可控源音頻大地電磁法區(qū)分咸淡水能力探討

田蒲源，周　樂(lè)，楊曉光

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

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可控源音頻大地電磁法區(qū)分咸淡水能力探討

田蒲源，周樂(lè)，楊曉光

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

通過(guò)對(duì)可控源音頻大地電磁法技術(shù)原理以及勘查特點(diǎn)的分析研究，結(jié)合在河北黃驊工作區(qū)的勘查實(shí)例，提出了通過(guò)電阻率值分布范圍圈定地層巖性以及咸水層厚度的勘查模式。文中通過(guò)對(duì)地下水電阻率、地層孔隙度、地下水礦化度之間關(guān)系的研究，建立了采用可控源音頻大地電磁法區(qū)分咸淡水界面的勘查思路，在工作區(qū)取得了良好的效果。

可控源音頻大地電磁法；電阻率；孔隙度；礦化度

河北黃驊淡水資源缺乏，地表水開(kāi)發(fā)利用率已超過(guò)90%，地下水超采嚴(yán)重。由于深層地下水的持續(xù)超采，不僅形成了地下水漏斗群區(qū)，而且引發(fā)了地面沉降、咸水界面下移、地下水開(kāi)發(fā)利用難度增大等一系列問(wèn)題[1]。開(kāi)展地下水水質(zhì)的地球物理勘查，圈定咸淡水界面從而確定可供飲用的淡水層埋層深度是一項(xiàng)非常有意義的工作。

目前通過(guò)電阻率值的分布區(qū)分地層巖性是物探工作中常見(jiàn)的勘查技術(shù)手段，但國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的利用地球物理勘查技術(shù)評(píng)價(jià)地下水礦化度，確定咸淡水界面的文章很少[2]。本次采用可控源音頻大地電磁法評(píng)價(jià)地下水礦化度，區(qū)分咸淡水界面的研究工作，充分考慮了地層孔隙度、地溫、地層巖性等影響地層電阻率的重要參數(shù)，達(dá)到了定量計(jì)算地下水礦化度的目的。下面將介紹這種方法的理論及實(shí)際應(yīng)用，以期給同行提供一些參考。

1　可控源音頻大地電磁法技術(shù)方法原理簡(jiǎn)介

可控源音頻大地電磁法是通過(guò)人工接地場(chǎng)源(電偶源)向地下發(fā)送不同頻率的交變電流，在地面一定區(qū)域內(nèi)測(cè)量正交的電磁場(chǎng)分量，計(jì)算卡尼亞視電阻率及阻抗相位，達(dá)到探測(cè)不同埋深的地質(zhì)目標(biāo)體的一種頻率域電磁測(cè)深方法。

可控源音頻大地電磁法旁側(cè)標(biāo)量采集模式，每個(gè)測(cè)點(diǎn)觀點(diǎn)時(shí)，逐次改變供電頻率，觀測(cè)沿測(cè)線方向的電場(chǎng)分量Ex及與之正交的磁場(chǎng)分量Hy。CSAMT野外數(shù)據(jù)采集技術(shù)沿用了MT數(shù)據(jù)采集技術(shù)，采取時(shí)間序列數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)短時(shí)傅氏變換，Robust估算出電場(chǎng)、磁場(chǎng)頻譜。計(jì)算隨頻率變化的視電阻率和阻抗相位，達(dá)到頻率測(cè)深的目的。視電阻率和阻抗相位與電場(chǎng)、磁場(chǎng)的關(guān)系式為：

φZ(yǔ)=φE-φⅡ

式中：ρ為地層視電阻率，單位為Ω·m；f為頻率，單位為Hz。

趨膚深度δ由下公式求得：

(1)

勘探深度為：

(2)

2　電阻率值與地下水礦化度的關(guān)系

可控源音頻大地電磁法得到的電阻率值勘查結(jié)果，實(shí)際上是綜合了地層電阻率、地下水電阻率的加權(quán)值。一般情況下，地下水礦化度越高，含有的導(dǎo)電離子越多，地下水電阻率值越低。

2.1影響地層電性特征的因素

據(jù)已有資料，黃驊工作區(qū)內(nèi)埋深1 000 m范圍內(nèi)，地層巖性主要由第四系松散沉積物和第三系固結(jié)-半固結(jié)碎屑巖組成，其中第四系底板埋深為300～460 m。第四系巖性以粉細(xì)砂、粉砂、粘土、亞粘土為主；粉細(xì)砂、粉砂組成含水層，粘土、亞粘土組成隔水層。第三系明化鎮(zhèn)組巖性為粉細(xì)砂巖、細(xì)砂巖、泥巖為主；粉細(xì)砂巖、細(xì)砂巖組成含水層，泥巖組成隔水層。

