EH4电磁法在贫水山区找水中的应用

2013-12-14付新建

地下水 2013年1期

付新建

(河南省地矿局第一地质环境调查院，河南新乡453002)

柏尖沟村位于林州市原康镇西南山区，由于地理原因，红旗渠水无法引到该村。各级政府对此状况十分重视，几年来先后投资施工两眼水井，均未出水，被有关专家称为贫水区。2010年3月我们利用EH4电磁法在该村中开展了找水工作并最终取得了成功。

1 水文气象概况

工作区地处半干旱暖温大陆性季风气候区，据安阳气象台1951—1995年资料统计，年平均气温13.6℃，冬春干旱，夏秋湿润，雨水多集中在七、八、九三个月中，约占全年降雨量的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;多年平均蒸发量1 774.99 mm，年最大蒸发量2 188.3 mm，多年平均蒸发度为1 583.1 mm。最高气温40.5℃，最低气温零下17℃。

2 地质背景

柏尖沟村位于林州市原康镇西南约8 km。该区第四系盖层很薄，基岩大部分出露，区内地层主要有寒武系、奥陶系及第四系。现由老至新将地层及岩性分述如下:

2.1 寒武系(∈)

2.1.1 下统(∈1)

本统自下而上分为辛集组、馒头组。分述如下:

2.1.2 中统(∈2)

2.1.3 上统(∈3)

2.2 奥陶系(O)

2.2.1 下统

下部为厚至巨厚细晶或粗晶白云岩，厚44～144 m;上部为中厚层白云岩，含大量燧石条带及团块，厚32 m。与下伏上寒武呈整合接触。岩溶以溶孔为主，分布均匀。

2.2.2 中统

峰峰组:下段底部有7 m的灰黄薄、中层泥质白云岩，向上为角砾状灰岩、灰岩和花斑状灰岩(白云岩化)，厚43～93 m。上段为青灰色、黑灰色中至巨厚层状微晶纯灰岩，厚度变化大，30～110 m，强岩溶化，岩溶以溶孔为主，直径数毫米至5 cm，分布均匀，其中多含有充填物和溶蚀残余铁质。

上马家沟组:下段为角砾泥灰岩，角砾状泥质白云岩、泥质灰岩夹泥质白云岩。上段以厚层状灰岩、花斑状灰岩为主，强岩溶化，以溶隙和溶洞为主。下段弱岩溶化，以溶孔为主。与下马家沟组整合接触。

下马家沟组下段为钙质页岩、钙质粉砂岩、板状泥质灰岩、薄层白云质灰岩，即“贾旺层”，厚7～15 m，非岩溶层。上段角砾状灰岩，含石膏假晶，厚2～20 m，强岩溶化，发育不均匀。中段为薄层白云岩，角砾状泥晶灰岩，以溶缝溶洞为主，发育均匀，有充填物。

2.3 第四系(Q)

主要分布在沟谷的两侧，由黄土状亚粘土、含少量个体不大的钙质结核及薄层泥砾组成。

3 EH4电磁法工作原理、布设及剖面图分析

3.1 双源型电磁/地震系统工作原理

首先让我们来研究电磁波在介质中的传播行为。电磁波传播理论:亥姆霍兹方程

地面电磁波发送到地下，电磁波在岩土中的传播遵循Maxwell方程。如果假设大多数地下岩土为无性物质，并且宏观上均匀导电，不存在电荷积累，那么Maxwell方程就可简化为:2H+K2H=0┉(1)

2E+K2E=0┉(2)称为亥姆霍兹方程。

其中K=┉(3)称作复波数或传播系数。这时可将K写成K=α+ιβ。α称为相位系数，β称为吸收系数。在EH4测量的电磁波频率范围内(0.1Hz～100KHz)，通常可以忽略位移电流，这时K进一步简化为K=┉(4)这里为虚数符号;ω是电磁波角频率2πf，单位是rad/s。

波组抗与电阻率

有亥姆霍兹方程变化的磁场感生出变化的电场，我们有磁电关系:

H=┉(5)

表面阻抗Z定义为地表电场和磁场水平分量的比值。在均匀大地的情况下，此阻抗与入射场的极化无关，和地电阻率以及电磁场的频率有关:

Z=┉(6)

式中f是频率，ρ是电阻率，μ是磁导率。(6)是可用于确定大地的电阻率:

ρ=┉(7)

