EH4電磁法在貧水山區(qū)找水中的應(yīng)用

付新建

(河南省地礦局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南新鄉(xiāng)453002)

柏尖溝村位于林州市原康鎮(zhèn)西南山區(qū)，由于地理原因，紅旗渠水無法引到該村。各級政府對此狀況十分重視，幾年來先后投資施工兩眼水井，均未出水，被有關(guān)專家稱為貧水區(qū)。2010年3月我們利用EH4電磁法在該村中開展了找水工作并最終取得了成功。

1 水文氣象概況

工作區(qū)地處半干旱暖溫大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，據(jù)安陽氣象臺1951—1995年資料統(tǒng)計，年平均氣溫13.6℃，冬春干旱，夏秋濕潤，雨水多集中在七、八、九三個月中，約占全年降雨量的50%以上。多年平均降雨量670.9 mm，最大降雨量1 002.5 mm，多年平均最小降雨量570.6 mm;多年平均蒸發(fā)量1 774.99 mm，年最大蒸發(fā)量2 188.3 mm，多年平均蒸發(fā)度為1 583.1 mm。最高氣溫40.5℃，最低氣溫零下17℃。

2 地質(zhì)背景

柏尖溝村位于林州市原康鎮(zhèn)西南約8 km。該區(qū)第四系蓋層很薄，基巖大部分出露，區(qū)內(nèi)地層主要有寒武系、奧陶系及第四系。現(xiàn)由老至新將地層及巖性分述如下:

2.1 寒武系(∈)

2.1.1 下統(tǒng)(∈1)

本統(tǒng)自下而上分為辛集組、饅頭組。分述如下:

2.1.2 中統(tǒng)(∈2)

2.1.3 上統(tǒng)(∈3)

2.2 奧陶系(O)

2.2.1 下統(tǒng)

下部為厚至巨厚細(xì)晶或粗晶白云巖，厚44～144 m;上部為中厚層白云巖，含大量燧石條帶及團塊，厚32 m。與下伏上寒武呈整合接觸。巖溶以溶孔為主，分布均勻。

2.2.2 中統(tǒng)

峰峰組:下段底部有7 m的灰黃薄、中層泥質(zhì)白云巖，向上為角礫狀灰?guī)r、灰?guī)r和花斑狀灰?guī)r(白云巖化)，厚43～93 m。上段為青灰色、黑灰色中至巨厚層狀微晶純灰?guī)r，厚度變化大，30～110 m，強巖溶化，巖溶以溶孔為主，直徑數(shù)毫米至5 cm，分布均勻，其中多含有充填物和溶蝕殘余鐵質(zhì)。

上馬家溝組:下段為角礫泥灰?guī)r，角礫狀泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r夾泥質(zhì)白云巖。上段以厚層狀灰?guī)r、花斑狀灰?guī)r為主，強巖溶化，以溶隙和溶洞為主。下段弱巖溶化，以溶孔為主。與下馬家溝組整合接觸。

下馬家溝組下段為鈣質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)粉砂巖、板狀泥質(zhì)灰?guī)r、薄層白云質(zhì)灰?guī)r，即“賈旺層”，厚7～15 m，非巖溶層。上段角礫狀灰?guī)r，含石膏假晶，厚2～20 m，強巖溶化，發(fā)育不均勻。中段為薄層白云巖，角礫狀泥晶灰?guī)r，以溶縫溶洞為主，發(fā)育均勻，有充填物。

2.3 第四系(Q)

主要分布在溝谷的兩側(cè)，由黃土狀亞粘土、含少量個體不大的鈣質(zhì)結(jié)核及薄層泥礫組成。

3 EH4電磁法工作原理、布設(shè)及剖面圖分析

3.1 雙源型電磁/地震系統(tǒng)工作原理

首先讓我們來研究電磁波在介質(zhì)中的傳播行為。電磁波傳播理論:亥姆霍茲方程

地面電磁波發(fā)送到地下，電磁波在巖土中的傳播遵循Maxwell方程。如果假設(shè)大多數(shù)地下巖土為無性物質(zhì)，并且宏觀上均勻?qū)щ?，不存在電荷積累，那么Maxwell方程就可簡化為:2H+K2H=0┉(1)

