廣域電磁法在涉水區(qū)域的對比試驗(yàn)研究

徐聯(lián)澤, 鄒立帆, 柯 立, 李浩元, 華 杉, 劉紅衛(wèi),徐連三, 周 倩, 王富強(qiáng), 張麗榮

(1.湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 武漢 430051; 2.武漢地質(zhì)工程勘察院有限公司,湖北 武漢 430051;3.湖北省地?zé)崮苎芯客茝V中心,湖北 武漢 430051)

目前,水域物探方法主要有地震波、電法、電磁法等3類,其中使用較多的為高密度電阻率法[1]和水上地震反射波法、折射波法[2]等。廣域電磁法作為電磁法的一種,在涉水區(qū)域的應(yīng)用研究相對較少,還未提出較好的水域施工方法。在現(xiàn)有工作條件下,對于廣域電磁法作業(yè)工區(qū)中的涉水區(qū)域,多采取跨越、偏移等被動躲避手段布設(shè)測線,當(dāng)水域面積較大時(shí),會導(dǎo)致測線數(shù)據(jù)不連續(xù)、剖面大范圍缺失,對物探工作質(zhì)量影響極大。如果選擇直接將電極置于水中測量,其測量數(shù)據(jù)受低阻水體影響,會發(fā)生顯著的靜態(tài)偏移而失真[3]。

為探究提高涉水區(qū)域廣域電磁法應(yīng)用效果的方法,本文以武漢某涉水區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū),開展不同電極在不同布設(shè)方式下的對比試驗(yàn),分析水域環(huán)境(水深、水底基質(zhì)等)對數(shù)據(jù)采集的影響,提出測線布設(shè)、電極埋設(shè)的有效施工措施,為后續(xù)水域物探工作的開展提供參考和建議。

1 研究區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

研究區(qū)位于武漢市江夏區(qū)臨近魯湖區(qū)域(圖1)。大地構(gòu)造位于揚(yáng)子陸塊區(qū)下?lián)P子陸塊之鄂東南褶沖帶,該構(gòu)造單元以發(fā)育晚三疊世—侏羅紀(jì)前陸盆地為特征,下伏沉積蓋層發(fā)生擠壓褶皺和逆沖斷層,其后疊加了中生代巖漿巖和陸內(nèi)盆地[4]。各地層主要巖性及電性特征如下(表1):侏羅系(J)以砂巖、粉砂巖為主,呈低阻,電阻率一般為100～900 Ω·m,多<200 Ω·m,少量安山巖、流紋巖等巖漿巖的電阻率波動較大,一般為100～1 900 Ω·m;三疊系(T)—石炭系(C)以灰?guī)r、白云巖為主,呈高阻,電阻率一般為1 350～3 500 Ω·m,部分因泥質(zhì)含量較高,電阻率偏低,多<700 Ω·m;泥盆系(D)以砂巖為主,呈中低阻,電阻率一般為300～1 000 Ω·m;志留系(S)以砂巖、粉砂巖為主,呈低阻,電阻率一般為80～450 Ω·m,多<300 Ω·m;總體呈現(xiàn)低—高—低—高—低的5層電性層分布特征。

表1 研究區(qū)地層主要巖性及電阻率

圖1 研究區(qū)測線布置圖

因此研究區(qū)不同地層之間存在較大的電性差異,為應(yīng)用廣域電磁法進(jìn)行探測提供了良好的物性條件[5-6]。

2 廣域電磁法基本原理

廣域電磁法是何繼善院士基于可控源音頻大地電磁法(CSAMT)和磁偶源頻率測深法(MELOS)提出的一種新的電磁勘探方法,其繼承了CSAMT場源可控與MELOS“非遠(yuǎn)區(qū)”測量的優(yōu)點(diǎn),摒棄了MELOS法的校正辦法,保留了計(jì)算公式中的高次項(xiàng),能夠采用適合于全域的精確公式計(jì)算視電阻率。該方法利用E-Ex裝置測量較為實(shí)用的水平電偶極源產(chǎn)生的電場Ex[7]。均勻大地表面水平電偶極源產(chǎn)生的電磁沿x方向的分量表示為:

(1)

式中:ρs為視電阻率(Ω·m);f為供電頻率(Hz);Ex為沿場源方向電場(mV/km);Hy為場源方向磁場(nT)。

3 廣域電磁法在涉水區(qū)域的對比試驗(yàn)

本次試驗(yàn)地點(diǎn)位于研究區(qū)內(nèi)魯湖沿岸,最大水深約2 m,水體面積大,水面較為平靜,具有代表性。

本次試驗(yàn)在同一研究區(qū)分別設(shè)置陸域測量和水域測量,以陸域測量數(shù)據(jù)作為對照組,以水域測量數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)組。其中陸域測量采用銅電極直埋方式采集數(shù)據(jù);水域測量分別采用銅電極和不極化電極作為測量電極,采用直埋和護(hù)管保護(hù)兩種電極埋設(shè)方式,采用PVC護(hù)管和鋼護(hù)管兩種不同材質(zhì)護(hù)管對電極進(jìn)行保護(hù),采用不同深度來埋設(shè)電極。涉水區(qū)域測量電極的埋設(shè)方式如圖2所示。

圖2 涉水區(qū)域測量電極埋設(shè)方式示意圖

試驗(yàn)前,分別于M、N電極處插入2組PVC護(hù)管、2組鋼護(hù)管(照片1),每組護(hù)管插入深度不同;采用空氣錘將護(hù)管垂直打入水底,確保管內(nèi)、管外水體隔開;采用充電式抽水泵將護(hù)管內(nèi)部水抽干,并用洛陽鏟將管內(nèi)底部淤泥掏凈,確保護(hù)管內(nèi)部干燥。為檢驗(yàn)護(hù)管的隔水性,在進(jìn)行隔水處理后,將護(hù)管上方(露出水面的一頭)密封,防止露水、雨水等外界因素的影響,靜置24 h后,若管內(nèi)部均保持干燥,說明其隔水性良好。

照片1 現(xiàn)場布設(shè)測量電極的護(hù)管

本次試驗(yàn)使用湖南繼善高科技有限公司生產(chǎn)的JSGY-2型廣域電磁儀,該設(shè)備可測量12個(gè)頻組81個(gè)頻率(其中7頻組和3頻組、6頻組和2頻組、5頻組和1頻組各重疊了1個(gè)頻率)。本次試驗(yàn)選用1、3、4、5、6、7、9、11共8個(gè)頻組54個(gè)頻率,頻率范圍為8 192～3/256 Hz。場源電極AB的方位角為84.0°,極距為1.025 km,接地電阻為8 Ω,最大供電電流為80 A;測量電極MN的極距為50 m,接地電阻控制在500 Ω以下;收發(fā)距為12.55 km。

3.1 陸域與水域直埋測量數(shù)據(jù)對比

將一組銅電極按規(guī)范要求埋設(shè)于測點(diǎn)陸域位置(距測點(diǎn)水域位置約1 m),另一組銅電極直接埋入水中濕土層進(jìn)行測量。

將測量所得電場數(shù)據(jù)繪制成曲線(圖3)進(jìn)行對比,可以看出陸域測量曲線符合研究區(qū)低—高—低—高—低的電性層分布特征,而且在頻率降為0.1 Hz后,受進(jìn)場效應(yīng)影響,該曲線呈45°角上揚(yáng)。考慮到0.1 Hz以下頻段的測量數(shù)據(jù)失真,本次試驗(yàn)主要對比0.1 Hz以上頻段的測量曲線。

