得到了廣泛應(yīng)用,取得良好的效果,從而成為受人重視的一種物探方法。其原理是在地表人工建立一個(gè)大地電磁場(chǎng),當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)與人工場(chǎng)源相距一定距離時(shí),其切向電場(chǎng)和磁場(chǎng)將具有類(lèi)似的函數(shù)關(guān)系,此時(shí)它們的比值不再依賴(lài)于收發(fā)距,該比值幾乎準(zhǔn)確地等于垂直向下入射的平面波的波阻抗,具有這種關(guān)系的區(qū)域稱(chēng)為電磁場(chǎng)的波區(qū),利用波阻抗及信號(hào)頻率可計(jì)算得出視電阻率值,在此也稱(chēng)為卡尼亞電阻率。在波區(qū)內(nèi)通過(guò)觀測(cè)電磁場(chǎng)信號(hào)的變化情況,反映出地球電性分布對(duì)大地電磁場(chǎng)的影響,達(dá)到探測(cè)地層電性分布情況的目的。電磁波在地下傳播時(shí),其能量隨傳播距離的增加逐漸被吸收,當(dāng)電磁波振幅減小到地表振幅的1/e時(shí),其傳播的距離稱(chēng)為趨膚深度(δ),即電磁法理論勘探深度。通過(guò)對(duì)不同頻率信號(hào)的觀測(cè),以達(dá)到對(duì)不同深度地層電性勘測(cè)的目的。

可控源音頻大地電磁測(cè)深法使用人工電磁場(chǎng)源信號(hào),其勘測(cè)信號(hào)具有較高的信噪比,工作效率高,勘探深度范圍大(勘探深度范圍為幾十米到二、三千米),垂向分辨率高(將要探測(cè)對(duì)象的厚度和埋深之比定義垂向分辨率,它在10%～20%之間),水平分辨率高,地形影響小,高阻層的屏蔽作用小。與直流電測(cè)深法相比,這些特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)明顯。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 基本概況

試驗(yàn)區(qū)為山前地段,區(qū)內(nèi)地層較為簡(jiǎn)單,基巖巖性以薊縣系(Jx)地層為主。薊縣系霧迷山組(Jxw)地層在工作區(qū)內(nèi)大面積出露,巖性以灰色厚層硅質(zhì)條帶白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r為主,夾有石英砂巖,地層產(chǎn)狀在山前傾向東南,產(chǎn)狀為140°∠7°,地層厚度約2000m。第四系地層主要分布于丘陵、山間河谷地帶及山前平原區(qū),分布面積小,厚度一般小于20m,表層巖性為粘砂或砂土層,下部巖性為卵礫石層。

霧迷山組白云巖在山前地帶隱伏于地下,形成較好的巖溶水含水層,單井涌水量可達(dá)3000m3/d。地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給,徑流方向總體上由西北向東南。地下水的排泄方式主要為泉水、人工開(kāi)采、河道排泄。

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)收集到的地層電阻率特征值可見(jiàn),第四系覆蓋層為松散沉積物,地層電性特征表現(xiàn)為n×10～n×102(Ω·M)的低電阻率特征,而霧迷山組(Jxw)地層平均電阻率值在5000(Ω·M)左右,表現(xiàn)為高電阻率特征。

2.2 方法技術(shù)

可控源音頻大地電磁測(cè)深勘查目標(biāo)為可溶性巖體中的構(gòu)造破碎帶、地下構(gòu)造帶及巖溶中是否賦水,巖溶區(qū)域電性與完整可溶性巖體相比較具有兩種特征： 無(wú)水巖溶區(qū)域具有較圍巖更高的電阻特性、若充水則具有較圍巖更低的電阻特性。

可控源音頻大地電磁測(cè)深采用赤道偶極裝置進(jìn)行標(biāo)量測(cè)量,人工激發(fā)電磁波場(chǎng)信號(hào),在波區(qū)同時(shí)觀測(cè)與場(chǎng)源平行的電場(chǎng)水平分量Ex和與場(chǎng)源正交的磁場(chǎng)水平分量Hy。利用電磁波信號(hào)的波阻抗(電場(chǎng)振幅Ex和磁場(chǎng)振幅Hy的比值)計(jì)算得出視電阻率ρs。

沿垂直于區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造帶方向布置測(cè)線,測(cè)線長(zhǎng)13km 左右。地層基巖電性特征顯示為高阻特征,為使測(cè)線處于波區(qū)范圍,收發(fā)距設(shè)計(jì)大于10 km,觀測(cè)點(diǎn)位于電偶源中垂線兩側(cè)各30°角組成的扇形區(qū)域內(nèi),接收點(diǎn)距40 m,設(shè)計(jì)測(cè)線方位角為135°。

