◎陶 毅，李世平，韋明汛

廣西地質(zhì)調(diào)查院，廣西 南寧 530023

地球物理勘探與其他找水方法相比，具有效率高、勘探深度大、分辨率高等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于找水工作中。國(guó)內(nèi)行業(yè)學(xué)者對(duì)地球物理勘探找水方法做了較多的研究，如李鳳哲[1]等使用音頻大地電磁測(cè)深法（AMT）在廣西隆安縣找水，總結(jié)了地球物理勘探找水的模式，解決了缺水村屯的飲水問題。廣西地層發(fā)育較為齊全，出露良好，不同類型地層因其組成巖性不同而存在電性差異，AMT 具有較好的應(yīng)用前景。研究小組根據(jù)地球物理勘探方法的特點(diǎn)，選用AMT重點(diǎn)分析廣西巖溶地區(qū)、花崗巖地區(qū)、碎屑巖地區(qū)等3 種地區(qū)的地下水類型、儲(chǔ)水空間特征及地球物理特征，通過找水實(shí)例驗(yàn)證了AMT 在不同地質(zhì)條件下對(duì)陡立儲(chǔ)水構(gòu)造探測(cè)的有效性，總結(jié)了找水思路。

1 方法原理

音頻大地電磁測(cè)深法是一種通過改變電磁場(chǎng)頻率進(jìn)行測(cè)深的電法分支方法，其原理與大地電磁測(cè)深法相同[2]。由電磁法基本理論，可得到在均勻各向同性大地介質(zhì)中地面電磁測(cè)量與大地電阻率的關(guān)系。

式（1）中，T為周期（單位為s）；E為電場(chǎng)強(qiáng)度（單位為V·m-1）；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度（單位為A·m-1）；f為頻率（單位為Hz）。

趨膚深度P表示為場(chǎng)振幅衰減到地面值1/e 時(shí)電磁波傳播的距離。

式（2）中，λ為波長(zhǎng)（單位為m），ρ為電阻率（單位為Ω·m），T為周期（單位為s），f為頻率（單位為Hz）。

由上式可以看出，趨膚深度只與介質(zhì)電阻率及電磁波頻率有關(guān)[3]。介質(zhì)電阻率的平方根與趨膚深度成正比，電磁波頻率的平方根與趨膚深度成反比。電磁波頻率越低，勘探深度越深；電磁波頻率越高，勘探深度越淺。

2 地下水類型及儲(chǔ)水空間特征

2.1 地下水類型

根據(jù)地層巖性、地下水的賦存條件及水動(dòng)力特征，廣西區(qū)內(nèi)地下水可劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水4 大類。

松散巖類孔隙水：賦存于松散沉積物顆粒之間的地下水，如第四系中松散砂、砂礫石層孔隙中的水。

碎屑巖類裂隙孔隙水：賦存于碎屑巖裂隙、孔隙中的地下水。

基巖裂隙水：賦存于巖漿巖風(fēng)化形成的網(wǎng)狀裂隙或碎屑巖因構(gòu)造形成的裂隙中的地下水。

碳酸鹽巖巖溶水：賦存于裸露的裂隙溶洞內(nèi)或被覆蓋的巖溶裂隙中的地下水。

2.2 儲(chǔ)水空間特征

儲(chǔ)水空間的形成與巖石的物性、化性及其所處的環(huán)境等因素有關(guān)。完整碳酸鹽巖一般不具備透水性，含水性較差。當(dāng)碳酸鹽巖受風(fēng)化、構(gòu)造應(yīng)力作用時(shí)，巖體節(jié)理朝多個(gè)方向發(fā)育，雨水和地表水滲入巖體節(jié)理中，逐漸溶蝕節(jié)理周圍的巖石，節(jié)理不斷擴(kuò)大、延伸直至貫通，最終形成足夠空間的儲(chǔ)水構(gòu)造[4]。一般來說，巖性純、層厚大的碳酸鹽巖地層富水性比含泥質(zhì)的薄層碳酸鹽巖地層富水性好。

