EH-4 大地電磁測深系統(tǒng)在山東臨淄地區(qū)巖溶裂隙水勘查中的應(yīng)用

楊宏智，呂小紅，趙德慶，李峰

(1.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西桂林 541004;2.山東省物化探勘查院，山東濟(jì)南 250013;3.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東濟(jì)南 250014)

隨著城市發(fā)展進(jìn)程的加快及城市人口的增加，城市建設(shè)用水和人民群眾生活用水出現(xiàn)緊缺。為保證城市用水的安全，山東臨淄擬在原有水源地上游地段建立新的水源地。新水源地勘查中EH-4 大地電磁測深系統(tǒng)的運(yùn)用發(fā)揮了較大作用，在該地區(qū)找水，首先要根據(jù)各含水層尤其是裂隙巖溶水含水層的電性特征差異，推斷其埋深條件及空間分布規(guī)律，查明區(qū)域性斷裂帶的空間分布特征［1］。再根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件判斷其富水性，圈定富水地段，確定水源地的邊界。最后通過鉆探驗(yàn)證，從而尋找到賦存在裂隙巖溶或破碎帶中的脈狀裂隙水。

1 區(qū)域水文地質(zhì)特征

工作區(qū)范圍內(nèi)出露的地層主要有:寒武系、奧陶系、石炭系和第四系(圖1)。寒武紀(jì)巖性以泥質(zhì)條帶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及竹葉狀灰?guī)r為主。奧陶紀(jì)巖性以白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖和含燧石條帶和燧石結(jié)核的白云巖組成。石炭紀(jì)巖性為一套砂頁巖含煤層夾薄層灰?guī)r的海陸交互相沉積巖。第四系以粘質(zhì)砂土、砂質(zhì)粘土夾卵礫層為主。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造比較復(fù)雜，以NNW，NE，NEE 和SN 向斷裂構(gòu)造為主(圖1)。斷裂具多期活動(dòng)性質(zhì)。對(duì)地層分布和地下水運(yùn)動(dòng)起控制作用的主要構(gòu)造為:F23，F(xiàn)24，F(xiàn)25，F(xiàn)26組成的斷裂帶和F12，F(xiàn)3等。

該區(qū)巖溶水系統(tǒng)為一相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，水文地質(zhì)邊界條件清楚。一條區(qū)域性河流流經(jīng)工作區(qū)，南部邊界為一有側(cè)向徑流補(bǔ)給的邊界，工作區(qū)內(nèi)地表、地下分水嶺位置相近，因而東、西兩側(cè)的邊界南部均為地表分水嶺、北部則分別以F3和F23，F(xiàn)24，F(xiàn)25，F(xiàn)26組成的斷裂帶為界;北部邊界為山前奧陶紀(jì)灰?guī)r隱伏區(qū)。原水源地位于該水文地質(zhì)單元的排泄區(qū)，其主要地下水含水層為松散巖類孔隙水含水層、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水含水層2 大類型，其中奧陶紀(jì)馬家溝群石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r裂隙巖溶含水巖組是主要供水含水巖組。

原水源地地下水的主要補(bǔ)給來源為大氣降水的入滲補(bǔ)給和河流河道滲漏補(bǔ)給。主要地貌類型為低山丘陵區(qū)，群山廣布，溝谷縱橫，寒武—奧陶紀(jì)碳酸鹽巖大面積出露，地表巖溶裂隙發(fā)育良好，有利于大氣降水的入滲補(bǔ)給，大氣降水沿裂隙巖溶下滲后轉(zhuǎn)化為地下水［2］。

原水源地上游地段為該水文地質(zhì)單元的補(bǔ)給、徑流區(qū)，地表巖溶發(fā)育，有利于地下水的下滲、補(bǔ)給，地下水在接受大氣降水的入滲補(bǔ)給后，由兩側(cè)地下分水嶺向F23，F(xiàn)24，F(xiàn)25，F(xiàn)26組成的斷裂帶內(nèi)匯集。該斷裂帶作為工作區(qū)內(nèi)的主要控水構(gòu)造，是一組近NE向的經(jīng)多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)呈壓扭性的區(qū)域性斷裂，該斷裂東支主干斷裂為阻水?dāng)嗔眩瑪嗔哑扑閹?nèi)裂隙巖溶發(fā)育，是東、西、南部地下水、地表水的匯集區(qū)，地下水最終斷裂帶向北徑流排泄到原水源地。