由工作區(qū)已有地質(zhì)資料、鉆孔資料和測(cè)井資料分析，區(qū)內(nèi)第三系地層巖性電阻率值稍高于第四系沉積物電阻率值；第四系和第三系地層實(shí)測(cè)電阻率值主要受地下水礦化度的控制，巖性因素次之。因而，在利用實(shí)測(cè)電阻率值預(yù)測(cè)工作區(qū)地下水水質(zhì)變化時(shí)，我們可首先根據(jù)已有資料和實(shí)測(cè)電阻率斷面粗略劃分第三系和第四系巖性界線，即對(duì)實(shí)測(cè)視電阻率斷面進(jìn)行分區(qū)；在分區(qū)基礎(chǔ)上，可忽略巖性變化對(duì)電阻率值的貢獻(xiàn)，主要考慮地下水水質(zhì)變化對(duì)地層電阻率值的影響，在此基石上，利用實(shí)際電阻率值預(yù)測(cè)工作區(qū)地下水水質(zhì)變化規(guī)律。

2.2地下水礦化度評(píng)價(jià)

工作區(qū)內(nèi)第三系巖石多為微固結(jié)-半固結(jié)，因而，地下水礦化度評(píng)價(jià)進(jìn)可參照松散沉積地層的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)公式。

地下水礦化度評(píng)價(jià)時(shí)，第四系巖性概化為粉砂，不再細(xì)分；第三系巖性概化為粉砂巖，不再細(xì)分。粉砂和粉砂巖的孔隙度值分別取為0.45和0.3。

依據(jù)前人研究成果，對(duì)于純凈不含泥的松散沉積地層，地層電阻率ρ與賦存于其中的水的電阻率ρ水和含水介質(zhì)的孔隙度φ之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

(3)

其中ρ/ρ水=(3-φ)/2φ稱(chēng)為地層因子。

對(duì)于特定地區(qū)地層的孔隙度基本為一定值，可以參考綜合測(cè)井資料獲取。對(duì)沒(méi)有孔隙度資料的可用不同巖性的孔隙度參考值代替(見(jiàn)表1)。

表1　常見(jiàn)松散類(lèi)沉積物(巖)孔隙度[3]

由地下水礦化度C與地層電阻率ρ的關(guān)系(趙文杰等，1993)為：

(4)

其中，Δt=t0+tt·h-18

式中，t0為大地表層溫度(℃)，其為研究區(qū)地殼常溫帶溫度，此值可在區(qū)域地質(zhì)報(bào)告和地方氣象資料中獲得。tt為地溫梯度(通常取值0.03℃/m)；h為數(shù)據(jù)點(diǎn)的深度(m)；α為溫度常數(shù)(通常取值0.025Ωm/℃)；β為礦化度常數(shù)，對(duì)不同成份和溫度的溶液，其等于其礦化度為1 g/L時(shí)的電阻率對(duì)數(shù)值，對(duì)NaCl型水質(zhì)可取值-0.95。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，黃驊作區(qū)值選為14℃，地溫梯度為3.05℃/100m。對(duì)于第四系地層，孔隙度值選用為0.45；對(duì)于第三系地層，孔隙度值選用為0.3。則工作區(qū)第四系地層礦化度評(píng)價(jià)基本公式可簡(jiǎn)為下式：

(5)

第三系地層礦化度評(píng)價(jià)基本公式可簡(jiǎn)為下式：

(6)

其中ρ為反演后地層電阻率值。

據(jù)收集的有關(guān)資料可知：工作區(qū)由直流電測(cè)法獲得的地層電阻率(量板解釋值)與地下水礦化度之間的關(guān)系如下：

C<0.5g/1，ρ>15Ω·m

C=0.5g/1-1.0g/1，ρ=9Ω·m-12Ω·m

C=1.0g/1-1.5g/1，ρ=9Ω·m-12Ω·m

C=1.5g/1-2.0g/1，ρ=6Ω·m-9Ω·m

地下水礦化度符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，其電阻率值大于12Ω·m；即地下水礦化度小于2 g/L時(shí)，地層電阻率值大于6Ω·m。本次解譯標(biāo)準(zhǔn)將“淡水”定義為礦化度小于2 g/L。

由于物探方法不同、儀器設(shè)備不同、反演方法不同最后獲取的地層電阻率值會(huì)有所差異，因而，本次工作對(duì)地層水水質(zhì)評(píng)價(jià)首先依據(jù)公式5和公式6展開(kāi)，獲取地下水礦化度分布斷面圖；在此基礎(chǔ)上，與前人結(jié)果和工作區(qū)已知資料進(jìn)行對(duì)比，對(duì)工作區(qū)地下水礦化度評(píng)價(jià)公式進(jìn)行修正，再重新預(yù)測(cè)工作區(qū)地層水礦化度分布規(guī)律，以期逼近地下水水質(zhì)特征的真實(shí)面目。

