0   引言

随着城市化建设的不断发展，山西省安泽县城市人口不断增加，城市用水不断增加。现有水源地已不能满足城区长期发展带来的供水需求，为了缓解现有水源地的供水压力，需进行新的水源地勘查工作，本次工作应用可控源音频大地电磁法（以下简称“CSAMT”），并辅以激电测深为水源地前期勘探孔的布设提供依据。当前，CSAMT的纵向分辨率仍有不足，本次工作的目的是运用该方法确定该区域含水层宏观赋存位置及厚度。经钻探验证，取得了较好的效果。

CSAMT是利用人工偶极频域电场向下发送电磁场，电磁场在地下介质中产生各种效应并不断向远处传播，在一定范围内通过对不同频率信号的接收，来反映地下不同深度介质变化特征的方法。由于CSAMT采用人工源，具有较强的抗干扰能力，且更容易获得对地电变化较灵敏的相位信息，野外数据质量高、重复性好，解释与处理方法成熟、解释剖面横向分辨率高、勘探深度较大且工作效率高、高阻层屏蔽作用小等优点，因而在深部找矿、地质填图、环境工程勘查等领域得到广泛的推广利用。

1   靶区概况

安泽县位于晋东南太行山区西侧，行政隶属于临汾市。区内东西两侧山岭绵延，中部为沁河水系。总的地形东高西低，北高南低。工作区位于安泽县城南部，沁河下游南庄-大渠一带，共3个区，地理位置上分别位于A村、B村以及C村。工作区属侵蚀剥蚀低中山区地貌，沁河河谷一带地面高程845～860 m，两侧山区地面高程最高点1 030 m，相对高差260 m。

区内地层出露比较简单，由老至新有古生界奥陶系、石炭系、二叠系，中生界三叠系，新生界第四系，本区构造线方向以NNE、NE为主。

工作区大部分由山区构成，地表出露地层多以基岩为主，松散层堆积物只在城区两侧及黄土丘陵区堆积，为两侧山区风化物及土状堆积物被水流携带到该区而形成。区域水文地质条件对区内地下水的形成和分布也起着一定的控制作用。沁河两侧有不少的复试褶皱，形成地下水的分水岭，严格控制地下水由北往南流动。河谷内为Q₄覆盖，厚度小于20米，下伏二叠系石千峰组砂岩、泥岩，东侧山坡出露石千峰组砂岩，西侧及北部为黄土覆盖。区内地层总体向东倾，地层倾角8°～13°。

重点勘查区位于县城东西两侧山脉,根据调查，区内在利用的含水层位主要有：①松散岩类孔隙水，主要含水层为第四系全新统—中下更新统中、粗砂及粉细砂，②二叠系三叠系碎屑岩类裂隙水，由砂岩、泥岩互层组成，③碳酸盐岩类裂隙岩溶水，含水层主要为中奥陶厚层状质纯灰岩及中寒武厚层状鲕状灰岩。

本次工作在3个靶区共布置试验线1条、勘探线11条，点距50 m，详见图1。

图  1  工程布置图

注：1 第四系全新统冲积；2 第四系上更新统冲积；3 第四系中更新统洪积；4 第四系下更新统残积-洪积；5 三叠系下统刘家沟组；6 二叠系石千峰组；7 二叠系上石河子组第三段；8 地质界线；9 水系；10 河流流向；11 可控源音频大地电磁测深剖面线位置；12 设计水文地质钻孔位置及编号

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2   可控源音频大地电磁的应用与效果

本次物探工作开展前，在已知钻孔K2附近开展试验剖面工作，以确定分层界线的卡尼亚电阻率值，并作为依据对本区的物探资料进行解释分析。

2.1   可控源音频大地电磁测深工作方法

CSAMT方法是利用人工偶极频域电场向下发送电磁场，电磁场在地下介质中产生各种效应并不断向远处传播，在一定范围内通过对不同频率信号的接收，来反映地下不同深度介质变化特征的方法。

地层电阻率$ {\rho _S} $与电场分量和磁场分量的关系式如下：

式中：$ \omega $是角频率，$ \omega = 2\pi f $；$ {\mu _0} $是真空磁导率，$ {\mu _0} $=$ 4\pi \times {10^{ - 7}} $H/m；$ {E_X} $是电场分量；$ {H_y} $是磁场分量 ^[1]。

