基于AMT法的中寧平原水文地質(zhì)特征研究

馬永祥，閆建波，王嘉文，馬林軍，苗 剛

(1.寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)局，銀川 750001； 2.中寧縣水務局，寧夏中寧 755100)

引言

寧夏地處西北干旱半干旱地帶，生態(tài)脆弱，水資源短缺也是制約地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的主要因素。地貌特征也呈現(xiàn)“兩山夾一帶”的特點，北有賀蘭，南俯六盤，中間夾一干旱帶[1]。中寧平原地處中部干旱帶的北段，除黃河流經(jīng)本地以外，降雨稀少，研究水文地質(zhì)有十分重要的意義，尤其是研究地下水分布賦存規(guī)律，合理開發(fā)利用地下水是本地水資源合理開發(fā)利用的當務之急[2-5]。本文對中寧平原第四系沉積特征和富水規(guī)律進行了深入的研究，旨在尋找更多良好的儲水地段供開發(fā)利用。

1 水文地質(zhì)背景

中寧平原在區(qū)域上屬于寧中山地及山間平原地下水系統(tǒng)，衛(wèi)(中衛(wèi))寧(中寧)平原地下水子系統(tǒng)[6]。根據(jù)地下水賦存條件和水力性質(zhì)，中寧平原地下水類型主要為松散巖類孔隙潛水，其特點是分布廣、埋藏淺、開采方便，是最具供水意義的地下水。中寧平原第四系沉積厚度受基底構造控制，變化很大，受中衛(wèi)—陳麻子井新生代沉降盆地沉降中心影響，第四系厚度30～200m。區(qū)域地下水在地質(zhì)、地貌及構造的影響下，平原邊緣及四周山地為地下水補給區(qū)，山前洪積傾斜平原地帶為徑流區(qū)，河湖積平原為地下水匯集排泄區(qū)，中寧平原地下水處在區(qū)域水循環(huán)的匯集排泄端。

本文就2017年中寧縣水務局完成的音頻大地電磁測深法和水文地質(zhì)鉆探成果展開對中寧平原水文地質(zhì)條件的研究，從音頻大地電磁測深法獲取的電性剖面入手[7]，研究標高950m以淺地層巖性結構，結合水文地質(zhì)鉆探成果對比總結中寧平原第四系含水層富水規(guī)律。

2 AMT方法工作原理及測網(wǎng)布設

音頻大地電磁測深法(AMT)是在地面上一點或多點同時觀測天然變化的、互為垂直的電磁場水平分量，用以探測地球內(nèi)部的電性構造。由于不同頻率的天然交變電磁場具有不同穿透深度，因此音頻大地電磁測深通過研究地表采集的電磁場數(shù)據(jù)能夠反演出地下不同深度介質(zhì)電阻率的分布信息。并根據(jù)所測電阻率數(shù)據(jù)分析地層展布規(guī)律，確定第四系覆蓋層厚度及含水層分布情況。

勘查過程使用EH-4電導率成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種雙源型電磁系統(tǒng)，是世界首創(chuàng)的變頻率電磁系統(tǒng)。采用獨特的正交磁偶極可控源，系統(tǒng)可快速、自動、多頻率采集數(shù)據(jù)、現(xiàn)場實時成像。按照線距1Km，點距500m進行測網(wǎng)布設。

2.1 AMT剖面

中寧平原面積約120km2，完成AMT剖面8條(圖1)，電測深點145個，編號自東北至西南依次為H1～H8，H4線和H5線位于中寧盆地中部，下面主要以這兩條剖面為例展開分析說明。

圖1 AMT剖面位置展布圖Figure 1 Distribution of AMT sections

2.1.1 H4線剖面解譯

H4線AMT反演視電阻率等值線及地質(zhì)解譯如圖2所示，(a)為黃河以北部分，(b)為黃河以南部分。對H4線AMT反演視電阻率剖面分析如下：1～5號點有新近系地層出露，反演視電阻率ρs=20Ω·m。5號點北側下部反演視電阻率出現(xiàn)高阻反映，反演視電阻率ρs>80Ω·m，推測為泥盆系。5～27號點之間剖面視電阻率等值線具有層狀分布的特點，根據(jù)反演視電阻率等值線特征解譯為兩層，推斷其標高范圍、反演視電阻率值和地層分別為：第一層標高1 050m以淺，反演視電阻率ρs=40Ω·m，為第四系地層；第二層標高1 050m以深，反演視電阻率ρs=20Ω·m，為新近系地層，剖面北段發(fā)育泥盆系地層。

