瞬變電磁法在地下水勘查中的應(yīng)用

1、瞬變電磁法在地下水勘查中的應(yīng)用作者：佚名轉(zhuǎn)貼自：電力設(shè)備網(wǎng)點(diǎn)擊數(shù)： 1644更新時間：2007-7-9張保祥1，劉春華1，汪家權(quán)21.山東省水利科學(xué)研究院，山東濟(jì)南； 2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 瞬變電磁法(TEM)是近年來國內(nèi)外發(fā)展較快、地質(zhì)效果較好的一種電探方法.它除了具有穿透高阻能力強(qiáng)及人工源隨機(jī)干擾影響小的優(yōu)點(diǎn)外，還具有施工方便、測地工作簡單、工作效率高及地質(zhì)效果好等一系列優(yōu)點(diǎn).該方法主要應(yīng)用于金屬礦勘查、構(gòu)造填圖、油氣田、煤田、地下水、地?zé)嵋约皟鐾翈Ш秃Ｑ蟮刭|(zhì)等方面的研究，在國內(nèi)外已取得了令人矚目的效果.1理論基礎(chǔ)1.1基本原理瞬變電磁法屬時間域電磁感應(yīng)方法，其數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)是導(dǎo)電介

2、質(zhì)在階躍變化的激勵磁場激發(fā)下引起渦流場的問題.它的測量原理是利用不接地回線向地下發(fā)送一定波形的一次脈沖磁場，在該一次磁場的激勵下，地下導(dǎo)電體中將產(chǎn)生渦流，隨之產(chǎn)生一個衰變的感應(yīng)電磁場(二次場)向上傳播，在地表用線圈接收到二次場隨時間變化的特征，將反映地下導(dǎo)電體的電性分布情況，據(jù)此判斷地下不均勻體的賦存位置、形態(tài)和電性特征.1.2瞬變電磁響應(yīng) 敷設(shè)在均勻大地上的發(fā)送回線中的電流產(chǎn)生磁力線，當(dāng)該回線中電流突然切斷的瞬間，在地下導(dǎo)電半空間中產(chǎn)生感應(yīng)渦流場，開始瞬間的電流集中于地表，隨后向下及向外擴(kuò)散.等效電流：式中：t為時間，s；為電導(dǎo)率，/m；為空氣的磁導(dǎo)率，1410-7/m；c（）0.計(jì)算均勻半

3、空間的瞬變電磁響應(yīng)時，可把等效電流環(huán)看成一系列的二次發(fā)送線圈，由于它在某時刻的半徑、深度及電流可根據(jù)上述各式計(jì)算出，所以可以很容易地得出在某時刻沿地面測線的響應(yīng)值以及在某個測點(diǎn)響應(yīng)值隨時間變化的規(guī)律.2模擬計(jì)算2.1物理模擬 物理模擬是根據(jù)相似性原理用物理方法觀測出一定條件下瞬變場的分布特征.在地下水勘查工作中，最常見的問題是對層狀和斷層類含水層以及溶洞類含水層的探測.在室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)中，可將前兩類含水層概化為板狀導(dǎo)電體類型，將溶洞類含水層概化為球體狀或柱體狀導(dǎo)電體類型來看待. a.水平圓柱體及球體上的異常特征.導(dǎo)電水平圓柱體上不同測道的剖面曲線異常為對稱于柱頂?shù)膯畏?，異常隨測道衰減的速度取決于

