高密度电法与瞬变电磁法组合在戈壁区找水应用

知自然

作者

高密度电法与瞬变电磁法在戈壁区找水的联合应用

唐塑^1,2，武银婷²，邢浩¹，娄雪聪¹，石海涛¹

1 中国地质调查局乌鲁木齐自然资源综合调查中心

2 长安大学地质工程与测绘学院

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第一作者：唐塑，工程师，长安大学资源与环境专业硕士研究生，主要从事浅地表地球物理勘探工作。

通讯作者：武银婷，副教授、硕士生导师，主要从事地球物理勘探研究。

导读：

新疆哈密某矿集区为戈壁地形地貌区，自然地理条件极度干旱，大气降水稀少，无地表径流及水体。区内主要岩性由第四系松散岩类、新近系及侏罗系沉积碎屑岩类组成，地表电阻率高，供电难度大。找水目的层主要是新近系碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组。隔水层主要以相对低阻的泥岩、泥质砂岩为主，含水层主要以相对高阻的粗砂岩、砾岩为主。利用两者之间电性差异，综合采用高密度电法和瞬变电磁法进行测量，进行地下含水层与隔水层预判识别，指导水文钻探施工。最终，钻井1口，孔深150米，涌水量为82.5立方米/天，取得了较好的找水效果。

我国物探找水有“碳酸盐岩分布区”、“花岗质岩层分布区”、“碎屑沉积岩分布区”、“红层分布区”、“第四系松散层分布区”和“特殊地形地貌区”等6种地质条件区，本期提供了荒漠戈壁特殊地形地貌区物探找水案例，展示了高密度电法、瞬变电磁法电阻率剖面图和钻井揭露地层详细分层情况，为物探找水分析研究含水层电阻率异常特征，建立物探模型提供了一份项成果资料。

基金项目：新疆哈密市南湖一带矿山集中区生态修复支撑调查项目（DD20208081）。

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0 引言

1 工作区地质概况及地球物理特征

2 联合探测方法及工作布置

2.1 理论方法

2.2 工作布置

3 数据处理及异常解释

3.1 数据处理

3.2 高密度电法分析

3.3 瞬变电磁法分析

3.4 综合解释及钻探验证

4 结论

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0 引言

荒漠戈壁区分布着丰富的矿产资源，但其生态环境极为脆弱，水资源尤为珍贵。随着社会经济发展对矿产资源的需求加大，矿业活动日渐频繁。目前我国荒漠戈壁区及其地下水资源的破坏加剧，在矿山建设水文观测基础设施、掌握水文动态变化数据，是地下水资源科学管控和维护生态可持续发展的有效手段。

布设水文钻孔前，地球物理勘查在预判找水中发挥着重要的作用，但每种地球物理方法都有其适用条件以及局限性，单一方法的使用存在一定的多解性，所以采用综合地球物理方法找水，不仅可以多角度分析研究地下岩层性质和含水性，又可以相互验证方法的有效性。传统地下水勘查工作中采用最多的是直流电阻率法和激发极化法。

2010年李国占等采用音频大地电磁法和激发极化法相结合的方式，在河北保定寻找裂隙构造水工作中取得了满意的效果；2011年王星明等^[4]采用对称四极电测深法、瞬变电磁法、高密度电阻率法及激发极化法等技术在陕西榆林，开发寻找永久性大型或特大型供水水源地方面解释精度高、成果可靠；2012年宋希利等在山东沂蒙山侵入岩地区，采用可控源音频大地电磁法和电阻率测深寻找地下水，有效地提高了效率和定井成功率；2015年苏永军等在河南新乡水文地质条件复杂的松散层和基岩干旱地区，采用高密度电阻率法和激发极化法组合模式勘查地下水，提高了地质解释的准确性和可靠性；2017年孙中任等综合利用磁法勘探、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法和大地电磁法，在辽宁某地热带实现了深部地下水的勘查；2020年康方平等利用视电阻率联合剖面法、高密度电阻率法和激电测深法组合，在湖南邵东板岩地区有效查明了区内赋水相对有利的断层构造等部位；2021年潘剑伟等在湖北白水河地区，综合利用地面核磁共振法、自然电场法确定地下水的空间分布和运动规律，为滑坡地下水模型的建立提供了丰富的水文地质信息。

本文采用高密度电法和瞬变电磁法组合手段，在典型的荒漠戈壁区，开展综合地球物理方法找水研究与应用，为相似地质条件水文勘查施工中物探方法的选取提供实践参考。

1 工作区地质概况及地球物理特征

工作区位于新疆哈密市南部某矿集区。区内出露的主要地层有：侏罗系中统西山窑组上段，泥岩、粉砂岩、砾岩互层，夹炭质泥岩及不稳定的薄煤层；新近系桃树园组，泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩夹砾岩及灰岩；第四系，黄土、砂质黏土、砾石、细砂、砂砾层、风成砂土；局部发育少量石炭系侵入岩。本区断裂构造不发育，未发现断层存在，构造类型属简单构造类型，全区大部分地层倾角平缓，一般为5°～15°。

