EH4高頻大地電磁法探明地下水埋深的應用

閆永峰

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 昌吉 831100)

1 概述

區域地下水環境調查中，常用的方法有水文地質鉆探和水文地質物探法，此外還有遙感技術等。水文地質鉆探方法是一種常用的、可靠的地下水調查方法，其特點是直觀、方法簡單，可進行取樣、各種壓水抽水等試驗，也可長期做觀測孔。水文地質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，且應用范圍廣。

學者們對EH4高頻大地電磁法的應用進行了大量研究。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用，預測隧洞施工可能存在的隧洞工程地質問題，為隧洞設計施工提供參考依據。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用分析，取得了良好的地質勘察效果，使得廠房外移得以實現，為設計方案優化和推動工程的快速、順利實施提供了有力保障?；式?、武斌等[10]在EH4高頻大地電磁測深法在公路隧道勘查中的應用，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地質資料。安鑫、鐘韜等分析EH4在水利工程勘察[11]、引調水勘察[12]、工程地質勘察[13]等的應用，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構面特征，探明6條活動斷層。

本文以阿克蘇博孜區塊地下水環境調查項目為例，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，進行實例分析探測結果，為類似工程提供依據。

2 工程概況

3 地球物理特征、工作方法技術與布置

3.1 地球物理特征

水文電法類勘探主要是依據地層介質的電性差異，確定基巖斷層地層含水性，從而達到尋找地下水的目的。據水文地質及物探資料，該測區地下水一般，地層含水條件較差。在測試的測區內覆蓋層主要巖性為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。根據地質條件、曲線形態、電性層的穩定性、連續性等綜合判定覆蓋層的層次，確定基底起伏及埋深，故地電斷面的形態能較客觀地反映深部地質特征。

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

3.2 工作方法技術

EH4高頻大地電磁法由發射系統、接收系統和控制系統三大部分組成。其中發射系統主要由發射天線、發射機和控制開關組成；接收系統主要由前置放大器(AFE)、電磁傳感器及附屬設備組成；控制系統主要由測站距離即收發距150～400 m之間，發射和接收保持同步(野外工作布置見圖1)，盡量避免周圍環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，適當減少信號的增益，避免信號溢出，同時適當延長測量時間和增加疊加次數。其次，當風動影響較大時，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

野外數據采集時，以測線方向為X軸，垂直測線方向為Y軸。本次勘探工作過程中，X、Y方向的電極距為50 m、收發距為220 m、230 m、240 m，工作頻率為10～100 KHz、疊加次數16次以上，記錄X、Y、Z3個文件。觀測數據當日傳輸到電腦，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，長7 800 m；2-2'剖面大致近北-南方向布設，長13 000 m。所有測試點距約為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，可確定介質的電阻率值。測試中采用天然場和人工場相結合的方法。人工場可控源是由發射系統構成，主要有發射天線、發射機和控制開關組成；發射天線采用正南正北方向布置。發射機一般距離測點150～400 m。測試點距視地層條件而定，發現有電阻率變化較大時加密測點一般為20 m，地層電阻無明顯變化時加大測試點距為50 m，電極距(20 m，20 m)，平行試驗記錄清晰，無畸變點，相位20°～80°之間，相干度大于0.5，原始記錄符合測試要求。測試結果符合《水利水電工程勘探規程 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算，計算出每個測點不同深度的電阻率，并轉換成文本文件，再用相關的作圖軟件成圖(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

資料處理有實時處理和后續處理兩種。本次數據處理采用的是后續處理，后續處理是野外工作結束后在室內完成的一項工作，一般包括兩個內容：一是在主機上對野外數據進行相關系數、濾波系數的調整或對時序資料(Y或V文件)進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，達到實用目的。另是在上述工作的基礎上，將最終處理后的結果文件(Z或W)拷貝到PC機上，進一步做定量解釋及二維反演處理，進行彩色成圖等。

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；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；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膠結的砂卵礫石反應。其中在D5-D6區域之間位置深度在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-地質推斷剖面示意

上述地電特征反映了以下地質情況：淺綠色-紅色區為Q2砂卵礫石、Q3-Q2砂卵礫石反映，淺綠色-藍色區為N2泥、砂、礫巖或Q1膠結的砂卵礫石反映。

物探地質推斷剖面圖綜合歸納如下：剖面總長為7 800 m，測點數8個。推測該剖面基巖埋深在47～515 m之間。因在D5-D6區域之間深度在47 m以下～249.6 m以下位置處推測為出現基巖隆現象，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；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膠結的砂卵礫石反應。

圖4 2-2'剖面視電阻率等值線-地質推斷剖面示意

上述地電特征反映了以下地質情況：青色-橙紅色區為Q3-Q2砂卵礫石反映，青色-藍色區為N2泥、砂、礫巖或Q1膠結的砂卵礫石反映。

物探地質推斷剖面圖綜合歸納如下：剖面總長為13 000 m，測點數12點。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膠結的砂卵礫石，視電阻率為100～300 Ω·m。

6 結語

第四系覆蓋層推測為由Q2砂卵礫石和Q3-Q2砂卵礫石構成。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區域位置出現基巖隆起現象，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，點距間隔較遠，造成精度偏低，建議剖面點距進行加密測量。區域地質和水文資料較少，建議多收集該地區比例較小精度較高的水文地質圖資料和水井鉆孔資料，結合物探測深成果對該勘察區域進行綜合較準確判定水位情況。由于物探存在多解性，建議使用鉆探水文孔進行驗證。