可控源音频大地电磁法区分咸淡水能力探讨

2016-10-21田蒲源杨晓光

地下水 2016年5期

关键词：矿化度第四系岩性

田蒲源，周　乐，杨晓光

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定 071051)

可控源音频大地电磁法区分咸淡水能力探讨

田蒲源，周乐，杨晓光

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定 071051)

通过对可控源音频大地电磁法技术原理以及勘查特点的分析研究，结合在河北黄骅工作区的勘查实例，提出了通过电阻率值分布范围圈定地层岩性以及咸水层厚度的勘查模式。文中通过对地下水电阻率、地层孔隙度、地下水矿化度之间关系的研究，建立了采用可控源音频大地电磁法区分咸淡水界面的勘查思路，在工作区取得了良好的效果。

可控源音频大地电磁法；电阻率；孔隙度；矿化度

河北黄骅淡水资源缺乏，地表水开发利用率已超过90%，地下水超采严重。由于深层地下水的持续超采，不仅形成了地下水漏斗群区，而且引发了地面沉降、咸水界面下移、地下水开发利用难度增大等一系列问题[1]。开展地下水水质的地球物理勘查，圈定咸淡水界面从而确定可供饮用的淡水层埋层深度是一项非常有意义的工作。

目前通过电阻率值的分布区分地层岩性是物探工作中常见的勘查技术手段，但国内外公开发表的利用地球物理勘查技术评价地下水矿化度，确定咸淡水界面的文章很少[2]。本次采用可控源音频大地电磁法评价地下水矿化度，区分咸淡水界面的研究工作，充分考虑了地层孔隙度、地温、地层岩性等影响地层电阻率的重要参数，达到了定量计算地下水矿化度的目的。下面将介绍这种方法的理论及实际应用，以期给同行提供一些参考。

1　可控源音频大地电磁法技术方法原理简介

可控源音频大地电磁法是通过人工接地场源(电偶源)向地下发送不同频率的交变电流，在地面一定区域内测量正交的电磁场分量，计算卡尼亚视电阻率及阻抗相位，达到探测不同埋深的地质目标体的一种频率域电磁测深方法。

可控源音频大地电磁法旁侧标量采集模式，每个测点观点时，逐次改变供电频率，观测沿测线方向的电场分量Ex及与之正交的磁场分量Hy。CSAMT野外数据采集技术沿用了MT数据采集技术，采取时间序列数据，经过短时傅氏变换，Robust估算出电场、磁场频谱。计算随频率变化的视电阻率和阻抗相位，达到频率测深的目的。视电阻率和阻抗相位与电场、磁场的关系式为：

φZ=φE-φⅡ

式中：ρ为地层视电阻率，单位为Ω·m；f为频率，单位为Hz。

趋肤深度δ由下公式求得：

(1)

勘探深度为：

(2)

2　电阻率值与地下水矿化度的关系

可控源音频大地电磁法得到的电阻率值勘查结果，实际上是综合了地层电阻率、地下水电阻率的加权值。一般情况下，地下水矿化度越高，含有的导电离子越多，地下水电阻率值越低。

2.1影响地层电性特征的因素

据已有资料，黄骅工作区内埋深1 000 m范围内，地层岩性主要由第四系松散沉积物和第三系固结-半固结碎屑岩组成，其中第四系底板埋深为300～460 m。第四系岩性以粉细砂、粉砂、粘土、亚粘土为主；粉细砂、粉砂组成含水层，粘土、亚粘土组成隔水层。第三系明化镇组岩性为粉细砂岩、细砂岩、泥岩为主；粉细砂岩、细砂岩组成含水层，泥岩组成隔水层。

由工作区已有地质资料、钻孔资料和测井资料分析，区内第三系地层岩性电阻率值稍高于第四系沉积物电阻率值；第四系和第三系地层实测电阻率值主要受地下水矿化度的控制，岩性因素次之。因而，在利用实测电阻率值预测工作区地下水水质变化时，我们可首先根据已有资料和实测电阻率断面粗略划分第三系和第四系岩性界线，即对实测视电阻率断面进行分区；在分区基础上，可忽略岩性变化对电阻率值的贡献，主要考虑地下水水质变化对地层电阻率值的影响，在此基石上，利用实际电阻率值预测工作区地下水水质变化规律。

