可控源音頻大地電磁測深法在民勤北部干旱缺水區(qū)地下水找水中的應(yīng)用

楊亞兵，孫 鑫，何 斌，賈貴義

(甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院/甘肅省地下水工程及地?zé)豳Y源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050)

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可控源音頻大地電磁測深法在民勤北部干旱缺水區(qū)地下水找水中的應(yīng)用

楊亞兵，孫 鑫，何 斌，賈貴義

(甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院/甘肅省地下水工程及地?zé)豳Y源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050)

民勤北部處于石羊河流域，是一個(gè)半封閉的內(nèi)陸荒漠區(qū)，如今，這里已成為全國最干旱、荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一。目前，用于干旱半干旱區(qū)地下水找水的方法主要有GPS定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)、物探技術(shù)和鉆探技術(shù)等[1]，綜合考慮，物探方法是找水過程中的一種重要手段。本文利用可控源音頻大地電測測深法，經(jīng)過二維反演形成了剖面圖，通過剖面圖解釋得出了民勤北部干旱缺水地區(qū)的相對富水區(qū)域，驗(yàn)證了該方法的可行性，發(fā)現(xiàn)可控源音頻大地測深法找水在民勤北部找水中得到了很好的應(yīng)用,在物探成果的基礎(chǔ)上布置的探采結(jié)合孔均找到了可觀的地下水，且單孔涌水量≥1 000 m3/d。該方法可作為一個(gè)成功案例在其它類似地區(qū)使用。并為其它類似找水工作提供了一定的借鑒。

電磁測深法；民勤北部；干旱缺水區(qū)；找水

民勤北部處于石羊河流域，三面被沙漠包圍，是一個(gè)半封閉的內(nèi)陸荒漠區(qū)，如今，這里已成為全國最干旱、荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一，生態(tài)環(huán)境極端脆弱。而此處蘊(yùn)藏著豐富的煤、油、鹽、鐵等資源，因此在綠洲以外的沙漠邊緣地帶找到地下水來解決附近廠礦企業(yè)及生態(tài)環(huán)境用水，成為亟需解決的問題。

目前，用于干旱半干旱區(qū)地下水找水的方法主要有GPS定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)、物探技術(shù)和鉆探技術(shù)等[1]，綜合各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，此次民勤干旱區(qū)找水使用水文物探中的可控源音頻大地電磁測深方法。

可控源音頻大地電磁測深是在音頻大地電磁測深(AMT)基礎(chǔ)上，發(fā)展起來的一種人工源頻率測深方法[2]，由于所觀測的電磁場的頻率、強(qiáng)度和方向可由人工控制，克服了天然場源信號(hào)微弱的缺點(diǎn)，具有地形條件限制小,抗干擾能力強(qiáng),工作效率高等特點(diǎn)[3]。其優(yōu)點(diǎn)具體表現(xiàn)在：一是工作效率高，用一個(gè)發(fā)射偶極供電，便可在一個(gè)很大的扇形區(qū)域內(nèi)測量，與常規(guī)的直流電測深相比(特別是在山區(qū))效率更高；二是探測深度大，勘探深度在數(shù)十米至2公里之間；三是水平方向分辨能力高；四是地形影響小且易修正，同時(shí)穿過高阻層的能力較強(qiáng)。

1 研究區(qū)位置

工作區(qū)位于民勤縣北部的甘蒙邊界以南民勤北部荒漠區(qū)，面積2 600 km2，勘查區(qū)北部、東部邊界為甘肅和內(nèi)蒙古交界，北端至深坑井，東端至青沙窩井；西部邊界為萊菔山以東的山坡-下泉子井-大窖一帶，西端至大窖；南側(cè)為曾家井-邱家井-青土湖南端-白堿湖北端一帶；構(gòu)造上屬于北大山拱斷束。工作區(qū)位置見圖1。

圖1 工作區(qū)位置圖

2 基本原理

可控源音頻大地電磁測深法的基本原理是，根據(jù)電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組導(dǎo)出卡尼亞電阻率計(jì)算公式：

式中：f為發(fā)射頻率(Hz)，Ex為與場源平行電場水平分量，Hy為磁場分量。

根據(jù)電磁波傳播原理可得其穿透深度即趨膚深度的數(shù)值方程，博斯蒂克深度作為有效研究深度，則探測深度表達(dá)式為：

式中：ρ為巖層或介質(zhì)的電阻率(Ω·m)

由以上兩式，只要在地表從高頻到低頻逐個(gè)改變頻率時(shí)，同時(shí)觀測到Ex和Hy兩個(gè)分量參數(shù)，就能計(jì)算出阻抗電阻率，進(jìn)而求得其趨膚深度，經(jīng)一維或二維反演后形成剖面圖。