所在区域自然地理条件为极度干旱，大气降水奇缺，无地表径流及水体，地下水主要补给来源为北部山区的冰雪融水。本区主要岩性由第四系松散岩类、新近系及侏罗系沉积碎屑岩类组成，找水目的层主要是新近系碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组。其中沉积碎屑岩的各类岩石，其单层厚度沿走向方向的变化较大，可由几厘米变化到数米，尤其以砂岩最为明显，因此，只能以较大的岩性段划分含（隔）水层（段），其中隔水层主要岩性以泥岩、泥质砂岩为主，而含水层岩性主要以粗砂岩、砾岩为主。据工作区大量钻孔资料：泥岩、泥质砂岩电阻率约为5～15Ω·m，粗砂岩、砾岩电阻率约为10～40Ω·m。

本区的隔水层主要以相对低阻的泥岩、泥质砂岩为主，含水层主要以相对高阻的粗砂岩、砾岩为主。利用两者之间电性存在差异，综合采用高密度电法和瞬变电磁法进行测量。一方面圈出中高阻的粗砂岩、砾岩地层及不同岩相显著变化区空间分布特征，然后在中高阻的粗砂或砾岩地层中找到相对低阻的裂隙发育位置，最终找到含水裂隙带，实现找水目标。另一方面，通过分析研究区域周边，特别是底部，找到低阻的泥岩、泥质砂岩地层，利用寻找底部隔水层实现找水目的。

2 联合探测方法及工作布置

2.1 理论方法

高密度电阻率法的基本理论与传统的电阻率法完全相同，由供电极A、B往地下供电建立电场，测定M、N电极之间的电位差，进而计算出视电阻率值，所不同的是高密度电法在观测中设置了较高密度的测点，现场测量时，只需将全部电极布置在一定间隔的测点上，由主机自动控制供电电极和接收电极的变化，即沿着测线不停的变换电极间距，逐点测量电流、电位差，然后通过下列公式，计算视电阻率。高密度电法测量系统采用先进的自动控制理论和大规模集成电路，使用的电极数量多，而且电极之间可自由组合，这样就可以提取更多的地电信息。高密度电法主要是通过地下介质间的导电性差异，查明含水构造、裂隙和破碎带等空间分布来实现找水的目的。

式中，ρ_s为视电阻率，ΔV为观测的电位差，I为供电电流，K为装置系数。

另一方面，瞬变电磁法是一种时间域的电磁探测方法。介质在一次电流脉冲场激励下会产生涡流，在脉冲间断期间涡流不会立即消失，在其周围空间形成随时间衰减的二次磁场。二次磁场随时间衰减的规律主要取决于异常体的导电性、体积规模和埋深，以及发射电流的形态和频率。地质体导电性越好，涡流的热耗损越小，瞬变的过程就越长，因此，我们可以通过接收线圈测量的二次场空间分布形态，了解异常体的空间分布。瞬变电磁法野外采集的数据就是二次场的感应电动势，通过公式（3）计算出视电阻率。其基本原理和常规电法大同小异，仍然是以地质异常体与周围岩体之间的电性差异为基础来研究含水构造、裂隙和破碎带等空间分布。

式中，ρ_τ为视电阻率，μ₀为真空磁导率：μ₀=4π×10⁻⁷H/m，ST为发送线圈面积，SR为接收线圈面积，V(t)为感应电动势，V(t)/I为瞬变值。

2.2 工作布置

为便于观测矿业活动对地下水的影响，同时降低高密度电法接地电阻，物探测线部署在工作区某煤电一体化企业附近，一条地势平坦的干涸河床内（图1）。河床内地表土壤均已板结龟裂，有部分植被生长，将板结的土块刨开后插入电极，接地电阻相对较小。河床两岸均为无植被覆盖的荒漠戈壁，相较于河床内，接地电阻极高，不适合布设开展高密度电法工作。因此，在干涸河床内布置两条测线，WT1线与WT2线，均进行高密度电法和瞬变电磁法测量。

图1 工作布设示意图

本次高密度电阻率法测量使用AGI公司生产的高密度电法仪Super Sting R8，采用温纳装置，电极距为20m。瞬变电磁法测量使用Phoenix Geophysics公司生产的V8多功能电法仪，采用中心回线装置，发射线圈为边长240m的正方形，接收装置的等效面积为100m^{2，点距为40m。}点号布设由北向南、由西向东依次增大，点号大小与该测点的实际距离值相等。

3 数据处理及异常解释

3.1 数据处理

不论是高密度电法还是瞬变电磁法，数据处理中最重要的都是反演，通常采用一个简单的模型近似模拟真实的地质状况，然后尝试从观测数据中确定构造的真实地电参数，二维反演同一维反演的数学性质相同，都是要寻找一个地电模型，使其对应的理论计算值与实测视电阻率值在一定规则下拟合最好。阻尼最小二乘法是高密度电法与瞬变电磁法在反演中最常用的方法之一，即求解目标方程（4）的最小值问题。

