EH4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

李 磊，王新建，馬安麗

(安徽省煤田地質(zhì)局水文勘探隊，安徽 宿州234000)

近年來，云南等西南山區(qū)氣候干燥，常年降雨量稀少，該地區(qū)地形條件復(fù)雜，地下水資源的分布復(fù)雜，找水難度大，水資源問題較為嚴(yán)重。為解決云南干旱缺水地區(qū)的旱情，改善缺水地區(qū)人民的基本生活、生產(chǎn)條件，緩解農(nóng)牧業(yè)、城市和工業(yè)用水，改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)山區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，積極引進(jìn)在地下水勘查方面表現(xiàn)突出的新型物探儀器——Stratagem TM EH4(下稱EH4)電磁成像系統(tǒng)，在云南進(jìn)行了地下水文地質(zhì)勘查工作，并取得了顯著的應(yīng)用效果。

1 EH4電磁成像系統(tǒng)

1.1 基本原理

EH4電磁成像系統(tǒng)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)。它利用大地電磁的測量原理，通過發(fā)射和接收電磁波進(jìn)而獲得探測區(qū)域內(nèi)介質(zhì)的電阻率或電導(dǎo)率。深部構(gòu)造通過天然背景場源成像(MT)，其信息源為10 Hz～100 kHz;淺部構(gòu)造則通過一個新型的便攜式低功率發(fā)射器發(fā)射1～100 kHz人工電磁訊號，補(bǔ)償天然訊號的不足，獲得高分辨率的成像[1－6]。

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。通過測量相互正交的電場和磁場分量，可確定介質(zhì)的電阻率值。相應(yīng)的計算公式為:

式中:f為頻率，(Hz)，ρ為電阻率，(Ω·m)。由于地下介質(zhì)的不均勻性，計算出的ρ值稱為視電阻率值。探測深度在理論上為一個趨膚深度δ。

上式表明，電磁波的透入深度隨電阻率的增加和頻率的降低而增大。

1.2 數(shù)據(jù)采集

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式是時域采集，然后進(jìn)行傅立葉變換，轉(zhuǎn)化為頻率域信號。EH4野外數(shù)據(jù)采集裝置如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集過程是記錄測點信息，測量參數(shù)，以及記錄測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集就是通過記錄這些過程來完成的。每個過程在一個特定頻帶中由一個或多個時間時間序列組成。在最后一個測量結(jié)束后，每個過程中采集的數(shù)據(jù)都存儲在時間序列文件中，并且經(jīng)過不完全處理，對于所有的記錄都存儲為累計的“疊加”互功率譜結(jié)果，在每個采集過程結(jié)束后將顯示每次“疊加”所得到的阻抗結(jié)果。

圖1 野外數(shù)據(jù)采集裝置示意圖

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理與分析是用于回放采得頻譜結(jié)果和重新計算時間序列互功率譜。數(shù)據(jù)處理包括實時處理和后續(xù)處理，其具體的數(shù)據(jù)處理流程如圖2。

其中實時處理，是根據(jù)每個測點給出的視電阻率、相位、相關(guān)度及振幅曲線，進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量的實時分析，并在現(xiàn)場進(jìn)行擬二維反演解釋。

后續(xù)處理是在野外工作結(jié)束后在室內(nèi)完成的一項工作，具體包括:

(1)干擾信號剔除:對采集的時間序列信號進(jìn)行編輯后直接剔除發(fā)生畸變的信號;對視電阻率曲線進(jìn)行編輯，直接刪除個別跳躍較大的頻點;(2)二維反演，形成關(guān)于電阻率數(shù)值的.dat文件;(3)在實際測量時，由于地形的局限性，反演剖面需做相應(yīng)的地形校正;(4)當(dāng)形成電阻率數(shù)值后，一般可以采用surfer軟件進(jìn)行網(wǎng)格化并形成電阻率等值線圖。

1.4 EH4電磁成像系統(tǒng)特點

EH4電磁成像系統(tǒng)與其他物探方法相比，其勘探特點主要表現(xiàn)在:(1)應(yīng)用大地電磁法的原理，且使用人工電磁場和天然電磁場兩種場源，因此可以獲得連續(xù)的有效信號;(2)既具有有源電磁法的穩(wěn)定性，又具有無源電磁法的節(jié)能和輕便;(3)能同時接收和分析X、Y兩個方向的電場和磁場，反演X－Y電導(dǎo)率張量剖面，對判斷二維構(gòu)造特別有利;(4)儀器設(shè)備輕便，觀測時間短，易實現(xiàn)密點連續(xù)測量，進(jìn)行連續(xù)觀察;(5)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理和顯示，資料解釋簡捷，圖像直觀，便于勘查找水過程中資料的及時對比 。

