音频大地电磁法与核磁共振法结合划分含水层的试验

于向前，赵义平，王明新，刘 迪，王文婷，汪馨竹

水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020

0 引言

含水层划分是地下水资源勘察工作的重要内容。不同的工作目的，对划分的精度要求不同，方法也各有差异，如：详勘阶段含水层划分主要依据水文地质钻探，并辅助参考一些地球物理探测成果，同时借助水文地质规律综合分析得到（通过水文地质剖面图可直观显示）；而对于较普遍的野外找水定井，多应用地球物理方法给出含水层的大致位置及可能的地层岩性。一般情况下，地球物理方法的成本要低于钻探，但其划分的准确性相对较低，如何应用地球物理方法，特别是多种地球物理方法结合更有效地划分含水层，一直是地质工作者关注的热点问题。

随着应用地球物理学的发展，前人已将多种地球物理方法结合用于地下水资源勘察，其中以常规方法结合为主。赵国泽等[1]应用瞬变电磁法和音频大地电磁法结合在煤矿断层进行了富水性探测；Matthew等[2]应用直流电法和电磁法结合分析了冰川沉积岩地层的地下水流状况；Alastair等[3]应用地震折射波法、地质雷达技术和电阻率法结合描绘了冰川冰碛地区的地下水流路径；宋希利等[4]提出了应用可控源音频大地电磁法和电阻率测深法结合在侵入岩地区找水定井的新模式；张文秀等[5]应用可控源音频大地电磁法和激发极化法设计出一个分布式电磁测深系统，用于深部地下水勘察。

由于常规地球物理方法存在非水低阻、解译成果多解等问题，导致判断结果往往失真，限制了方法的应用。近年来兴起的核磁共振法，可直接获得含水层深度、厚度、含水量等信息，准确性更高，但在识别地层整体结构方面存在不足。基于此，笔者提出一种将音频大地电磁法（audio magnetotelluric method，AMT）与核磁共振法 （nuclear magnetic resonance method，NMR）结合用于含水层划分的综合方法，充分利用每种方法的优点，并避免上述存在的不足。以内蒙古巴彦宝力格盆地某区为试验区，开展野外试验，并将试验结果与该区域供水水文地质详查报告中的水文地质剖面图进行比对，旨在为应用地球物理方法更为准确地划分含水层提供一个新的途径。

1 综合方法工作步骤

音频大地电磁法在识别地层整体结构、判断地层变化的连续性和稳定性、查找断层和（或）裂隙带的位置等方面具有优势；核磁共振法为唯一直接找水的地球物理方法，能提供含水层深度、厚度、含水量和介质岩性等信息。综合方法可实现二者优势互补。具体工作步骤如下：

第1步：布设音频大地电磁法测点，根据解译成果分析视电阻率分布规律，查看是否具有视电阻率异常现象并预判异常原因。

第2步：根据第1步成果布设核磁共振法测点。布设原则：①尽量考虑在视电阻率异常点附近布设，以进一步查明异常原因；②沿勘探线均匀分布。

第3步：通过核磁共振法获得含水层深度、厚度、含水量和平均衰减时间等信息。大量的野外试验归纳出平均衰减时间与含水层孔隙大小直接相关，平均衰减时间越长，含水层的孔隙越大[6-7]。根据平均衰减时间，通过孔隙大小判别，同时参考已知的水文地质条件及解译含水量，建立平均衰减时间与介质岩性的对应关系，进而判断介质岩性。

第4步：依据1-3步得到的成果绘制含水层划分图。

需要补充的是，如果在勘探线附近具有前期钻孔资料，可在钻孔附近布设1个核磁共振法测点，据此建立平均衰减时间与介质岩性的对应关系，会得到更理想的结果。

可以看出，综合方法不仅是2种方法的优化组合，也体现了点线关系的优化配置：①音频大地电磁法可为核磁共振法提供测点布设依据；②核磁共振法可检验音频大地电磁法探测结果的合理性并分析其视电阻率异常原因；③音频大地电磁法可为核磁共振法多个测点资料的结合作辅助参考。

2 试验研究

2.1 试验区概况

试验区位于内蒙古锡林浩特市巴彦宝力格盆地中部，为火山堆积地形，较为平坦。区内含水层可分为2个含水岩组：上部为第四系上更新统冲洪积松散岩类潜水含水岩组（）；下部为第四系中、下更新统玄武岩、裂隙孔洞潜水含水岩组（）。两含水岩组下部为白垩系顶部泥岩隔水层（K2）。地下水补给主要为西南部的侧向径流补给，其次接受大气降水的入渗补给；排泄主要为东北部的径流排泄及少量的人工开采。

拟在试验区所属区域选择部分富水区作为锡林浩特市的城市供水水源地，已分别于2000年和2007年提交了供水水文地质普查及详查报告[8-9]，充足的资料为试验顺利进行提供了可靠的数据支撑。