完整花崗巖一般不具備透水性，含水性較差[5]。當(dāng)花崗巖受風(fēng)化、構(gòu)造應(yīng)力時(shí)，形成裂隙構(gòu)造。風(fēng)化帶富水性與原巖成分、風(fēng)化程度及地形地貌等因素有關(guān)。一般來說，原巖內(nèi)石英含量越多，粒徑越大，其富水性越好；微風(fēng)化、中等風(fēng)化的風(fēng)化帶富水性優(yōu)于未風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化的風(fēng)化帶；洼地相對(duì)于山地而言，更有利于地下水富集。構(gòu)造裂隙富水性和其成因有關(guān)。一般來說，張性和張扭性斷層形成的裂隙比壓性和壓扭性斷層形成的構(gòu)造里含水量大，裂隙未被充填的比被充填的含水量大。

碎屑巖按物質(zhì)組成可分為泥類巖和砂類巖[6]。泥類巖主要礦物成分為粘土礦物，如泥巖、頁巖、砂質(zhì)泥巖等，由于這類巖石較軟、柔性高，礦物顆粒小，不易形成寬、長(zhǎng)且貫通的裂隙，因此，一般認(rèn)為泥類巖都為隔水層[4]。砂類巖主要為泥質(zhì)砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖、礫巖。砂類巖是否具備儲(chǔ)水條件與其孔隙度大小、裂隙性及層理構(gòu)造有關(guān)?？傮w上來說，碎屑巖的水文地質(zhì)條件相對(duì)于碳酸鹽巖、花崗巖更為復(fù)雜。

3 地球物理特征

廣西各類巖石的電阻率在n～n×107Ω·m范圍內(nèi)不等[7]。多數(shù)巖類的電阻率平均值在103～104Ω·m 數(shù)量級(jí)，屬于高阻層，僅沉積巖中的泥巖、頁巖、粉砂巖、礫巖較低，為102Ω·m 數(shù)量級(jí)。廣西常見巖石電阻率見表1。

表1 廣西常見巖石的電阻率表

巖層電阻率是體積范圍內(nèi)各種介質(zhì)電阻率的綜合反映，不同巖層之間以及同種巖石電阻率都會(huì)有差異，這種差異變化的主要影響因素有巖石孔隙度的大小、孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙中所含流體電阻率、巖石所處溫度等。碳酸鹽巖、花崗巖地區(qū)的儲(chǔ)水構(gòu)造往往因充填水與泥質(zhì)相對(duì)圍巖呈低阻特征。碎屑巖地區(qū)的儲(chǔ)水構(gòu)造充填水與泥質(zhì)后電性上與圍巖（泥類巖）相近，所以難以區(qū)分。

4 技術(shù)方法

4.1 地球物理勘探找水方法

廣西地球物理勘探找水方法較多，常用的有高密度電法、聯(lián)合剖面法、音頻大地電磁測(cè)深法。

高密度電法是一種陣列式勘探方法。該方法通過在地面布設(shè)多個(gè)電極，依靠電極轉(zhuǎn)換裝置控制、使用不同的電極，從而得到多種跑極裝置。該方法的數(shù)據(jù)采集過程結(jié)合了電阻率法和電測(cè)深法，能同時(shí)完成橫、縱兩個(gè)方向的二維探測(cè)。高密度電法是通過查明地下含水構(gòu)造、地層的空間位置來達(dá)到找水目的的。其勘探深度由選用的裝置及其長(zhǎng)度決定，一般的勘探深度為100 m 內(nèi)。受跑極方式的影響，該方法剖面兩端數(shù)據(jù)往往不足，因此該方法對(duì)施工場(chǎng)地要求較高，為保障取得較深的可靠數(shù)據(jù)，常要求施工場(chǎng)地較大且平坦。