式中，P^α(m，d)表示目标方程，m为需要求解的地电模型，m_apr为一先验模型，d为野外获得的观测数据，A(m)为由地电模型m算出的观测数据，Wd和Wm分别为数据与模型权矩阵，α为阻尼因子，δm为每次迭代计算的改变值。

最小二乘法反演的计算过程实际就是通过迭代计算方程（6）满足方程（5）的条件，目标方程（4）的物理意义就是计算出的观测值与实际观测值的差达到最小，同时计算出的地电模型与提前给出的先验模型的差达到最小。从中可以得出，反演结果的质量与两个方面息息相关，一是准确无误的实际观数据，二是符合实际的先验模型，所以数据处理的过程要以这两点为准则。

高密度电法数据处理软件为仪器厂家AGI配套的EarthImager2D，可以对数据进行预处理，删除和修正数据中的负值、孤立的高值等，然后可以对数据进行二维反演。瞬变电磁法数据处理软件为Steminv，首先将原始数据利用程序TEMHub转换格式，然后将数据导入软件Steminv，在软件中可以查看是否需要进行噪声剔除和曲线圆滑，预处理后就开始对数据进行一维反演。得到高密度电法和瞬变电磁法反演数据后，利用软件Surfer生成图件，对比两种物探方法的反演断面图，寻找对应的异常特征。

3.2 高密度电法分析

图2（a）和图3（a）分别是WT1线、WT2线高密度电法反演断面图，断面横向长度分别为500m和700m，纵向深度范围为0～-150m，剖面整体地电信息均呈现水平层状分布，电阻率由浅部至深部表现为“低阻-高阻-低阻”特征。

图2 WT1线物探反演断面图

图3 WT2线物探反演断面图

WT1线断面中，深度-40～-110m范围内，电阻率呈相对高阻，电阻率值大于10Ω·m，推断为砂岩、砾岩层；在点号200至500范围内等值线波动较大，有相对低阻异常反映，等值线形态呈现类似“U”型，其电阻率低于20Ω·m，根据本区地层情况，推断其为基岩裂隙含水区。WT2线断面中，深度-40～-90m范围内，电阻率呈相对高阻，电阻率值大于10Ω·m，推断为砂岩、砾岩层；在点号300～400范围内等值线形态呈现类似“U”型，有相对低阻异常反映，其电阻率低于20Ω·m，根据本区地层情况，推断其为基岩裂隙含水区。而且WT1线与WT2线推测的基岩裂隙含水区基本重合，均在两条剖面交点处附近。

3.3 瞬变电磁法分析

图2（b）和图3（b）分别是WT1线、WT2线瞬变电磁法反演断面图，断面横向长度分别为500m和700m，由于瞬变电磁法在浅部存在盲区，所以纵向深度范围为-50～-200m，断面整体地电信息均呈现水平层状分布，电阻率由浅部至深部表现为“高阻-低阻-高阻”特征。

WT1线和WT2线在深度-50～-100m处，均为相对高阻，电阻率值大于10Ω·m，推断为砂岩、砾岩层。深度-100～-150m处，断面横向上表现为低阻特征，电阻率低于10Ω·m，根据本区地层情况，推测为泥岩、泥质砂岩互层，为隔水层。

3.4 综合解释及钻探验证

综合高密度电法、瞬变电磁法的解释结果，从纵向上看，两种探测方法电阻率变化规律基本一致，均呈现为高低相间的分布。高密度电法的浅部信息更加丰富，对于判定浅部高阻区，以及高阻区中的相对低阻区域即基岩裂隙含水区效果较好，WT1线与WT2线交汇处均存在“U”型相对低阻异常特征。瞬变电磁法的浅部信息缺失，在深部-100～-150m范围内显示为低阻，电阻率低于10Ω·m，与高密度电法对应较为一致，推断为隔水层，为寻找含水层提供了重要支撑。

综合两种探测方法的反演结果，最终选择在WT1线与WT2线交汇处布置ZK03钻孔进行验证，深度为150m。ZK03钻孔地层详细信息如图4所示，0～18m为泥岩，18～36.8m为砂岩和砂砾岩，36.8～49.2m为砂质泥岩；上部为新近系泥岩、砂岩、砂砾岩、砂质泥岩互层，主要以泥岩和砂泥岩为主；49.2～62.2m为砂砾岩，62.2～67.8m为砂质泥岩，67.8～79m为砂岩，79～82.4m为砂砾岩，82.4～86.8m为泥岩，86.8～109m为砂砾岩；中部为新近系砂岩、砾岩、砂砾岩互层夹少量泥岩，该部分就是本区的主要含水层，以砂砾岩为主要组成，含水层厚度为49.8m；109～150m均为底部的新近系砂质泥岩，为该区的重要隔水层，从图中可以看出含水层与隔水层的界面在109m处，与物探剖面判断基本一致。