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AMT法在圈定罗山西麓富水地层范围中的应用

作者:第一论文网 更新时间:2015年10月26日 21:11:14

摘 要:应用AMT(Audio-frequency Magnetotellurics)法在宁夏回族自治区罗山西麓对地下水结构进行探测,得到了工作区内不同地层对应的电性特征,建立了地层电阻率与岩性的定量解译关系,认识到罗山西麓主要富水地层第四系松散孔隙含水层分布在距离罗山10 km范围内,南北狭长,东西较窄;查明了富水地层底界结构,富水地层厚度随着与罗山距离变大逐渐变薄,厚度最大的位置在测区中东部和北部,局部厚度大于500 m;富水地层内沉积物颗粒随着距离罗山越远而变大;富水地层下覆膏盐地层,影响了区内的地下水矿化度。

关键词:AMT;罗山;地下水;富水地层

中图分类号:P631;P641.72文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1674-9146.2017.05.103

罗山为国家级自然保护区,地处同心县和红寺堡开发区境内,属宁夏中部干旱带和经济贫困带。罗山保护区有效阻滞了毛乌素沙漠的南侵,是宁夏中部的绿色生态屏障,也是宁夏中部重要的水源涵养林区,被当地人称为“母亲山”。该保护区维系着周边1 县1 开发区5乡5镇20多万群众和数十万家畜的饮用水。近年来,罗山保护区植被面积萎缩、涵养水源能力下降、生态系统功能和结构失调[1-4],为了掌握地下水分布范围,为合理开采地下水作指导,在人口分布较为密集的罗山保护区西麓地带开展了地下水勘察工作。

1 研究区水文地质概况

研究区位于烟筒山-窑山断裂和牛首山-固原断裂之间的红寺堡断陷盆地内,正好处于宁南旋卷构造体系和华北地台经向构造体系的分界线上[5]。研究区东侧为罗山逆冲块,山势陡峭,形成了相对独立的山前地下水系统。根据实地水文地质勘察,近山前地区多为贫水区,地下水主要赋存在罗山西麓北段的第四系冲洪积带内,含水层主要为第四系更新统砂砾石、砾石层,其次为全新统砂砾石层。断陷带之外的其他地区,较薄的第四系堆积物覆盖于新近系膏盐地层中,导致第四系地层的赋水性差,甚至为不连续的含水体,水量小,开发利用比较困难,其地下水补给源缺乏。地下水的补给来源主要是大气降水及山区基岩裂隙水的侧向径流[6-7]。

2 方法原理及数据采集

2.1 方法原理

音频大地电磁测深法(Audio-frequency Magnetotellurics,AMT)是一种观察频率在n×10-1~ n×103 Hz范围之间的天然场源频率域电磁勘探方法,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在地面表现的不同特征,从而达到了解地下介质电性变化情况的目的[8-10]。

通过在地面观测不同频率交变电磁场相互正交的电场分量(Ex)和磁场分量(Hy),进而求得卡尼亚视电阻率(ρs)随频率( f )变化的关系。卡尼亚视电阻率的计算公式为

式中:ρs为地层视电阻率;f为电磁波频率;Ex为电场强度;Hy为磁场强度。

由于电磁波在地下介质传播过程中能量被吸收,其趋肤深度(δ)的计算公式为

式中:δ为趋肤深度,m;ρs为地层视电阻率,Ω·m;f为电磁波频率,Hz。

不同频率的电磁波具有不同的趋肤深度,控制频率可达到测深之目的。

2.2 数据采集

研究区内目的层为山前第四系地层,故在罗山西麓呈辐射状部署了13条AMT勘察测线,这样的部署方法使得山前勘探点较多,而远离山前测点略稀疏,一方面能够详细查明第四系富水地层沉积厚度,另一方面也能够有效控制第四系富水地层延伸范围。

3 研究区电性特征

研究区地层从山前坡积物堆积带到低平原盐土带,地层颗粒由粗变细,相应电阻率也由高变低;区内第四系地层以松散堆积物为主,地层电阻率较高,下覆古近系新近系地层,富含石膏、芒硝和岩盐等可溶盐类物质,为低电阻率响应。通过收集分析水文测井资料得出区内不同岩性电阻率值的变化范围(见表1),通过电阻率差异确定地层结构。

4 数据处理及分析

4.1 数据处理

勘测人员按照工作部署完成野外数据的采集之后,对野外采集的数据按照时间序列进行筛选,剔除受随机场影响的时间片后进行FFT变换,然后进行张量阻抗分解,得到各测点的张量阻抗,然后删掉相关度小,畸变的频点数据,进行地形校正和Bostick反演,形成一维反演电阻率断面图,然后将该断面图作为初始模型进行二维RRI反演,最终形成反演电阻率断面图,供地层解译使用。

4.2 数据分析

下面以3线为例做剖面分析(见图2)。由该剖面电阻率断面图(图2)可知,以17 Ω·m等值线为界将该剖面划分为上下两部分,上部地层电阻率较高,大部分区域在17~100 Ω·m范围内,为第四系地层的响应;下部地层电阻率低,从17 Ω·m过渡到7 Ω·m,为第三系地层的响应。横向上,上层第四系地层呈现高阻低阻间隔分布的特征,其中大于20 Ω·m的区域为第四系中粗砂层的显示,局部区域小于17 Ω·m,推测应该是第四系地层中含较多泥质的物质堆积所致,或者为矿化度在2 g/L的咸水层。下部第三系泥岩地层电阻率分布规律性较强,说明第三系泥岩地层内部比较完整。

通过对测区内13条剖面的综合分析得到了该地区第四系埋深等值线图(见第105页图3)。由图3中可知,区内第四系松散孔隙含水层厚度山前较厚,远离山前位置逐渐变薄。测区内有较为明显的两处沉积区域,分别位于罗山西侧和北侧,两个沉积中心最深处厚度均达到500 m;其中西侧沉积区范围较宽,东西向延伸达到6 km以上,南北分别在4 km左右;罗山北侧沉积范围较窄,南北向长度达3 km,东西向发育仅2 km,为一个近南北走向的条带区。历史观点认为,罗山西麓优质含水层范围仅在罗山西麓北段发育,罗山西麓第四系厚度约100 m,通过本次工作,将富水范围向南扩展,同时确定了研究区内第四系厚度最大处达到500 m左右,区内地下水储量大大提升。

5 结论

1)罗山西麓地下水主要赋存在第四系松散孔隙含水层中,含水层分布南北狭长,东西范围较短,东西向延伸长度约8 km,南北向延伸长度约15 km。

2)第四系厚度逐渐变薄,距罗山越远厚度越薄,厚度最大的位置在测区中东部和北部,局部厚度为500 m。

3)第四系地层距离罗山越远,沉积物颗粒越大,局部距离罗山较远的小范围区域内存在颗粒较大的团块状分布。

4)第四系下覆新近系地层中发育膏盐地层,影响了区内的地下水矿化度。