圖3 陸域與水域直埋測量曲線對比

由圖3還可以看出,在1 024 Hz以上高頻段,水域直埋測量曲線較為水平,該段數(shù)據(jù)的相對均方誤差為35.0%;在1 024～3 Hz中頻段,兩測量曲線形態(tài)十分相似,但水域直埋測量曲線存在約5～10 μV電場幅值差異,該段數(shù)據(jù)的相對均方誤差為55.4%;在3～0.5 Hz低頻段,兩測量曲線形態(tài)相同,該段數(shù)據(jù)的相對均方誤差為3.2%;在0.5～0.1 Hz低頻段,水域直埋測量曲線較陸域測量曲線高,該段數(shù)據(jù)的相對均方誤差為13.6%。總體上,水域直埋測量受影響較大的主要為8 192～3.5 Hz頻段,該段數(shù)據(jù)的相對均方誤差為51.6%(表2)。

表2 水域不同電極不同布設(shè)方式與陸域銅電極測量數(shù)據(jù)對比

該試驗(yàn)說明,將電極置于水中直埋于濕土層也能測得較為平滑的數(shù)據(jù)曲線,但中頻段靜態(tài)位移現(xiàn)象嚴(yán)重,實(shí)際應(yīng)用過程中不能真實(shí)反映地下地質(zhì)體的具體形態(tài)。

3.2 濕土層與干土層測量數(shù)據(jù)對比

研究區(qū)水域的水下土層從上往下可大致分為淤泥層、濕土層、干土層,其中淤泥層厚度約0.3～1 m,容易挖掘;濕土層厚度約0.5～1 m,較容易挖掘;干土層厚度>0.5 m,較難挖掘。本次試驗(yàn)將銅電極通過PVC護(hù)管隔水后,分別埋入濕土層與干土層進(jìn)行測量。

將測量所得電場數(shù)據(jù)繪制成曲線(圖4)進(jìn)行對比,可以看到在0.1 Hz以上有效頻段,電極埋入濕土層、干土層得到的測量曲線與陸域測量曲線重合度高,其測量數(shù)據(jù)的相對均方誤差分別為3.2%、3.4%(表2)。因此無論在濕土層,還是在干土層進(jìn)行測量,其測量數(shù)據(jù)均與陸域測量數(shù)據(jù)擬合度極高,考慮到日常施工難易程度,建議在濕土層測量即可。

圖4 陸域與水域不同土層測量曲線對比

3.3 PVC護(hù)管與鋼護(hù)管測量數(shù)據(jù)對比

由于護(hù)管距離測量電極很近,一定程度上會對測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響,因此本次試驗(yàn)分別采用鋼護(hù)管與PVC護(hù)管進(jìn)行隔水,將銅電極插入濕土層與干土層進(jìn)行測量。

將測量所得電場數(shù)據(jù)繪制成曲線(圖5)進(jìn)行對比,可以看出鋼護(hù)管保護(hù)的電極在濕土層中的測量曲線于3.5～0.25 Hz頻段出現(xiàn)較大波動,該段數(shù)據(jù)的相對均方誤差達(dá)到了63.7%,而其余頻段的測量曲線與陸域測量曲線較為吻合;鋼護(hù)管保護(hù)的電極在干土層中的測量曲線于6～0.1 Hz頻段出現(xiàn)較大波動,該段數(shù)據(jù)的相對均方誤差達(dá)到了52.2%,而其余頻段的測量曲線與陸域測量曲線同樣較為吻合。以上說明鋼護(hù)管由于其金屬材質(zhì)特性,對電磁信號存在一定屏蔽作用,尤其對3.5 Hz以下頻段的測量數(shù)據(jù)影響較大,不適合作為隔水護(hù)管。

圖5 陸域與水域不同材質(zhì)護(hù)管測量曲線對比

3.4 銅電極與不極化電極測量數(shù)據(jù)對比

廣域電磁儀生產(chǎn)廠家推薦日常應(yīng)用時(shí)使用配套的銅電極即可,但考慮到水下環(huán)境復(fù)雜,電極極差帶來的干擾可能會有所不同,所以本次試驗(yàn)選用大地電磁法常用的不極化電極作為測量電極進(jìn)行對比,該不極化電極的極差在2 mV以下。本次試驗(yàn)通過PVC護(hù)管隔水,將銅電極與不極化電極埋入濕土層內(nèi)進(jìn)行測量。