2.2 试验设计方案及技术方法

2.2.1 设计方案

设计1条勘探线，长约5km（图1），为便于对试验结果作检验，沿详查报告中的已知勘探线布设。已知的勘探线上分布有2个钻孔：B-10孔为普查阶段钻孔；Z-4孔为详查阶段钻孔。布设音频大地电磁法测点23个，测点间距约200m；核磁共振法测点3个，1个布设在已知的B-10孔旁，用于建立平均衰减时间与介质岩性的对应关系，其余测点根据音频大地电磁法解译成果布设。根据水文地质条件，本次试验的目标地层为100m以浅的第四纪地层。整个试验过程假定不知道详查报告的任何信息。野外试验时间为2012年8月22日-9月15日。

2.2.2 技术方法

音频大地电磁法应用德国Metronix公司生产的GMS-07e综合大地电磁法仪，采用标准的4道设置；核磁共振法应用吉林大学自主研发的JLMRS-Ⅱ型核磁共振找水仪，线圈采用100m×100m方形布设，最大测深100m，设置16个脉冲矩。

2.3 试验结果分析

2.3.1 音频大地电磁法试验结果分析

本次解译选择对音频大地电磁法采集数据作二维反演。解译之前，需对采集数据的质量作检验。数据分析可知，除AMT22测点其频点表现出较大的跳跃外，其余测点数据的一致性和稳定性均较好（图2），可为后续反演提供合格的基础数据。

图1 试验方案布设位置Fig.1 Locations of designed points in the test

图2 部分测点视电阻率-频率、相位-频率分布Fig.2 Distribution of apparent resistivity-frequency and phase-frequency of part of the testing points

选择不同的视电阻率曲线极化模式，反演结果往往差异较大。据已有研究成果[10-11]，采用TM模式比TE模式或TE＋TM模式反演结果中的虚假结构更少，且TM模式对模型的二维近似程度要求更低、相位受三维畸变影响更小、对地下异常体更灵敏。本次重点关注TM模式反演结果。考虑到试验区整体地势平缓，忽略地形变化对反演结果的影响。

应用OCCAM法作二维反演[12]，并通过相对拟合误差检验拟合情况，其计算公式为

全部测点的相对拟合误差平均值为2.55%，最大值为4.36%，且整体相对平均，没有出现个别测点相对拟合误差较大的情况（图3），表明本次反演全局性约束较成功，没有受制于任何一个或一些测点的电性变化，反演曲线整体拟合较好。

图3 部分测点TM模式二维反演拟合曲线Fig.3 Two-dimensional inversion of TM mode for the fit cuive of part of the testing points

图4 TM模式二维反演视电阻率分布剖面（单位：Ω·m）Fig.4 Two-dimensional inversion of TM mode for distribution of apparent resistivity（unit：Ω·m）

对反演得到的视电阻率分布剖面（图4）作分析。在垂直方向上：①视电阻率表现为由上至下逐渐减小的分布规律，这与地层上部为相对高阻的玄武岩地层、下部逐渐过渡到低阻的白垩系泥岩地层的水文地质条件吻合。②视电阻率由上至下呈线性平缓减小，表明玄武岩地层裂隙孔洞发育，含水率逐渐增加，但涉及到玄武岩地层和泥岩地层具体的界线，还需要借助岩石物性资料作辨别。③以100m测深范围内视电阻率为26Ω·m的曲线为典型曲线，垂向上曲线变化整体比较稳定，只是在剖面左右两端因存在高阻层，曲线下移。左端曲线下移是由于剖面左端海拔相对较高，会有一个相对较厚的包气带分布，右端曲线下移还需借助水平方向成果综合分析。其中，结论②很好地说明了应用常规地球物理方法难以解决非水低阻、泥水难以区分问题。

在水平方向上：①视电阻率整体变化平稳，说明地层变化具有很好的连续性和稳定性。②剖面右端、以AMT21测点为中心，在浅地层表现为相对高阻异常，视电阻率为26Ω·m的典型曲线在此区域最深达到260m。通过400m测深范围内视电阻率曲线整体分布看，在100～300m深度范围内，视电阻率为20～26Ω·m的曲线表现为连续分布，可判断此区域浅地层不具备断层或裂隙带分布的基本特征。AMT22测点的频点表现出较大的跳跃，通过查阅该点野外记录，初步判断剖面右端浅地层相对高阻异常可能与AMT22测点附近居民用电引起的噪声干扰有关，同时也不排除在此区域有相对高阻的含水率较低的岩体分布的可能。

2.3.2 核磁共振法试验结果分析

根据音频大地电磁法分析结果：NMR01测点布设在B-10钻孔旁；NMR03测点布设在AMT19测点附近，既可进一步查明异常原因，又可有效避免居民用电噪声干扰；NMR02测点布设在两测点之间。核磁共振信号易受电磁噪声干扰，需借助信噪比对采集数据的质量作检验。1-3号测点信噪比分别为5.80、2.18、1.27，信号可很好地压制噪声，表明数据的质量较好。应用文献[13]中的数学方法作解译（表1）。

