可控源音频大地电磁法在灰岩地区岩溶水勘查中的应用

2020-09-21刘蓓蓓苗景春

河北地质 2020年2期

张悦刘蓓蓓苗景春

(1.河北省地球物理勘查院；2.河北省区域地质调查院)

水是人类赖以生存和发展的珍贵资源,地下水是水资源的重要组成部分,在水资源利用中占有突出的地位。地下水资源中最富水的是岩溶地区,其中的断层、裂隙和溶洞是地下良好的蓄水构造。

岩溶体赋水情况直接影响到岩溶体的电性特征,充水的岩溶体具有较可溶性岩体更高的导电电性(低电阻性),而不充水的岩溶体却具有较可溶性岩体更低的导电电性(高电阻性),在地表进行地下岩溶体探测时,岩溶体的规模大小也会直接影响到观测到的导电电性的差异。

对岩溶水勘查的常用方法有四极电阻率剖面法、联合剖面法、甚低频法、激发极化法、浅层地震法及大地电磁法等,大多是以勘查同地下水相关的断层、裂隙、和破碎带为目的。可控源音频大地电磁法(CSAMT)以其理论原理和工作方法,所具有的较高水平、垂直分辨率的特性,在地下岩溶水勘查的物探方法中显示了明显的优势。

1 方法原理

可控源音频大地电磁测深法是一种较成熟的勘探地球物理技术,是上世纪五十年代在音频大地电磁测深(AMT)的基础上,发展起来的一种人工场源方法,是一种中、浅部地质构造研究的频率域电磁测深法。近年来,可控源音频大地电磁测深法得到了广泛应用,取得良好的效果,从而成为受人重视的一种物探方法。其原理是在地表人工建立一个大地电磁场,当观测点与人工场源相距一定距离时,其切向电场和磁场将具有类似的函数关系,此时它们的比值不再依赖于收发距,该比值几乎准确地等于垂直向下入射的平面波的波阻抗,具有这种关系的区域称为电磁场的波区,利用波阻抗及信号频率可计算得出视电阻率值,在此也称为卡尼亚电阻率。在波区内通过观测电磁场信号的变化情况,反映出地球电性分布对大地电磁场的影响,达到探测地层电性分布情况的目的。电磁波在地下传播时,其能量随传播距离的增加逐渐被吸收,当电磁波振幅减小到地表振幅的1/e时,其传播的距离称为趋肤深度(δ),即电磁法理论勘探深度。通过对不同频率信号的观测,以达到对不同深度地层电性勘测的目的。

可控源音频大地电磁测深法使用人工电磁场源信号,其勘测信号具有较高的信噪比,工作效率高,勘探深度范围大(勘探深度范围为几十米到二、三千米),垂向分辨率高(将要探测对象的厚度和埋深之比定义垂向分辨率,它在10%～20%之间),水平分辨率高,地形影响小,高阻层的屏蔽作用小。与直流电测深法相比,这些特点优势明显。

2 应用实例

2.1 基本概况

试验区为山前地段,区内地层较为简单,基岩岩性以蓟县系(Jx)地层为主。蓟县系雾迷山组(Jxw)地层在工作区内大面积出露,岩性以灰色厚层硅质条带白云岩、白云质灰岩为主,夹有石英砂岩,地层产状在山前倾向东南,产状为140°∠7°,地层厚度约2000m。第四系地层主要分布于丘陵、山间河谷地带及山前平原区,分布面积小,厚度一般小于20m,表层岩性为粘砂或砂土层,下部岩性为卵砾石层。

雾迷山组白云岩在山前地带隐伏于地下,形成较好的岩溶水含水层,单井涌水量可达3000m3/d。地下水主要接受大气降水的补给,径流方向总体上由西北向东南。地下水的排泄方式主要为泉水、人工开采、河道排泄。

根据试验区收集到的地层电阻率特征值可见,第四系覆盖层为松散沉积物,地层电性特征表现为n×10～n×102(Ω·M)的低电阻率特征,而雾迷山组(Jxw)地层平均电阻率值在5000(Ω·M)左右,表现为高电阻率特征。

2.2 方法技术

可控源音频大地电磁测深勘查目标为可溶性岩体中的构造破碎带、地下构造带及岩溶中是否赋水,岩溶区域电性与完整可溶性岩体相比较具有两种特征：无水岩溶区域具有较围岩更高的电阻特性、若充水则具有较围岩更低的电阻特性。

可控源音频大地电磁测深采用赤道偶极装置进行标量测量,人工激发电磁波场信号,在波区同时观测与场源平行的电场水平分量Ex和与场源正交的磁场水平分量Hy。利用电磁波信号的波阻抗(电场振幅Ex和磁场振幅Hy的比值)计算得出视电阻率ρs。

沿垂直于区内主要构造带方向布置测线,测线长13km 左右。地层基岩电性特征显示为高阻特征,为使测线处于波区范围,收发距设计大于10 km,观测点位于电偶源中垂线两侧各30°角组成的扇形区域内,接收点距40 m,设计测线方位角为135°。

使用加拿大凤凰地球物理公司生产的V8System2000.net地球物理数据采集系统完成可控源音频大地电磁测量外业数据采集。

对原始数据进行处理,有效去除各种干扰,合理分析异常起因。对野外测量数据进行预处理,得到视电阻率、阻抗相位等参数曲线。CSAMT 测点距较小(40m),判断静态位移效应相对容易,相邻测点之间进行互相对比即可有效去除静态位移效应。采用二维共轭梯度反演方法,对测量数据进行反演计算,并最终得到测线电阻率剖面图。

2.3 成果分析

可控源音频大地电磁资料经过处理,得到测线反演剖面图(图1)。从图1中清晰可见剖面电性变化情况：岩溶发育区电阻率值在102～104Ω·M；溶蚀发育区电阻率值在103～105Ω·M；断层构造区域呈明显低阻,电阻率值小于102Ω·M。

根据电性特征差异变化很容易推断出断层、溶洞发育区和溶蚀发育区的分布情况。

图1 测线CSAMT反演剖面图

将10000～13000 m 水平位置的剖面放大(图2),从图2中12000～13000m 水平位置上可见,从地表大角度延深-1000m 高程以下的低阻梯度带,电阻率值小于102Ω·M,推断其为构造破碎带的电性反映。一般来讲,条带状低阻电性异常反映为含水破碎带。

图2 断层电性变化剖面图

将500～5000m 的剖面放大(图3),图3中反映出地下岩性的电性变化情况,电阻率值在102～104Ω·M。在高程为0m 以上的深度内出现低电阻特征,反映出岩层浅部裂隙发育特征；在-400m高程以上出现多组自上而下条带状低阻,反映出岩层节理、裂隙发育特征；在2000～3500 m 范围内,-400～-700m 高程深度内出现水平低阻电性特征,反映出明显溶洞特征。

剖面图3中所显示出的岩层电性变化特征与岩溶形成的机理相吻合。电性变化剖面图3反映出：地表水通过沿可溶性岩体的裂隙面或节理面流动,从而发生溶蚀现象,形成溶沟或溶槽,并沿岩体裂隙向下渗流、溶蚀,进入含水层后发生横向流动进而形成溶洞。