高频大地电磁测深法在三叠系地层内找岩溶裂隙水勘查中的应用

周成福，薛建球

(青海省环境地质勘查局，青海 西宁 810007)

工作区在地貌上属于侵蚀构造中高山、构造剥蚀低山丘陵，地势起伏变化较大，使得常规电法开展起来较为困难，EH-4电导率成像系统具有仪器轻便，易于搬运，工作效率高，探测深度大，分辩率高的特点。通过开展高频大地电磁测深法工作，确定了地层岩性、溶隙、裂隙发育及富水性情况，经钻孔验证，说明高频大地电磁测深在三叠系地层中找岩溶裂隙水具有良好的效果。

1 方法原理

高频大地电磁测深法(EH-4电导率成像系统)是频率域电磁法，以地壳中岩石和矿石的导电性与导磁性差异为主要物理基础，研究电磁波在地下不同介质传播过程中在地面表现的不同特征，从而达到了解地下介质的电性变化情况的目的。

EH-4电导率成像系统属于部分可控源与天然场源相结合的一种高频大地电磁测深系统，观测的基本参数为时间域正交的电场分量(Ex、Ey)和磁场分量(Hx、Hy)。通过频谱分析及一系列运算，求得不同频率的视电阻率值。该系统根据勘探深度选择不同的配置，通过改变频率可以达到测深的目的。视电阻率计算公式如下[1]：

式(1)中：f为电磁波频率，Hz；ρxy为视电阻率，Ω·m。

趋肤深度(探测深度)δ由下公式求得：

(2)

由式(2)可知：勘探深度随着频率的变小而增大，反之则减少，因此，通过改变频率可以达到测深的目的。

2 地质概况及水文地质条件

2.1 地质概况

工作区内地层结构较为简单，第四系地层主要由草甸土和含泥砂砾卵石组成，含泥砂砾卵石主要分布于山间沟谷中，三叠系地层岩性主要是一套浅海相陆台盖层碳酸盐、碎屑岩沉积。岩层主要由块状结晶灰岩、角砾灰岩、鲕状灰岩、砂岩夹泥岩等组成，厚度大于358.7 m。灰岩分布地区溶洞发育，岩层破碎，节理裂隙发育。

2.2 地质构造

工作区位于柴达木盆地北缘，祁连山南麓。大地构造位置上属于南祁连槽背斜。区内分布褶皱及断裂，从构造线的展布方向分析，受压、扭两种应力综合作用的结果，使得区内主要构造轮廓、山体延伸、地层走向、褶皱及断裂展布等大致沿NWW向延展。褶皱构造属于南祁连山印支褶皱带，延伸方向大致呈NWW-SEE向；断层大致呈NWW向展布，断层面走向300(°)～310(°)，倾向北东，倾角70(°)～80(°)，北侧上盘上升，属于逆断层。

2.3 水文地质条件

地下水的赋存条件和分布规律，严格受到气候、构造、岩性及地貌位置的控制。基岩山区是地表水的发源地，也是谷地地下水的补给区，基岩裂隙的补给源最主要为大气降水，基岩裂隙水以泉的形式泄出补给溪沟。岩溶裂隙水主要分布在三叠结晶灰岩、砂岩中，含水层为厚层、巨厚层构造，性脆，易溶，节理裂隙发育，地下水往往沿其裂隙产生强烈的溶蚀作用，溶洞发育为岩溶裂隙水的运移和赋存创造了良好的条件。

3 电性特征

工作区地层结构简单，各岩层的电性差异明显，从实测及测井资料看，第四系草甸土和含泥砂砾卵石电阻率在50～300 Ω·m范围内；砂岩夹泥岩电阻率为300～600 Ω·m；灰岩裂隙发育带电阻率为300～800 Ω·m；完整灰岩电阻率大于800 Ω·m。地层电阻率的差异为高频大地电磁测深法(EH-4)勘查提供了良好的物性前提。

4 参数选择

通过试验最终确定了野外采集参数，野外采集时选择1、7频段进行数据采集，每个频段叠加次数均在16次以上，电偶极距为30 m。

5 成果解译

5.1 线剖面成果解译

如图1所示，浅部视电阻率为50～200 Ω·m，对应的地层岩性为第四系草甸土、含泥砂卵砾石，其厚为10～45 m，由于地势较高，坡度较大，补给条件一般，富水性一般。下部视电阻率为200～600 Ω·m，对应地层岩性为砂岩夹泥岩，该层溶隙、裂隙不发育，富水性较差；在剖面起始端深部视电阻率大于700 Ω·m，对应岩性为灰岩，其埋深大于230 m，溶隙、裂隙不发育，岩性完整无岩溶裂隙水分布。

图1 高频大地电磁测深法1线剖面成果

5.2 线剖面成果解译

如图2所示，剖面整体上浅层视电阻率为100～200 Ω·m，对应的地层岩性为草甸土、含泥砂卵砾石，其厚为5～50 m，剖面从南到北地势逐渐降低，第四系厚度逐渐变厚，补给条件逐渐变好，富水性逐渐变好；在1～17号点之间中部视电阻率为300～700 Ω·m，对应地层岩性为溶隙、裂隙发育的灰岩，其厚为10～35 m，此段含水层较薄，富水性一般，深部视电阻率大于800 Ω·m,对应地层岩性为完整的灰岩；19～45号点中部视电阻率为500～800 Ω·m，呈现低阻异常，对应地层岩性为溶隙、裂隙发育的灰岩，其厚为40～300 m，此段含水层厚度较大，富水性好，为主要富水区，深部视电阻率大于800 Ω·m，对应地层岩性为完整灰岩。47～73号点下部电阻率为300～700 Ω·m，对应地层岩性为砂岩夹泥岩，该层溶隙、裂隙不发育，富水性较差。分别在17、45号点附近电阻率等值线在水平方向上呈现不连续，垂向上呈现陡立密集，据此推测存在F1、F2断层。

图2 高频大地电磁测深法2线剖面成果

6 钻探验证结果

经过综合分析，最终将ZK1钻孔布置在1线52～54号点之间，设计孔深为300 m，最终孔深为301.1 m。经钻探验证第四系草甸土和含泥砂砾卵石厚度为31 m，基底岩性为砂岩夹泥岩，其溶隙、裂隙不发育，日均出水量为370 m3/d；将ZK2钻孔布置在2线41～43号点之间，设计孔深300 m，最终孔深为340.4 m。经钻探验证第四系草甸土和含泥砂砾卵石厚度为19 m，20～217.4 m为灰岩，其溶隙、裂隙发育，富水性好，其日均出水量达3 100 m3/d，218.87 m以下基底岩性为砂岩夹泥岩。

7 结 论

1)三叠系地层中，砂岩夹泥岩的溶隙、裂隙不发育，岩溶裂隙水富水性较差，单井出水量为370 m3/d；灰岩层中的溶隙、裂隙发育，岩溶裂隙水富水性好，单井出水量达3 100 m3/d。

2)在青海地区灰岩层中的溶隙、裂隙主要发育在断裂带上。

3)经钻孔验证，高频大地电磁测深法在三叠系地层中找岩溶裂隙水具有良好的效果。