EH-4 大地电磁技术在西藏工程物探中的应用前景★

肖长伟 马玉福，2 岳彩芹

(1.西藏自治区水利电力规划勘测设计研究院，西藏 拉萨 850000;2.西藏自治区冰湖灾害与水资源重点实验室，西藏 拉萨 850000)

0 引言

获得拟进行建设区域详尽地质信息是所有工程建设开展的前提和不可回避的问题，目前获取这一方面资料的最常规方法主要是钻探工作，但随着地球物探仪器设备的逐渐改进和发展，工程物探方法在地质勘探中起到了越来越重要的作用。

EH-4 大地电磁技术是由美国Geometrics 和EMI 公司联合研制的一种双源型电磁探测系统，使用天然和人工两种电磁场源，具有较好的稳定性和灵活适应性。基于连续单点测量技术，可应用于各种地形，进而方便获得连续面上的地质信息。仪器设备轻便、观测时间短、费用低、精度高。测量的深度自地表至地下1 000 多米，为进行EMAP(EMAP 是指电极距等于点距，即首尾相连的测量方式)连续观测提供技术保证。再者，EH-4 方法的信号采集属于准张量测量，这也就使得最大限度的还原地质体的原貌成为可能［1］。

目前，EH-4 大地电磁技术的研究和应用已渗透到国内各个领域，普遍应用于地下水调查、环境的地下特征调查、矿产与地热勘探以及工程地质勘察中，并取得了较好的应用效果，但在西藏高原地区的工程物探中应用较少。运用该方法不仅可以有效地解决西藏地区地质钻探工作难度大、效率低、勘探深度不够和深厚覆盖层厚度深、溶洞等探测的技术难题及各类安全隐患，而且可为工程设计提供更加丰富的基础资料。基于此，文章在介绍其工作原理的基础上，对该技术常规野外工作方法进行了归纳总结，并结合西藏高原地区物探工作的特殊性，对其在工程物探中的应用前景进行了分析。

1 工作原理

由于EH-4 技术采用天然和人工场源相结合电磁技术，测试时针对不同目的采用高、低频段采集不同信号，故而能探测到地表以下几米至1 000 多米内的连续地质断面信息，进而确定地下目标体的地质构造信息等。其工作原理是根据所测得的地球电磁响应序列，通过傅里叶变换电磁信号为频谱信号，获得相应地层的电性结构，进而计算电阻率。

由地球物理测试原理可知，阻抗Z 可通过电场与磁场强度间比值转换获得:

其中，E 为电场强度;H 为磁场强度，E 和H 为一次场(垂直入射到大地介质中的平面电磁波)和感应场的空间矢量叠加后的综合场;φE为电场相位;φH为磁场相位。

进而可求得不同分量上的电阻率:

其中，f 为频率;ρ 为电阻率，电磁波能量由于地层吸收而逐渐衰减，其中可将波的振幅衰减到原来的1/e 的传播深度定义为趋肤深度，其公式为:

实际工作中，一般利用较高频率数据测试浅部地层电性特征，利用较低频率数据获取较深部地层的电性特征，进而判别相应地质构造特征及信息。测试工作中，需同时观测地表测点上的电场和磁场信息，计算电阻率和相位，以确定出地下连续断面的电性特征和地质构造［2］。

2 野外工作方法

EH-4 大地电磁技术野外工作方式有单点测量和连续剖面测量两种，工作方式的选择由研究任务和研究内容决定。可根据不同的测区频率范围选定不同的场源信号，如10 Hz～1 000 Hz 时直接利用天然场源，而500 kHz～100 kHz 时，则需使用人工场源，其目的主要是为保证观测精度、提升测试数据质量并相应提高数据信噪。

野外测试时，测点的布置以测线方向为x 轴，垂直测线方向为y 轴，在测点上将两组相互正交的高频磁探头和电极布置于x，y 方向。各个测点的电极距为8 m～20 m 不等，为了对比监视电场信号，电极距一般保持相等，野外布置示意图如图1 所示。电极与磁棒的布置应分别平行和垂直于测线。接收信号则根据测试目的和任务，结合测区频率范围选择不同频段［3，4］。

