孫建芳

（太原市水文水資源勘測分局 山西太原 030002）

晉祠泉位于山西省太原市西南邊山，距市中心約25km的懸甕山麓，于中奧陶系上馬家溝組灰?guī)r中溢出，由難老、魚昭、善利三泉組成。晉祠泉不僅是山西省著名的風景區(qū)和旅游勝地，而且也曾是工農業(yè)生產的重要供水水源地。20世紀50年代以前泉流量保持天然狀態(tài)，流量穩(wěn)定，平均為1.96m3/s；60年代，人們開始開發(fā)利用巖溶水，使晉泉流量逐漸減少，平均流量為1.69m3/s；70年代泉流量衰減到1.13m3/s；80年代，隨著工農業(yè)用水的增加，煤礦排水的迅速增大，使泉流量衰減到平均0.46m3/s；在此期間魚昭、善利兩泉干涸；1994年4月30日難老泉斷流。隨著人們生態(tài)保護意識的不斷提高，晉祠泉生態(tài)保護及如何復流和晉祠泉斷流造成的旅游資源價值降低等成為了人們關注的問題。因此，對晉祠泉地形進行地球物理勘察，為進一步對晉祠泉復流提供資料及基礎數(shù)據(jù)，分析晉祠泉修復影響因素十分關鍵。

1 材料和方法

工作區(qū)位于太原市晉源區(qū)晉祠村與赤橋村之間，屬山丘區(qū)與傾斜平原區(qū)的交匯部位。地勢呈由南東方向至西北方向逐漸升高態(tài)勢。測區(qū)內地面標高790～850m。

1.1 時間和位置

2012年9-10月，勘測人員在對晉祠難老泉周邊踏勘的基礎上，結合可控源音頻大地電磁法工作布置要求，確定了僅可在難老泉東北500m左右的晉祠地震臺北側、赤橋村南側的溝谷中布置勘測剖面。該剖面走向近東西向，橫跨太原斷陷盆地與太原西山隆起區(qū)，地處交城大斷裂轉折部位。共布置了勘測剖面1條，長1250m，計6個排列41個測點（見圖1）。

圖1 大地電磁測深點布置示意圖

1.2 球物理勘測方法及設備

1.2.1 地球物理勘測方法

本項目選擇受地形影響小、資料精度高、勘探深度大的可控源音頻大地電磁法（CSAMT），并通過反演計算，得到不同深度的電阻率。由于可通過改變頻率的方法控制勘探深度，從而克服了地形對勘測資料的影響。

工作原理及電阻率ρS的關系式如下：

式中：f——頻率；

Ex——電場分量；

Hy——磁場分量。

CSAMT的測量野外工作方法如圖2所示，CSAMT勘探通過兩組供電電極向大地發(fā)射不同頻率的電磁波，又根據(jù)電磁波的趨膚效應理論，導出了趨膚深度公式：

式中：H——最大探測深度；

ρ——趨膚電阻率；

f——頻率。

由接受機接受相應頻率的電場信號與磁場信號，并通過軟件系統(tǒng)，按照（1）式的原理，求得地層的電阻率值。本次工作采用8F60頻率系列，最高信號頻率9 600Hz，最低信號頻率0.646 Hz，共112個頻率，一個數(shù)據(jù)采集周期為60min，接收信號與發(fā)射信號時間通過衛(wèi)星時間控制，以格林威治時間為標準，以實現(xiàn)工作頻率同步。

圖2 CSAMT野外工作方法示意圖

1.2.2 勘測設備

可控源音頻大地電磁法采用加拿大鳳凰地球物理公司生產的V6-A多功能電磁勘測系統(tǒng)，設備由信號發(fā)射系統(tǒng)與電磁接收系統(tǒng)兩部分組成，發(fā)射系統(tǒng)主要有30kW大功率發(fā)電機、T-30發(fā)射系統(tǒng)、MTU衛(wèi)星同步時間控制鐘、GPS衛(wèi)星接收天線、電源、交變電磁場發(fā)射電纜線、信號發(fā)射鋁鉑電極組成。接收系統(tǒng)由V6-A多功能接收機、用于磁場接收的磁探頭和用于電場接收的不極化電極、電纜線、電源、GPS接收天線組成。