从理论上说，CSAMT的探测深度大致为356$ \sqrt {\rho /f} $（ρ为地层电阻率；f为电磁波频率），因此，对于所用的频率范围（例如0.125～8 192 Hz）及可能达到的发送功率，其探测深度的范围为几十米到2～3 km^[2]。

测量系统采用美国进口的GDP-32Ⅱ多功能接收机，6个不极化电极和1个ANT/6探头，由6个通道分别测量5个观测点的电场和磁场值，最后转换为卡尼亚电阻率贮存。探测装置形式选用电偶源赤道偶极装置；供电电源采用美国进口的ZMG30发电机、GGT30大功率发射机和XMT-32同步控制器对其控制输出，频率从0.125 Hz到8 192 Hz。

AB极距为1.01 km，收发距r=6.0～7.1 km。采用沿测线3～5道同时观测（共用1个磁探头），即排列测量。确保测点观测控制在场源AB平分线两侧30°角扇形范围内进行。

2.2   资料处理

本次工作数据处理的具体过程如下：

①在野外施工中，对每个工作日原始数据进行100%复算。

②对原始观测的多组重复观测数据进行挑选。综合离差、幅值，并结合上下频点数据，去除不合理的数据块。

③对选好的“.RAW”原始文件运行SHRED数据整理程序，生成“.FLD”格式文件，再运行AMTAVG程序，生成平均数据文件“.AVG”。

④通过数据编辑程序对各点的电场幅值、电场相位、磁场幅值、磁场相位的突变点进行改正。

⑤通过电阻率图示对过渡区进行识别，选择远区数据频率起算点进行反演，消除近场效应。运行SCS2D处理软件进行二维反演，基本消除静态效应和地形效应，生成“.MTM”文件。

⑥运行SCSPLOT程序生成SURFER网格文件，最后通过SURFER生成卡尼亚视电阻率断面图。

2.3   物探成果解释与推断

2.3.1   试验剖面分析

在对本区开展CSAMT测深工作之前，我们收集了相关的地质资料，其中在工作区范围内于2016—2017年施工了1口地热井K2钻孔，在K2钻孔附近施工了1条试验剖面，用试验剖面反演成果与已知钻孔资料进行比对，比对成果作为本次地层划分、物探解异的依据。图2为本次试验剖面，表1为地层与反演电阻率对比结果。

图  2  试验剖面与已知钻孔（K2）资料对比图

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表  1  已知钻孔K2与CSAMT试验剖面对比表

K2孔深/m	揭露地层	层厚/m	CSAMT反演电阻率
0～17.50	第四系	17.50
17.50～656.50	二叠系	639.00	二叠系地层为本区主要含水层，其卡尼亚电阻率值小于60 Ω•m
656.50～787.90	石炭系	131.40	二叠系地层与石炭系地层的分界面在CSAMT反演断面图中卡尼亚电阻率显示为60 Ω•m，本次我们将以卡尼亚电阻率60 Ω•m来划分二叠系地层与石炭系地层的分界面
787.90～1 394.40	奥陶系	606.50	石炭系地层与奥陶系地层的分界面在CSAMT反演断面图中卡尼亚电阻率显示为80～100 Ω•m之间，本次我们将以卡尼亚电阻率80～100 Ω•m来划分石炭系地层与奥陶系地层的分界面
1 394.4～1 604.43	寒武系 （未揭穿）	210.03	由于浅部厚大二叠系地层低阻屏蔽效应，CSAMT勘探深度受到较大影响，奥陶系地层与寒武系地层界面可能难以分辨，本次工作不对该界面进行分析识别

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2.3.2   勘探剖面的分析

野外采集的数据，经过室内处理，形成了反演断面图，根据试验取得的成果对异常进行识别与分析。按照A村靶区、B村靶区、C村靶区分别对CSAMT测深成果各选取1条典型剖面进行解释分析。A村靶区1线（图3）：