使用加拿大鳳凰地球物理公司生產(chǎn)的V8System2000.net地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成可控源音頻大地電磁測(cè)量外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,有效去除各種干擾,合理分析異常起因。對(duì)野外測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,得到視電阻率、阻抗相位等參數(shù)曲線。CSAMT 測(cè)點(diǎn)距較小(40m),判斷靜態(tài)位移效應(yīng)相對(duì)容易,相鄰測(cè)點(diǎn)之間進(jìn)行互相對(duì)比即可有效去除靜態(tài)位移效應(yīng)。采用二維共軛梯度反演方法,對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算,并最終得到測(cè)線電阻率剖面圖。

2.3 成果分析

可控源音頻大地電磁資料經(jīng)過(guò)處理,得到測(cè)線反演剖面圖(圖1)。從圖1中清晰可見(jiàn)剖面電性變化情況： 巖溶發(fā)育區(qū)電阻率值在102～104Ω·M；溶蝕發(fā)育區(qū)電阻率值在103～105Ω·M；斷層構(gòu)造區(qū)域呈明顯低阻,電阻率值小于102Ω·M。

根據(jù)電性特征差異變化很容易推斷出斷層、溶洞發(fā)育區(qū)和溶蝕發(fā)育區(qū)的分布情況。

圖1 測(cè)線CSAMT反演剖面圖

將10000～13000 m 水平位置的剖面放大(圖2),從圖2中12000～13000m 水平位置上可見(jiàn),從地表大角度延深-1000m 高程以下的低阻梯度帶,電阻率值小于102Ω·M,推斷其為構(gòu)造破碎帶的電性反映。一般來(lái)講,條帶狀低阻電性異常反映為含水破碎帶。

圖2 斷層電性變化剖面圖

將500～5000m 的剖面放大(圖3),圖3中反映出地下巖性的電性變化情況,電阻率值在102～104Ω·M。在高程為0m 以上的深度內(nèi)出現(xiàn)低電阻特征,反映出巖層淺部裂隙發(fā)育特征；在-400m高程以上出現(xiàn)多組自上而下條帶狀低阻,反映出巖層節(jié)理、裂隙發(fā)育特征；在2000～3500 m 范圍內(nèi),-400～-700m 高程深度內(nèi)出現(xiàn)水平低阻電性特征,反映出明顯溶洞特征。

剖面圖3中所顯示出的巖層電性變化特征與巖溶形成的機(jī)理相吻合。電性變化剖面圖3反映出： 地表水通過(guò)沿可溶性巖體的裂隙面或節(jié)理面流動(dòng),從而發(fā)生溶蝕現(xiàn)象,形成溶溝或溶槽,并沿巖體裂隙向下滲流、溶蝕,進(jìn)入含水層后發(fā)生橫向流動(dòng)進(jìn)而形成溶洞。

圖3 溶洞發(fā)育區(qū)電性變化剖面圖

將6000～10000 m 的剖面放大(圖4),由圖4可見(jiàn),在剖面圖中只出現(xiàn)了多組自上而下窄條帶狀中低阻特征,水平橫向的低阻層特征不明顯,整體電阻率值在103～105Ω·M,由此認(rèn)為此區(qū)域具有一定的溶蝕現(xiàn)象,無(wú)明顯溶洞特征。

圖4 溶蝕發(fā)育區(qū)電性變化剖面圖

3 總結(jié)

結(jié)合已知地質(zhì)資料及當(dāng)?shù)厮闆r分析得出： 在溶洞發(fā)育區(qū),地下賦水性較好；在溶蝕發(fā)育區(qū),具有一定的賦水性但較溶洞發(fā)育區(qū)差。充分說(shuō)明此次可控源音頻大地電磁測(cè)深在地下巖溶水勘查應(yīng)用的成功。

可控源音頻大地電磁法在灰?guī)r地區(qū)巖溶水勘查中具有較高的工作效率,使其具有獲取豐富信息的可能,彌補(bǔ)了常規(guī)電磁方法信息量少的缺陷。

地下巖溶水的發(fā)育都基于可溶性巖體被溶蝕的程度,這種溶蝕現(xiàn)象主要是受可溶性巖體構(gòu)造破碎帶的發(fā)育以及節(jié)理、裂隙發(fā)育情況控制,而可控源音頻大地電磁勘查方法在水平分辨率上能夠很好的滿(mǎn)足勘查要求,是一種優(yōu)選的方法。