瞬變電磁在貴州巖溶山區(qū)地下水勘查中的應用

張西君，敖懷歡，王重陽，呂志斌

(1.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074;2.貴州省地質調查院，貴州 貴陽 550004;3.青海省柴達木綜合地質礦產(chǎn)勘查院，青海格爾木 816000)

瞬變電磁在貴州巖溶山區(qū)地下水勘查中的應用

張西君1，敖懷歡2，王重陽1，呂志斌3

(1.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074;2.貴州省地質調查院，貴州 貴陽 550004;3.青海省柴達木綜合地質礦產(chǎn)勘查院，青海格爾木 816000)

通過對貴州河壩場工區(qū)TEM資料的采集、處理和解釋，介紹巖溶山區(qū)找水工作中的瞬變電磁工作方法技術，展示所取得的找水地質效果。

瞬變電磁法;巖溶水;貴州

0 引言

水資源匱乏已成為全球性的問題，已成為制約中國經(jīng)濟和社會發(fā)展的一個重要因素。在中國以云貴為中心的西南巖溶山區(qū)，由于其特殊的地質及生態(tài)結構，水資源匱乏問題尤其突出，成為解決這一地區(qū)地質—生態(tài)環(huán)境和貧困問題的關鍵。為此，貴州省專門部署開展了重點巖溶流域水文地質及環(huán)境地質調查，瞬變電磁測深成為了重要的物探找水方法。

本次物探工作布置在貴州省的河壩場地區(qū)，其地質任務是:查明河壩場向斜中段北西翼斷裂溶蝕管道、節(jié)理破碎帶等有可能充水的地段及水位，為鉆孔驗證工作提供參考性依據(jù)。

1 地質及地球物理特征

工區(qū)位于余慶—石阡河巖溶流域，處于云貴高原向四川盆地過渡的斜坡地段，屬碳酸鹽巖溶區(qū)，典型的喀斯特地貌。由于受河流溯源侵蝕，地貌景觀復雜，巖溶峰叢、峰林、溶丘與侵蝕山脊溝谷地貌共存，峰丘發(fā)育，溝谷深切，地形崎嶇，起伏較大。

1.1褶皺與構造

余慶—石阡河巖溶流域處于揚子準地臺黔北臺隆遵義臺拱、鳳岡北北東向構造變形區(qū)與貴陽復雜構造變形區(qū)兩個四級大地構造單元接合部位，工作區(qū)位于河壩場向斜中段北西翼［1］。

1.2 地層與水文特征

工區(qū)出露地層自老至新有:三疊系永寧鎮(zhèn)組(T1yn)、關嶺組(T2g)，第四系(Q)。現(xiàn)分別敘述各地層特征:

三疊系永寧鎮(zhèn)組(T1yn) 上部淺灰色、灰?guī)Ъt色厚層白云巖;下部淺灰色厚層夾中厚層灰?guī)r。溶洞水含水巖組，含水性強，為HCO3-Ca·Mg型水。

三疊系關嶺組(T2g) 上部為灰色厚層夾薄層含泥質及鈣質白云巖;下部紫紅、灰綠色頁巖與泥質瘤狀灰?guī)r互層，夾鈣質泥質白云巖。為裂隙—溶洞水含水巖組，含水性強，為HCO3-Ca·Mg型水。

第四系(Q) 砂礫層、殘坡積亞粘土、粘土，以不均厚度覆蓋在基巖上。

測區(qū)侵蝕基準面約在海拔460 m。

區(qū)內巖溶發(fā)育特征主要呈溶蝕洞穴、溶蝕管道、巖層構造節(jié)理溶蝕發(fā)育帶等，形態(tài)復雜。

測區(qū)地下水富集常以巖溶—裂隙發(fā)育帶特征產(chǎn)出，受控于線性斷裂構造帶。

1.3 地球物理特征

依據(jù)工區(qū)的巖性、構造特征，針對物探找水工作任務對區(qū)內主要介質(含勘查目標物)進行了露頭小四極電阻率參數(shù)測定，列于表1。

表1 物性參數(shù)表Table 1 Physical parameter table

由上表可知，測區(qū)圍巖電阻率按灰?guī)r→白云巖→泥灰?guī)r→頁巖排序梯次降低，灰?guī)r電阻率值最高，可達8 000 Ω·m，頁巖電阻率值最低，約1 000 Ω·m。由于各類圍巖電阻率統(tǒng)計值均＞1 000 Ω·m，而水體電阻率值僅為20 Ω·m左右，兩者電性差異甚巨。實際上，據(jù)區(qū)域找水經(jīng)驗，巖溶含水區(qū)電阻率綜合統(tǒng)計值一般＜200 Ω·m，與圍巖間也存在明顯差異。因此，本區(qū)具備時間域瞬變電磁(TEM)法探尋巖溶和構造破碎地下水的地球物理前提。這表明，只要方法技術參數(shù)選用合理，物探工作就能夠獲得目標體的地球物理異常信息，從而較準確地圈定巖溶、構造破碎含水區(qū)位置，實現(xiàn)找水目的。