通過分析，認(rèn)為工作區(qū)內(nèi)的F23，F(xiàn)24，F(xiàn)25，F(xiàn)26組成的斷裂帶為該次重點(diǎn)工作地段，是主要的地下水儲(chǔ)存及運(yùn)移場所。從已知的區(qū)域地質(zhì)報(bào)告中研究附近的斷裂構(gòu)造，結(jié)合實(shí)地的水文地質(zhì)調(diào)查，在確定了構(gòu)造帶的水源補(bǔ)給及賦水條件的情況下，確定了可能的含水?dāng)嗔褞Щ蛄严稁?，再用物探方法來充分測定構(gòu)造帶的寬度、延深、產(chǎn)狀及賦水性，從而達(dá)到在斷裂帶利用物探方法找水的目的。

圖1 工作區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造綱要圖

2 區(qū)域地球物理特征

為了解該區(qū)地層巖性的電性特征，收集了該區(qū)電性資料(表1)。

表1 工作區(qū)各地層電性參數(shù)統(tǒng)計(jì)

由于第四系為松散巖土層，成巖條件較差，電性變化范圍大，粘土、粉質(zhì)粘土電阻率較低，一般5 ～8 Ω·m，粉土、粉砂、細(xì)砂的電阻率相對(duì)增高;中粗粒砂、砂礫電阻率較大，可達(dá)100 Ω·m，它的特點(diǎn)是電阻率隨著含砂量及顆粒的增大而增高，隨著粘土礦物含量的增加而減少。古近紀(jì)至晚古生代電阻率的變化范圍變小，隨著成巖程度的增加，電阻率有所增加;已成巖的地層，泥巖、含砂質(zhì)泥巖、含泥質(zhì)砂巖、砂巖，隨著砂質(zhì)成分的增加，電阻率值也增加。從成巖角度上看，古近系、侏羅系、石炭-二疊系，同類電性的巖石，隨著固結(jié)程度的提高，電活動(dòng)性有所降低。古近紀(jì)地層中的砂巖約10 Ω·m，侏羅紀(jì)地層中的砂巖約12 Ω·m，從地質(zhì)時(shí)代宏觀看，地層由新到老，電阻率呈由低到高的微弱變化。寒武-奧陶系，主要巖性為灰?guī)r，電阻率最高，大于300 Ω·m;由于斷裂構(gòu)造和巖溶的存在，使原巖破碎、充水，致使電阻率降低，其電阻率值一般為20 ～80 Ω·m。上述各巖層電性特征，對(duì)開展EH-4 測深工作來說，具備良好的工作前提。

3 工作方法綜述

由于該區(qū)城鎮(zhèn)化造成人為的干擾及河流水系較為發(fā)育，給許多方法帶來不便。EH-4 電磁成像系統(tǒng)測深法設(shè)備輕便對(duì)地面施工條件要求相對(duì)較低，適于在該地區(qū)的水文地質(zhì)條件及實(shí)際施工環(huán)境。

EH-4 電磁成像系統(tǒng)是美國EMI 和Geometrics公司聯(lián)合生產(chǎn)的。它以大地電磁測深法為設(shè)計(jì)原理，依靠先進(jìn)的電磁數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理技術(shù)，將音頻大地電磁法(AMT)和可控源音頻大地電磁法(CSAMT)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了天然信號(hào)源與人工信號(hào)源的采集和處理，成為國際先進(jìn)的雙源大地電磁測深系統(tǒng)［3-5］。

為了解F23，F(xiàn)24，F(xiàn)25，F(xiàn)26組成的斷裂帶深部富水賦存狀態(tài)及規(guī)模，在該區(qū)展開了EH-4 探測工作，重點(diǎn)研究淄河斷裂帶及其周邊地球物理場特征。在測區(qū)布置了若干條平行的測線，測線方向?yàn)?0°，測點(diǎn)點(diǎn)距為20 m，測量采用20 m 極距，由于隨機(jī)干擾信號(hào)的存在，對(duì)獲得的視電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行了圓滑處理，對(duì)于缺失的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用差值的方法進(jìn)行人工補(bǔ)償，最后進(jìn)行了二維反演。經(jīng)過反復(fù)修改反演控制參數(shù)，達(dá)到了整條斷面多參數(shù)的最佳擬合，最后得到了需要的反演結(jié)果及地質(zhì)解釋結(jié)果(圖2)。