2E+K2E=0┉(2)稱為亥姆霍茲方程。

其中K=┉(3)稱作復(fù)波數(shù)或傳播系數(shù)。這時可將K寫成K=α+ιβ。α稱為相位系數(shù)，β稱為吸收系數(shù)。在EH4測量的電磁波頻率范圍內(nèi)(0.1Hz～100KHz)，通?？梢院雎晕灰齐娏?，這時K進一步簡化為K=┉(4)這里為虛數(shù)符號;ω是電磁波角頻率2πf，單位是rad/s。

波組抗與電阻率

有亥姆霍茲方程變化的磁場感生出變化的電場，我們有磁電關(guān)系:

H=┉(5)

表面阻抗Z定義為地表電場和磁場水平分量的比值。在均勻大地的情況下，此阻抗與入射場的極化無關(guān)，和地電阻率以及電磁場的頻率有關(guān):

Z=┉(6)

式中f是頻率，ρ是電阻率，μ是磁導(dǎo)率。(6)是可用于確定大地的電阻率:

ρ=┉(7)

式中ρ的單位是Ω·m，E的單位是mv/km，H的單位是nT。

對于水平分層大地，此表達式不再適用，但用它的計算機得到的電阻率將隨頻率改變而變化，因為大地的穿透深度或趨膚深度與頻率有關(guān)。

δ=┉(8)

式中δ的單位是m。此時由(7)式計算得到的電阻率稱視電阻率。在一個寬頻帶上測量E和H，并由此計算出視電阻率和相位，可確定地下構(gòu)造。

對于更一般的不均勻大地，阻抗是空間坐標(biāo)的函數(shù)，完整的描述應(yīng)當(dāng)是含有四個元素的張量，每個元素與場的正交分量有關(guān):

=┉(9)

要確定四個阻抗元素，需要幾個極化不同的磁場。例如，振幅相位和極化固定不變的單一正弦形式的電場和磁場波列，就不能用于計算這四個未知數(shù)。通常要用四個場分量的自功率譜或互功率譜來計算阻抗(例如，Vozoff，1972)。例如，Zxy的一個這樣計算出來的解是:=┉(10)

式中“*”號表示場量付氏變換后的復(fù)共軛，“＞δ

近源場，r＜＜δ┉(15)

過渡場，r≈δ

一般要求在接近過渡場附近的遠源場狀態(tài)下工作，以距離為r=1-3δ約300～500 m左右為佳。

EH4又稱StratagemMT，即可控源變頻大地電磁測量，所不同的是其磁偶極子發(fā)射天線為X，Y方向的垂直線圈。垂直磁偶極子發(fā)射的場以TE型波為主，分辨率高，分層定厚能力強。

鑒于效率和磁電傳感器頻譜范圍的限制，EH4的測量頻段為10～100 KHz，其探測深度大致在10 m～800 m。對于加強型發(fā)射源和配置了低頻磁探頭的EH4，其低頻段可延伸至0.1 Hz，通?？蛇_1 200 m以上至1 500 m，特殊高電阻率地區(qū)，甚至可達到2 000 m以上。500 Hz以上用可控源發(fā)射，500 Hz以下利用天然地磁場。在本次工作中，首先對儀器進行了平行測試，滿足規(guī)范要求;其次，在每個測點正式測量前，都要對增益進行調(diào)試，把信號調(diào)到最佳;最后，在每一個測點都要對高、中、低三個頻段的數(shù)據(jù)采集進行多次疊加，以確保野外數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。