野外测试时，开展工作的前一天要进行平行试验，检测仪器是否工作正常。要求两个磁棒相隔5 m 远，平行放在地面上，两个电偶极子也平行布置。观测低频和高频段的电场、磁场通道的时间序列信号，若图中两个方向通道的波形形态和强度均基本一致，说明仪器工作正常。

此外，野外工作布站时的一些环节也可直接影响所采集原始数据的质量，在以下方面需要注意:1)测点应尽量选择在远离高压线、民用电线、高速公路和铁路等的地方布置;2)布置磁棒时，磁探头要平放在地上，两个探头相距至少2 m 远，两个磁棒要相互垂直且用水平尺使其水平，相互夹角误差不能超过±2°;3)野外测量风比较大时，为避免因风吹而摆动造成信号干扰，应在地上挖一个小槽将磁棒埋入土中，必要时将传输线也用土掩埋;4)时间、工区等条件允许的情况下，为消除部分静态效应所造成的畸变，测量一般采用EMAP 测量方式［5］。

图1 EH-4 工作示意图

3 发展和应用前景

3.1 国内外EH-4 发展现状

电法勘探是根据岩矿石的电性特征来找矿和探明地下目标体地质构造的一种地球物理勘探方法。通过仪器观测天然的、人工的电场或交变电磁场，经过分析、解释这些场的特点和规律达到勘探的目的。电法勘探分为直流电法和交流电法。我国的电法勘探工作开始于20 世纪50年代，主要是引进前苏联的以直流电法为主的勘探方法技术，而后期逐渐引进并发展了电化学方法。60年代，我国科研人员开始对以绝对测量为特点的电磁感应类方法的研究。70年代，致力于相对测量的研究，并在80年代有较大的进展。目前在国内外对有关电磁法的研究越来越多。电法勘探方法种类的多样性，造成勘探方法发展的多方面性，而在诸多勘探方法中EH-4 大地电磁法发展最快、应用最广。

EH-4 大地电磁技术是在1996年中下旬由研制大地电磁仪器而闻名的美国EMI 公司和制造高分辨率地震仪著名的Geometrics 公司联合研制出的一套全新概念的电导率张量测量仪，是用来测量地下电阻率的一种电法仪器。国内主要用于金属矿、地热田、埋深浅的油气田、水文、工程、环境等领域的浅层勘探。目前，国内科研人员将大量的时间和精力投入到EH-4 的研究中，进行不断地改进和完善，国内各地区现已将此方法普遍投入使用，得到了普遍的认可，EH-4 在国内有较好的发展和应用前景［6］。

3.2 国内外EH-4 应用现状

EH-4 大地电磁技术在国外的研究和发展起步较早，在此方法的研究上取得了一定的成果，并将此方法普遍应用于各类物探工作中，取得了较好的应用效果。美国在70年代就将此方法应用于水文地质和水质调查中，随着对此方法的不断改进和完善，又将此方法应用于地下结构和地层情况的揭示，以确定地区的水文地质结构，达到监测地下洞穴、温泉的目的。1999年日本也将此方法应用于火山构造和地热活动的调查中。此方法在国外各地区各类工程物探上取得了较好的应用效果，由此被国外工程物探领域广泛认可并得到广泛应用。

我国的EH-4 大地电磁技术发展和应用起步相对较晚，前期碍于仪器设备、去噪和静校正技术及相关理论等问题的缓慢发展，一直未得到很好的发展和应用，直到近十年来引进到国内。1996年以来，随着国外先进电法仪器的引进和对该电法仪器的不断研究和发展，EH-4 也得到了空前广泛的应用。在中国EH-4 经历了十几年的使用与发展，已成为一种稳定成熟的电磁测深仪器，在中国已得到广泛的应用，为中国地下水的调查、环境的地下特征调查、矿产与地热勘探及工程研究做出了不少的贡献［6］。

3.3 EH-4 在西藏地区的发展和应用现状

近几年来，EH-4 大地电磁技术在国内各地区工程物探领域得到不断发展和广泛应用，并取得有效应用效果。逐渐地EH-4也被引进到西藏地区，并将此方法投入使用，进行水利工程的物探工作，用以对比分析水利工程前期地质勘察结果。目前，此方法已应用于西藏地区大型水利枢纽工程的前期地质勘查工作和地下水的调查中，取得了较好的应用效果。

