EH4高頻大地電磁法探明地下水埋深的應(yīng)用

閆永峰

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100)

1 概述

區(qū)域地下水環(huán)境調(diào)查中，常用的方法有水文地質(zhì)鉆探和水文地質(zhì)物探法，此外還有遙感技術(shù)等。水文地質(zhì)鉆探方法是一種常用的、可靠的地下水調(diào)查方法，其特點(diǎn)是直觀、方法簡單，可進(jìn)行取樣、各種壓水抽水等試驗(yàn)，也可長期做觀測孔。水文地質(zhì)物探通常采用四極電測深法[1-3]、EH4高頻大地電磁法[4-6]、瞬變電磁法[7]等。由于受地形、埋深等客觀因素影響，EH4高頻大地電磁法受地形影響較小、探測深度較深，且應(yīng)用范圍廣。

學(xué)者們對EH4高頻大地電磁法的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究。高錫良、楊立中[8]在EH4大地電磁測深在馬茨深埋長輸水隧洞勘察中的應(yīng)用，預(yù)測隧洞施工可能存在的隧洞工程地質(zhì)問題，為隧洞設(shè)計(jì)施工提供參考依據(jù)。王杰、王志豪等[9]采用EH-4在巴基斯坦SK水電站前期勘察中的應(yīng)用分析，取得了良好的地質(zhì)勘察效果，使得廠房外移得以實(shí)現(xiàn)，為設(shè)計(jì)方案優(yōu)化和推動工程的快速、順利實(shí)施提供了有力保障?；式　⑽浔蟮萚10]在EH4高頻大地電磁測深法在公路隧道勘查中的應(yīng)用，初步查明巖性、斷層破碎帶、富水地段等位置，為下一步工程施工提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料。安鑫、鐘韜等分析EH4在水利工程勘察[11]、引調(diào)水勘察[12]、工程地質(zhì)勘察[13]等的應(yīng)用，獲得了較好的勘察效果。李忠，吳中海等[14]利用EH4音頻大地電磁測深儀探測巧家巨型古滑坡及其結(jié)構(gòu)面特征，探明6條活動斷層。

本文以阿克蘇博孜區(qū)塊地下水環(huán)境調(diào)查項(xiàng)目為例，采用EH4高頻大地電磁法探明基巖埋深和地下水水位埋深情況。介紹了EH4高頻大地電磁法工作方法與技術(shù)，進(jìn)行實(shí)例分析探測結(jié)果，為類似工程提供依據(jù)。

2 工程概況

3 地球物理特征、工作方法技術(shù)與布置

3.1 地球物理特征

水文電法類勘探主要是依據(jù)地層介質(zhì)的電性差異，確定基巖斷層地層含水性，從而達(dá)到尋找地下水的目的。據(jù)水文地質(zhì)及物探資料，該測區(qū)地下水一般，地層含水條件較差。在測試的測區(qū)內(nèi)覆蓋層主要巖性為Q2和Q3-Q2砂卵礫石，Q2砂卵礫石視電阻率(ρs)值一般在90～220 Ω·m之間；Q3-Q2砂卵礫石視電阻率(ρs)值一般在220～1 200 Ω·m之間；測區(qū)基巖為泥砂礫巖，泥砂礫巖泥砂巖視電阻率(ρs)值一般在20～300 Ω·m之間。覆蓋層與基底電性差異較大。根據(jù)地質(zhì)條件、曲線形態(tài)、電性層的穩(wěn)定性、連續(xù)性等綜合判定覆蓋層的層次，確定基底起伏及埋深，故地電斷面的形態(tài)能較客觀地反映深部地質(zhì)特征。

綜上所述，EH4高頻大地電磁測深法解決勘察區(qū)水文地質(zhì)問題方法是可行的，存在其地球物理前提條件。

3.2 工作方法技術(shù)

EH4高頻大地電磁法由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成。其中發(fā)射系統(tǒng)主要由發(fā)射天線、發(fā)射機(jī)和控制開關(guān)組成；接收系統(tǒng)主要由前置放大器(AFE)、電磁傳感器及附屬設(shè)備組成；控制系統(tǒng)主要由測站距離即收發(fā)距150～400 m之間，發(fā)射和接收保持同步(野外工作布置見圖1)，盡量避免周圍環(huán)境中的不利因素對測量的影響。首先，避免人工電場的影響，在無法避免的情況下，適當(dāng)減少信號的增益，避免信號溢出，同時適當(dāng)延長測量時間和增加疊加次數(shù)。其次，當(dāng)風(fēng)動影響較大時，將接收裝置的電纜、探頭等用土埋壓，以保證信號不受干擾。再次，每一個測點(diǎn)要保證各個電極接地良好。

