基于AMT法的中宁平原水文地质特征研究

2020-01-07马永祥闫建波王嘉文马林军

中国煤炭地质 2019年11期

马永祥，闫建波，王嘉文，马林军，苗刚

(1.宁夏回族自治区煤炭地质局，银川 750001； 2.中宁县水务局，宁夏中宁 755100)

引言

宁夏地处西北干旱半干旱地带，生态脆弱，水资源短缺也是制约地区经济发展的主要因素。地貌特征也呈现“两山夹一带”的特点，北有贺兰，南俯六盘，中间夹一干旱带[1]。中宁平原地处中部干旱带的北段，除黄河流经本地以外，降雨稀少，研究水文地质有十分重要的意义，尤其是研究地下水分布赋存规律，合理开发利用地下水是本地水资源合理开发利用的当务之急[2-5]。本文对中宁平原第四系沉积特征和富水规律进行了深入的研究，旨在寻找更多良好的储水地段供开发利用。

1 水文地质背景

中宁平原在区域上属于宁中山地及山间平原地下水系统，卫(中卫)宁(中宁)平原地下水子系统[6]。根据地下水赋存条件和水力性质，中宁平原地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水，其特点是分布广、埋藏浅、开采方便，是最具供水意义的地下水。中宁平原第四系沉积厚度受基底构造控制，变化很大，受中卫—陈麻子井新生代沉降盆地沉降中心影响，第四系厚度30～200m。区域地下水在地质、地貌及构造的影响下，平原边缘及四周山地为地下水补给区，山前洪积倾斜平原地带为径流区，河湖积平原为地下水汇集排泄区，中宁平原地下水处在区域水循环的汇集排泄端。

本文就2017年中宁县水务局完成的音频大地电磁测深法和水文地质钻探成果展开对中宁平原水文地质条件的研究，从音频大地电磁测深法获取的电性剖面入手[7]，研究标高950m以浅地层岩性结构，结合水文地质钻探成果对比总结中宁平原第四系含水层富水规律。

2 AMT方法工作原理及测网布设

音频大地电磁测深法(AMT)是在地面上一点或多点同时观测天然变化的、互为垂直的电磁场水平分量，用以探测地球内部的电性构造。由于不同频率的天然交变电磁场具有不同穿透深度，因此音频大地电磁测深通过研究地表采集的电磁场数据能够反演出地下不同深度介质电阻率的分布信息。并根据所测电阻率数据分析地层展布规律，确定第四系覆盖层厚度及含水层分布情况。

勘查过程使用EH-4电导率成像系统，该系统是一种双源型电磁系统，是世界首创的变频率电磁系统。采用独特的正交磁偶极可控源，系统可快速、自动、多频率采集数据、现场实时成像。按照线距1Km，点距500m进行测网布设。

2.1 AMT剖面

中宁平原面积约120km2，完成AMT剖面8条(图1)，电测深点145个，编号自东北至西南依次为H1～H8，H4线和H5线位于中宁盆地中部，下面主要以这两条剖面为例展开分析说明。

图1 AMT剖面位置展布图Figure 1 Distribution of AMT sections

2.1.1 H4线剖面解译

H4线AMT反演视电阻率等值线及地质解译如图2所示，(a)为黄河以北部分，(b)为黄河以南部分。对H4线AMT反演视电阻率剖面分析如下：1～5号点有新近系地层出露，反演视电阻率ρs=20Ω·m。5号点北侧下部反演视电阻率出现高阻反映，反演视电阻率ρs>80Ω·m，推测为泥盆系。5～27号点之间剖面视电阻率等值线具有层状分布的特点，根据反演视电阻率等值线特征解译为两层，推断其标高范围、反演视电阻率值和地层分别为：第一层标高1 050m以浅，反演视电阻率ρs=40Ω·m，为第四系地层；第二层标高1 050m以深，反演视电阻率ρs=20Ω·m，为新近系地层，剖面北段发育泥盆系地层。

2.1.2 H5线剖面解译

H5线AMT反演视电阻率等值线及地质解译剖面如图3所示，(c)为黄河以北部分，(d)为黄河以南部分。对H5线AMT反演视电阻率剖面分析如下：1～2号点反演视电阻率出现高阻反映，反演视电阻率ρs>80Ω·m，结合地质资料推测为泥盆系地层出露。2～4号点之间有古近系地层出露，反演视电阻率ρs=20Ω·m。黄河以北4～7号点之间视电阻率等值线具有层状分布的特点，根据反演视电阻率等值线变化特征将视电阻率等值线解译为两层，推断其标高范围、反演视电阻率值和地层分别为：第一层标高范围为1 050m以浅，反演视电阻率ρs=30Ω·m，为第四系地层；第二层标高范围为1 050m以深，反演视电阻率ρs=20Ω·m，为新近系地层。

图2 H4线反演视电阻率等值线断面及地质解译剖面图Figure 2 Line H4 inversion apparent resistivity isogram section and interpreted geological section

图3 H5线反演视电阻率等值线断面及地质解译剖面图Figure 3 Line H5 inversion apparent resistivity isogram section and interpreted geological section

黄河以南将视电阻率等值线解译为两层，推断其标高范围、反演视电阻率值和地层分别为：第一层标高1000m以浅，反演视电阻率ρs=40Ω·m，为第四系地层；第二层标高1 000m以深，反演视电阻率ρs=20Ω·m，为新近系地层。