圖2 EH4數(shù)據(jù)處理流程

2 找水勘查應(yīng)用

2.1 勘查實例

實例1江川縣安化鄉(xiāng)是典型的山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，山區(qū)地形復(fù)雜，傳統(tǒng)的找水物探技術(shù)很難在該地區(qū)展開施工。面對當(dāng)時持續(xù)不絕的干旱，當(dāng)?shù)馗刹咳罕姼且换I莫展。本次采用新型的找水物探技術(shù)方法EH4電磁成像技術(shù)，在該鄉(xiāng)布置了EH4測線平面位置示意圖(圖3)及3條EH4測線，現(xiàn)選擇其中的一條測線進(jìn)行說明。通過L1測線電阻率剖面(圖4)可以看出，本次EH4系統(tǒng)勘探剖面深度到350m，L1線巖層電阻率分布成層特性明顯，且在90～160m深度出現(xiàn)低電阻率區(qū)，其電阻率值低于30，為相對低阻異常區(qū)，這是進(jìn)行鉆井位置設(shè)計的依據(jù)。據(jù)此，在L1測線8號測點位置設(shè)計了水井鉆孔。

圖3 安化鄉(xiāng)招壩村EH4測線平面位置示意圖

實例2 開遠(yuǎn)市羊街鄉(xiāng)位于盆地內(nèi)，地層為第四系粘土、砂質(zhì)粘土和新第三系泥質(zhì)灰?guī)r，富水性弱，含有少量孔隙水。該地區(qū)也是常年干旱缺水，本次在羊街明德小學(xué)附近布置了1條EH4測線。

從圖中可以看出，在測線上2號至4號測點之間30m深度以下出現(xiàn)明顯的低阻異常區(qū)，其電阻率值低于10，因此確定為主要的找水區(qū)段，設(shè)計了相應(yīng)的鉆孔井位。

2.2 鉆井出水驗證

根據(jù)EH4探測的結(jié)果，在江川縣安化鄉(xiāng)水井深度130m，自流井水量400m3/d;在云南開遠(yuǎn)市羊街鄉(xiāng)臥龍谷村委會明德小學(xué)成功打出第一口深水井。該水井深196m，出水量約200m3/d，出水后，基本能滿足附近村莊用水的需求。這一結(jié)果深受當(dāng)?shù)厝嗣穹Q贊，切實為他們解決了實際問題。

圖4 招壩村L1線EH4電阻率斷面圖

圖5 探測測線的電阻率剖面圖

3 結(jié)論

通過采用EH4電磁成像系統(tǒng)在云南干旱山區(qū)的找水應(yīng)用，表明該方法能夠較準(zhǔn)確地劃分出含水巖層并能區(qū)分出其他電阻率相近地層。該系統(tǒng)儀器輕便，測量速度較快，應(yīng)用方便，工作效率高，是一種有效的找水方法，具有較好的應(yīng)用前景，為干旱地區(qū)找水提供了一種行之有效的技術(shù)方法。但需要注意的是，在干旱山區(qū)數(shù)據(jù)采集時應(yīng)加強(qiáng)對地形條件的分析與校正，為鉆井井位及深度確定提供更為可靠的技術(shù)參數(shù)。

[1]何繼善.可控源音頻大地電磁法[M].中南大學(xué)出版社.長沙.1990.

[2]郭健強(qiáng).Stratagem TM EH－4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)簡介及應(yīng)用[J].物探與化探.1996.22(6):458－464.

[3]王衛(wèi)江，蘭險，劉學(xué)清.電磁法在新疆干旱區(qū)找水效果及適應(yīng)性探討[J].新疆地質(zhì).2004，22(3):265－270.

[4]柳建新，劉小東，王昆.EH4電磁成像系統(tǒng)在水庫大壩隱患探測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報.2011，8(1):1－5.

[5]祝順義，陳慶凱.EH4電磁成像系統(tǒng)在水庫大壩勘查滲漏的應(yīng)用[J].有色礦冶.2004，20(2):10 －12.

[6]孫升林，倪新輝，龔惠民.EH4電磁成像系統(tǒng)在中西部巖溶區(qū)地下水勘查中的應(yīng)用[J].中國煤田地質(zhì).2001，13(3):67－68.

[7]陳慶凱，席振銖.EH4電磁成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程研究[J].有色礦冶.2005，21(5):7－9.

[8]宮悅，鐘邱平，雷宛.EH－4電磁成像系統(tǒng)在鐵路隧道勘探中的應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù).2011(1):49－52.