式中ρ的单位是Ω·m，E的单位是mv/km，H的单位是nT。

对于水平分层大地，此表达式不再适用，但用它的计算机得到的电阻率将随频率改变而变化，因为大地的穿透深度或趋肤深度与频率有关。

δ=┉(8)

式中δ的单位是m。此时由(7)式计算得到的电阻率称视电阻率。在一个宽频带上测量E和H，并由此计算出视电阻率和相位，可确定地下构造。

对于更一般的不均匀大地，阻抗是空间坐标的函数，完整的描述应当是含有四个元素的张量，每个元素与场的正交分量有关:

=┉(9)

要确定四个阻抗元素，需要几个极化不同的磁场。例如，振幅相位和极化固定不变的单一正弦形式的电场和磁场波列，就不能用于计算这四个未知数。通常要用四个场分量的自功率谱或互功率谱来计算阻抗(例如，Vozoff，1972)。例如，Zxy的一个这样计算出来的解是:=┉(10)

式中“*”号表示场量付氏变换后的复共轭，“＞δ

近源场，r＜＜δ┉(15)

过渡场，r≈δ

一般要求在接近过渡场附近的远源场状态下工作，以距离为r=1-3δ约300～500 m左右为佳。

EH4又称StratagemMT，即可控源变频大地电磁测量，所不同的是其磁偶极子发射天线为X，Y方向的垂直线圈。垂直磁偶极子发射的场以TE型波为主，分辨率高，分层定厚能力强。

鉴于效率和磁电传感器频谱范围的限制，EH4的测量频段为10～100 KHz，其探测深度大致在10 m～800 m。对于加强型发射源和配置了低频磁探头的EH4，其低频段可延伸至0.1 Hz，通常可达1 200 m以上至1 500 m，特殊高电阻率地区，甚至可达到2 000 m以上。500 Hz以上用可控源发射，500 Hz以下利用天然地磁场。在本次工作中，首先对仪器进行了平行测试，满足规范要求;其次，在每个测点正式测量前，都要对增益进行调试，把信号调到最佳;最后，在每一个测点都要对高、中、低三个频段的数据采集进行多次叠加，以确保野外数据的真实性和可靠性。

总之，EH4这套仪器是一种用来测量地下几米到一公里多深的地球电阻率的特殊大地电磁测深(MT)仪器。这套仪器既可以使用天然场源的大地电磁信号，又可以使用人工场源的电磁信号，以此来获得测量点下的电性结构。EH4大地电磁测深(MT)仪器是通过同时对一系列当地电场和磁场波动的测量来获得地表的电阻抗。这些野外测量要经过几分钟傅立叶变换以后以能谱存储起来。这些通过能谱值计算出来的表面阻抗是一个复杂的频率函数，在这个频率函数中，高频数据受到浅部或附近的地质体的影响，而低频数据受到深部或远处地质体的影响。一个大地电磁(MT)测量给出了测量点以下垂直电阻率的估计值，同时也表明了在测量点的地电复杂性。在那些点到点电阻率分布变化不快的地方，电阻率的探测是一个对测量点下地电分层的一个合理估计。EH4通过发射和接收地面电磁波来达到电阻率或电导率的探测。连续的测深点阵组成地下二维电阻率剖面，甚至三维立体电阻率成像。

3.2 EH4电磁法的布设(见图1)

3.2.1 电极的安装

相对于测点的中心点用罗盘寻找两条相互垂直的方向(+/-2°)。根据这两条线，布置电极(“X”方向和“Y”方向)，X方向为测线方向，Y方向应为垂直测线方向。电极应接地良好，当地表干燥时应浇水，以确保电极接地良好。把电缆线埋到土里以减少由于风产生的影响。本次工作电极距Ex=Ey=20 m。

3.2.2 磁棒的安装

把X磁棒放到到离前置放大器(AFE)大于5 m处，并且地面要水平且磁棒要平行于电极X方向。如果放磁棒的地方明显不水平的话，用铁锹挖一个合适的槽，在这个槽里磁棒能水平放置且与电极X方向平行误差夹角应在+/-2°以内。把探头用土埋上以保证磁棒保持原来的方向，这样将会减少由风引起的噪声。用安装X探头的方法来安装Y探头，把Y探头放在至少离X探头2米远的地方，这些探头都是灵敏的电子装置。如果放的太近的话，它们就会相互影响。使用罗盘时应使罗盘离任何一探头至少0.5 m以远。

3.2.3 接收机主机的安装

把主机放在离前置放大器(AFE)和磁棒至少5 m远的地方，以减小相互影响。