測區(qū)未見到明顯的電性干擾因素。但就施工條件而言，崎嶇地形對傳統(tǒng)直流電法干擾甚大，不良的接地條件也會給施工帶來較大困難。

2 工作方法

圍繞廟灣水文預定孔位CK1，以50 m×20 m網(wǎng)度順地層走向布設瞬變電磁勘探剖面六條(a2-a5和加密剖面a45及a55)，以查明深部巖溶、構造破碎等地下水賦存區(qū)的徑流(或富水)空間分布特征。

2.1 方法選擇

由于瞬變電磁法具有采用不接地回線，施工靈活，適于各種復雜施工環(huán)境;觀測斷電后的純二次場，受地形影響較小;對高阻層穿透能力強，對低阻目標物反映敏感，橫向分辨能力強等特點，特別適合本測區(qū)地形切割起伏接地與通行困難、多層次(不同深度、有一定的連通性)發(fā)育的溶洞、管道或管網(wǎng)(暗河)復雜的巖溶系統(tǒng)及探測深度較大等條件，故選擇瞬變電磁作為本次物探工作方法［2－3］。

2.2 工作方法技術

瞬變電磁法儀器選用西安物探所研制的EMRS-2B型電磁礦產(chǎn)勘探儀。采用重疊回線采集裝置，供電脈沖寬為4 ms、供電電流為1 000～1 600 A，采樣率為80 μs，采集400 道數(shù)據(jù)，濾波合成 22 道:80 μs～19.4 ms，選擇4～32次疊加，回線邊長為3 m×3 m。

據(jù)實測的TEM數(shù)據(jù)應用隨機配置軟件，應用煙圈反演方法進行數(shù)據(jù)處理［4］。

3 瞬變電磁測深資料分析與解釋

瞬變電磁測深所圈定的視電阻率低阻異常推斷其地質屬性與基巖巖石受構造破壞和溶蝕含水有關。一個圈閉完整的視電阻率異常，其異常中心應該是整個異常區(qū)域內孔隙度最大部位;對視電阻率等值線密集分布的梯度帶異常，其中心線可視為異常邊界，大體與富水體邊界對應;呈條帶狀展布的低阻異常往往指示了構造節(jié)理或裂隙發(fā)育帶，其中心部位則可視為構造節(jié)理帶密集發(fā)育位置。

在侵蝕基準面以下，等值線梯度帶包絡區(qū)域可解釋為含水體范圍;低阻異常的幅值越低可能反映該部位基巖孔隙度越大，對含水越有利。

3.1 斷面異常分析

全區(qū)實測了六條電磁測深剖面，均發(fā)現(xiàn)了低阻異常，它們賦存部位較深，基本上與三疊系永寧鎮(zhèn)組(T1yn)地層對應，與灰?guī)r關系更為密切，一定程度上反映了地下巖溶及裂隙構造發(fā)育特征。現(xiàn)以4線為例(見圖1)對其存在的異常進行分析解釋。

圖1 4線視電阻率擬斷面圖Fig.1 Apparent resistivity section map of 4 line

在3～9號點之間的中深部位存在兩條陡傾斜相對視電阻率低阻帶，推測為陡傾斜產(chǎn)出的巖溶—裂隙、節(jié)理發(fā)育帶引起。在h=300～450 m標高之間低阻異常相對膨大，推斷存在較大的溶蝕發(fā)育空間;在h=460～520 m標高之間低阻異常呈圈閉特征，推斷巖溶洞穴較為發(fā)育;在h=地表～540 m標高則主要為巖石破碎松散區(qū)。

在11～13點號之間的深部位同樣存在一條陡傾斜的低阻帶，推測為陡傾斜產(chǎn)出的巖溶—裂隙、節(jié)理發(fā)育帶引起;在h=300～420 m標高之間低阻異常也相對膨脹，推斷系溶蝕擴張所形成的溶蝕區(qū)。

在15～16點號的中深部位也存在一條陡傾斜相對視電阻率低阻帶，推測為陡傾斜產(chǎn)出的巖溶—裂隙、節(jié)理發(fā)育帶引起;在h=430～560 m出現(xiàn)串珠狀低阻圈閉異常，推斷為巖溶引起;h=300～420 m標高之間存在未封閉的低阻異常，推斷溶蝕區(qū)范圍較大，有向區(qū)外延伸趨勢。

