EH－4電磁系統(tǒng)在尋找地下水中的應(yīng)用

張文科，吳艷軍，徐璽萍，張健健

(青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院/青海省水文地質(zhì)及地?zé)岬刭|(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海西寧810008)

隱伏構(gòu)造被表層第四系所覆蓋，很難對其進(jìn)行追蹤和判斷，為了青海省海東嚴(yán)重缺水平安縣南部山區(qū)水文地質(zhì)勘查的需要，青海水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院水文項(xiàng)目組希望通過物探手段查明勘查區(qū)內(nèi)隱伏斷層的位置及指明宜井位置。該區(qū)域地形復(fù)雜，干燥、場地不開闊地對于常規(guī)電法跑極及供電存在很大的限制。EH－4電磁系統(tǒng)是是目前國內(nèi)外較為先進(jìn)的電磁勘探系統(tǒng)之一。EH－4近些年來被廣泛應(yīng)用于尋找深部地下水，該系統(tǒng)分辨率高、成像效果好、探測深度大設(shè)備輕便等特點(diǎn)在水文地質(zhì)勘探工程中能起到很好的效果[1]。

1 儀器的組成及EH-4方法原理

1.1 方法原理

EH－4系統(tǒng)成像方法是通過同時(shí)對一系列當(dāng)?shù)仉妶龊痛艌霾▌?dòng)的測量來獲得地表的電阻抗。通過測量、傅立葉變換后以能頻譜形式存儲(chǔ)起來。這些通過能頻譜值計(jì)算出來的表面阻抗是一個(gè)復(fù)雜的頻率函數(shù)，在這個(gè)頻率函數(shù)中，高頻數(shù)據(jù)受到淺部或附近的地質(zhì)體的影響，而低頻數(shù)據(jù)受到深部或遠(yuǎn)處地質(zhì)體的影響，由此可以得到帶有地下地質(zhì)信息的測點(diǎn)下方垂向方向上的電阻率序列，通過地電轉(zhuǎn)換得到地下地質(zhì)體信息[2]。

EH－4電磁測深是一種用來測量地下幾米到一公里多深的地球視電阻率的特殊大地電磁測深(MT)儀器。既可以使用天然場源的大地電磁信號(hào)，又可以使用人工場源的電磁信號(hào)。基本假設(shè)是將大地看作水平介質(zhì)，大地電磁場是垂直投射到地下的平面電磁波，則在地面上可觀測到相互正交的電磁場分量為Ex，Hy;Hx，Ey。通過計(jì)算可確定介質(zhì)的電阻率值，其計(jì)算公式為:

式中:f為頻率Hz;ρ為電阻率(Ω·M)。由于地下介質(zhì)是不均勻的，因而計(jì)算的ρ值稱視電阻率值[3]。

1.2 儀器組成

本次工作使用的EH－4電磁系統(tǒng)由美國EMI和GEOMETEICS兩公司聯(lián)合生產(chǎn)它包括發(fā)射裝置和接受裝置兩部分。接收裝置包括不銹鋼電極、接地電纜、前置轉(zhuǎn)換器(AFE)、磁探頭、主機(jī)、傳輸電纜、12 V蓄電池;發(fā)射裝置包括發(fā)射天線、發(fā)射機(jī)、控制器、12 V蓄電池。它屬于部分可控源與天然源相結(jié)合的一種大地電磁測深系統(tǒng)。

2 數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

在開展工作的前一天，要做平行試驗(yàn)，檢測儀器是否工作正常，要求2個(gè)磁棒相隔2～3 m，平行放在地面，兩個(gè)電偶極子也要平行，觀測兩個(gè)電場和兩個(gè)磁場通道的時(shí)間序列信號(hào)，再設(shè)增益的窗口觀測 Hy，Ex，Hx，Ey的值的大小;同時(shí)，觀測兩個(gè)對應(yīng)的通道的波形形態(tài)和強(qiáng)度均基本一致，說明儀器工作狀態(tài)正常。

數(shù)據(jù)采集時(shí)分為發(fā)射部分和接收部分:發(fā)射部分主要由發(fā)射天線、發(fā)射機(jī)及12 V直流電源組成。發(fā)射機(jī)系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)功率的發(fā)射器(400 Am2)，發(fā)射頻率為800 Hz～64 kHz，目的是加強(qiáng)高頻訊號(hào)，加淺部采集數(shù)據(jù)的可靠性和提高分辨率。此次工作測量頻段為標(biāo)準(zhǔn)配置，整個(gè)采樣頻段分為三個(gè)頻段(10～1 kHz，500～3 kHz和750～99 kHz)。因?yàn)镋H －4系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理以場源遠(yuǎn)離測點(diǎn)為前提。發(fā)射機(jī)太近太遠(yuǎn)，都會(huì)對測量結(jié)果有很大影響，甚至產(chǎn)生假異常。原則上，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離取為探測最深目標(biāo)的3～4倍。收發(fā)距應(yīng)是最低工作頻率時(shí)趨膚深度的3倍，即