聯(lián)合剖面法由AMN 和MNB 兩個(gè)3 級(jí)裝置聯(lián)合組成，其中電源負(fù)極接到置于“無窮遠(yuǎn)”處的C 極，正極可分別接至A 極或B 極。該方法通過觀測(cè)不同方向供電電壓下同一位置的視電阻率，得到地下構(gòu)造空間發(fā)育情況，從而達(dá)到找水目的。該方法對(duì)陡立良導(dǎo)體的探測(cè)效果最明顯，一般的勘探深度為100m 內(nèi)，其勘探深度與A（B）極到MN極中點(diǎn)的距離有關(guān)，因此，同樣也對(duì)施工場(chǎng)地的面積有要求。

音頻大地電磁測(cè)深法測(cè)量方式為點(diǎn)測(cè)，常用于電磁干擾較少的施工場(chǎng)地。只要測(cè)量電極間相對(duì)平坦，該方法就可以采集到質(zhì)量可靠的數(shù)據(jù)，同時(shí)，其勘探深度只與頻率有關(guān)。因此，音頻大地電磁測(cè)深法十分適合在施工場(chǎng)地狹小、地形條件較差、地下水埋深較大的地方使用。

此次調(diào)查分別在3 種巖類地區(qū)（巖溶地區(qū)、花崗巖巖地區(qū)、碎屑巖地區(qū)）進(jìn)行，這些巖類儲(chǔ)水構(gòu)造相對(duì)于完整圍巖（灰?guī)r、花崗巖、石英砂巖）均呈現(xiàn)低阻特征，電性差異明顯，具備開展音頻大地電磁測(cè)深工作的物性前提。調(diào)查區(qū)內(nèi)儲(chǔ)水構(gòu)造發(fā)育較深，電磁干擾較少且部分調(diào)查區(qū)地形起伏大，因此，研究小組選用勘探深度大、場(chǎng)地要求較低的音頻大地電磁測(cè)深法作為此次找水的地球物理勘探方法。

4.2 音頻大地電磁測(cè)深工作流程

此次音頻大地電磁測(cè)深法使用的設(shè)備是EH-4 電導(dǎo)率成像系統(tǒng)，其工作流程由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分組成。采集數(shù)據(jù)時(shí)將采集到的電道信息Ex、Ey，磁道信息Hx、Hy，經(jīng)前置放大器放大、濾波后儲(chǔ)存至主機(jī)，形成記錄各個(gè)測(cè)點(diǎn)參數(shù)信息（@文件）、時(shí)間序列Y、互功率譜X、阻抗文件Z 共4 種類型原始數(shù)據(jù)文件。處理數(shù)據(jù)時(shí)先進(jìn)行壞點(diǎn)剔除、頻點(diǎn)平移等預(yù)處理，再通過5DEM-EH4 軟件進(jìn)行二維反演，最后輸出電阻率二維反演斷面圖（見圖1）。

圖1 音頻大地電磁測(cè)深法工作流程圖

5 實(shí)例分析

5.1 巖溶地區(qū)

調(diào)查區(qū)內(nèi)位于廣西鐘山縣北部的巖溶地區(qū)內(nèi)，出露地層為第四系Q，巖性為粘土；下伏地層為下石炭統(tǒng)C1，巖性為灰?guī)r，地下水類型為碎夾碳裂隙溶洞水。為查明調(diào)查區(qū)內(nèi)地下水分布情況，解決當(dāng)?shù)卮迕耧嬎畣栴}，研究小組布置了一條點(diǎn)距為10 m 的音頻大地電磁測(cè)深剖面，剖面方位為55°，長(zhǎng)度為295 m。

巖溶地區(qū)AMT 二維反演擬斷面顯示，地區(qū)整體上電阻率分布均勻，縱向上電阻率呈層狀分布，隨深度增加遞增（見圖2）。橫向上剖面110～170 m 出現(xiàn)半圈閉的低阻異常體，電阻率為450～800 Ω·m，該低阻異常體埋深為20～120 m，異常體往剖面大號(hào)方向傾斜，推測(cè)該處異常為隱伏破碎帶F1 充水所致[8]。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，研究小組對(duì)鉆孔ZK1 位于剖面150 m 處進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，0～19.60 m為第四系粘土；19.60～121.15 m 為灰?guī)r，多段破碎，裂隙發(fā)育。其中21.4～33.4 m、66.2～74.2 m 為全充填溶洞，充填物為細(xì)砂黃泥；81.7～86.1 m 可見角礫巖，出水量為250 t/d。由此可見，在巖溶地區(qū)，陡立的儲(chǔ)水構(gòu)造相對(duì)圍巖呈現(xiàn)低阻特征，音頻大地電磁測(cè)深剖面能較好地反映其特點(diǎn)。