2.1.2 H5線剖面解譯

H5線AMT反演視電阻率等值線及地質(zhì)解譯剖面如圖3所示，(c)為黃河以北部分，(d)為黃河以南部分。對H5線AMT反演視電阻率剖面分析如下：1～2號點反演視電阻率出現(xiàn)高阻反映，反演視電阻率ρs>80Ω·m，結合地質(zhì)資料推測為泥盆系地層出露。2～4號點之間有古近系地層出露，反演視電阻率ρs=20Ω·m。黃河以北4～7號點之間視電阻率等值線具有層狀分布的特點，根據(jù)反演視電阻率等值線變化特征將視電阻率等值線解譯為兩層， 推斷其標高范圍、反演視電阻率值和地層分別為：第一層標高范圍為1 050m以淺，反演視電阻率ρs=30Ω·m，為第四系地層；第二層標高范圍為1 050m以深，反演視電阻率ρs=20Ω·m，為新近系地層。

圖2 H4線反演視電阻率等值線斷面及地質(zhì)解譯剖面圖Figure 2 Line H4 inversion apparent resistivity isogram section and interpreted geological section

圖3 H5線反演視電阻率等值線斷面及地質(zhì)解譯剖面圖Figure 3 Line H5 inversion apparent resistivity isogram section and interpreted geological section

黃河以南將視電阻率等值線解譯為兩層，推斷其標高范圍、反演視電阻率值和地層分別為：第一層標高1000m以淺，反演視電阻率ρs=40Ω·m，為第四系地層；第二層標高1 000m以深，反演視電阻率ρs=20Ω·m，為新近系地層。

2.1.3 H1～H8線剖面解譯

H1：第一層標高1 050m以淺，反演視電阻率ρs=60Ω·m，為第四系地層；第二層標高1 050m以深，反演視電阻率ρs=20Ω·m，為新近系地層。

H2：第一層標高1 100m以淺，反演視電阻率ρs=40Ω·m，為第四系地層；第二層標高800～1 100m之間，反演視電阻率ρs=20Ω·m，為新近系地層；第三層在1號點至5號點之間有高阻反映，反演視電阻率ρs>80Ω m，推測為泥盆系地層。

H3：第一層標高1 100m以淺，反演視電阻率ρs=40Ω·m，為第四系地層；第二層標高1 100m以深，反演視電阻率ρs=20Ω·m，為新近系地層。

H6：黃河北側第一層標高1 050m以淺，反演視電阻率ρs=30Ω·m，為第四系地層；第二層標高1 050m以深，反演視電阻率ρs=20Ω·m，為新近系地層；黃河以南第一層標高950m以淺，反演視電阻率ρs=40Ω·m，為第四系地層；第二層標高950m以深，反演視電阻率ρs=20Ω·m，為新近系地層。

H7：黃河以北第一層標高1 150m以淺，反演視電阻率ρs=50Ω·m，為第四系地層；第二層標高1 150m以深，反演視電阻率ρs=20Ω·m，為新近系地層；黃河以南第一層標高950m以淺，反演視電阻率ρs=40Ω·m，為第四系地層；第二層標高950m以深，反演視電阻率ρs=20Ω·m，為新近系地層。

H8：黃河以北第一層標高1 100m以淺，反演視電阻率ρs=50Ω·m，為第四系地層；第二層標高1 100m以深，反演視電阻率ρs=20Ω·m，為新近系地層；黃河以南第一層標高1 000m以淺，反演視電阻率ρs=40Ω·m，為第四系地層；第二層標高1 000m以深，反演視電阻率ρs=20Ω·m，為新近系地層。

2.2 AMT電性特征

通過對本次地面電法勘探獲得的8條測線的AMT原始數(shù)據(jù)與反演結果、鉆探資料、地球物理測井資料及地面調(diào)查等資料的綜合分析，獲得了本區(qū)地層的電性特征，AMT法反演視電阻率值如下：