3　勘查實(shí)例

工作區(qū)位于黃驊市中捷農(nóng)場(chǎng)，特殊的地理位置，使區(qū)內(nèi)土地鹽堿化嚴(yán)重，自古以來(lái)百姓一直飲用的都是高鹽堿的苦咸水、高氟水。工作區(qū)第四系沉積物由松散的粉細(xì)砂、粉土、淤泥質(zhì)亞粘土、粘土、細(xì)砂、粗砂組成；新近系地層主要為砂巖與泥巖互層。收集到的七十年代水文調(diào)查報(bào)告顯示，咸水體位于淺部，厚度約為200 m，自西往東離海越近，厚度越大。本次物探勘查的目的為查明咸水體四十年來(lái)厚度的變化。

地球物理勘查采用的儀器為加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8多功能電法儀，測(cè)線布設(shè)方向?yàn)榻鼥|西向?？辈榻Y(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1a為EMAP處理后的視電阻率等值線圖，該圖清晰地反映了在500 m深度以上隨埋深增大視電阻率值增大，700 m深度以下隨埋深增大視電阻率值減小的趨勢(shì)。圖1a中，淺部電阻率值呈層狀分布，從電性值上反映地層巖性為第四系粉細(xì)砂、粉土、淤泥質(zhì)亞粘土、粘土、細(xì)砂、粗砂；300～400 m深度區(qū)域粉色界線以下電阻率值增大，局部存在不連續(xù)相對(duì)高阻體存在，從電性值上反映地層巖性為新近系砂巖。故礦化度評(píng)價(jià)時(shí)剖面17 000 m以前區(qū)段400 m深度以淺選用了公式(5)，400 m深度以下選用了公式(6)所建立的數(shù)學(xué)模型；17 000 m以后區(qū)段300 m深度以淺選用了公式(5)，300 m深度以下選用了公式(6)所建立的數(shù)學(xué)模型。圖1b為通過(guò)上述模型，選取相應(yīng)的參數(shù)，揭示了隨埋藏深度增大地下水礦化度逐漸變小的規(guī)律。根據(jù)本次勘查工作定義的“淡水”礦化度為小于2 g/L的標(biāo)準(zhǔn)，劃分出了咸水界面。剖面19 700 m位置附近存在一水井，井深約550 m，為附近村民飲用取水井，取樣抽水水質(zhì)分析結(jié)果為，礦化度0.93 g/L，與電法資料預(yù)測(cè)值較為吻合。

a.視電阻率等值線圖

b.地下水礦化度分布圖

4　結(jié)語(yǔ)

本次在河北黃驊開(kāi)展可控源音頻大地電磁法區(qū)分咸淡水界面的勘查工作，建立了利用視電阻率結(jié)合地層孔隙度、地溫以及地層因子計(jì)算地下水礦化度的技術(shù)勘查手段，并結(jié)合實(shí)際資料得到了較好的驗(yàn)證。由此可見(jiàn)，通過(guò)可控源音頻大地電磁法視電阻率結(jié)果計(jì)算地下水礦化度從而區(qū)分咸淡水界面的技術(shù)方法是可行的。

[1]牟真，王吉杰，張媛媛．渤海新區(qū)深層地下水超采影響分析[J]．水利建設(shè)管理．2012，4：79-82．

[2]武毅，朱慶俊，李鳳哲．劣質(zhì)地下水區(qū)地球物理勘查技術(shù)模式探討[J]．地震地質(zhì)．2010，32(3)：500-507．

[3]Asandelouie V．試用物探方法確定含水砂礫沉積物的孔隙度和滲透率[J]．劉承健譯．水工物探譯文集．1983．

[4]郭建強(qiáng)，武毅，曹福祥．西北地區(qū)孔隙地下水礦化度評(píng)價(jià)的地球物理方法研究與應(yīng)用[J]．地球?qū)W報(bào)．2001，27(4)：375-379．

[5]田蒲源，朱慶?。C合物探在花崗巖嚴(yán)重缺水區(qū)地下水勘查中的應(yīng)用[J]．地下水.2012，34(3)：125-127．

[6]王吉杰，張媛媛．渤海新區(qū)地下水開(kāi)采現(xiàn)狀、影響及對(duì)策[J]．水利科技與經(jīng)濟(jì)．2012，18(1)：78-80．

2016-03-14

受中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目京張重點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查(編號(hào)：12120115042201)資助

田蒲源(1983-)，男，河北保定人，工程師，主要從事物探技術(shù)應(yīng)用及地下水勘查研究。

P631.3

B

1004-1184(2016)05-0110-02