總之，EH4這套儀器是一種用來測量地下幾米到一公里多深的地球電阻率的特殊大地電磁測深(MT)儀器。這套儀器既可以使用天然場源的大地電磁信號，又可以使用人工場源的電磁信號，以此來獲得測量點下的電性結(jié)構(gòu)。EH4大地電磁測深(MT)儀器是通過同時對一系列當(dāng)?shù)仉妶龊痛艌霾▌拥臏y量來獲得地表的電阻抗。這些野外測量要經(jīng)過幾分鐘傅立葉變換以后以能譜存儲起來。這些通過能譜值計算出來的表面阻抗是一個復(fù)雜的頻率函數(shù)，在這個頻率函數(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)受到深部或遠處地質(zhì)體的影響。一個大地電磁(MT)測量給出了測量點以下垂直電阻率的估計值，同時也表明了在測量點的地電復(fù)雜性。在那些點到點電阻率分布變化不快的地方，電阻率的探測是一個對測量點下地電分層的一個合理估計。EH4通過發(fā)射和接收地面電磁波來達到電阻率或電導(dǎo)率的探測。連續(xù)的測深點陣組成地下二維電阻率剖面，甚至三維立體電阻率成像。

3.2 EH4電磁法的布設(shè)(見圖1)

3.2.1 電極的安裝

相對于測點的中心點用羅盤尋找兩條相互垂直的方向(+/-2°)。根據(jù)這兩條線，布置電極(“X”方向和“Y”方向)，X方向為測線方向，Y方向應(yīng)為垂直測線方向。電極應(yīng)接地良好，當(dāng)?shù)乇砀稍飼r應(yīng)澆水，以確保電極接地良好。把電纜線埋到土里以減少由于風(fēng)產(chǎn)生的影響。本次工作電極距Ex=Ey=20 m。

3.2.2 磁棒的安裝

把X磁棒放到到離前置放大器(AFE)大于5 m處，并且地面要水平且磁棒要平行于電極X方向。如果放磁棒的地方明顯不水平的話，用鐵鍬挖一個合適的槽，在這個槽里磁棒能水平放置且與電極X方向平行誤差夾角應(yīng)在+/-2°以內(nèi)。把探頭用土埋上以保證磁棒保持原來的方向，這樣將會減少由風(fēng)引起的噪聲。用安裝X探頭的方法來安裝Y探頭，把Y探頭放在至少離X探頭2米遠的地方，這些探頭都是靈敏的電子裝置。如果放的太近的話，它們就會相互影響。使用羅盤時應(yīng)使羅盤離任何一探頭至少0.5 m以遠。

3.2.3 接收機主機的安裝

把主機放在離前置放大器(AFE)和磁棒至少5 m遠的地方，以減小相互影響。

圖1 EH4儀器接收機工作布置示意圖

3.3 EH4電磁法剖面圖的分析

在本次工作中，EH4視電阻率剖面長450 m，點距40 m，測點12個，走向近西～東向。(見圖2)

由剖面圖可以看出:在剖面240 m處發(fā)現(xiàn)有一斷層存在，斷層傾向東，傾角45°～65°，為鏟式構(gòu)造，上陡下緩，斷層深度約350 m左右。遵循"由已知到未知"的原則，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料。我們確定該處為打井位置:擬打井深度為400 m，預(yù)計出水量30～40 m3/h。

2010年6月在該處施工，8月該井順利完工。在施工到260 m深度時漏水比較明顯，最終成井深度為450 m，出水量1200余t/d，且水質(zhì)良好。從根本上解決了該村吃水難的問題，并為下一步的土地灌溉及發(fā)展生態(tài)旅游起到了強有力的推動作用。

4 結(jié)語

由此可見，EH4電磁法在貧水山區(qū)找水中有著至關(guān)重要的作用。該儀器攜帶方便、易于布設(shè)、數(shù)據(jù)可靠、成圖直觀。只要避開大的電場干擾，找到斷層，就能達到預(yù)期的目的。經(jīng)過鉆孔驗證，說明該儀器在貧水山區(qū)中尋找深層裂隙水是有效的，這種方法在貧水山區(qū)中尋找地下水是值得推廣的方法。

圖2 EH4電磁法剖面圖(圖中紅色虛線為推測斷層)

［1］劉江.Stratagem～(TM)EH-4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)在陜北找水中的應(yīng)用［J］.陜西煤炭.2003:02.

［2］倪芬明，劉志田，孫特晨，陸天明.應(yīng)用 EH-4電磁儀尋找地下水［J］.石油儀器.2001:01.