此外，由不同的電阻率可判斷巖層含水量的大小,土壤電阻率隨著體積含水率增大而幾乎線性降低，其相關(guān)關(guān)系較好[4]，因此根據(jù)所測得的不同深度及水平距離的電阻率,可得出對應(yīng)點(diǎn)的含水量相對大小。

3 實(shí)施方法

3.1 裝置與參數(shù)

采用遲到偶極扇形觀測裝置標(biāo)量測量。供電電極A、B采用鋁板并聯(lián)深埋接地，水平磁棒(Hy)的方位采用羅盤定位，誤差小于2°；采用沿測線多道同時(shí)觀測(一個(gè)磁探頭)排列測量，并保證扇形角控制在60°以內(nèi)。測量電極MN采用不極化電極，為保證接地良好，地上刨坑10～20 cm，本次接地電阻一般在100～300 Ω·m。供電電極AB采用鋁板并聯(lián)組成，埋入地下30～50 cm，并澆入足量的洗衣粉水液使接地電阻達(dá)到要求。調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)頻率控制器與接收機(jī)時(shí)鐘同步。經(jīng)試驗(yàn)觀測頻率范圍選擇：1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024、2048、4096、8192HZ等14個(gè)觀測頻點(diǎn)。

3.2 物探線布設(shè)

根據(jù)初步水文地質(zhì)調(diào)查，本次物探剖面線布設(shè)在三個(gè)找水靶區(qū)，具體見圖2和表1。

圖2 物探線布設(shè)圖

4 結(jié)果與討論

4.1 Ⅰ-Ⅰ′剖面

經(jīng)過二維反演后形成的Ⅰ-Ⅰ′斷面圖如圖3所示。

該剖面電性層高低相間分為3層。

第一層為中高阻電性層，電阻率為100～300 Ω·m，厚度小于35 m，一般為20～28 m左右。地表電阻率值大于200 Ω·m；下部電阻率小于200 Ω·m。含水性較差。

第二層為低阻電性層，電阻率在1～12 Ω·m，厚度50～60 m左右，推斷為含水層。

第三層為高阻電性層，電阻率大于250 Ω·m，未見底，含水性較差。

在測線北段282點(diǎn)附近，南北兩側(cè)電阻率值與分布形態(tài)差異較為顯著，在電阻率曲線梯級(jí)帶附近推斷為隱伏斷層F1。斷層傾向?yàn)槟蠔|，傾角約為70°。

圖3 Ⅰ-Ⅰ′剖面二維反演電阻率斷面圖

圖4 深井坑水文地質(zhì)剖面圖

根據(jù)含水層位的厚度判斷，該剖面富水區(qū)段在190～278點(diǎn)之間，而且越往北則含水層更厚，富水性應(yīng)更好。圖4是經(jīng)過該測線的深井坑水文地質(zhì)剖面，通過與電阻率剖面對比，規(guī)律比較明顯。上部次高阻對應(yīng)于第四系松散層(地層定名略有分歧，下同)，中間低阻帶對應(yīng)于砂礫含水層位置，測線北段高低阻轉(zhuǎn)換的梯級(jí)帶對應(yīng)于斷層位置，底部高阻體反映了花崗巖基底的起伏形態(tài)。

在物探成果的基礎(chǔ)上，布置探采結(jié)合井一眼，成井深度203.08 m，井徑500 mm，地下水水位埋深9.73 m，孔涌水量1 500 m3/d，地下水礦化度2.27 g/L?？蓾M足用水要求。

表1 物探線布設(shè)統(tǒng)計(jì)表

4.2 Ⅱ-Ⅱ′剖面

圖5 Ⅱ-Ⅱ′剖面二維反演電阻率斷面圖

Ⅱ剖面電性層普遍較高在100～350 Ω·m，局部高達(dá)1 500 Ω·m，含水性極差，不具備找水地質(zhì)條件。剖面300點(diǎn)附近，兩側(cè)電阻率差異較明顯，推斷為山前斷裂F1的反映，其產(chǎn)狀與Ⅰ剖面推斷斷層基本一致，可能為同一斷層(見圖5)。

4.3 Ⅲ-Ⅲ′剖面

Ⅲ剖面電性層高低相間分為3層，與I剖對比有類似之處。各層特征分述如下：

第一層為中阻電性層，電阻率在50～180 Ω·m，厚度小于30 m，一般在10～20 m之間, 由南向北逐漸加厚趨勢；含水性較差。

第二層為低阻電性層，電阻率在10～50 Ω·m，厚度70～180 m之間,該層推斷為含水層，具有自南向北加厚的特點(diǎn)；電阻率亦由南向北減小，據(jù)電阻率與礦化度的關(guān)系[5]，一定程度上反映了地下水咸度增加的趨勢。

