音频大地电磁法在孔雀河流域地下水矿化度评价中的探索.pdf
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1、第 卷第期 年月物探化探计算技术 收稿日期:基金项目:中国地质调查局调查项目()第一作者:蒋忠祥(),男,硕士,高级工程师,主要从事地球物理勘探及相关管理研究工作,:。文章编号:()音频大地电磁法在孔雀河流域地下水矿化度评价中的探索蒋忠祥,赵长军,艾斯卡尔吐尔逊,唐小平(新疆维吾尔自治地质矿产勘查开局地球物理化学探矿大队,昌吉 ;中冶一局地市安全与地下空间研究院有限公司,廊坊 ;中国地质调查局西安地质调查中心,西安 )摘要:传统的地下水水质评价方法,是通过对地下水进行取样测试分析来确定含水岩组中水的矿化度,在开展大面积的地下水资源评价工作时,需要大量、系统的水样化验资料。这里以新疆库尔勒地区孔
2、雀河流域地下水为研究对象,利用音频大地电磁测深得到的电阻率值,引入地层岩性、孔隙度、地温梯度等影响地层电阻率的重要参数,探索建立了估算地下水矿化度方法,并由此概略性地划分了孔雀河流域地下水水质。研究结果表明,利用音频大地电磁法来推算深层地下水矿化度具备可行性,相对于传统方法具有快速、高效的优点。关键词:音频大地电磁法;电阻率;矿化度;地下水;孔雀河流域中图分类号:文献标志码:犇 犗 犐:引言孔雀河流域主要由博斯腾湖、孔雀河及诸小河流水系组成,控制河道全长 。自 年以来,孔雀河已连续 年向塔里木河下游输送生态水,向第二师塔里木垦区输送农业生产用水,孔雀河下游地表水量持续减少,地下水位盐度持续升高
3、,可用淡水面积也大幅缩小,因此开展地下水水质的快速调查具有很强的现实意义。在水文物探领域,电阻率法参数主要用于推断含水层的厚度,划分水文地质边界,而利用电阻率进行水文地质参数定量分析的研究很少。国内利用电阻率值推算地下水矿化度的应用研究始于上世纪 年代,李宁推导了含水地层电阻率与含水介质的孔隙度之间的数学关系式;赵文杰等提出了地下水矿化度与地层电阻率的简化关系式;郭建强等、王?等、武毅等研究了地球物理方法评价孔隙水矿化度的可能性;高敬语等、田蒲源等、白运等、李凯旋等、何国丽等 主要采用电阻率测深、音频大地电磁测深、可控源音频大地电磁测深等方法查明地层电阻率结构,进而推断地下水质空间分布特征。地
4、下水矿化度与电阻率存在着单调反比关系,地下水中导电离子的浓度高,地下水电阻率低,反之,则电阻率高,地下水中的矿物离子含量客观反映了导电性能力。由此可以依据电阻率的分布特征,划分出地下水水质的分布范围,达到解决水文地质问题的目的。笔者以新疆库尔勒地区孔雀河流域地下水为研究对象,基于音频大地电磁测深得到的电阻率值,引入地层岩性、孔隙度、地温梯度等影响地层电阻率的重要参数,探索建立了估算地下水矿化度方法,由此划分了孔雀河流域地下水水质。区域水文地质条件 区域地质及构造背景研究区地处天山南麓,塔里木盆地北缘天山山前孔雀河冲洪积平原区,南部为塔克拉玛干沙漠,北部的天山南麓山前平原是库尔勒地区的重要的农业
5、区。区内地层由太古界变质浅海相碎屑岩及大理岩、元古界变质浅海相碎屑岩及少量碳酸盐、花岗岩、斜长花岗岩、第三系碎屑岩、第四系松散岩组成。研究区位于库鲁克塔克隆起盆地的倾没部分,即孔雀河斜坡区。不仅老构造相当发育,晚近期新构造运动也十分活跃,构造形迹明显。辛格尔大断裂和山前隐伏的晚近期活动,使山前平原相对缓慢沉降、坳陷,接受了巨厚第四系松散沉积层。南部的阿瓦提琼库勒挽近期构造隆起,使中更新统地层裸露地表,遭受剥蚀夷平,并使孔雀河改道北移。地下水赋存特征研究区位于孔雀河中上游地区,地势由北部山体向南部平原区呈阶梯状递降,普遍发育有山前倾斜砾质戈壁平原,孔雀河为该区唯一的常年性河流。区内地下水类型有以