圖2 巖溶地區(qū)AMT 二維反演擬斷面

5.2 花崗巖地區(qū)

調(diào)查區(qū)位于廣西欽州北部的花崗巖地區(qū)內(nèi)，為查明調(diào)查區(qū)內(nèi)地下水分布情況，研究小組布置了一條點(diǎn)距為40 m 的音頻大地電磁測(cè)深剖面，剖面方向?yàn)?15°，長(zhǎng)度為1.9 km。沿剖面方向地層依次為第四系（Qhg），臺(tái)馬巖體（γπHTy2b2），板城組（C2Pb2）。臺(tái)馬巖體巖性為花崗斑巖，地下水類型為構(gòu)造裂隙水；第四系巖性為粘土；板城組巖性為硅質(zhì)巖。

花崗巖地區(qū)AMT 二維反演擬斷面顯示，沿測(cè)線方向電阻率異常高低相間出現(xiàn)，這一特征主要反映了該地區(qū)陡傾的巖層產(chǎn)狀的巖性變化和構(gòu)造變化（見圖3）。沿水平方向異常變化如下：0～0.55 km 處為高阻體，電阻率為102.6～103.4Ω·m，異常整體性好，電阻率高，高低阻接觸帶位置變化梯度大，研究小組推測(cè)該高阻體為侵入花崗巖體；0.55～0.85 km 處為高—中—低變化的電阻率異常帶，梯度變化較大，一直向下往剖面大號(hào)端延伸，電阻率為102～102.6Ω·m，研究小組推測(cè)為斷層破碎帶（F1）[9]。0.85～1.25 km 處為半圈閉中阻異常帶，電阻率為102～102.5Ω·m，推測(cè)為褶皺，近地表為在接觸帶附近地層倒轉(zhuǎn)的板城組沉積巖，折曲后硅質(zhì)巖相對(duì)破碎，顯示出中阻特性。由于沿接觸帶位置受應(yīng)力大，地層巖石相較完整地層破碎程度也較大，所以，沿?cái)鄬咏佑|帶呈現(xiàn)出中—低阻的電性特征；1.25～1.9 km處為中—高阻帶，推測(cè)為背斜北西翼產(chǎn)狀往北西傾，傾角較陡的較完整巖層。此次工作并未進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，但推測(cè)構(gòu)造破碎帶附近有多處水井，驗(yàn)證了研究小組的推斷。由此可見，在花崗巖地區(qū)，陡立的儲(chǔ)水構(gòu)造相對(duì)圍巖呈現(xiàn)低阻特征，音頻大地電磁測(cè)深剖面能較好地反映其特點(diǎn)。

圖3 花崗巖地區(qū)AMT 二維反演擬斷面圖

5.3 碎屑巖地區(qū)

調(diào)查區(qū)位于廣西昭平縣南東部的碎屑巖地區(qū)內(nèi)，研究小組為查明調(diào)查區(qū)內(nèi)的地下水分布情況，解決人民群眾飲水困難問題，布設(shè)了一條點(diǎn)距為20m 的音頻大地電磁測(cè)深剖面，剖面方向?yàn)?0°，長(zhǎng)度為600 m。沿剖面方向地層依次為東崗嶺組（D2d）、信都組（D2x）。東崗嶺組巖性為灰、深灰色厚層灰?guī)r，地下水類型為碳酸鹽巖裂隙溶洞水；信都組巖性為淺灰、灰白色薄至中層石英砂巖、粉砂巖夾頁巖及粉砂質(zhì)頁巖，地下水類型為構(gòu)造裂隙水。

