大地电磁测深法在地下水勘查中的应用

徐 坤，杜 发，王 鹏，李小庆，国吉安

(1.陕西地矿第二综合物探大队，陕西 西安 710016；2.甘肃省地矿局第二勘查院，甘肃 兰州 730020；3.西安北方惠安化学有限公司，陕西 西安 710302)

我国干旱、半干旱面积达500多万 km2，占国土面积的52%[1]。某些地区，工、农业用水严重缺乏，甚至人、畜饮用水都有很大困难，那么利用间接手段来寻找地下水显得非常重要。目前，电磁法在地下水勘查中已经被广泛应用。常见的方法有甚低频法、瞬变电磁法、激发极化法、直流电法以及近年来发展起来的可控源音频大地电磁法[2][3]。

基于天然场源的大地电磁测深法(MT)具有勘探深度大，分辨能力强，观测效率高等优点[4]，被广泛应用于大地构造、工程地质、油气勘探、矿产详查、地热调查等领域。我们应用该方法在陕北某地区寻找地下水，取得了令人满意的效果。

工作区大地构造位置属于鄂尔多斯地块边缘海叠加内陆盆地。由于鄂尔多斯盆地地势相对平缓，盆地内部无大型构造运动，因而地层发育较为简单，多为河谷冲刷揭露，且普遍受地形因素控制。区域地层包括三叠纪和晚二叠纪全部岩性。工区主要出露中生代三叠系和新生代第四系等。

三叠系是本地出露的主要地层，岩性主要为长石砂岩与砂质泥岩、泥岩互层，局部夹磁铁条带与钙质结核。第四系在本地大面积出露，主要作为覆盖层沉积接触于三叠系之上，两者间存在一个明显的不整合面，表明本区在三叠纪之后经历了一段时间的剥蚀作用底栖生物主要为蕨类植物、孢粉、介形虫和昆虫等。

1 野外数据采集

MT是一种天然源频率域物探技术方法，它是通过观测电场和磁场的变化特征来探测地下的电性结构。电磁波在地下传播时，地表观测的电磁场值包含了地下介质的电性信息，受趋肤效应影响，高频率电磁波衰减很快，低频率电磁波衰减慢，这样通过研究地表不同频率的电磁场响应，就能获得不同深度范围内的电阻率特征。

外业工作布置了一条MT剖面，测线方向0°。野外布极方式为“十”字型，四分量测量，即Ex和Hy，Ey和Hx。布站时，用测绳确定电极距，森林罗盘控制方位角，同时借用水平尺确保磁探头放置水平，野外施工严格按照有关规范标准执行。使用加拿大凤凰公司生产的MTU-5大地电磁采集系统，其自带GPS定位系统。能够分频率分时间采集数据，这是目前国际最先进的宽频大地电磁测深系统。

测区沟壑较多，为保证采集质量，尽量选取平坦位置布设测点。另外，工作区内信号塔、变压器、人文活动等因素对数据有一定的干扰，项目组尽了最大努力来保证数据质量，如增加观测时间或在夜间干扰较小时段观测等。

2 资料处理

2.1 资料预处理

平面电磁波的波阻抗定义为Z=E/H，在各向同性介质中，电场E和磁场H相互正交。

其中ρ为地表的视电阻率值，是地下介质不同深度范围内电阻率分布的综合反映。

为了获得高品质的数据处理结果，在室内对每个MT原始时间序列进行了进一步处理，包括Robust[5][6]处理技术、远参考技术[7]、功率谱挑选、阻抗张量分解[8]等，达到了抑制干扰，提高资料性噪比的目的。

2.2 MT反演

大地电磁一维反演相对简单，理论与方法已非常成熟。常用的一维反演方法有梯度法，高斯牛顿法、马夸特、自适应正则化(ARIA)反演[9]、Bostick频深转换[10]、OCCAM反演[11]等。国内外常用的二维反演有deGroot-Hedlin等人提出的二维OCCAM[12]、Siripunvaraporn等人改进的REBOCC反演[13]、SBI[14]反演、ABIC反演[15]、非线性共轭梯度(NLCG)反演[16]、大地电磁二维快速松弛RRI反演[17]等。

