基岩储水构造研究中的应用电阻率和相位参数作用分析

王东华

(山西省水文水资源勘测局，山西 太原 030001)

近年来，由于地下水开发需求区域的扩大，随之而来的地形条件、交通、城镇建筑物等的影响，使传统的直流电法勘探受到了严重制约，而可控源音频大地电磁法(CSAMT)勘探，以受地形及场地条件影响小、勘探深度大、效率高等特点，在山区、丘陵区以及缺水地区得到了越来越广泛的应用。因此，充分利用电磁法参数的特征，对研究、查明地下水分布特点、储水地质构造、提高成井率是十分重要的。本文在讨论大地电磁法参数特点的基础上，以地下水勘测的实例，讨论电阻率与阻抗相位在地下水储水地质构造的特点和应用效果。

1 CSAMT电阻率与阻抗相位特征

在可控源音频大地电磁法勘测中，得到的两个主要参数是视电阻率与阻抗相位。视电阻率是常用参数，它主要表示大地电磁场频谱的振幅特征，反映了地层导电性能，并通过导电性能的特征分析、了解各类地层的结构构造和含水性能，从而达到地下水勘查的目的。

阻抗相位主要表示电磁场的相位特征，即信号的超前或滞后关系。

它与视电阻率资料同属于总体地层资料的反映，是从不同角度反映电磁信号以不同频率在地下传播时的特点。阻抗相位资料和视电阻率资料的主要变化，乃是地层介质电性结构基本特征层位的反映，这也是大地电磁法能达到勘探目的客观基础。此外，资料还表明, 阻抗相位资料的主要变化特征比视电阻率资料的主要变化特征超前，阻抗相位参数与电阻率参数相比，能克服随机噪声的干扰，有较强的抗噪声干扰能力，因此，综合应用阻抗相位与电阻率解释勘测资料，可以从新的、与单一视电阻率资料不同的角度提供信息，从而提高了电磁法勘测资料的解释精度。

2 应用电磁法参数研究隐伏岩溶储水构造

在北方岩溶区，除了裸露基岩区可调查地层产状特征、岩溶裂隙发育情况外，大部分属于隐伏岩溶区，上覆厚层第四系、第三系松散层。因此，对岩溶水储水构造的调查需要应用地球物理勘查技术。由于交通、地物等所限，可控源音频大地电磁法成为主要调查手段。

调查研究区GC属于岩溶泉域的补给径流区，地貌上属于山间盆地，地势平坦，第四系第三系粘土、亚粘土厚度普遍大于100m。由于松散层中无厚层含水层，解决生活与生产水源的主要目标是开发奥陶系中统石灰岩岩溶地下水。测线布置如图1所示，测线方向近东-西向，大致垂直区域地质构造方向。

图1 GC测区CSAMT测线布置图

图2 CSAMT电阻率与相位断面图

图2是应用可控源音频大地电磁法勘测得到的电阻率ρ与相位Pha断面。两图都表明，水平方向的电阻率与相位等值线呈非连续性分布，即地层的连续性受到地质构造影响。在电阻率断面中，反映左段的低电阻率层厚度约120 m左右，右段的低电阻率层厚度约200 m左右，表明了第四系与第三系松散层的厚度在断面两端相差约80 m；而且在3～4号测点间，电阻率等值线出现了向下凹陷。根据这一特征推断，位于3～4号测点间有断层通过；在相位断面上，在对应部位保持了与电阻率断面的基本一致的特征，但在反映地质构造方面，相位断面等值线有更加明显的特征：(1)反映松散层与基岩界面清晰，断面上部密集的相位等值线，反映了松散层与下伏石灰岩间的相位等值线由有较大的变化梯度；(2)反映断层上升、下降盘比电阻率断面明显。在3～4号测点间断层通过处，两盘之间有明显的高相位区(对应低电阻率区)，反映了由地质构造引起的破碎带及岩溶。可见，电阻率与相位两参数断面从不同角度反映了测区的岩溶储水构造。

区域岩溶地下水资料表明，本区岩溶水水位埋深130 m。根据电阻率断面与相位断面特征，认为测线的4号测点处位于断层带、又靠近断层的下降盘上，在此确定了深井位置，钻井450 m，钻井岩芯破碎、岩溶裂隙发育，证明了电阻率与相位参数反映的断裂构造是存在的。采取奥陶系中统石灰岩岩溶水，每小时水量50 T。

本例表明，电阻率断面虽然反映了断层形态，但在反映地层界面与断层破碎带与岩溶位置方面，不及相位断面清晰，综合利用两参数断面分析储水构造，不仅资料得到了互相印证，而且较准确地确定了水井位置。

