EH－4电磁系统在寻找地下水中的应用

张文科，吴艳军，徐玺萍，张健健

(青海省水文地质工程地质环境地质调查院/青海省水文地质及地热地质重点实验室，青海西宁810008)

隐伏构造被表层第四系所覆盖，很难对其进行追踪和判断，为了青海省海东严重缺水平安县南部山区水文地质勘查的需要，青海水文地质环境地质调查院水文项目组希望通过物探手段查明勘查区内隐伏断层的位置及指明宜井位置。该区域地形复杂，干燥、场地不开阔地对于常规电法跑极及供电存在很大的限制。EH－4电磁系统是是目前国内外较为先进的电磁勘探系统之一。EH－4近些年来被广泛应用于寻找深部地下水，该系统分辨率高、成像效果好、探测深度大设备轻便等特点在水文地质勘探工程中能起到很好的效果[1]。

1 仪器的组成及EH-4方法原理

1.1 方法原理

EH－4系统成像方法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。通过测量、傅立叶变换后以能频谱形式存储起来。这些通过能频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，由此可以得到带有地下地质信息的测点下方垂向方向上的电阻率序列，通过地电转换得到地下地质体信息[2]。

EH－4电磁测深是一种用来测量地下几米到一公里多深的地球视电阻率的特殊大地电磁测深(MT)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。基本假设是将大地看作水平介质，大地电磁场是垂直投射到地下的平面电磁波，则在地面上可观测到相互正交的电磁场分量为Ex，Hy;Hx，Ey。通过计算可确定介质的电阻率值，其计算公式为:

式中:f为频率Hz;ρ为电阻率(Ω·M)。由于地下介质是不均匀的，因而计算的ρ值称视电阻率值[3]。

1.2 仪器组成

本次工作使用的EH－4电磁系统由美国EMI和GEOMETEICS两公司联合生产它包括发射装置和接受装置两部分。接收装置包括不锈钢电极、接地电缆、前置转换器(AFE)、磁探头、主机、传输电缆、12 V蓄电池;发射装置包括发射天线、发射机、控制器、12 V蓄电池。它属于部分可控源与天然源相结合的一种大地电磁测深系统。

2 数据采集及处理

2.1 数据采集

在开展工作的前一天，要做平行试验，检测仪器是否工作正常，要求2个磁棒相隔2～3 m，平行放在地面，两个电偶极子也要平行，观测两个电场和两个磁场通道的时间序列信号，再设增益的窗口观测 Hy，Ex，Hx，Ey的值的大小;同时，观测两个对应的通道的波形形态和强度均基本一致，说明仪器工作状态正常。

数据采集时分为发射部分和接收部分:发射部分主要由发射天线、发射机及12 V直流电源组成。发射机系统采用标准功率的发射器(400 Am2)，发射频率为800 Hz～64 kHz，目的是加强高频讯号，加浅部采集数据的可靠性和提高分辨率。此次工作测量频段为标准配置，整个采样频段分为三个频段(10～1 kHz，500～3 kHz和750～99 kHz)。因为EH －4系统的数据处理以场源远离测点为前提。发射机太近太远，都会对测量结果有很大影响，甚至产生假异常。原则上，发射机与接收机的距离取为探测最深目标的3～4倍。收发距应是最低工作频率时趋肤深度的3倍，即

图1 EH4法野外工作发射部分布置示意图

接收部分主要由主机、前置放大器、磁传感器、电极及其附属设备组成。接收主机是整个系统的中心，主要用于数据采集控制和文件资料处理等方面。前置放大器对采集的电磁场信号进行滤波、放大，并传输到主机。磁传感器和电极分别用来接收磁信号和电信号(见图2)。

图2 EH4法野外工作接收部分布置示意图

2.2 数据处理

本文采用自带的IMAGEM软件对EH－4采集的原始资料进行处理。EH－4系统采集的是时域数据，数据处理的第一步是进行傅立叶变换，将时域数据转换为频率域信号。

1)先在时间域将4道(Ex，Ey，Hx和 Hy)的电磁信号收集起来，进行傅立叶变换，转换为电磁信号的实分量、虚分量功率谱，通过频谱计算视电阻率、相位差、相关系数等。

2)将干扰信号剔除，由于在信号采集过程有可能出现随机的干扰信号，在视电阻率曲线上发生个别频点发生跳跃，如果未剔除，将会影响最终的反演解释结果，因此我们对采集的时间序列信号进行编辑，直接剔除发生畸变的信号或个别跳跃较大的频点。

3)利用EMAG软件进行二维反演时，需要选择圆滑系数，一般情况下，在0.05～10之间选择。为了获得理想的图像，我们选择多个圆滑系数，比较不同系数的二维成图结果，找出较合理的那个作为最终结果。

4)进行地形修正与插值处理，EH－4理论将大地看作水平介质，但实际的情况往往地形并不平坦，同一个剖面的测点存在高程差，需要进行地形修正。修正的方法是用每个测点的实际高程作为二维反演文件该测点的第一个频点的高程，其它频点的高程相应做加减运算，形成修正后的文件。另外，同一测点，往往随着测深的增加，数据点变得越来越少，对于深部没有数据的部分，可以采用外延法，即利用最深的两点的数据按线性关系，计算出深部未知点的电阻率值。经过插值处理后，形成的图像更完美。最后通过作图软件，生成视电阻率曲线和二维等值线剖面图[5]。

