EH-4在尼日爾沙漠地區(qū)找水中的應用

朱文科

(安徽省地質礦產(chǎn)勘查局312地質隊，安徽 蚌埠 233040)

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EH-4在尼日爾沙漠地區(qū)找水中的應用

朱文科

(安徽省地質礦產(chǎn)勘查局312地質隊，安徽 蚌埠 233040)

在沙漠地區(qū)找水，首先需要對工區(qū)地電特征有全面的了解，傳統(tǒng)物探的做法是通過電阻率測深了解地層的地電特征，對于測量面積較大的工區(qū)，點陣式布設測深點才能全面掌握工區(qū)地電特征，由于沙漠地區(qū)地表干燥，電極接地困難，每個電極接地都需要提前挖好電極坑并澆鹽水，這使得測深工作效率降低，勞動強度增大，工期時間長，已不能滿足項目需求。 利用EH-4點陣式電磁測深取代傳統(tǒng)電法勘探，能夠客觀反映出地下各個深度的地電斷面特征，且該方法工作效率高、勞動強度小、工期時間短，是沙漠地區(qū)物探找水的一種有效方法。

EH-4；大地電磁測深；沙漠地區(qū)；找水

(Geological Party 312, Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province,Bengbu Anhui 233040, China)

1　引　言

受中國地質工程集團公司(非洲分公司)委托，安徽省環(huán)境監(jiān)測總站聯(lián)合安徽省地礦局312地質隊負責尼日爾津德爾市城市供水項目水源地前期勘察任務。該項目物探勘察面積約100km2,勘察周期三個月。在非洲沙漠地區(qū)找水，用傳統(tǒng)電法進行電阻率測深工作時，在測點不動的情況下按一定比例逐漸加大供電極距進行視電阻率測量[1，2]，受到地形和地表接地條件限制，大極距測量比較困難。

EH-4電導率成像系統(tǒng)是由美國WMI和Geometrics公司聯(lián)合生產(chǎn)。該系統(tǒng)是一種高效的聲頻大地電磁測深方法，配合人工電磁場，彌補了天然電磁場高頻信號能量的不足[3，4]。整套設備體積小，質量輕，攜帶方便，數(shù)據(jù)采集時間短，精度高，使得EH-4電磁測深被廣泛應用于地質災害調(diào)查、資源勘察及地下水勘察，并取得了較好的應用效果[5，6]。通過綜合考慮工區(qū)勘探面積及勘探周期等因素，項目組最后決定利用EH-4電磁測深代替?zhèn)鹘y(tǒng)電測深，對工區(qū)地電特征進行面積性勘探。

2　EH-4工作原理

EH-4電磁成像系統(tǒng)是一種同時使用天然場源和人工場源信號的頻率域電磁觀測系統(tǒng)。深部構造通過天然場源成像，其信號源為10Hz～1kHz。淺部構造則通過一個新型的便攜式低功率發(fā)射器發(fā)射1～100kHz的人工電磁信號，補償天然信號的不足，從而獲得高分辨率的成像。EH-4電磁成像系統(tǒng)可以穿透地下不同深度的覆蓋層，測量深度最大達到地下1 000m，連續(xù)的測深點陣可以形成地下二維電阻率剖面，甚至三維電阻率成像。在地形地貌復雜地區(qū)能夠快速高效地完成地質勘察任務。

根據(jù)電磁學理論，當電磁波垂直入射到均勻各項同性介質時，通過測量相互垂直正交的電磁場分量Ex、Ey、Hx、Hy及頻率f，可確定介質的電阻率。其計算公式如下：

(1)

若介質非均勻，則計算所得電阻率為視電阻率，計算公式如下：

(2-1)

(2-2)

式中，ρ為卡尼亞視電阻率(Ω·m)；E為電場強度(mV/km)；H為磁場強度(nT)；f為頻率(Hz)。電磁場在大地中傳播時，其振幅衰減到初值1/e時的深度，稱為趨膚深度δ。

(3)

式中，ω為角頻率，ω=2πf；σ為電導率；μ為磁導率。

實際地層多為非均勻介質，結合公式(2)、(3)，視電阻率值為地層固有電性參數(shù)，其數(shù)值可認為是常量，趨膚深度(δ)與頻率成反比，頻率越高趨膚深度越小，頻率越低趨膚深度越大。由此得出頻率較高的數(shù)據(jù)反映淺部地層的電性特征，頻率較低的數(shù)據(jù)反映深部地層的電性特征。

