音频大地电磁法在黄土区填图中的应用

郭 伟，张少鹏，杜利明*，胡创业，李朝柱，胡加斌，陈 琦，王小玉，张保涛，张永三

（1. 中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，济南 250101；2. 山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿，山东莱州 261442；3. 中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081）

0 引言

区域地质调查工作经历了长期的传统的区域地质填图，对国家社会经济建设做出了重要贡献。国家经济社会发展、生态环境安全需要更多更完善的地质基础信息，这也对地质填图工作提出了现代化、高精度、多目标等更高要求[1]。区域地质调查工作除开展三维地质填图试点、专题地质填图之外，为满足经济发展新常态对地质调查工作的新要求，中国地质调查局于2014年启动了“特殊地质地貌区填图试点”项目。黄土区填图试点作为特殊地质地貌区填图试点的重要调查类型之一，不同于传统的基岩区的填图，其主要目标是综合运用地表地质调查、遥感、物化探和钻探等技术手段，采用数字填图方法，查明地层类型及三维结构特征，开展黄土覆盖区地貌、构造、环境、土壤侵蚀、地质灾害等调查。本文开展音频大地电磁测深工作[2]，目的是划分覆盖层（黄土层、古土壤层）、第三系、白垩纪等地层分界[3]，结合地质资料建立地质-地球物理模型，为黄土区的地质填图及物探方法研究提供基础资料。通过在研究区内布设音频大地电磁测线，得到测深数据，并结合已知的地质资料进行综合解释推断，用以划分黄土覆盖层关键层界面和隐伏基岩界面，研究音频大地电磁法在黄土区填图中的适用性。

1 工作区概况

工作区位于甘肃省最东部，行政区划上隶属于甘肃省庆阳市管辖，主要包括西峰区、镇原县，此外还有宁县西北角及庆城县南端各一小部分区域，地理坐标为：35°30′～35°50′N，107°15′～107°45′E，面积约1 614 km2。

1.1 工作区地质概况

鄂尔多斯地块位于华北地台西南部[4]，北邻内蒙地轴，南接秦岭褶皱带，东连吕梁隆起，西与鄂尔多斯盆地西缘逆冲构造带相临[5]，其构造性质长期稳定，内部构造简单微弱，地层水平，斜坡平缓，接触关系平合。研究区地处陇东黄土高原西北部，横跨鄂尔多斯地台天环向斜和中央古隆起2个次级构造单元 (图 1)。

图1 研究区构造区划地质简图

区内地层比较简单，主要发育有白垩系下统及第四系。白垩系下统志丹群细分为6个组，即宜君组、洛河组、华池组、环河组、罗汉洞组、泾川组。工作区缺失泾川组，出露罗汉洞组和环河组，下伏华池组、宜君组、洛河组。第四系发育良好，出露广泛。以第四系黄土层居首，广布全区。残塬分布区发育完好的新老黄土迭复堆积，塬侧沟谷中常见湖积、坡积、洪积和滑坡堆积。梁峁分布区除堆积新老黄土外，有湖积、坡积及洪积作用为主的冲沟堆积。主干道的蒲河、茹河、马莲河有发育较好的冲积层。

区内地质构造简单，地层产状平缓，展布构造形迹有镇原向斜，其为天环向斜的南延部分，向斜轴走向为NW-SE，向斜两翼不对称，西翼陡东翼缓。天环-镇原向斜轴自北而南呈曲线状变化，并在南端向东而后又向西偏离。这一变化特征说明工作区不仅受贺兰褶带不均匀隆起影响，同时还受到陇西系的六盘山旋回褶带复合的干扰，区内小断层较少，断距也较小。

1.2 工作区物性特征

利用前期测井工作成果对测井资料进行了重新统计。统计时，根据钻孔编录资料对各层位测井资料中的视电阻率值计算算术平均值，获得了各地层岩性（黄土）电性参数（表1）。

表1 研究区各地层岩性（黄土）电性参数

由表1可知，区内各类岩性（地层）电阻率整体均较低，最低的粘土层电阻率为15 Ω·m，最高的马兰黄土电阻率值为57 Ω·m，相对异常值达73%。相邻地层间均有一定的异常差值。

2 音频大地电磁工作原理及方法概论

EH4电法勘探是利用音频大地电磁场作为场源来测定地下目标体的电性参数，并通过研究地电断面的变化来了解地质构造的一种勘探方法[6-7]。采用人工场和天然场的结合，俗称双源频率测深[8-9]。当电磁场以波的形式在地下传播时，由于趋肤效应，不同频率的电磁波具有不同的穿透深度及作用范围，其信号差异反映了地层纵横向的电性差异，进而达到测深的目的。不同频率的电磁波具有反映不同穿透深度和影响范围的特征，低频信号可以反映深层地层的信息，高频信号反映浅部地层的信息。其中低频部分采用天然场，高频部分(500 Hz以上) 采用人工场，勘探深度一般从数十米到1 000 m；测量频段从10 Hz到100 kHz[10-11]。本次勘查工作开始前，进行了采集参数的实验、野外噪声水平检测，通过现场实验获取最佳野外数据采集参数。

