瞬变电磁法在内蒙古乌拉特前旗明安镇西找水工程中的应用

郭嵩巍， 闫 强

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083；2.内蒙古国土资源勘查开发有限责任公司,呼和浩特 010020)

内蒙古自治区乌拉特前旗明安镇西某农业开发区(图1)，因灌溉需要，在开发区内需建设数个水井，但随着工程的推进，部分井打到基岩，成为无水干井，因此开发区决定采用物探方法探测含水层与基岩的分界面的位置，重新布置井位，避免干井的出现。在物探方法的选择方面，根据实际施工的情况，选择中心回线瞬变电磁法；在数据处理解释方面，自主开发了基于VisualBasic2015平台的处理解释程序，该程序能实现数据读取，烟圈反演，人机交互解释功能，实现了野外数据的快速处理、定量解释一体化，对找水物探工程的野外现场快速解释有较大的实用价值。

1 物探找水简介

水是人类赖以生存的最重要的自然资源之一，也是国民经济发展过程中不可替代的战略资源。在中国北方干旱、半干旱地区和西南岩溶地区，都是缺水地区，找水工作是科技工作者、地质工作者面临的重点任务之一[1]。

图1 工作区交通位置图Fig.1 Location map of work area

找水的类型有岩溶水[2]、构造水[3]、基岩裂隙水[4]、第四系孔隙水[5]等；找水的要素包括地下水的补给、储水空间、排泄区等[2]；找水方法包括地质、物探、钻探、遥感以及化探等多种方法。其中物探找水作为找水先行的一种方法，在圈定富水区、划分地层，指导钻探等方面都起到了重要的作用。物探找水方法有直接找水和间接找水，直接找水有核磁共振法[1,6]，间接找水包括重力、磁法、电法、地震、放射性等多种物探方法。目前，电法勘探找水在实际工程中被广泛应用，具体包括常规电阻率法(包括激发极化法)、电磁法等。常规电阻率法，已取得了丰硕的成果，根据装置不同可分为联合剖面法(简称联剖法)和垂向测深法(VES)以及高密度电法，一般来说有效勘探深度在300 m以内[7-8]。对勘探深度有更大需求的找水勘探，目前大多采用电磁法[9]，包括音频大地电磁法(AMT)、可控源音频大地电磁法(CSAMT)、瞬变电磁法(TEM)等，勘探设备有EH4、V8、GDP32等。

物探找水可采用单一方法，也有采用多种方法联合使用、综合应用，这主要取决于勘探的深度和勘探的需求[10-11]。多种方法测量，可以相互验证，互为补充，提高找水的准确性，有效降低勘探风险。

现在要介绍的找水方法为瞬变电磁法(transient electromagnetic method，TEM)[12-13]，它是利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，通过观测及研究二次涡流场随时间的变化规律来探测介质的电性。瞬变电磁法对低阻体反应灵敏，横向分辨能力高，被广泛地应用于找水工程中，如占文锋等通过在复杂地形地质条件下的探测，证明瞬变电磁法对地层富水性探测效果明显[14]；钱鹏等对浅层勘探做了研究，认为同一回线装置野外施工相对简便，对地形条件要求不高，施工成本低等优点[15]。

2 地质概况

2.1 地层及水文地质概况

工作区古生代地层属于华北地层大区，大青山地层小区；中新生带地层属于大兴安岭-燕山地层分区，阴山地层小区[16]。地层由老至新主要有：太古代色尔腾山群(ArS)、白垩系固阳组(K1g)、古近系乌拉特组(Ew)、第四系(Q)。

2.1.1 太古代色尔腾山群(ArS)

岩性为斜长角闪片岩、片麻岩，混合岩夹磁铁石英岩。单泉流量为3.9×10-3～2.4×10-1L·s-1，矿化度为2.1×10-1～2.7×10-1g·L-1。

2.1.2 白垩系固阳组

岩性为深灰色、灰白色泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩夹砾岩。含水层厚6～103 m，水位埋深11～38 m，单孔涌水量3～38 t·d-1，矿化度5.2×10-1～6.75 g·L-1。

2.1.3 古近系乌拉特组

岩性为红色、砖红色泥岩，泥质粉砂岩，局部夹灰白色砂砾岩、砂岩，基本无水。

2.1.4 第四系

岩性为冲洪积、冲湖积砂砾石、砂卵石、淤泥质粉砂岩、黏土质砂岩。含水层厚20～87 m，水位埋深1.96～88.64 m，含水层顶板埋深28～98 m，单孔涌水量3×102～5.5×103t·d-1。