自由水和束缚水具有不同的衰减时间，自由水的衰减时间为30～1000ms，而束缚水的衰减时间小于30ms。由于核磁共振法的电流脉冲间隔时间为30ms，只能接收自由水的信号，接收不到束缚水的信号，所以对于衰减时间为30ms的地层，即认为介质不含水[6]。从NMR02和NMR03测点的含水量和衰减时间看，两点数据的一致性较好，可判定图4中剖面右端浅地层相对高阻异常现象由电磁噪声干扰引起。

将NMR01测点解译成果与B-10钻孔资料作比对（图5），可以看出：不同的介质岩性表现出不同的衰减时间和含水量，且衰减时间与含水量具有一致的变化规律，两者具有较强的相关性。根据该图反应的介质岩性与衰减时间的对应情况，并借鉴前人成果[14-15]，得出适于试验区水文地质条件的衰减时间与介质岩性的对应关系：介质岩性为泥岩、粉质黏土、粉土、气孔状玄武岩、砂砾时，其衰减时间分别为≤30、30～60、60～120、120～260、260～600ms。

2.3.3 综合分析

根据上述成果得到勘探线第四系含水层划分图（图6a）。由显示的介质岩性分布可知，各含水层之间无连续隔水层，水力联系密切，可根据含水层厚度加权计算整个含水岩组的含水量。

表1 核磁共振法解译结果Table1 Interpretations of nuclear magnetic resonance method

图5 B-10钻孔资料（a）与NMR01测点解译成果（b、c）对比Fig.5 Comparison between the B-10borehole data（a）and the interpretations of NMR01（b，c）

图6 试验结果和详查报告成果对比Fig.6 Comparison between the test results and the report results of detailed surveys

2.4 试验结果可靠性检验及误差分析

图6b为试验区所属区域供水水文地质详查报告提供的勘探线第四系水文地质剖面图。将图6a与图6b作比对，可以看出两图在地层结构、含水层深度、厚度、介质岩性分布等方面基本一致，且含水层含水量变化与水文地质剖面图的涌水量变化规律一致，表明综合方法在描绘地层结构、判断含水层的位置和介质岩性、提供含水层含水量等方面均表现良好，具有很强的可行性。

图6a和图6b的不同之处主要表现在：①海拔高度为920～940m的粉土层，图6a表现为连续，而图6b该层只在B-10孔附近有分布；②920～940m的砂砾层，图6b要稍厚于图6a；③880～900m，图6a未见黏土层分布；④底部气孔状玄武岩层，图6a最小高度为872m，而图6b最小高度为862m；⑤底层砂砾层宽度，图6b要宽于图6a。

初步分析，误差原因主要为：①测点周围有电磁噪声干扰，虽然数据处理证明其影响较小，但还是会对解译成果造成一定的影响，这是地球物理方法的共有问题；②试验区大范围分布玄武岩地层，火成岩具有的高磁化率会对核磁共振信号产生影响[16-17]；③核磁共振法因脉冲矩的设置，各探测分层的深度和厚度为固定值，所测信号为厚度范围内的平均值，对一些薄的地层变化刻画不够精细；④图6b含水层分布状况除在钻孔位置准确外，其他位置与实际情况也会有一定程度的差别；⑤图6b为2007年勘察成果，当时的地下水赋存环境与试验期会有一定的变化，这会对地球物理方法产生影响。

3 结论与讨论

1）通过将试验结果与供水水文地质详查报告中的水文地质剖面图作比对可知：本试验方法在描绘地层结构、判断含水层的位置和介质岩性、提供含水层含水量等方面均表现良好，表明该方法具有很强的可行性。由误差分析可知，误差主要由电磁噪声干扰、玄武岩高磁化率影响、核磁共振法脉冲矩设置、水文地质剖面图自身的不确定性，以及地下水赋存环境变化等引起。

2）试验选择在玄武岩地层分布的地区进行，火成岩具有的高磁化率会对核磁共振信号产生影响，方法更适宜在孔隙水大范围分布的沉积岩地层，也可用于基岩裂隙水分布地区，但要注意应在主要裂隙区增加核磁共振测点。

3）本试验方法成本相对水文地质钻探大幅减少，试验证明其划分含水层的准确性较高，在生产实践中具有推广价值。

4）本试验方法为含水层划分提供了一个新的思路，未来可考虑与其他方法（如同位素、水文地球化学方法）结合，用于识别地下水水流路径，或研究含水层的非均质性。

长安大学李云峰教授、防灾科技学院姜纪沂博士在试验方案设计及文章修改等方面提供了帮助，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所雷达研究员提供了AMT的反演软件，并对文章修改提供宝贵意见，在此一并致谢。

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