3 音频大地电磁测深工作情况

本次工作主要采用美国EMI与Geometrics公司联合研制的EH4测量系统。

因工作区位于人口比较密集的城镇，人为干扰因素较多，而音频大地电磁测量是通过观测由远程天电引起的天然平面电磁波信号以确定地下电阻率值的方法[12]，因此受人为干扰的影响较大。为保证获取较高质量的原始观测野外数据，在董志镇和肖金镇工区采用井字形的方式布设测线，4条测线都尽可能地远离城区。测点按照不等距的方式布设，基础点距为200 m。如遇测点的测深曲线异常或失去连续性时则适当加密测点；如设计的测点位置遇到居民区、变电所及其他工业设施等对数据测量干扰较大的障碍物时，可适当偏移或稀疏测点。在茹河岸边的的柳家咀工区布设测线1条，测点点距为100 m。工作布置情况见图2。

为了检验仪器是否工作正常，确定工作区最合理电极距，在正式测量前进行了平行实验和极距试验。平行实验是将2个磁棒相隔5 m远，平行放在地面，2个电偶极子也平行。只有在观测的电场及磁场通道的时间序列信号分别为低频段和高频段的磁场及电场信号，两者形成的波形图的波形形态和强度才趋于一致；观测频率域的视电阻率和相位的曲线形态和强度也基本一致，且在相邻电道或磁道间测试的频率域结果相对误差不大于2%的情况下，说明仪器工作正常。极距实验是在区内选择干扰背景较小地方，在观测条件基本一致的情况下进行。在进行25 m、50 m 2种极距试验后，从2种极距下音频大地电磁视电阻率、相位响应图中确定了工作区最合理电极距为50 m。

图2 工作区音频大地电磁测量工作布置图

资料处理首先采用Winglink软件对数据进行预处理。再结合当地已有的地质与测井资料对数据进行约束反演，设计反演网格和反演初始模型。反演网格按照测点布设的情况，横向上为100 m均匀剖分，中间井口位置适当做了加密处理，网格宽度为50 m。纵向上的网格宽度是依照标志层位的厚度划分，而不是采用简单的由浅及深网格逐渐稀疏的剖分方式。反演的初始模型也是结合测井的电阻率数据设计的，设定为一个多层模型，各层的电阻率值尽可能地接近各标志层位电阻率值的几何平均值。其求解过程可以概括为5个步骤：①将地下半空间剖分成离散的网格单元；②正演计算模型的响应；③计算雅可比矩阵；④求取模型的更新量；⑤更新模型以及模型参数。以上5个步骤反复迭代，直到达到反演的终止条件。

在反演参数选择上，使用TE模式反演、TM模式反演以及TE模式和TM模式联合反演，误差底数视电阻率为10%，相位为5%，自光滑因子选定为2，光滑因子通过多次试验，最终选定为10。其他参数均设置为默认参数。

4 资料分析解释

结合已知的地质资料及研究所得数据，进行综合解释推断，对该区黄土覆盖层关键层界面和隐伏基岩界面进行划分。

对茹河河道附近的柳家咀测线进行推断解释，根据图3反演结果推断：0～40 m深度范围内为相对高阻（电阻率值57～49 Ω·m）的马兰黄土以及离石组的上段（Q上）；40～180 m深度范围内为相对低阻（电阻率值31～22 Ω·m）的离石组中下段、午城黄土以及三门组（Q下）；180～220 m深度为新近系红粘土（N）（电阻率值 15 Ω·m）；220 m 深度处具有明显的分界，反映为新近系红粘土（N）与白垩系基岩面（电阻率值 37～15 Ω·m）（K）的地质界线。

根据图4、图5反演结果，对董志1、2测线及肖金1、2测线进行对比推断解释，数据结果可以分为几个明显的分段：0～40 m深度范围内为相对高阻（电阻率值57～49 Ω·m）的马兰黄土以及离石组的上段（Q上）；40～160 m深度范围内为相对低阻（电阻率值31～22 Ω·m）的离石组中下段、午城黄土以及三门组（Q 下）；160～210（220） m 深度为新近系红粘土（N）（电阻率值 15 Ω·m）；210（220） m 深部左右为新近系红粘土（N）与白垩系（电阻率值37～15 Ω·m）（K）的地质界线。两者的反演结果基本一致，表明工作区内的地层产状比较稳定。新近系红粘土层（N）的地质界线相较于柳家咀测线在反演结果中反映得并不清晰，可能是测点点距较大，导致测量结果不够精细。

图3 柳家咀测线反演解析图

图4 董志1测线及董志2测线反演解析图

图5 肖金1测线及肖金2测线反演解析图

5 结论

根据上述工作，可以得到以下结论：

1）音频大地电磁测深法对工作区的地层岩性（Q上、Q下、新近系红粘土、白垩系）分层具有较好的效果。

2）根据反演结果，工作区内的地层产状比较稳定，即：Q上（马兰黄土以及离石组的上段）为0～40 m，Q下（离石组中下段、午城黄土以及三门组）为40～160（180）m，新近系粘土（N）为 160（180）～210（220）m，210（220）m以下为白垩系。

3）肖金工区及董志工区的反演结果中，新近系红粘土层（N）的地质界线反映得并不清晰。这可能是因为测点点距较大（200 m）、测量结果不够精细导致的，证明测点点距对测量结果的精准度具有一定的影响。

总之，音频大地电磁测深法在黄土区填土中可以较好地反映地层中的大层位，并对深部（200 m以下）的基岩面与上部土层的分界具有较好的反映，基本可以满足辅助黄土区填图的需要。