圖1 EH4高頻大地電磁測深法野外工作布置示意

野外數(shù)據(jù)采集時，以測線方向?yàn)閄軸，垂直測線方向?yàn)閅軸。本次勘探工作過程中，X、Y方向的電極距為50 m、收發(fā)距為220 m、230 m、240 m，工作頻率為10～100 KHz、疊加次數(shù)16次以上，記錄X、Y、Z3個文件。觀測數(shù)據(jù)當(dāng)日傳輸?shù)诫娔X，同時成圖，并及時備份。

3.3 工作布置

EH4高頻大地電磁法1-1'剖面沿大致由近西-東方向布設(shè)，長7 800 m；2-2'剖面大致近北-南方向布設(shè)，長13 000 m。所有測試點(diǎn)距約為60～150 m。

4 資料解釋

EH4音頻大地電磁測深法接受天然源和可控源的電磁波，通過測量相互正交的電場和磁場分量，可確定介質(zhì)的電阻率值。測試中采用天然場和人工場相結(jié)合的方法。人工場可控源是由發(fā)射系統(tǒng)構(gòu)成，主要有發(fā)射天線、發(fā)射機(jī)和控制開關(guān)組成；發(fā)射天線采用正南正北方向布置。發(fā)射機(jī)一般距離測點(diǎn)150～400 m。測試點(diǎn)距視地層條件而定，發(fā)現(xiàn)有電阻率變化較大時加密測點(diǎn)一般為20 m，地層電阻無明顯變化時加大測試點(diǎn)距為50 m，電極距(20 m，20 m)，平行試驗(yàn)記錄清晰，無畸變點(diǎn)，相位20°～80°之間，相干度大于0.5，原始記錄符合測試要求。測試結(jié)果符合《水利水電工程勘探規(guī)程 第1部分：物探》(SL/T291.1-2021)的要求。EH4高頻大地電磁測深法采用專用的軟件計(jì)算，計(jì)算出每個測點(diǎn)不同深度的電阻率，并轉(zhuǎn)換成文本文件，再用相關(guān)的作圖軟件成圖(見圖2)。

圖2 EH4高頻大地電磁測深法資料處理及成果解釋示意

資料處理有實(shí)時處理和后續(xù)處理兩種。本次數(shù)據(jù)處理采用的是后續(xù)處理，后續(xù)處理是野外工作結(jié)束后在室內(nèi)完成的一項(xiàng)工作，一般包括兩個內(nèi)容：一是在主機(jī)上對野外數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)、濾波系數(shù)的調(diào)整或?qū)r序資料(Y或V文件)進(jìn)行逐個挑選或剔除等重新處理。盡量降低影響因素，突出有用異常，達(dá)到實(shí)用目的。另是在上述工作的基礎(chǔ)上，將最終處理后的結(jié)果文件(Z或W)拷貝到PC機(jī)上，進(jìn)一步做定量解釋及二維反演處理，進(jìn)行彩色成圖等。

5 測試成果分析

5.1 1-1'剖面測試成果

如圖3所示，1-1'剖面等值線大致將剖面分成1～2個梯度帶，D1～D5：深度47～174 m等值線相對密集，變化較大，視電阻率值在90～220 Ω·m之間，推測為Q2砂卵礫石反應(yīng)；深度47以下至深度174 m以下等值線稀疏，變化較小，視電阻率值在20～80 Ω·m之間，推測為N2泥、砂、礫巖或Q1膠結(jié)的砂卵礫石；D5～D8：深度47 m～515 m等值線相對密集，變化較小，視電阻率值在220～1 200 Ω·m之間，推測為Q3-Q2砂卵礫石反應(yīng)；深度47 m以下至515 m以下等值線相對稀疏，變化較大，視電阻率值在80～220 Ω·m之間，推測為N2泥、砂、礫巖或Q1膠結(jié)的砂卵礫石反應(yīng)。其中在D5-D6區(qū)域之間位置深度在47 m以下～249.6 m以下推測為基巖隆起反映。