2.2 区域水文地质条件

按工作区所在区域地下水的埋藏条件，可划分为三个不同的储水类型：

2.2.1 平原河谷砂砾石孔隙潜水

山间沟谷内堆积3～10 m的砂砾石层，砂砾石层下部普遍饱含孔隙潜水，其水量大小与沟谷及汇水范围的大小，砂砾石层厚薄有关，一般较大沟谷水量丰富，达102～103t·d-1，较小沟谷水量亦达10～102t·d-1。

2.2.2 碎屑岩类型裂隙孔隙水

该类型水主要分布在工作区附近东西向台地当中，由白垩系地层组成，为一套湖相—湖滨相沉积。根据已有钻孔揭露：地层含水层岩性主要为砖红色、紫红色砂砾岩、含砾砂岩；单层厚度1.12～12.65 m，含水层不连续，透水性不良，含水微弱。

2.2.3 基岩裂隙水

据已有钻孔资料反映，基岩裂隙水赋存于太古界岩浆岩破碎带中，深度40～120 m不等。裂隙发育深度因地而异，一般地形高，切割深，无覆盖的地区裂隙带厚，有良好的降水渗入条件。在低洼沟谷中常与第四系砂砾石潜水构成统一含水体。

2.3 工作区水文地质条件

分析工作区地形地貌，结合区域水文地质资料，工作区水文地质条件简单，地表水系不发育，位于山前冲积河谷平原(图2、图3)，地下水补给以大气降水为主，第四系(Q)松散层孔隙潜水含水层，即第一种储水类型，结合本次打井需求，是本次找水勘探的目标。古近系地层(E)，岩性为红色、砖红色泥岩，局部夹灰白色砂砾岩、砂岩，基本不含水，为隔水层。太古代基岩地层(Ar)不含水，是工作区出现干井的区域。

图2 工作区区域地质图、地形图、工程布置图Fig.2 Regional geological, topographic，profile layout map of work area

图3 工作区综合水文地质图Fig.3 Comprehensive hydrogeological map of work area

3 地球物理特征

3.1 航磁

本次工作搜集到1∶50万航磁资料(图4)，航磁正异常呈条带状分布，走向北西向。结合区域地质，因沉积岩一般呈弱磁异常或负磁异常，与第四系地层对应；因太古代地层中含有含铁石英岩，正磁异常对应太古代地层；正负磁异常过渡带对应隐伏断层所在位置。

图4 工作区航磁异常ΔT等值线平面图Fig.4 Aero-magnetic anomaly ΔT contour map of work area

3.2 电性特征

根据已经收集到资料(图5)显示，第四系砂砾石电阻率略高，为50～102Ω·m(对数值1.7～2.0)；古近系地层，泥岩含量大，电阻率较低，一般在10～20 Ω·m(对数值1.0～1.3)；太古代色尔腾山群(ArS)，电阻率一般大于3×102Ω·m(对数值大于2.4)。由此可见，工作区地层电性差异明显，具备较好的瞬变电磁找水条件。

4 方法选择与测线布置依据

4.1 测线布置依据

(1)通过对工作区的实地踏勘，工作区地形较为平坦，位于山前冲洪积平原，地表溪流、冲沟、河道等地质标志不明显，因此测线方向的布置应参考收集到的资料来确定。

(2)通过收集资料，包括区域地质资料、水文地质资料，以及物探1∶50万航磁资料，本次勘探的目标含水层为第四系地层，且厚度在50～100 m之间。北西向隐伏断裂构造是富水区与无水区的界限，准确定位构造位置成为问题关键。

(3)因工期要求，施工正值严冬腊月，于2015年元旦前后，工作区气温低至-10 ℃左右，滴水成冰。常规电测深等需要接地电测深方法不具备施工条件。

因此，选择使用瞬变电磁测深法，钱鹏等[16]在瞬变电磁法在浅层勘探中的研究中认为，同一回线装置野外施工相对简便，对地形条件要求不高，施工成本低。本次勘探工作采用中心回线装置单框发射、单点接收的数据采集方式，与同一回线类似，同样具有施工效率高、成本低等优点。垂直构造走向，共布置5条勘探测线(图2、图4)，做到控制住整个开发区。

4.2 反演算法选取

由于瞬变电磁一维反演计算较为费时，不利于对瞬变电磁野外一手数据做现场反演解释，因此选择瞬变电磁成像算法烟圈反演[12]，作为本次数据的解释依据。烟圈反演是一种近似反演技术，将瞬变感应等效为“层间”涡流扩散，得到似电阻率和对应视深度，主要计算公式如下：

(1)

(2)

式中:ρ为介质电阻率；dr为烟圈的垂向深度；tji是tj、ti的算数平均值；ρr不是经典定义之视电阻率，也非某地层的真电阻率，又有别于反演拟合得出之电阻率，故称之为“似”电阻率。

求ρr所对应的视深度Hr：

(3)