图  3  A村靶区1线CSAMT测量反演断面图

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推测A村靶区1线位于二叠系地层，厚度在650～750 m之间，石炭系地层与奥陶系地层界面埋深在800～950 m之间；本区6条剖面电性结构特征相似，均表现为层状地质体的特征，与已知地质情况相吻合；具体表现为薄层低阻带—串珠状高阻层—厚大相对低阻层(卡尼亚电阻率小于60 Ω•m)—相对中阻层—相对高阻层(卡尼亚电阻率大于90 Ω•m)。薄层低阻带、串珠状高阻层推测为第四系松散层浅部电性不均匀的反映，厚大相对低阻层推测为二叠系地层的反映，相对中阻层推测为石炭系地层的反映，相对高阻层推测为奥陶系及下覆地层的反映。综合6条剖面，推测A村靶区目标含水层二叠系地层平均厚度大约600～700 m，奥陶系灰岩顶界面平均埋深大约800～900 m。

B村靶区7线（图4）：

图  4  B村靶区7线CSAMT测量反演断面图

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推测B村靶区7线位于二叠系地层，厚度在550～700 m之间，石炭系地层与奥陶系地层界面埋深在800～950 m之间；由本区3条剖面物探成果推测，B村靶区目标含水层二叠系地层平均厚度大约550～650 m，其中B村靶区附近的K2孔揭露二叠系地层厚度为639 m；奥陶系灰岩顶界面平均埋深大约750～900 m，其中B村靶区附近的K2孔揭露奥陶系地层顶界面埋深为787.9 m。

C村靶区10线（图5）：

图  5  C村靶区10线CSAMT测量反演断面图

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推测C村靶区10线位于二叠系地层，厚度在350～400 m之间，石炭系地层与奥陶系地层界面埋深在400～450 m之间。由本区10线、11线物探成果推测，C村靶区目标含水层二叠系地层平均厚度大约350～400 m，奥陶系灰岩顶界面平均埋深大约400～500 m。

综上所述，根据CSAMT测量成果，推测这3个靶区中二叠系地层厚度最大的为A村靶区，推测平均厚度为600～700 m；其次为B村靶区，推测平均厚度为550～650 m；最薄的为C村靶区，推测平均厚度为350～400 m。由于A村靶区目标含水层厚度最大，且该靶区被河流环绕，地下水补给条件优越，再从地下水储水规模、出水量以及出水持续性等方面看，认为A村靶区是这3个靶区中最好的，建议优先在A村靶区进行钻探验证以及开展各项水文地质工作。

B村靶区、C村靶区分别分布在沁水河东侧与西侧，相距不足2 km，但是根据CSAMT测量成果推测出来的二叠系地层厚度以及奥陶系地层顶界面埋深均有较大差距。在地层相对稳定的沉积岩地区，出现如此大的差距，我们分析这2个靶区之间可能存在近NS向或者NNE向的隐伏构造。

3   钻探验证

根据收集的地质资料及物探资料，在A村布设了3个井位(图1)。ZK01井深521.09 m，含水层累计厚度130 m，流量达42.4 m³/h；ZK02井深498.07 m，含水层累计厚度120 m，流量达65.0 m³/h；ZK03井深521.09 m，含水层累计厚度147.06 m，流量达48.62 m³/h。以上3口井水清且水量稳定，所有检测项目均符合GB5749—2006生活饮用水标准，可以作为城市供水。

4   结论

1）该区域水文地质状况的研究是水源地勘查的基础，准确圈定水源地靶区，物探工作必须结合相应的地质工作，做好前期试验研究，才能达到预期效果；

2）目标体规模应满足物探的最小分辨率要求，CSAMT垂向分辨率与多种因素有关，如果把可探测对象的厚度与其埋藏深度之比定义为垂向分辨率，它大约是10％～20％。主要含水地层中，存在多个含水层与隔水层，但间隔一般不大，CSAMT法又对低阻特别敏感，使含水层宏观可分辨厚度扩大。为地球物理勘探提供了重要的几何条件。需要指出的是，物探圈定的含水层厚度是多个含水层的综合反映。因此，地球物理异常圈定的目标体只能是其宏观赋存位置^[3]。

3）本次CSAMT测量工作在A村靶区布设了2组相互垂直的剖面，我们发现145°方向的剖面比54°方向的剖面效果更好，更具有参考价值。因此，在物探设计中还需要考虑特殊的地理环境对数据采集带来的影响。

文章综合了前期的调查资料及本次的物探成果，得出了较好的结论，对今后该区域水资源评价及同类区域水资源勘探工作有一定参考意义。