6、下几类(图):第四系松散岩类孔隙水主要位于孔雀河冲洪积平原,富水性因潜水水位及径流补给情况变化较大;碎屑岩类裂隙孔隙水有小范围分布,侏罗系含水层主要为砂岩、砾岩和煤系地层,第三系含水层岩性为粉砂岩、砂质泥岩,这两种含水层的富水性均较差。基岩裂隙水分布于研究区东北部的元古、太古界变质岩及侵入岩中,因历经多次构造运动,节理裂隙发育,岩石破碎,地下水之间形成水力联系,构成了的储水空间,但富水性 差。基 岩 裂 隙 水 水 质 较 差,基 本 属 于 ()型水,矿化度在 之间,氟离子含量可达 。霍拉山及库鲁克塔格山前带松散岩类孔隙水属 型水,矿化度在 。松散岩类孔隙潜水承压水一般水质良好,上部潜水矿化
7、度多在 之间,沿地下水流向,因潜水位变浅,蒸发浓缩作用增强,形成高矿化度咸水区,矿化度大于,水化学类型为 型;承压水水质较潜水好,沿径流方向,由矿化度小于 或 的 型和 型水过渡为矿化度为 的 型水。碎屑岩类孔隙裂隙水,水流滞缓,交替慢,水质较差,水化学类型为 型和 型水,矿化度大于。岩(地)层物性特征研究区出露地层主要有元古界石英斜长片岩、大理岩,新近系上新统泥岩、砂岩、粉砂岩和第四系砂砾石、亚砂土、亚粘土和粘土等。研究区地层电性参数变化规律见表。研究区从北向南地层颗粒变细,大部分为中砂土、细砂、中粗砂、亚砂土、亚粘土互层交错沉积。地层透水性逐渐变差,地下水矿化度逐渐升高。北部水质良好,矿化
8、度在 之间;南部为高矿化度咸水区,矿化度一般大于。在含水地层孔隙度、渗透率、饱和率等参数大致相同的前提下,依据地层电阻率的差异,可以近似展现地下水矿化度的分布特征。表研究区地层、岩性电阻率统计表 地层岩性电阻率变化范围常见值备注砂砾石 含水砂砾石 粗、中、细砂 亚粘土、亚砂土 地表盐渍土壤 泥岩、砂岩 石英片岩、大理岩 期蒋忠祥,等:音频大地电磁法在孔雀河流域地下水矿化度评价中的探索图研究区水文地质剖面图 表 时不同矿化度水溶液的电阻率值 矿化度 电阻率 矿化度 电阻率 研究区第四系、新近系、元古界各层之间存在较明显的电性差异,另外不同岩性层界面因各向异性也存在差电阻率差异,这就具备了音频大地
9、电磁测深勘查工作的物性前提,基于该方法就可以划分地层及咸淡水的界面。地下水矿化度推算公式根据不同电解质电阻率与其矿化度的关系,地下水的矿化度与其电阻率的数学关系式为 式()。水犪犫 犆()式中:水为地下水电阻率,;犆为地下水矿化度,;犪为与温度有关的常数;犫为常数。有学者研究认为气温在 范围内时,型水溶液的电阻率与其矿化度在双对数坐标系中呈线性关系,不同温度对应于不同的直线,但其斜率是相同的,取值为 ,而犪是仅与温度有关的系数。在 温度范围内,型水溶液的电阻率与温度的关系为 式()。(狋)()犪(狋)()式中:()为 时水溶液的电阻率,;犪与温度有关的常数(大多数电解质取值 );一般认为,大气
10、温度变化时,水溶液的电阻率不受溶液矿化度的制约。对于 型水溶液,表给出了气温在 时不同矿化度水溶液的电阻率值。时,地下水矿化度为,对应的电阻率为。结合公式()、(),可以得到:犪 水 犪(狋)()由此,依据公式()、公式(),考虑矿化度及温度参数的水溶液的电阻率表达式为式()。水 犆犫犪(狋)()式中:狋为温度,;犫取 ;犪取 。综合温度影响因素,通常认为松散类沉积岩的电阻率与岩石孔隙度、渗透率、饱和度、孔隙水矿化度、温度、层理构造等参数的关系密切。矿化度经验计算公式为:犆(犪狋)犉()狋狋狋 狋犺()犉水()式中:犆为地下水矿化度,;犪为温度常数,通常取 ,;狋为大地表层常温带温度,;狋 狋
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