3 工区地质概况及地球物理特征

工作区位于青海海东平安南部，县城所在平安镇距西宁市中心35 km。勘查区大地构造属祁连山地槽褶皱系的拉鸡山地向斜褶皱带及湟水河凹陷两个次级构造单元。前者分布于县境南部为拉鸡山北麓大断裂，总体走向近东西向，印支期以来皆有活动，南部老地层逆覆于下第三系之上，系高角度逆断层，该断裂为山区与丘陵区间的界线。断层为逆断层，断层面不规则，总体向南倾斜。断层陡倾倾角一般50°左右，使下古生代地层逆覆于下第三系红色砂岩之上，该断裂为山区与丘陵区间的界线。断层走向呈北西西，延长约70 km。此断层可能形成于阿森特期，控制着拉脊山加里东地槽的形成与演变。

工作区前第四纪地层主要出露在河谷区两侧山区，工作区出露以震旦系长石石英砂岩、长石砂岩为主其次是白垩系砂岩、砾岩夹泥岩及石膏层。区内第四系地层主要分布在河谷区，主要以植物根系土、亚砂土、黄土及砂卵砾石为主。一般而言，较为完整的石英砂岩、长石砂岩表现为相对高阻，视电阻率为500～2 000 Ω·M。第四系根系土、亚砂土视电阻率为15～100 Ω·M，砂卵砾石层视电阻率为50～300 Ω·M，表现为中阻层。砂岩、砾岩夹泥岩及石膏层表现为低阻层，视电阻率为50～150 Ω·M。断层破碎带由于岩性破碎、充水、裂隙发育等原因亦表现为低阻层，视电阻率为10～100 Ω·M，此为划分断层的主要依据。

4 剖面布置及资料解释

4.1 剖面布置

为了达到此次工作的目的，根据以往地质资料及物探剖面布置原则，在荒草台布置了1条EH－4剖面，点距100 m，长度为3 km，为A剖面。在下唐隆布置了1条EH－4剖面，点距100 m，长度为1.9 km，为B剖面。剖面基本与垂直断层，有足够的长度跨过断层破碎带。

4.2 资料解释

根据区二条测深剖面通过反演之后，得到的成果图如图3、图4，探测深度为500 m。综合二个剖面图中视电阻率的相对大小，将剖面结果划分成三个电性层，对应地层分别是第四系沉积物、震旦系长石石英砂岩及白垩系砾岩、砂岩夹泥岩层。其中第四系沉积物的视电阻率 变化范围为数50～200 Ω·M，厚度变化范围在地表至50m之间不等。第四系底部的相对高阻层，视电阻率基本在200 Ω·M以上，由元古界石英砂岩组成的基岩，第四系底部相对的低阻层、视电阻率变化范围为数几Ω·M～200Ω·M，由白垩系的砾岩、砂岩夹泥岩层。在剖面B700～900 m处和A1 800～2 100 m处有两个明显的低阻带，电阻率变化范围为数几Ω·M～100Ω·M以内，从地表一直往下延伸约500 m，且在地表，低阻带两侧第四系沉积物厚度存在明显的不同，推测低阻带为断裂引起的，断裂破碎带宽度分别为200 m、300 m左右。综合二个剖面成果图判断此断层走向为东西向，倾向为北偏东，断层倾角约65°，可能是很好的含水构造破碎带，为宜井位置。

图3 A剖面反演成果图

图4 B剖面反演成果图

经在A剖面2 000 m处、B剖面800 m处进行打孔验证，钻孔分别在深度63.26 m处、50.38 m处打出岩性为破碎的石英砂岩，出水量分别为633 m3/d、584 m3/d，孔深70 m。说明上述成果推断达到了此次工作的目的。

5 结语

通过应用EH－4电导率成像系统在工作区进行隐伏构造的探测圈出了隐伏断裂破碎带的位置、探明了断层的走向为寻找地下水指明了方向。并证明了EH－4电导率成像系统在寻找地下水中是有效的与其他电磁法相比较EH－4电磁成像系统穿透能力强，不受浅部高阻层的影响。能达到可观的勘探深度，在工作效率上都有非常明显的优势。既可以提高工作效率又不易受到地形条件差的影响，值得广泛应用推广。

[1]郭建强，武毅，邵汝君，等.StratagemTMEH－4电导率成像系统简介及应用[J].物探与化探.1998:22(6).

[2]K.Vozoff.The magnetotelluric method in the exploration of sedimentary basins[J].Geophysics，1972，37(1).

[3]石应骏，刘国栋，吴广耀，等.大地电磁测深法教程[M].北京:地震出版社.1985:188－189.

[4]伍岳.EH－4电磁成像系统在砂岩地区勘查地下水的应用研究[J].物探与化探.1999:25(3).

[5]李磊，王新建，马安丽.EH－4电磁成像系统在云南干旱地区地下水勘查中的应用[J].地下水.2012:34(2).