圖3 1-1'剖面視電阻率等值線-地質(zhì)推斷剖面示意

上述地電特征反映了以下地質(zhì)情況：淺綠色-紅色區(qū)為Q2砂卵礫石、Q3-Q2砂卵礫石反映，淺綠色-藍(lán)色區(qū)為N2泥、砂、礫巖或Q1膠結(jié)的砂卵礫石反映。

物探地質(zhì)推斷剖面圖綜合歸納如下：剖面總長為7 800 m，測點(diǎn)數(shù)8個。推測該剖面基巖埋深在47～515 m之間。因在D5-D6區(qū)域之間深度在47 m以下～249.6 m以下位置處推測為出現(xiàn)基巖隆現(xiàn)象，基巖隆起周圍的地下水被阻隔了，D1-D4推測水位埋深在72.7～173.8 m之間，D6-D8推測水位埋深在241.9～272.3 m之間。

其中D1～D5第一電性層推測為Q2砂卵礫石，厚度為47～174 m，視電阻率為90～220 Ω·m；第二電性層推測為N2泥、砂、礫巖或Q1膠結(jié)的砂卵礫石，視電阻率為20～80 Ω·m；D5～D8第一電性層推測為Q3-Q2砂卵礫石，厚度為47～515 m，視電阻率為220～1 200 Ω·m；第二電性層推測為N2泥、砂、礫巖或Q1膠結(jié)的砂卵礫石，視電阻率為80～220 Ω·m。

5.2 2-2'剖面測試成果

如圖4所示，2-2'剖面等值線大致將剖面分成2個梯度帶，D1～D12：深度150.7～543.8 m等值線密集，變化較大，視電阻率值在300～1 100 Ω·m之間，推測為Q3-Q2砂卵礫石反應(yīng)；深度150.7 m以下至深度543.8 m以下等值線相對稀疏，變化相對較小，視電阻率值在100～300 Ω·m之間，推測為N2泥、砂、礫巖或Q1膠結(jié)的砂卵礫石反應(yīng)。

圖4 2-2'剖面視電阻率等值線-地質(zhì)推斷剖面示意

上述地電特征反映了以下地質(zhì)情況：青色-橙紅色區(qū)為Q3-Q2砂卵礫石反映，青色-藍(lán)色區(qū)為N2泥、砂、礫巖或Q1膠結(jié)的砂卵礫石反映。

物探地質(zhì)推斷剖面圖綜合歸納如下：剖面總長為13 000 m，測點(diǎn)數(shù)12點(diǎn)。推測該剖面基巖埋深在150.7～543.8 m之間，推測地下水位埋深在152.4～222.3 m。其中D1-D12第一電性層推測為Q3-Q2砂卵礫石，厚度為150.7～543.8 m，視電阻率為300～1 100 Ω·m；第二電性層推測為N2泥、砂、礫巖或Q1膠結(jié)的砂卵礫石，視電阻率為100～300 Ω·m。

6 結(jié)語

第四系覆蓋層推測為由Q2砂卵礫石和Q3-Q2砂卵礫石構(gòu)成。1-1'剖面推測覆蓋層厚度在47～515 m；2-2'剖面推測覆蓋層厚度在150.7～543.8 m。推測水位：因1-1'剖面D5～D6區(qū)域位置出現(xiàn)基巖隆起現(xiàn)象，將D4和D6周圍的地下水阻隔，所以D1～D4水位線埋深推測在72.7～173.8 m，D6～D8水位線埋深推測在241.9～272.3 m，2-2'剖面水位線埋深推測在150.7～543.8 m。物探測試完成后，在1-1'剖面D7附近打一鉆孔，水位在255 m，與物探推測水位基本一致。

由于物探勘測范圍較大，點(diǎn)距間隔較遠(yuǎn)，造成精度偏低，建議剖面點(diǎn)距進(jìn)行加密測量。區(qū)域地質(zhì)和水文資料較少，建議多收集該地區(qū)比例較小精度較高的水文地質(zhì)圖資料和水井鉆孔資料，結(jié)合物探測深成果對該勘察區(qū)域進(jìn)行綜合較準(zhǔn)確判定水位情況。由于物探存在多解性，建議使用鉆探水文孔進(jìn)行驗(yàn)證。