圖1 EH4法野外工作發(fā)射部分布置示意圖

接收部分主要由主機(jī)、前置放大器、磁傳感器、電極及其附屬設(shè)備組成。接收主機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的中心，主要用于數(shù)據(jù)采集控制和文件資料處理等方面。前置放大器對采集的電磁場信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，并傳輸?shù)街鳈C(jī)。磁傳感器和電極分別用來接收磁信號(hào)和電信號(hào)(見圖2)。

圖2 EH4法野外工作接收部分布置示意圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

本文采用自帶的IMAGEM軟件對EH－4采集的原始資料進(jìn)行處理。EH－4系統(tǒng)采集的是時(shí)域數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理的第一步是進(jìn)行傅立葉變換，將時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻率域信號(hào)。

1)先在時(shí)間域?qū)?道(Ex，Ey，Hx和 Hy)的電磁信號(hào)收集起來，進(jìn)行傅立葉變換，轉(zhuǎn)換為電磁信號(hào)的實(shí)分量、虛分量功率譜，通過頻譜計(jì)算視電阻率、相位差、相關(guān)系數(shù)等。

2)將干擾信號(hào)剔除，由于在信號(hào)采集過程有可能出現(xiàn)隨機(jī)的干擾信號(hào)，在視電阻率曲線上發(fā)生個(gè)別頻點(diǎn)發(fā)生跳躍，如果未剔除，將會(huì)影響最終的反演解釋結(jié)果，因此我們對采集的時(shí)間序列信號(hào)進(jìn)行編輯，直接剔除發(fā)生畸變的信號(hào)或個(gè)別跳躍較大的頻點(diǎn)。

3)利用EMAG軟件進(jìn)行二維反演時(shí)，需要選擇圓滑系數(shù)，一般情況下，在0.05～10之間選擇。為了獲得理想的圖像，我們選擇多個(gè)圓滑系數(shù)，比較不同系數(shù)的二維成圖結(jié)果，找出較合理的那個(gè)作為最終結(jié)果。

4)進(jìn)行地形修正與插值處理，EH－4理論將大地看作水平介質(zhì)，但實(shí)際的情況往往地形并不平坦，同一個(gè)剖面的測點(diǎn)存在高程差，需要進(jìn)行地形修正。修正的方法是用每個(gè)測點(diǎn)的實(shí)際高程作為二維反演文件該測點(diǎn)的第一個(gè)頻點(diǎn)的高程，其它頻點(diǎn)的高程相應(yīng)做加減運(yùn)算，形成修正后的文件。另外，同一測點(diǎn)，往往隨著測深的增加，數(shù)據(jù)點(diǎn)變得越來越少，對于深部沒有數(shù)據(jù)的部分，可以采用外延法，即利用最深的兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)按線性關(guān)系，計(jì)算出深部未知點(diǎn)的電阻率值。經(jīng)過插值處理后，形成的圖像更完美。最后通過作圖軟件，生成視電阻率曲線和二維等值線剖面圖[5]。

3 工區(qū)地質(zhì)概況及地球物理特征

工作區(qū)位于青海海東平安南部，縣城所在平安鎮(zhèn)距西寧市中心35 km。勘查區(qū)大地構(gòu)造屬祁連山地槽褶皺系的拉雞山地向斜褶皺帶及湟水河凹陷兩個(gè)次級構(gòu)造單元。前者分布于縣境南部為拉雞山北麓大斷裂，總體走向近東西向，印支期以來皆有活動(dòng)，南部老地層逆覆于下第三系之上，系高角度逆斷層，該斷裂為山區(qū)與丘陵區(qū)間的界線。斷層為逆斷層，斷層面不規(guī)則，總體向南傾斜。斷層陡傾傾角一般50°左右，使下古生代地層逆覆于下第三系紅色砂巖之上，該斷裂為山區(qū)與丘陵區(qū)間的界線。斷層走向呈北西西，延長約70 km。此斷層可能形成于阿森特期，控制著拉脊山加里東地槽的形成與演變。