EH-4 大地电磁技术在西藏地区的应用实例有:西藏旁多水利枢纽工程为探明旁多坝址覆盖层的厚度、下伏基岩面形态，采用EH-4 大地电磁技术进行探测;在西藏地区尼玛县探找热水工程中采用EH-4 进行探测，得到了成功应用，并为下一步寻找、开发利用热水源提供了可靠依据;西藏拉洛水利枢纽工程为查明覆盖层厚度和基岩起伏形态，探明是否存在隐伏构造和破碎带及其可能位置、规模大小及空间展布情况，采用EH-4 进行探测，同样取得了较好的应用效果，在与前期的工程地质勘察结果相对比后，发现EH-4 探测结果与其相近，没有过大的误差。

3.4 EH-4 应用前景

在西藏地区水利工程地质勘察中，地质钻探是前期工程地质勘察获取详细地质信息的重要技术手段，但地质钻探往往是根据现场情况选择典型断面进行钻探，无法获得连续面上的地质剖面信息。此外，西藏地区覆盖层一般较深，如:雅鲁藏布江林芝河段、桑日—曲水河段、大竹卡—谢通门河段河床覆盖层厚度100 m～200 m;拉萨河旁多坝址的河床覆盖层厚度达300 m 以上;山南雅砻河中下游河段河床覆盖层厚度100 m 以上;波堆藏布冰水积层厚度达120 m～600 m;金沙江在云南石鼓一带河床覆盖层厚度达100 m～250 m;大渡河支流南桠河冶勒覆盖层最大厚度达420 m以上［7］。利用常规钻探方法虽可查明覆盖层的厚度和地质信息，但存在钻探技术难度大、经费高等问题。西藏地区的深厚覆盖层往往由冰川作用形成，覆盖层中含大量的孤石，当地质钻探遇到大孤石时易误判为已经钻探到基岩，造成地质资料勘探深度不够，据此地质资料编制的设计方案在施工时往往要进行重大变更。而EH-4 不仅可以连续单点测量，获得连续面上的地质信息，而且可灵活地应用于各种不利地形，并可进行弯曲测线的测量。在探测深度上，此方法可以探测至地下1 000 多米，由此不仅可以解决在西藏地区钻探工作难度大、效率低等问题，而且可解决现有的水利工程常规地质钻探存在的诸多问题。

基于在西藏地区水利工程地质勘察地质钻探工作中存在的以上诸多问题，将EH-4 大地电磁技术应用于西藏水利工程勘察中，不仅可以提高工作效率，降低勘探费用，并在一定程度上有效地避免目前常规地质勘探存在的技术难题。在工程地质勘察中可结合EH-4 和常规地质钻探技术，对比分析勘探结果，提高数据质量，为工程设计提供更加可靠、有效的地质勘探数据。

4 结语

EH-4 大地电磁技术在国内外已得到广泛应用，取得了较好的应用效果。近年来，随着西藏高原地区各类工程建设的发展，遭遇了深厚覆盖层勘探较难问题，通过该技术和常规地质勘探工作的结合，可有效解决西藏高原地区深厚覆盖层地质勘探中探不准、探不明、工期长、费用高等问题，为西藏自治区水利、交通、建筑等行业发展提供有效的技术支撑。

［1］宫 悦，钟邱平，雷 宛，等.EH-4 电磁成像系统在铁路隧道勘探中的应用［J］.勘察科学技术，2011(1) :49-51.

［2］吴银龙，陆明锋，李 琴.EH-4 野外工作方法的研究与应用［J］.四川地质学报，2011，31(4) :475-476.

［3］莫亦可.EH-4 电磁成像系统在高速铁路隧道工程勘察中的应用［J］.重庆科技学院学报，2011，13(6) :154-155.

［4］周琛杰，吴文贤.EH-4 电磁成像系统在铁路隧道与桥梁勘查中的应用［J］.工程地球物理学报，2012，9(1) :94-95.

［5］美国劳雷工业有限公司.EH-4 使用说明书［Z］.1998:1-42.

［6］沈庆夏.大地电磁测深法在中梁山隧道地质调查中的应用研究［D］.成都:成都理工大学，2010.

［7］柯于义，尼伧娜，边巴次仁.青藏高原等西部地区河床深厚覆盖层成因机理研究［A］.西藏水利科学研究论文集［C］.拉萨:人民出版社，2009.