將測量所得電場數(shù)據(jù)繪制成曲線(圖6)進(jìn)行對比,可以看出PVC護(hù)管保護(hù)的不極化電極在濕土層中的測量曲線于8 192～3 072、0.375～0.1 Hz頻段與陸域銅電極測量曲線存在差異,該段數(shù)據(jù)的相對均方誤差達(dá)到了78.0%(表2);而曲線其余部分與陸域銅電極測量曲線基本重合。因此在實(shí)際使用過程中,銅電極與不極化電極可相互代替,但為保證測量一致性,建議同一工區(qū)統(tǒng)一使用同一種電極。

圖6 陸域與水域不同電極測量曲線對比

4 討論

本文開展了廣域電磁法對比試驗(yàn),將銅電極在陸域測量的電場數(shù)據(jù)作為對照組,將同一測點(diǎn)涉水區(qū)域采用不同電極不同布設(shè)方式測量的電場數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)組,通過曲線對比、相對均方誤差計(jì)算等,評估了試驗(yàn)組測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過試驗(yàn),得到如下幾點(diǎn)認(rèn)識:

(1) 水域銅電極直埋方式所測電場數(shù)據(jù)在整體上能反映地下各地層的電性差別,但在3 Hz以上頻段存在明顯靜態(tài)位移,電場幅值較實(shí)際偏小。

(2) 鋼護(hù)管由于其金屬材質(zhì)特性,對電磁信號屏蔽作用較強(qiáng),尤其是3.5～0.25 Hz頻段,不宜作為水域探測的隔水護(hù)管;PVC材料對電磁信號無屏蔽作用,且重量輕、耐腐蝕,是較好的隔水護(hù)管選擇。

(3) 淤泥層以下濕土層或干土層均能測得較好的電場數(shù)據(jù),在實(shí)際工作中,將護(hù)管打入濕土層即可。

(4) 銅電極與不極化電極可相互代替使用,但為了保證同一工區(qū)測量的一致性,建議統(tǒng)一使用同一種電極。

(5) 受工期及作業(yè)環(huán)境限制,本次試驗(yàn)所布置的對比測線為一條近岸淺水區(qū)測線,對于實(shí)際工作中可能會遇見的較深水域尚未開展相關(guān)試驗(yàn)。考慮到水域?qū)y量電極的影響主要體現(xiàn)在當(dāng)電極與導(dǎo)電水體直接接觸時(shí),會導(dǎo)致其所測電位產(chǎn)生靜態(tài)位移,而本次試驗(yàn)證明,當(dāng)采用PVC護(hù)管隔水后,導(dǎo)電水體不再對所測電位產(chǎn)生影響,因此筆者認(rèn)為只要保證護(hù)管隔水效果好,即護(hù)管內(nèi)無積水且已埋入濕土層,就可以排除導(dǎo)電水體的影響。廣域電磁法遠(yuǎn)水施工較近水施工難度大,需要使用船只運(yùn)送PVC護(hù)管并在船上施工,施工時(shí)應(yīng)保證船體穩(wěn)定;而在中等水深區(qū)域,可采用長桿固定方式。當(dāng)然,在實(shí)際施工中可能會出現(xiàn)各類無法預(yù)估的影響因素,所以遠(yuǎn)水施工的可操作性還需后續(xù)進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)來論證。

5 結(jié)論

應(yīng)用廣域電磁法進(jìn)行地?zé)豳Y源勘查時(shí),工區(qū)可能有水域覆蓋,此時(shí)建議采用與陸域測量相同的電極,使用PVC護(hù)管加強(qiáng)隔水,將電極埋入水下濕土層,可以測出符合實(shí)際的電場數(shù)據(jù)。

致謝：感謝湖北省地質(zhì)局武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)、湖北省地?zé)崮苎芯客茝V中心、課題組成員及有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、專家對本項(xiàng)目的支持、指導(dǎo)!