2.1.3 H1～H8线剖面解译

H1：第一层标高1 050m以浅，反演视电阻率ρs=60Ω·m，为第四系地层；第二层标高1 050m以深，反演视电阻率ρs=20Ω·m，为新近系地层。

H2：第一层标高1 100m以浅，反演视电阻率ρs=40Ω·m，为第四系地层；第二层标高800～1 100m之间，反演视电阻率ρs=20Ω·m，为新近系地层；第三层在1号点至5号点之间有高阻反映，反演视电阻率ρs>80Ω m，推测为泥盆系地层。

H3：第一层标高1 100m以浅，反演视电阻率ρs=40Ω·m，为第四系地层；第二层标高1 100m以深，反演视电阻率ρs=20Ω·m，为新近系地层。

H6：黄河北侧第一层标高1 050m以浅，反演视电阻率ρs=30Ω·m，为第四系地层；第二层标高1 050m以深，反演视电阻率ρs=20Ω·m，为新近系地层；黄河以南第一层标高950m以浅，反演视电阻率ρs=40Ω·m，为第四系地层；第二层标高950m以深，反演视电阻率ρs=20Ω·m，为新近系地层。

H7：黄河以北第一层标高1 150m以浅，反演视电阻率ρs=50Ω·m，为第四系地层；第二层标高1 150m以深，反演视电阻率ρs=20Ω·m，为新近系地层；黄河以南第一层标高950m以浅，反演视电阻率ρs=40Ω·m，为第四系地层；第二层标高950m以深，反演视电阻率ρs=20Ω·m，为新近系地层。

H8：黄河以北第一层标高1 100m以浅，反演视电阻率ρs=50Ω·m，为第四系地层；第二层标高1 100m以深，反演视电阻率ρs=20Ω·m，为新近系地层；黄河以南第一层标高1 000m以浅，反演视电阻率ρs=40Ω·m，为第四系地层；第二层标高1 000m以深，反演视电阻率ρs=20Ω·m，为新近系地层。

2.2 AMT电性特征

通过对本次地面电法勘探获得的8条测线的AMT原始数据与反演结果、钻探资料、地球物理测井资料及地面调查等资料的综合分析，获得了本区地层的电性特征，AMT法反演视电阻率值如下：

第四系反演视电阻率ρs=40Ω·m；新近系相反演视电阻率ρs=20Ω·m；下伏基岩地层的视电阻率最高，分布主要有泥盆系、石炭系地层，反演视电阻率ρs>80Ω·m。根据第四系、新近系和泥盆系地层的电性特征，结合卫宁平原的沉积环境，得到卫宁平原第四系厚度变化规律，如图4所示。从图上可以看出，黄河以南第四厚度较黄河以北的厚度大，黄河以南第四系厚度约为150m，平原中部恩和镇附近厚度最大约120～200m，向东西沿着黄河走向厚度减小，在东北方向厚度减小至40～60m；黄河以北约为100m，在石空镇和渠口农场东侧厚度最大80～120m；黄河向南北两侧第四系厚度呈逐渐减小的趋势。

图4 中宁平原第四系厚度等值线图Figure 4 Isopach of Quaternary in Zhongning Plain

3 水文地质特征研究

3.1 中宁平原水文地质特征

根据2017年中宁县水务局完成的水文地质钻探成果分析，县种苗场与恩和施工钻孔HS702终孔深度120.75m，终孔层位为第四系，见图5，与AMT剖面探测第四系厚度一致，AMT法解译恩和镇第四系厚度约120m，HS702孔钻探揭露底部为一层厚约4.0m厚黏土层。从恩和向东逐渐变薄，鸣沙一带厚度小于60m。地下水水位埋深由东向西，自山前向黄河由深变浅，山前水位埋深一般在30～50m，中部30～10m，靠近黄河小于10m。盆地内第四系富水性强，见图3-2，大部分地区为富水区，含水层岩性主要为卵砾石、砾石、粗砂、细砂等，中间夹有黏土层透镜体，但不连续。单井涌水量大于1 000m3/d，恩和曹桥十队至新堡刘桥南侧为极富水区，单井涌水量大于3 000m3/d，水质较好，溶解性总固体小于或接近1g/L，不超过3g/L。鸣沙一带富水性一般，单井涌水量小于1 000m3/d，水质较差，多数溶解性总固体大于3g/L。

图5 中宁平原水文地质剖面图Figure 5 Zhongning Plain hydrogeological section

3.2 中宁平原第四系富水规律

根据上述音频大地电磁测深和水文地质钻探成果表明，中宁平原受中卫—陈麻子井新生代沉降盆地、鸣沙—红寺堡新生代沉降盆地、沙石墩—渠口新生代沉降盆地及余丁—烟筒山隆起褶皱带基地建造共同影响[8-9]，黄河由中卫胜金关进入中宁以来变得开阔，形成冲积扇，在舟塔乡、新堡镇、宁安镇及恩和镇第四系沉积较厚。受构造地基影响，恩和镇为中宁平原的沉降中心，如图6所示，恩和镇东北方向，谢家滩至永丰七队之间，第四系沉积厚度最大，地下水水位埋深1～10m，并且反演视电阻率ρs=40Ω·m，水质最好，矿化度不超过1g/L，单孔涌水量1 000～3 000m3/d，是良好的地下水富集区。沿着沉降中心周围，第四系厚度逐渐减小，尤其向东北方向延伸至鸣沙镇附近，第四系范围缩小，厚度大大减小，水质逐渐恶化[10-12]。