第三層為高阻電性層，電阻率在100～350 Ω·m，其埋深在100～240 m之間,總體由南向北向山前加深，未見底。

在物探成果的基礎(chǔ)上，布置探采結(jié)合井一眼，成井深度202.77 m，井徑500 mm，地下水位埋深5.44 m，孔涌水量1 300 m3/d，地下水礦化度3.62 g/L?？蓾M足用水要求(見圖6)。

圖6 Ⅲ-Ⅲ′剖面二維反演電阻率斷面圖

4.4 Ⅳ-Ⅳ′剖面

第一層為中高阻電性層，電阻率在50～150 Ω·m，厚度10～30 m左右，含水性較差。

第二層為低阻電性層，電阻率在1～12 Ω·m，厚度75～115 m左右 ,含水性弱。

第三層為中低阻電性層，電阻率在15～50 Ω·m，厚度75～140 m左右,含水性較弱。

第四層為低阻電性層，電阻率在1～10 Ω·m，未見底，與第二層電性對比，推斷為下白堊統(tǒng)(K13)砂巖、砂礫巖含水層。

在物探成果的基礎(chǔ)上，布置探采結(jié)合井一眼，成井深度202.87 m，井徑500 mm，地下水水位埋深14.60 m，孔涌水量1 000 m3/d，地下水礦化度6.09 g/L?？蓾M足用水要求(見圖7)。

圖7 Ⅳ-Ⅳ′剖面二維反演電阻率斷面圖

5 結(jié)語

(1)剖面富水部位主要為Ⅰ剖面190～278點(diǎn)之間，Ⅱ剖面含水性較差，Ⅲ剖面和Ⅳ剖面全段含水性較好。

(2)可控源音頻大地測深法找水在民勤北部找水中得到了很好的應(yīng)用,在物探成果的基礎(chǔ)上布置的探采結(jié)合孔均找到了可觀的地下水，其單孔涌水量≥1 000 m3/d。因此該方法可作為一個(gè)成功案例在其它類似地區(qū)使用。

(3)可控源音頻大地測深法找水和其它工作方法相結(jié)合，可推動(dòng)找水工作的進(jìn)一步發(fā)展。

[1]何雪洲.幾種可用于干旱半干旱地區(qū)找水的技術(shù)方法.水文地質(zhì)工程地質(zhì).1996，2,4.

[2]黃力軍，陸桂福，劉瑞德.可控源音頻大地電磁測深法應(yīng)用實(shí)例[J].物探化探計(jì)算技術(shù).2006,28(4),337.

[3]吳璐蘋，石昆法，李萌槐，等.可控源音頻大地電磁法在地下水勘查中的應(yīng)用研究[J].1996,39(5)，712.

[4]段旭，王彥輝，程積民.寧夏固原云霧山天然草坡土壤電阻率和含水率的關(guān)系及其空間變異[J].2012,28(7)，130.

[5]武毅，郭建強(qiáng)，強(qiáng)建科.用電阻率評價(jià)孔隙類地下水礦化度的方法技術(shù)[J].2012,28(7)，130.

Application of Controllable Source Audio Magnetotelluric Sounding Method in Groundwater Exploitation in Drought and Drainage Area of North Minqin

YANG Ya-bing, SUN Xin, HE Bin, JIA Gui-yi

(Gansu Provincial Geological Environment Monitoring Institute / Gansu Provincial Key Laboratory of Groundwater Engineering and Geothermal Resources, Lanzhou 730050, China)

Minqin North is in the Shiyang River Basin and is a semi-enclosed inland desert area. Today, it has become one of the most arid and desertification areas in the country. At present, for the arid and semi-arid areas of groundwater to find water methods are mainly GPS positioning system, remote sensing technology, geophysical technology and drilling technology. Considering, geophysical methods are an important means of finding water. In this paper, a cross-section diagram is formed by two-dimensional inversion using the controllable source acoustic geoelectric measurement method, and the relative water-rich area in the dry and dry areas of northern Minqin is obtained through the cross-section diagram. The feasibility of the method is verified , and found that the controllable source audio depth sounding method to find water in the northern part of Minqin to get a good application of water . The geophysical results on the basis of the layout of the exploration hole are found in a considerable groundwater, and single hole water ≥1 000 m3/d. The method can be used as a success story in other similar areas and provide some reference for other similar water search work.

electromagnetic sounding method; northern Minqin ; drought and water shortage area ; looking for water

2016-12-27

楊亞兵(1988-)，女，甘肅慶陽人，助理工程師，主要從事工程地質(zhì)和水文地質(zhì)方面工作。

賈貴義(1961-)，男，甘肅天水人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事工程地質(zhì)和水文地質(zhì)方面工作。

P641.7

A

1004-1184(2017)03-0130-03