3　工作方法技術

根據(jù)巖石空隙類型及發(fā)育規(guī)律，可以把地層含水層分為空隙含水層、裂隙含水層或帶、巖溶含水系統(tǒng)3種類型[7，8]?；◢弾r地區(qū)地下水主要為裂隙含水帶和空隙含水層，裂隙含水帶和空隙含水層與圍巖相比，視電阻率值較低。利用EH-4電磁測深進行連續(xù)點陣測量，可以得到地下二維電阻率剖面，根據(jù)剖面圖中電阻率變化趨勢找到裂隙含水帶和空隙含水層。

3.1開工平行實驗

在野外數(shù)據(jù)采集前，需做開工平行實驗，檢測儀器和探頭是否正常，將兩個磁棒相距5m平行埋于地下，兩個電偶極子也平行布設，觀測儀器的時間序列信號，如果兩個對應通道的波形形態(tài)和強度基本一致，則說明儀器和探頭正常。

3.2電極與探頭布設

野外測量規(guī)定測線方向為x軸，垂直測線方向為y軸，在測點上沿x、y軸布置兩組相互垂直的電極和磁探頭，采用“+”字型方式布極。測點的電極距可根據(jù)地形條件布設，一般為8～20m，布極時Ex平行測線，Ey垂直測線；磁棒離前置放大器應大于5m，Hx平行測線，Hy垂直測線布設，為了消除人文干擾，兩個磁棒均需埋于地下5cm處且用土覆蓋。使用水平儀定向，使得磁棒相互垂直的誤差控制在±2°，且保持水平。測量期間若有汽車經(jīng)過，則觀測的電磁信號會出現(xiàn)畸形，需對該點重復進行觀測。

3.3數(shù)據(jù)采集與處理

EH-4采用單點標量測量模式，進行三個階段的全頻率采集，電道、磁道增量模式及數(shù)據(jù)疊加次數(shù)可根據(jù)接受信號強弱進行調(diào)整。工頻濾波選擇50Hz。有明顯電磁干擾信號可直接剔除，沒有剔除的干擾在電阻率成圖過程中直接刪除個別跳躍太大的頻點[9]。

對采集的時間序列數(shù)據(jù)首先進行預處理，利用傅立葉變換轉換為頻率域信號，得到電磁場頻率域的實分量和虛分量，然后計算各頻帶的視電阻率，電場、磁場的振幅，相位差及相干度等信息，并進行一維Bostic反演。室內(nèi)資料處理中采用Robust估計方法處理時間序列資料，以壓制不相關噪聲的影響，得到高質量的張量阻抗元素。圓滑因子可根據(jù)地形條件選擇，范圍在0.05～10之間，地形越陡圓滑系數(shù)越小，反之亦然。利用EH-4自帶二維成像軟件進行快速自動成像。對于連續(xù)的點陣EH-4測深點，可將各個測深點同一深度的視電阻率繪制成等值線平面圖，直觀了解工區(qū)地電特征。

4　應用實例

4.1勘察區(qū)地質概況

工區(qū)位于撒哈拉沙漠南緣，地形起伏較小，地表多為小沙丘和戈壁灘，沙丘間可見各種類型洼地，總趨勢為北西部高海拔，南東部低海拔。

工區(qū)地質結構簡單，自下而上可以劃分為三層。底部為前寒武系結晶基底，以古老的花崗巖和少量變質巖為主，津德爾市區(qū)附近有少量露頭。中部為白堊系碎屑巖，以砂巖、泥巖及礫巖為主，主要分布在斷陷盆地內(nèi)，依據(jù)巖性可劃分為上下兩段，下段為Tegama群Echkar組，巖性以砂巖、礫巖為主，為富水區(qū)地層，上段為森諾曼階Farka組，巖性以紅色泥質砂巖為主，即紅層。上部為第四系覆蓋，以薄砂層和砂質黏土層為主[10]。

區(qū)內(nèi)構造簡單，區(qū)域性大斷裂為一組北東向斷裂，延伸達到100km，且斷距較大，該斷裂控制著斷陷盆地的范圍及白堊系Tegama群Echkar組的分布。次生斷裂為一組北西向斷裂，規(guī)模小且切割北東向大斷裂。兩組斷裂在空間上成90°交錯，斷裂交錯的節(jié)點為白堊系地層空隙水和構造裂隙水的富水區(qū)。

4.2物探工作布置

根據(jù)北東向斷裂的走向，本次物探工作設計北西向平行勘探線9條，進行EH-4連續(xù)點陣電磁測深，網(wǎng)度為300m×2 000m，測線布置見圖1。

布極方式采用“+”字型，每兩個電極組成一個電偶極子，分別沿平行測線方向及垂直測線方向布置一對電偶極子，電道測量方位角Ex、Ey分別為327°和147°，磁道測量方位角Hx、Hy分別為57°和237°，電極距20m，兩個磁棒對應電極方向平行布設。為避免近場干擾，選定發(fā)送裝置距測點300m布設。