2 結果與分析

圖3為實測大地電磁測深剖面圖，圖4為實測大地電磁測深剖面解釋圖，剖面走向由西到東。其中：縱坐標為勘測深度，頂部橫坐標為測點號，底部橫坐標為距離。圖中7-1和BM3為兩已知鉆孔。

圖中，以540m和1170m為中心，形成兩條傾向東近垂直的低阻條帶。其中以540m為中心的條帶寬約70m，由地表一直向下延伸至1000m，電阻率值在100～400Ω·m之間；以1170m為中心的條帶寬約30m，由埋深450m處向下延伸至1000m，電阻率等值線近似起立，推斷這兩個異常部位為斷層構造反映。

圖3 實測大地電磁測深剖面圖

圖4 大地電磁測深剖面示意解釋圖

以540m和1170m為界，將剖面分為左、中、右三個部分。

左側部分：電阻率值絕大部分在400～9 000Ω·m之間，推斷為奧陶寒武系灰?guī)r反映，近地表，局部電阻率值小于400Ω·m，推斷為松散沉積物或奧陶系峰峰組泥灰?guī)r的反映。鉆孔7-1位于14、15號大地電磁測深點之間，孔深765.78m，鉆孔揭露地層第四系松散層厚31.53m，下伏為奧陶系寒武系灰?guī)r。

中間部分：以水平方向的400Ω·m等值線分為上下兩層，層界面埋藏深度約為450m。上層電阻率值為小于400Ω·m，推測為第四系松散沉積物反映，在15～24號測深點之間，埋藏深度100m左右，有一高阻閉合圈，電阻率值在400～3000Ω·m，推斷為山前洪積物的反映，BM3鉆孔就位于此，BM3鉆孔孔深332.42m，揭露地層為第四系松散沉積物，地層巖性以卵石、礫石、漂礫為主，未見基巖。下層電阻率值在400～9 000Ω·m之間，推斷為奧陶寒武系灰?guī)r反映。

右側部分：以水平方向的400Ω·m等值線分為上下兩層，層界面埋藏深度約為900m。上層電阻率值為小于400Ω·m，推測為第四系松散沉積物反映。下層電阻率值在400～3000Ω·m之間，推斷為奧陶寒武系灰?guī)r反映。

3 討論

1）本次勘測，應用可控源音頻大地電磁法勘測技術，完成了工作區(qū)內大地電磁勘測剖面1條，取得了反映地層信息的資料，為了解晉祠大斷裂分布情況、覆蓋層厚度及基巖埋深提供了科學資料。

2）通過資料分析，推斷出階梯狀斷層2條，兩斷層相距約630m。第1條斷層斷距為450m，奧陶系頂板埋藏深度為450m。第2條斷層斷距，也接近于450m，奧陶系頂板埋藏深度接近900m。

3）由于石炭系地層多為砂頁巖，電性特征與上部覆蓋的松散層差異不明顯，故本次勘測資料未能反映出奧陶系頂板上是否有石炭系砂頁巖存在。

4）同任何一種地球物理勘探方法一樣，CSAMT的資料解釋也有多解性，因此，本研究提供的基巖埋深、基地構造等也需要結合區(qū)域地質條件和鉆孔作進一步驗證。

5）通過地球物理勘探，明確了晉祠泉泉口邊界松散層與灰?guī)r的接觸關系。通過水位分析，7-1孔巖溶水位標高796.744m，BM3孔隙水水位標高788.29m，可以看出巖溶水側向徑流補給孔隙水，如果松散層孔隙水超量開采，引起孔隙水水位下降，則將導致巖溶水排向孔隙水的水量增加。因此，平原區(qū)西邊山孔隙水開采對晉祠泉有一定的影響。