工作區(qū)前第四紀(jì)地層主要出露在河谷區(qū)兩側(cè)山區(qū)，工作區(qū)出露以震旦系長石石英砂巖、長石砂巖為主其次是白堊系砂巖、礫巖夾泥巖及石膏層。區(qū)內(nèi)第四系地層主要分布在河谷區(qū)，主要以植物根系土、亞砂土、黃土及砂卵礫石為主。一般而言，較為完整的石英砂巖、長石砂巖表現(xiàn)為相對高阻，視電阻率為500～2 000 Ω·M。第四系根系土、亞砂土視電阻率為15～100 Ω·M，砂卵礫石層視電阻率為50～300 Ω·M，表現(xiàn)為中阻層。砂巖、礫巖夾泥巖及石膏層表現(xiàn)為低阻層，視電阻率為50～150 Ω·M。斷層破碎帶由于巖性破碎、充水、裂隙發(fā)育等原因亦表現(xiàn)為低阻層，視電阻率為10～100 Ω·M，此為劃分?jǐn)鄬拥闹饕罁?jù)。

4 剖面布置及資料解釋

4.1 剖面布置

為了達(dá)到此次工作的目的，根據(jù)以往地質(zhì)資料及物探剖面布置原則，在荒草臺(tái)布置了1條EH－4剖面，點(diǎn)距100 m，長度為3 km，為A剖面。在下唐隆布置了1條EH－4剖面，點(diǎn)距100 m，長度為1.9 km，為B剖面。剖面基本與垂直斷層，有足夠的長度跨過斷層破碎帶。

4.2 資料解釋

根據(jù)區(qū)二條測深剖面通過反演之后，得到的成果圖如圖3、圖4，探測深度為500 m。綜合二個(gè)剖面圖中視電阻率的相對大小，將剖面結(jié)果劃分成三個(gè)電性層，對應(yīng)地層分別是第四系沉積物、震旦系長石石英砂巖及白堊系礫巖、砂巖夾泥巖層。其中第四系沉積物的視電阻率 變化范圍為數(shù)50～200 Ω·M，厚度變化范圍在地表至50m之間不等。第四系底部的相對高阻層，視電阻率基本在200 Ω·M以上，由元古界石英砂巖組成的基巖，第四系底部相對的低阻層、視電阻率變化范圍為數(shù)幾Ω·M～200Ω·M，由白堊系的礫巖、砂巖夾泥巖層。在剖面B700～900 m處和A1 800～2 100 m處有兩個(gè)明顯的低阻帶，電阻率變化范圍為數(shù)幾Ω·M～100Ω·M以內(nèi)，從地表一直往下延伸約500 m，且在地表，低阻帶兩側(cè)第四系沉積物厚度存在明顯的不同，推測低阻帶為斷裂引起的，斷裂破碎帶寬度分別為200 m、300 m左右。綜合二個(gè)剖面成果圖判斷此斷層走向?yàn)闁|西向，傾向?yàn)楸逼珫|，斷層傾角約65°，可能是很好的含水構(gòu)造破碎帶，為宜井位置。

圖3 A剖面反演成果圖

圖4 B剖面反演成果圖

經(jīng)在A剖面2 000 m處、B剖面800 m處進(jìn)行打孔驗(yàn)證，鉆孔分別在深度63.26 m處、50.38 m處打出巖性為破碎的石英砂巖，出水量分別為633 m3/d、584 m3/d，孔深70 m。說明上述成果推斷達(dá)到了此次工作的目的。

5 結(jié)語

通過應(yīng)用EH－4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)在工作區(qū)進(jìn)行隱伏構(gòu)造的探測圈出了隱伏斷裂破碎帶的位置、探明了斷層的走向?yàn)閷ふ业叵滤该髁朔较颉２⒆C明了EH－4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)在尋找地下水中是有效的與其他電磁法相比較EH－4電磁成像系統(tǒng)穿透能力強(qiáng)，不受淺部高阻層的影響。能達(dá)到可觀的勘探深度，在工作效率上都有非常明顯的優(yōu)勢。既可以提高工作效率又不易受到地形條件差的影響，值得廣泛應(yīng)用推廣。

[1]郭建強(qiáng)，武毅，邵汝君，等.StratagemTMEH－4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)簡介及應(yīng)用[J].物探與化探.1998:22(6).

[2]K.Vozoff.The magnetotelluric method in the exploration of sedimentary basins[J].Geophysics，1972，37(1).

[3]石應(yīng)駿，劉國棟，吳廣耀，等.大地電磁測深法教程[M].北京:地震出版社.1985:188－189.

[4]伍岳.EH－4電磁成像系統(tǒng)在砂巖地區(qū)勘查地下水的應(yīng)用研究[J].物探與化探.1999:25(3).

[5]李磊，王新建，馬安麗.EH－4電磁成像系統(tǒng)在云南干旱地區(qū)地下水勘查中的應(yīng)用[J].地下水.2012:34(2).