圖2 工作布置及成果推斷圖

4 實(shí)測資料分析解釋

根據(jù)該區(qū)水文地質(zhì)特征和地球物理特征，F(xiàn)23，F(xiàn)24，F(xiàn)25，F(xiàn)26組成的斷裂帶作為工作區(qū)內(nèi)的主要控水構(gòu)造，斷裂破碎帶內(nèi)裂隙巖溶發(fā)育，是東、西、南部地下水、地表水的匯集區(qū)。由于斷裂構(gòu)造的破壞，原巖破碎或溶洞發(fā)育，充水后電阻率急劇降低。該區(qū)的富水區(qū)在反演后的視電阻率等值線斷面圖上，視電阻率等值線梯級(jí)帶呈“V”型的轉(zhuǎn)折及同向彎曲的低阻異常。

圖3 為2 線EH-4 測量結(jié)果反演所得視電阻率斷面圖，淺部視電阻率較低的第四系覆蓋層，深部約1 050 點(diǎn)左右視電阻率差異明顯。1 050 點(diǎn)左側(cè)視電阻率較高，最高達(dá)2 000 Ω·m，右側(cè)視電阻率等值線呈“V”型的轉(zhuǎn)折及同向彎曲的低阻異常，推斷為巖溶較為發(fā)育的富水區(qū)，1 050 點(diǎn)附近視電阻率等值線呈密集梯級(jí)帶狀，推斷為一斷裂構(gòu)造F1［6］。將所有測線所得的低阻異常綜合分析，得出該區(qū)存在3條近平行的NE 向斷裂構(gòu)造帶F1，F(xiàn)2和F3。構(gòu)造帶附近巖溶較為發(fā)育，形成3 個(gè)富水區(qū)域，且存在著由淺到深富水區(qū)范圍逐漸變大后又逐漸變小的規(guī)律。反演結(jié)果與鉆孔資料相吻合，結(jié)合地質(zhì)物探資料在3 個(gè)富水區(qū)域布置鉆孔并進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，出水量達(dá)120 m3/h，表明EH-4 方法在該區(qū)巖溶水、斷裂構(gòu)造水的勘查中取得較明顯的效果。

圖3 典型剖面視電阻率斷面圖

5 結(jié)語

該文分析了區(qū)內(nèi)巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)段地下水富水性特征，結(jié)合地質(zhì)資料提出了沿F1，F(xiàn)2，F(xiàn)33 個(gè)巖溶發(fā)育富水帶，對(duì)區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，為該區(qū)水文地質(zhì)鉆探提供了依據(jù)。反演結(jié)果與鉆孔資料相吻合，取得較好地質(zhì)成果。上述方法試驗(yàn)表明，EH-4方法具有設(shè)備輕、速度快、費(fèi)用低、勘探深度大、精度較高等優(yōu)點(diǎn)。通過數(shù)據(jù)處理并結(jié)合地質(zhì)資料解譯，EH-4 大地電磁測深系統(tǒng)測量所得的二維視電阻率——深度剖面圖能清晰地反映地下地質(zhì)體的精細(xì)電性信息，反映出富水低阻異常在空間上的展布，直觀地提供異常在剖面上的形態(tài)、規(guī)模、延深、富水性等，保證了富水區(qū)預(yù)測的準(zhǔn)確性。因此，EH-4 連續(xù)電導(dǎo)率成像儀在深部水文勘查中能起到重要的指導(dǎo)作用。

［1］ 李大心.地球物理方法綜合應(yīng)用與解釋［M］. 武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2003.

［2］ 樊戰(zhàn)軍，于愛軍，陳孝強(qiáng)，等. EH-4 連續(xù)電導(dǎo)率測量在森林覆蓋區(qū)的應(yīng)用效果［J］.黃金科學(xué)技術(shù)，2007，15(1):48.

［3］ 王燁，曹哲明，湯井田，等.鐵路隧道工程勘察中高頻大地電磁測深應(yīng)用效果研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2005，13(3):424-428.

［4］ 沈遠(yuǎn)超，申萍，劉鐵兵，等. EH-4 在危機(jī)礦山隱伏金礦體定位預(yù)測中的應(yīng)用研究［J］. 地球物理學(xué)進(jìn)展，2008，23(2):559-567.

［5］ 葉益信，鄧居智，方根顯.高頻大地電磁測深(EH-4)在熱儲(chǔ)構(gòu)造勘查中的試驗(yàn)研究——以撫州地?zé)釁^(qū)為例［J］. 地質(zhì)與勘探，2011，47(4):649-653.

［6］ 郭玉文，王飛龍. 山東巖溶泉［J］. 山東地質(zhì)，1989，2(2):79-85.