2.2地下水矿化度评价

工作区内第三系岩石多为微固结-半固结，因而，地下水矿化度评价进可参照松散沉积地层的评价方法和评价公式。

地下水矿化度评价时，第四系岩性概化为粉砂，不再细分；第三系岩性概化为粉砂岩，不再细分。粉砂和粉砂岩的孔隙度值分别取为0.45和0.3。

依据前人研究成果，对于纯净不含泥的松散沉积地层，地层电阻率ρ与赋存于其中的水的电阻率ρ水和含水介质的孔隙度φ之间的数学关系为：

(3)

其中ρ/ρ水=(3-φ)/2φ称为地层因子。

对于特定地区地层的孔隙度基本为一定值，可以参考综合测井资料获取。对没有孔隙度资料的可用不同岩性的孔隙度参考值代替(见表1)。

表1　常见松散类沉积物(岩)孔隙度[3]

由地下水矿化度C与地层电阻率ρ的关系(赵文杰等，1993)为：

(4)

其中，Δt=t0+tt·h-18

式中，t0为大地表层温度(℃)，其为研究区地壳常温带温度，此值可在区域地质报告和地方气象资料中获得。tt为地温梯度(通常取值0.03℃/m)；h为数据点的深度(m)；α为温度常数(通常取值0.025Ωm/℃)；β为矿化度常数，对不同成份和温度的溶液，其等于其矿化度为1 g/L时的电阻率对数值，对NaCl型水质可取值-0.95。

根据当地气象资料，黄骅作区值选为14℃，地温梯度为3.05℃/100m。对于第四系地层，孔隙度值选用为0.45；对于第三系地层，孔隙度值选用为0.3。则工作区第四系地层矿化度评价基本公式可简为下式：

(5)

第三系地层矿化度评价基本公式可简为下式：

(6)

其中ρ为反演后地层电阻率值。

据收集的有关资料可知：工作区由直流电测法获得的地层电阻率(量板解释值)与地下水矿化度之间的关系如下：

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

地下水矿化度符合饮用水标准时，其电阻率值大于12Ω·m；即地下水矿化度小于2 g/L时，地层电阻率值大于6Ω·m。本次解译标准将“淡水”定义为矿化度小于2 g/L。

由于物探方法不同、仪器设备不同、反演方法不同最后获取的地层电阻率值会有所差异，因而，本次工作对地层水水质评价首先依据公式5和公式6展开，获取地下水矿化度分布断面图；在此基础上，与前人结果和工作区已知资料进行对比，对工作区地下水矿化度评价公式进行修正，再重新预测工作区地层水矿化度分布规律，以期逼近地下水水质特征的真实面目。

3　勘查实例

工作区位于黄骅市中捷农场，特殊的地理位置，使区内土地盐碱化严重，自古以来百姓一直饮用的都是高盐碱的苦咸水、高氟水。工作区第四系沉积物由松散的粉细砂、粉土、淤泥质亚粘土、粘土、细砂、粗砂组成；新近系地层主要为砂岩与泥岩互层。收集到的七十年代水文调查报告显示，咸水体位于浅部，厚度约为200 m，自西往东离海越近，厚度越大。本次物探勘查的目的为查明咸水体四十年来厚度的变化。

地球物理勘查采用的仪器为加拿大凤凰公司生产的V8多功能电法仪，测线布设方向为近东西向。勘查结果见图1。

图1a为EMAP处理后的视电阻率等值线图，该图清晰地反映了在500 m深度以上随埋深增大视电阻率值增大，700 m深度以下随埋深增大视电阻率值减小的趋势。图1a中，浅部电阻率值呈层状分布，从电性值上反映地层岩性为第四系粉细砂、粉土、淤泥质亚粘土、粘土、细砂、粗砂；300～400 m深度区域粉色界线以下电阻率值增大，局部存在不连续相对高阻体存在，从电性值上反映地层岩性为新近系砂岩。故矿化度评价时剖面17 000 m以前区段400 m深度以浅选用了公式(5)，400 m深度以下选用了公式(6)所建立的数学模型；17 000 m以后区段300 m深度以浅选用了公式(5)，300 m深度以下选用了公式(6)所建立的数学模型。图1b为通过上述模型，选取相应的参数，揭示了随埋藏深度增大地下水矿化度逐渐变小的规律。根据本次勘查工作定义的“淡水”矿化度为小于2 g/L的标准，划分出了咸水界面。剖面19 700 m位置附近存在一水井，井深约550 m，为附近村民饮用取水井，取样抽水水质分析结果为，矿化度0.93 g/L，与电法资料预测值较为吻合。