4、其時間常數(shù).在球體上方也出現(xiàn)類似于圓柱體的對稱于球頂?shù)膯畏瀹惓?，在半徑相同的情況下，球體的異常隨時間常數(shù)衰減的速度要比水平圓柱體快得多，異常的范圍也比較小.在直立柱體上，也具有與此類似的規(guī)律. b. 薄板狀導(dǎo)體上的異常特征.薄板狀導(dǎo)體上的異常形態(tài)及幅度與導(dǎo)體的傾角有關(guān)，當(dāng)90時，異常形態(tài)為對稱于導(dǎo)體頂部的雙峰，在頂部出現(xiàn)接近于背景值的極小值，不同測道的曲線除了異常幅度及范圍有所差別外，都具有相同的形態(tài)特征.當(dāng)090時，隨著的減少，回線與導(dǎo)體間耦合增強(qiáng)，異常響應(yīng)幅度也隨之增加，但雙峰不對稱，在導(dǎo)體傾向一側(cè)的峰值大于另一側(cè)，兩側(cè)峰值之比主要受的影響. c. 導(dǎo)電覆蓋層對異常的影響.有限導(dǎo)體在晚期按

5、指數(shù)規(guī)律衰減，在時間常數(shù)較大時，其衰減速度可能比導(dǎo)電覆蓋層上響應(yīng)的衰減速度要慢，因此，在早期由于發(fā)、收回線與覆蓋層之間的耦合比與導(dǎo)體的耦合要強(qiáng)，所觀測到的信號主要反映的是覆蓋層的響應(yīng)，在晚期主要反映的是導(dǎo)體.2.2正演計(jì)算針對工作中經(jīng)常遇到的有關(guān)地下水方面的問題，總結(jié)和概括出了幾種典型的地下水勘查類型，并分別對其進(jìn)行了正演模擬計(jì)算. a. 松散層中的地下水問題.在第四系松散地層中，古河道和砂礫石透鏡體是較好的含水層，它們呈高阻反映，由正演計(jì)算可知，瞬變電磁法對高阻層的探測能力較低，因此，在實(shí)際工作中遇到此類地下水問題時一般不用瞬變電磁法進(jìn)行勘查. b. 基巖地區(qū)層狀含水層中的地下水問題.某些賦

6、水性較好的巖層，其含水層厚度往往很大，在這種情況下，利用瞬變電磁法可以解決下面幾個問題：確定含水層埋深；確定含水層的厚度；根據(jù)測量電阻率估算含水層水質(zhì)變化情況. c. 海(咸)水入侵區(qū)的地下水問題：在潛水含水層地區(qū)，利用瞬變電磁法可以確定出咸水層的埋深和厚度.在承壓含水層受海(咸)水入侵影響的地區(qū)，由于咸水含水層的測深曲線類型和淡水含水層存在明顯差別，因此，利用瞬變電磁法可很容易地將其區(qū)分開來.3資料解釋瞬變電磁法的資料解釋工作，主要是根據(jù)瞬變電磁響應(yīng)的時間特性和剖面曲線特征以及測區(qū)的地質(zhì)、地球物理特征，通過分析研究劃分出背景場及異常場，并從各類異常中確定與導(dǎo)電體有關(guān)的異常.TEM法的數(shù)據(jù)處理

7、主要分為兩部分：瞬變電磁剖面法數(shù)據(jù)處理與瞬變電磁測深法數(shù)據(jù)處理，以框圖來表示上述兩種數(shù)據(jù)處理流程，如圖1所示. 影響瞬變電磁法資料解釋精度的因素很多，電磁噪聲干擾是其中很重要的一個方面.在野外地下水勘查過程中，利用SD1型瞬變電磁儀器對山東省各地的電磁噪聲電平進(jìn)行了測量，頻率25Hz，疊加次數(shù)256次，具體數(shù)據(jù)見表1；在資料解釋時的濾波處理階段，應(yīng)將其消除.4應(yīng)用實(shí)例分析4.1臨朐縣某村水井勘探 山東省臨朐縣某村地處石灰?guī)r山區(qū)，由于長期缺水，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展.該村以前曾經(jīng)打深井兩眼，均為干孔.該處第四系覆蓋層厚約5m，下伏地層為中寒武統(tǒng)的灰?guī)r、頁巖互層，區(qū)域地下水位10m左右.應(yīng)用瞬變