第四系反演視電阻率ρs=40Ω·m；新近系相反演視電阻率ρs=20Ω·m；下伏基巖地層的視電阻率最高，分布主要有泥盆系、石炭系地層，反演視電阻率ρs>80Ω·m。根據(jù)第四系、新近系和泥盆系地層的電性特征，結合衛(wèi)寧平原的沉積環(huán)境，得到衛(wèi)寧平原第四系厚度變化規(guī)律，如圖4所示。從圖上可以看出，黃河以南第四厚度較黃河以北的厚度大，黃河以南第四系厚度約為150m，平原中部恩和鎮(zhèn)附近厚度最大約120～200m，向東西沿著黃河走向厚度減小，在東北方向厚度減小至40～60m；黃河以北約為100m，在石空鎮(zhèn)和渠口農(nóng)場東側厚度最大80～120m；黃河向南北兩側第四系厚度呈逐漸減小的趨勢。

圖4 中寧平原第四系厚度等值線圖Figure 4 Isopach of Quaternary in Zhongning Plain

3 水文地質(zhì)特征研究

3.1 中寧平原水文地質(zhì)特征

根據(jù)2017年中寧縣水務局完成的水文地質(zhì)鉆探成果分析，縣種苗場與恩和施工鉆孔HS702終孔深度120.75m，終孔層位為第四系，見圖5，與AMT剖面探測第四系厚度一致，AMT法解譯恩和鎮(zhèn)第四系厚度約120m，HS702孔鉆探揭露底部為一層厚約4.0m厚黏土層。從恩和向東逐漸變薄，鳴沙一帶厚度小于60m。地下水水位埋深由東向西，自山前向黃河由深變淺，山前水位埋深一般在30～50m，中部30～10m，靠近黃河小于10m。盆地內(nèi)第四系富水性強，見圖3-2，大部分地區(qū)為富水區(qū)，含水層巖性主要為卵礫石、礫石、粗砂、細砂等，中間夾有黏土層透鏡體，但不連續(xù)。單井涌水量大于1 000m3/d，恩和曹橋十隊至新堡劉橋南側為極富水區(qū)，單井涌水量大于3 000m3/d，水質(zhì)較好，溶解性總固體小于或接近1g/L，不超過3g/L。鳴沙一帶富水性一般，單井涌水量小于1 000m3/d，水質(zhì)較差，多數(shù)溶解性總固體大于3g/L。

圖5 中寧平原水文地質(zhì)剖面圖Figure 5 Zhongning Plain hydrogeological section

3.2 中寧平原第四系富水規(guī)律

根據(jù)上述音頻大地電磁測深和水文地質(zhì)鉆探成果表明，中寧平原受中衛(wèi)—陳麻子井新生代沉降盆地、鳴沙—紅寺堡新生代沉降盆地、沙石墩—渠口新生代沉降盆地及余丁—煙筒山隆起褶皺帶基地建造共同影響[8-9]，黃河由中衛(wèi)勝金關進入中寧以來變得開闊，形成沖積扇，在舟塔鄉(xiāng)、新堡鎮(zhèn)、寧安鎮(zhèn)及恩和鎮(zhèn)第四系沉積較厚。受構造地基影響，恩和鎮(zhèn)為中寧平原的沉降中心，如圖6所示，恩和鎮(zhèn)東北方向，謝家灘至永豐七隊之間，第四系沉積厚度最大，地下水水位埋深1～10m，并且反演視電阻率ρs=40Ω·m，水質(zhì)最好，礦化度不超過1g/L，單孔涌水量1 000～3 000m3/d，是良好的地下水富集區(qū)。沿著沉降中心周圍，第四系厚度逐漸減小，尤其向東北方向延伸至鳴沙鎮(zhèn)附近，第四系范圍縮小，厚度大大減小，水質(zhì)逐漸惡化[10-12]。

4 結論

通過對中寧平原AMT法和水文地質(zhì)鉆探成果的綜合研究，得出以下結論；

(1)AMT法在中寧平原探測效果良好，是水文地質(zhì)勘查重要的技術手段，探測深度可靠，電性特征鮮明；

(2)中寧平原第四系反演視電阻率ρs=40Ω·m，新近系相反演視電阻率ρs=20Ω·m，下伏基巖地層的視電阻率反演視電阻率ρs>80Ω·m；

(3)中寧平原恩和鎮(zhèn)附近形成一沉降中心，第四系厚度較大，沿著沉降中心向邊緣第四系厚度減小，第四系厚度從中心120m縮減至40m不等；

圖6 中寧平原綜合水文地質(zhì)圖Figure 6 Comprehensive hydrogeological map of Zhongning Plain

(4)中寧平原第四系沉降中心水量豐富，水質(zhì)良好，是可供開發(fā)的良好儲水層。