3.2 平面異常分析

為了更客觀地認識和分析異常，對斷面異常圖上幾個特征標高繪制部分視電阻率平面等值線圖，現(xiàn)以360 m、420 m、480 m標高為例(見圖2)進行異常分析。

圖2 360 m、420 m、480 m標高視電阻率平面異常圖Fig.2 Apparent resistivity plane abnormal map of 360 m，420 m and 480 m elevation

從360 m標高視電阻率平面異常圖分析，視電阻率低值異常區(qū)(帶)規(guī)模最大，呈北東向和北西向兩組方向展布，且相互交匯面積較大，這表明巖溶貫通條件較好，富水條件有利，具有良好的找水前景。

對比360 m標高、420 m標高和480 m標高視電阻率平面異常圖分析不難發(fā)現(xiàn)，隨著深度變淺，異常由北西向、北東向兩組轉為北東和東西向，說明其地質屬性發(fā)生了變化，即從永寧鎮(zhèn)組(T1yn)巖溶水體異常變?yōu)殛P嶺組裂隙—節(jié)理帶異常;而隨著深度的變淺，異常強度逐漸減弱，顯示富水條件變差。

3.3 綜合分析與定孔

從斷面異常圖和平面異常圖可以看出，工區(qū)內僅有三疊系永寧鎮(zhèn)組(T1yn)和三疊系關嶺組(T2g)兩個地層。以地層界線為界，強異常主要集中在三疊系永寧鎮(zhèn)組(T1yn)，其次才是三疊系關嶺組(T2g)，兩層雖同為強含水巖組，但考慮到地下水位埋深約460 m左右，故找水目標層宜選擇在三疊系永寧鎮(zhèn)組(T1yn)。

受交通及工程地質條件因素，鉆孔只能在a45—a55剖面之間選擇，同時要求鉆探至目標含水層的鉆距最短，地勢較為平坦，交通相對方便，利于施鉆。經(jīng)綜合分析，建議鉆孔位置如圖3所示，布置于a45、a5剖面線間的8、9號點之間，該點標高約550 m，異常標高390 m，鉆井設計深度為160 m。

圖3 工區(qū)綜合平面圖Fig.3 Work area composite plane map

鉆孔驗證結果表明，孔深施工150多米，獲得400余立方日產(chǎn)水量，成功地解決了當?shù)氐纳钣盟畣栴}。

4 總結

(1)本次瞬變電磁法勘查地下巖溶水取得了良好的水文地質效果，較清晰地查明了河壩場工作區(qū)的儲水體的空間分布基本形態(tài)，為該工區(qū)的找水地質勘查和鉆探驗證工作提供了地球物理異常信息和依據(jù)。

(2)本文采用斷面異常圖結合不同深度平面異常圖來顯示物探成果，顯得更加直觀，為瞬變電磁法解釋提供了更完整的分析解釋思路，在一定程度上展示了含水地質體(低阻異常)的三維特征，也更有利于水文地質工作者所接受利用。

(3)針對復雜的地質—地貌條件，在滿足勘查深

度和精度的情況下，瞬變電磁法采用小線框、重疊回線、大電流的采集裝置，特別適應崎嶇起伏、接地困難的山區(qū)施工，顯示出了瞬變電磁法靈活、高效率優(yōu)點，為在喀斯特山區(qū)開展瞬變電磁法工作提供了例證。

［1］ 郭嵩巍，李斌，鄭凱.瞬變電磁煙圈反演方法研究［J］.內蒙古石油化工，2009(18):9－10.

［2］ 韓至鈞，金占省.貴州省水文地質志［M］.北京:地震出版社，1996.

［3］ 樸化榮.電磁測深法原理［M］.北京:地質出版社，1990.

［4］ 蔣邦遠.實用近區(qū)磁源電磁法勘探［M］.北京:地質出版社，1997.

(責任編輯:陳文寶)

The Application of Transient Electromagnetic Method in Groundwater Exploration about Karst Mountain Area

ZHANG Xijun1，AO Huaihuan2，WANG Chongyang1，LV Zhibin3

(1.China University of Geosciences，Wuhan，Hubei430074;2.Guizhou Geological Survey，Guiyang，Guizhou 550004;3.Integrated Geological Exploration Team，Geermu，Qinghai816000)

This article through the acquisition，processing，interpretation to the TEM data of Hebachang work area，introduced the transient electromagnetic method technology to the exploration of water in karst mountain area and showed the obtained geological effects of the exploration of water.

transient electromagnetic method;karst water;Guizhou

P631.3+25

B

1671－1211(2013)06－0808－04

2012－12－07;改回日期:2013－01－15

張西君 (1987－)，男，在讀研究生，地球探測與信息技術專業(yè)，從事固體礦產(chǎn)方向的研究。E－mail:zhxj_cug@sina.com