碎屑巖地區(qū)AMT 二維反演擬斷面顯示，橫向上電性分段明顯，從左往右可分高阻段、低阻段，電阻率沿剖面方向逐漸變?。ㄒ妶D4）。高阻段位于剖面10～170 m 處，電阻率為400～1 200 Ω·m，呈高阻特征，往深部高阻段范圍逐漸變大，研究小組推測(cè)，該高阻異常體為東崗嶺組灰?guī)r。低阻段位于剖面170～610 m 處，呈低阻特征，推測(cè)該低阻段為信都組砂巖。低阻段內(nèi)電性較為雜亂，電性不均勻，研究小組推測(cè)不均勻電性異常是由地層內(nèi)砂巖致密程度不同、粒度大小不同、夾雜其他巖石等原因引起的。在砂巖段，音頻大地電磁測(cè)深法勘探效果并不理想，儲(chǔ)水構(gòu)造與其圍巖共同呈現(xiàn)出低阻特征，音頻大地電磁測(cè)深法辨別度差，通過尋找低阻帶來確定儲(chǔ)水構(gòu)造的思路在該地區(qū)并不適用?；?guī)r、砂巖內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)水構(gòu)造，但巖性界面易受外力作用形成裂隙，因此研究小組把巖性接觸帶的作為找水目標(biāo)體。由于場(chǎng)地因素，該工作區(qū)并未開展鉆孔驗(yàn)證，但陡立的巖性界面可以在音頻大地電磁測(cè)深剖面上較好地呈現(xiàn)出來。

圖4 碎屑巖地區(qū)AMT 二維反演擬斷面圖

6 結(jié)語

研究小組通過音頻大地電磁測(cè)深法，在廣西3 種巖類地區(qū)（巖溶地區(qū)、花崗巖地區(qū)、碎屑巖地區(qū)）進(jìn)行儲(chǔ)水構(gòu)造探測(cè)工作，得到以下結(jié)論。

（1）音頻大地電磁測(cè)深法探測(cè)效果明顯，與高密度電法、聯(lián)合剖面法相比，該方法具有勘探深度大、場(chǎng)地要求較低等優(yōu)勢(shì)，適合在地下水埋深較大、地形條件較差的廣西山區(qū)找水工作中使用。

（2）實(shí)例證明，電性差異是決定該方法在陡立儲(chǔ)水構(gòu)造探測(cè)能否成功的關(guān)鍵。在巖溶地區(qū)、花崗巖地區(qū)，儲(chǔ)水構(gòu)造相對(duì)圍巖呈現(xiàn)低阻特征，電性上的差異使得大地電磁測(cè)深剖面能較好的展示出儲(chǔ)水構(gòu)造的規(guī)模及空間位置；在碎屑巖地區(qū)，因泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖等電性上與儲(chǔ)水構(gòu)造相似，均為低阻特征，因此依靠音頻大地電磁測(cè)深區(qū)分圍巖與儲(chǔ)水構(gòu)造較為困難。

（3）往后在碎屑巖地區(qū)的找水工作中，建議將礫巖、粗砂巖等剛性巖石作為找水的重點(diǎn)目標(biāo)體。這些剛性巖石在音頻大地電磁測(cè)深剖面上表現(xiàn)為高阻體，剛性巖石受外力作用形成充水構(gòu)造時(shí)，充水構(gòu)造電性相對(duì)于剛性巖石呈現(xiàn)出低阻特征。因此，碎屑巖地區(qū)可優(yōu)先找高阻剛性巖體，再通過剛性巖體內(nèi)或邊界尋找低阻儲(chǔ)水構(gòu)造。

（4）音頻大地電磁測(cè)深法通過探測(cè)儲(chǔ)水構(gòu)造來達(dá)到間接找水的目的，對(duì)于構(gòu)造內(nèi)是否有水并不能做出準(zhǔn)確判斷。實(shí)際工作中，可利用音頻大地電磁測(cè)深來確定儲(chǔ)水靶區(qū)，再通過核磁共振法來找水，以提高找水成功率。