式(3)中，0.441为经验系数。

采用烟圈反演快速成像算法，通过程序实现采集数据后现场绘图解释，大大提高了解释效率。

5 推断解释

5.1 地层解释

根据电法探测的基本原理，一般情况下,与围岩地层电阻率值相比，含水岩层会表现低电阻率特性，如果岩层不富水，则会表现为相对高阻特性，可称为“低阻找水”；若岩性以泥岩为主，电阻率很低，不含水为隔水层，而砂岩层、砂砾岩等则呈现为相对高阻，为含水层，可称为“高阻找水”。

结合本工作区的物性特征，如测井曲线所示(图5)，属“高阻找水”。根据航磁异常等值线平面图(图4)正磁异常范围，排除掉太古代色尔腾山群地层表现的高阻区域，航磁负异常区域的浅表高阻(对数值在2左右)层，可推断为第四系地层，下伏低阻(对数值在1左右)层可推断为岩性以泥岩、粉砂质泥岩为主的古近系地层(图6)。

图5 工作区附近钻孔测井曲线Fig.5 Borehole logging curve near work area

5.2 断层解释

在横向上，沉积地层的电性特征一般情况是均一的或变化不大。由于断层造成了相互地层错动，打破水平方向电性均一性，在电阻率断面图上断层两侧会出现电阻率突变现象。根据1∶50万航磁资料(图4)，以及区域水文地质资料显示(图3)，工作区存在隐伏断层F1可基本确定，5条勘探测线的电阻率反演断面图(图6)和高程切片图(图7)中均显示明显。

图7 不同高程反演电阻率平面等值线图Fig.7 The result of inversion map of Different Elevations

5.3 人机交互式定量解释

从等值线反演断面可以看到，地层分层明显，断层、地层产状清晰。本文采用自主开发的瞬变电磁定量解释程序，解释界面如图8、图9所示。导入反演断面图图片，首先必须输入图片位置对应点号、坐标的关系；之后在“测线模式”选择“点画线”，再选择需要解释的地层或断层，最后在图片上单击鼠标左键划线，双击鼠标左键，划线结束，解释完毕。

图8 断面图解释窗体界面Fig.8 Interpretation form of profile

图9 平面图解释窗体界面Fig.9 Interpretation form of contour map

5.3.1 地层解释

选择推断的地层名称，之后在图中点出地层界限，程序可算出所点点位坐标及对应高程，完成地层界限绘制后程序即可算出地层倾向。减去上覆地层高程(第一层减去地表高程)，便可算出推断地层的层厚度。

5.3.2 构造解释

选择断层名称，在断面图中点出断层位置，程序即可算出所点断层点位坐标，完成断层绘制后便可算出断层倾向，将图片模式改为“平面图”，选择平面图，选择“推断转换”菜单栏里的“将断层投到当前平面图上”，即可将在断面图中推断的断层位置投影到平面图中，并且程序会根据投影点位的首尾坐标算出构造走向方位角，这样，通过人机交互程序，就完成了断层位置、产状的定量解释。本次工作，重点定位的北西向隐伏断层F1，经投影计算构造走向308.7°(图9)，5条勘探测线定量解释结果见表1。

表1 地质推断结果

6 成果与结论

本次找水工程在开展野外工作前收集了区域地质、水文、1∶50万航磁等资料，了解并分析了工区出现干井的原因，确定准确定位隐伏断层F1位置是本次找水工作的关键。物探方法选择方面，采用不接地瞬变电磁测深法，一方面克服了常规电法在极寒天气下无法布设电极的困难，在-10 ℃左右不利气象环境中，采集到高质量的数据；另一方面充分利用了瞬变电磁中心回线装置横向分辨能力强的优点，工作装置为100 m×100 m，保证有效勘探深度不低于100 m，满足打井深度要求，点距50 m，为发射线框一半，不仅提高了施工效率，而且准确定位出隐伏断层F1的精确位置，取得了不错的找水效果。

图10 推断第四系等值线图Fig.10 Contour map of deduced quaternary

图11 建议打井范围平面图Fig.11 Suggested drilling range plane

数据处理解释方面，采用烟圈反演快速成像算法，开发人机交互定量解释程序，实现对电阻率反演断面的定量解释：提取出推断第四系地层底板的高程值，算出并绘制第四系底板地形图、第四系厚度等值线图(图10)，进而推断出第四系地层的倾向，含水层的流向(图11)，即地下水的补给方向；提取出隐伏断层F1的坐标，算出断层在断面图中的倾角，并投影定位到平面图中，算出F1的走向方位角，最终圈定了富水区范围(图11)，从而为打井的位置和深度提供了依据。可以看到，富水区范围与1∶20万水文地质图(图3)中“水量丰富”对应良好，后经打井验证，在推断断层附近的井均为有水井(图11)，证明推断断层定位准确，避免了干井的再次出现。