数据反演中，首先对功率谱挑选后的数据进行一维反演，以其为初始模型进行二维反演。反演选取非线性共轭梯度算法(NLCG)，正演采用交错网格有限差分法。初始阶段收敛非常快，但在之后收敛非常慢，为获得可靠的反演模型，需要大量的迭代次数。通过对大地电磁测深数据进行不同参数(包括正则化因子、误差限、水平及纵向因子等)、不同模式的反演计算，获得了多种电性结构模型。结合已有地质资料，对比、分析反演模型，确定了最为合理的地电模型。

3 综合成果解译

3.1 推断解释依据

1)岩石地层的电阻率与自身性质和赋存物质有关，松散的砂岩、砾岩孔隙度大、含水性强，阻值低于致密砂岩；粘土类、泥岩表现为低阻；白云岩、灰岩阻值中等或偏高，但在破碎带或含水位置阻值会明显低于围岩；火成岩与变质岩阻值为高阻。2)厚层、稳定、岩性单一的岩层在反演电阻率断面图上，表现为一稳定的电性层；薄层、变化大、不均匀的岩层在反演电阻率断面图上，表现为一透镜体状的电性结构层。3)当电阻率等值线在小范围内有明显梯度变化或某一处两侧电阻率存在明显差异，可解释为岩性界面。

(a) (b)

3.2 电性解释

3.2.1 单点曲线分析及反演

在大地电磁测深中，对实测曲线类型的分析、比较，是资料解释中必不可少的一部分。通过对实测视电阻率曲线分析，能够大体上得到测点下方介质电阻率值随深度的整体变化特征。不同的曲线类型反映了地下不同的电性分布特征，如电性层个数、厚度、埋深和各电性层电阻率值变化情况。为剖面某一测点的实测视电阻率响应曲线,不难看出，曲线类型为KHK型，电阻率值表现为低-高-低-高-低的变化特征，大致分为5个电性层。TE模式与TM模式首支重合(黑色方块为TM模式，黑圆点为TE模式)，表明浅部电性介质为一维构造，地质构造简单，电性体结构比较稳定。低频部分，两种模式响应曲线分离，指示深部介质表现为较强的二维构造(见图1)。

3.2.2 二维反演

从地电模型中来看(见图2)，在纵向上，电阻率等值线分层明显，由浅部及深部，电阻率值呈明显的高、低变化特征，体现为低、高、低的层状分布结构。如图2，该剖面的视电阻率最小值约1 Ω·m，最大值大于900 Ω·m，整个剖面呈现的是低—高—低三层结构。地面以下50 m左右为第一层，视电阻率小于100 Ω·m，此层不稳定，向大号点倾斜加深。深度50～2 200 m之间为第二层，视电阻率普遍大于60 Ω·m，中间夹有低阻透镜体。深度2 200 m以下电阻率普遍较低。结合区域地质资料及邻区钻孔资料，大致分层如下：第一电性层为第四系(Q)，厚度50 m左右，第二电性层为三叠系(T)，厚度900 m左右。第三电性层为石炭系-二叠系(C-P),厚度800 m左右。第四电性层为元古界—奥陶系(Pt-O)。

Q:第四系；T:三叠系；C-P:石炭系-二叠系；Pt-O:元古界-奥陶系

4 地下水资源分析

由区域地形条件看，测区位于黄河岸边、地势低缓，大气降水、河水补给较为充沛；上部三叠系地层厚度数百米，由地质资料看，三叠系地层岩性主要为砂岩，粉砂岩、泥岩等，前者具有一定的透水性，后者具有一定的阻水性，由物探成果图2看，推断的三叠系地层中出现较具规模的、近于水平的低阻带两层，上层深度200～300 m左右，下层深度800～900 m左右(白色虚线)，低阻上顶含水较为丰富，可作为取用地下水的主要层位。沿垂向，穿过三叠、石炭、二叠后进入奥陶系地层，其岩性主要为灰岩，其中可能存在的裂隙水、溶洞水，水质较好，但顶板埋深在2 000 m左右(白色虚线)，取用成本高。

5 结语

通过本次大地电磁测深勘查，初步推断了区内剖面控制范围内2 500 m以浅的电性分布特征，结合区域地质资料，划分出了地下垂向的地层分布，即：第四系厚度0～50 m左右、三叠系厚度900 m左右、石炭-二叠系厚度800 m左右，奥陶系顶部埋深1 800 m左右。推断出三叠系中含有较为丰富的地下水，可供开采利用。依据大地电磁测深反演成果，为开展该地区的地下水资源评价提供了科学依据，同时也说明了大地电磁测深法在地下水勘查方面有着很好的效果，并且发挥着重要的作用。

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