圖1　工程布置Fig.1　The arrangement plan of the project

4.3資料處理與解釋

工區(qū)地質結構簡單，花崗巖基底與砂巖及礫巖層視電阻率值差異較大，花崗巖基底視電阻率為80Ω·m左右，砂巖及礫巖層視電阻率相對較低，利用視電阻率差異可以查明花崗巖基底起伏，從而找出基底較深的斷裂帶。如圖2所示，鉆孔資料揭示區(qū)內(nèi)分為四個地質層：第一層為第四系中、細砂松散層，厚度為5～45m，位于靜水位線以上；第二層為礫巖含水層，厚度10～50m，構造斷陷處層位較厚，為良好的儲水層位；第三層白堊系碎屑巖(紅層)，厚度20～200m，該巖層孔隙度小，含水量較差；第四層為礫巖含水層，厚度80～350m，是良好儲水層。通過電阻率斷面分析得出180線250～370點為北東向主構造。

EH-4電磁測深連續(xù)點陣測量結束，利用差值法將每個測深點-300m處視電阻率計算出來。形成視電阻率等值線平面圖(圖3)，圖中清晰地反映出北東向主構造F1及北西向次生構造F2。

圖2　180線視電阻率剖面及地質解釋斷面Fig.2　The apparent resistivity section and geological interpretation of line 180

圖3　津德爾Bakin Birji水源地EH-4測深-300 m視電阻率等值線平面Fig.3　The contour plan about apparent resistivity of EH-4 electromagnetic sounding at -300 meters in the water source in BakinBirji, Zinder

通過對地下200m、300m、400m進行視電阻率等值線繪制，視電阻率較低區(qū)域在每個深度分布范圍不同，地下200m視電阻率值大部小于80Ω·m，說明地下200m大部處于基巖面以上；地下300m有一條北東向的視電阻率低值帶，視電阻率值小于80Ω·m，說明該低值帶處于基巖面以上，其余部分為視電阻率值大于80Ω·m的黃色區(qū)域，可視為基巖區(qū)。地下400m是以視電阻率值大于100Ω·m的紅色區(qū)域為主，說明地下400m基本是基巖區(qū)。通過這種視電阻率切片圖，可以清晰地反映出花崗巖基底起伏情況，從而更好地選擇富水區(qū)位置。如圖4所示。

圖4　津德爾Bakin Birji水源地EH-4測深不同深度視電阻率切片F(xiàn)ig.4　The slice figure of apparent resistivity at different depths of EH-4 electromagnetic sounding in the water source in BakinBirji, Zinder

5　結　語

通過EH-4點陣式電磁測深工作，發(fā)現(xiàn)工區(qū)內(nèi)北東向主斷裂F1和北西向次生斷裂F2，在180線370點和180線430點為兩個觀測孔，兩處鉆孔均位于F1斷層附近，鉆孔資料驗證了F1主斷裂，且兩口觀測井出水量均符合工程設計要求。由此得出利用點陣式電磁測深進行面積性測量，能夠快速有效地掌握工區(qū)地電特征。

EH-4進行連續(xù)點陣電磁測深存在的缺陷：電磁測深單點的垂向電阻率值是隨機深度值，某些深度信號強，觀測值就多些，某些深度信號弱，觀測值就少些甚至缺失。對于某一深度缺失的視電阻率值，畫電阻率平面等值線圖時，需要根據(jù)該點缺失值層位上、下的視電阻率值進行插值計算得出。所以缺失的視電阻率值是間接計算得出的，因此建議通過綜合物探的方法勘察，以更準確地掌握工區(qū)地電特征。

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The Application of EH-4 to Water Exploration in Desert Area in Niger

Zhu Wenke

Asitisquitedryonthesurfaceindesertarea,lookingforwaterbyconventionalelectricalmethodiseffectedbygroundingelectrode,soitisverydifficultinmeasurement.UsingEH-4electromagneticsoundingreplacesconventionalelectricalprospectingismoreeconomicalandeffective.ThedotofEH-4electromagneticsoundingmeasurementcanobjectivelyreflectsthecharacteristicsofthegeoelectricsectionaboutvariousdepthsunderground,thusprovidingthegeophysicalbasisfordeterminingthelocationofthewater-richregion.

EH-4;magnetotelluricsounding;desertarea;waterexploration

1672—7940(2016)03—0299—05

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.03.008

朱文科(1985-)，男，助理工程師，主要從事地球物理勘探工作。E-mail:897629425@qq.com

P631.3

A

2016-02-27