8、電磁法進(jìn)行剖面法測量，測量采用50m50m重疊回線裝置進(jìn)行，點(diǎn)距25m,頻率為25Hz，疊加次數(shù)取256次.圖2為該剖面多測道V(t)/I異常剖面曲線圖，由該圖可以看出，4號測點(diǎn)存在明顯導(dǎo)電體異常，同時對該點(diǎn)進(jìn)行了反演擬合計(jì)算.通過分析認(rèn)為該處適合打深井，決定打井一眼，解決了該村的生產(chǎn)生活用水問題. 實(shí)際打井結(jié)果：160m以上為張夏組灰?guī)r、頁巖互層，128155m裂隙發(fā)育，為主要含水層；160m以下是徐莊組頁巖、灰?guī)r及砂巖，巖石完整，裂隙不發(fā)育，鉆至240m終孔.該井為一自流井，自流量為2030m3/h，經(jīng)抽水試驗(yàn)，當(dāng)降深10m時，水量大于80m3/h，與實(shí)測分析結(jié)果吻合較好.4.2廣饒縣咸水

9、入侵監(jiān)測山東省廣饒縣位于泰沂山北麓山前沖積平原，自20世紀(jì)70年代以來，連年干旱、地表水補(bǔ)給量減少，同時，由于過量開采地下水，造成了地下水位大幅度下降，引發(fā)咸水入侵，且速度呈明顯加快的趨勢. 利用瞬變電磁法對廣饒縣的咸水入侵問題進(jìn)行現(xiàn)場探測，采用100m100m重疊回線裝置，點(diǎn)距50m，頻率25Hz，疊加次數(shù)256次，剖面共測量23個點(diǎn).圖3為測點(diǎn)12的正演擬合求參數(shù)結(jié)果，其余各點(diǎn)也進(jìn)行了同樣解釋，圈定出了咸水區(qū)及入侵區(qū)的范圍.咸水區(qū)的電阻率值很小，入侵區(qū)也小于20m，同時取水樣化驗(yàn)分析，結(jié)果表明Cl濃度大于500mg/L.因此，在此類地區(qū)可以把20m作為監(jiān)測該地區(qū)海水入侵的一個指標(biāo).與電阻率

10、法相比，瞬變電磁法具有速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn).4.3東阿隱伏巖溶水水源地勘探 山東省聊城市為地區(qū)行署駐地，原以城郊第四系孔隙水為主的供水水源地已不能滿足城市生產(chǎn)生活的需要，需開發(fā)位于東阿縣境內(nèi)的隱伏巖溶水水源地以解決城市供水問題.東阿縣隱伏巖溶水水源地位于該縣牛角店鎮(zhèn)下馬頭至周家門前地區(qū)，南臨黃河，第四系覆蓋層厚度大于50m，下伏中奧陶統(tǒng)灰?guī)r、下奧陶統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r及上、中、下寒武統(tǒng)灰?guī)r及頁巖.測量采用100m100m重疊回線裝置進(jìn)行，頻率25Hz，疊加次數(shù)256次，點(diǎn)距100m.共測量兩條剖面，剖面沿黃河北岸由西南至東北方向進(jìn)行，全長約11km，在剖面異常較明顯段70100號點(diǎn)之間以北約700m處進(jìn)行了剖面的測量，該剖面全長3km. 在瞬變電磁法圈定的構(gòu)造帶及其影響范圍內(nèi)，共布井10眼，除2眼布置在構(gòu)造影響帶邊緣出水量小于100mh外，其余井出水量均大于200mh.由此可見，在東阿隱伏巖溶水水源地的水文地質(zhì)勘探過程中，利用瞬變電磁法準(zhǔn)確地圈定出了賦水構(gòu)造帶的位置及水源地的富水區(qū)域，為建井開采提供了科學(xué)依據(jù).5結(jié)語針對實(shí)際工作中經(jīng)常遇到的有關(guān)地下水方面的問題，總結(jié)和概括出幾種常見的典型地下水勘查類型，并分別對其進(jìn)行了正演模擬計(jì)算，為野外實(shí)際地下水勘查工作提供了有