3 对山前阶梯状断裂储水构造的研究

调查区属于山前丘陵区，地形由SE向NW方向倾斜，如图3所示。厚层黄土覆盖，据资料，下伏基岩为三叠系刘家沟组砂、页岩。直流电法勘探由于受到地形影响，用物探方法调查储水构造的工作难以实施。前人在没有查明地质构造的情况下，多次侥幸打井，均因水井无水而失败，于是片面地将测区判为贫水区，附近村民生活水源长期得不到解决，发展生产受到严重制约。

图3 ZC测区测线位置

调查人员在充分研究区域地质资料的基础上，认为测区属于山前阶梯状断陷区，如何能设法找到与山体走向平行的断裂构造，是寻找砂岩储水构造的关键。于是，垂直山体走向，布置了如图3所示的两条勘测剖面线，应用可控源音频大地电磁法进行调查研究，得到了如图4所示的相位断面(本区电阻率断面分析从略)。两断面有十分相似的特征，均在测线的260 m附近出现了阶梯状跳跃，密集的垂向等值线条带，表示断裂带，白色区域表示低相位区，对应高电阻率区；灰色、黑色部位表示高相位区，对应地层的低电阻率区域。可见，断面的左侧为基岩下降区域，即测线的NW区域，表明了地层由SE向NW断陷的特征。据此，推断出如图3所示的断裂构造，图中用白色线条所示。并在2测线的断层下降盘处布置了水井位置。钻井地层为三叠系刘家沟组厚层砂岩，水井每小时水量40 T，解决了黄土丘陵区农村ZC一带的群众生活用水和发展大棚蔬菜水源，重要的是改变了当地一直被定为贫水区的错误结论，可利用本地质调查资料，作为进一步规划、开发、利用基岩地下水的科学依据。

图4 ZC测线CSAMT相位断面

本例介绍了充分利用测线的相位断面资料，确定了山前阶梯状断裂的位置，也说明利用相位断面追踪断裂构造的优势。可以想见，如果相位断面没有异常特征反映，则不能定论有断裂构造通过两测线，只能延长两线的勘测长度，继续追踪构造行迹。

4 丘陵区隐伏砂岩储水构造的勘查研究

调查区桥头村，位于黄土丘陵区，下伏基岩为三叠系砂岩。地面平坦，但沟谷发育。历史上没有认真布置地质与物探勘测工作，没有科学依据，盲目地认为，沟谷必定与构造有关，选择井位失误，三次打井失败，测区被错判为无地质构造、更无基岩裂隙水，生活供水依靠远途引水解决。

勘测研究人员应用可控源音频大地电磁法在村周边调查的基础上，把测线移到了村东，如图5所示测线1、测线2。在两测线上测得的资料基本一致，得到了互相验证。图6为1测线电阻率与相位断面图。

图5 桥头村测线位置

由电阻率断面可知，剖面中部2～5号测点之间，电阻率分布凌乱，与两侧电阻率等值线在水平方向上极不连续，为明显的低阻区，并一直延伸到剖面底部。相位断面与电阻率断面对应特征十分明显：位于1～2号测点之间，反映基岩顶界面埋深约120 m，位于6～7号测点之间，反映基岩顶界面埋深为80 m，3～5号测点之间为基岩破

碎带，反映为向下延伸的高相位区，与电阻率剖面的低阻区域相对应，且高相位等值线向深部延伸的800 m深度，也与电阻率断面的低阻区域相对应。在两参数断面中，相位断面反映地层界面比电阻率断面清晰，两断面特征起到了互相验证、优势互补的作用。

图6 桥头CSAMT电阻率ρ与相位Pha断面图

图7 钻井岩芯

根据上述特征，水井位置选择在1测线5号测点处，钻井450 m，岩芯破碎，如图7所示，证明了是断层破碎带，水量每小时50 T，解决了村民生活供水，并提供了发展农业经济水源，纠正了多年来桥头地区被判为贫水区的错误结论。

本例特点表明，相位断面反映地层界面清晰，即松散层底板、基岩顶板埋深清晰，但在反映深部地层破碎形态方面，电阻率断面明显，其等值线圈的凌乱，充分反映出砂岩在断裂构造影响下的破碎、不完整形态。两参数的互相印证，保证了水井位置选择的精度。

5 结语

电阻率与相位参数是可控源音频大地电磁法勘测中的主要参数，综合利用两参数分析研究地下储水构造，起到了互相印证，优势互补的作用。尤其相位参数可以抵抗勘测中的噪声干扰，反映地层界面清晰，能准确反映地质构造特征，对资料的定量分析解释也有重要作用。勘查研究人员由于抓住了上述参数特点，因此，在长期缺水的黄土丘陵区和盆地隐伏基岩区，找到了基岩储水构造，开发出丰富的地下水水源。

[1]汤井田，等.可控源音频大地电磁法及其应用.中南大学出版社.2005.

[2]晋光文.大地电磁阻抗相位资料的特点和应用.地震地质.1988.12.

[3]邝 广.相位参数的效果分析.中国煤田地质.1999.12.