EH-4大地电磁技术在西藏拉洛水利枢纽中的应用★

肖长伟 岳彩芹 马玉福,2

(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)

·水利工程·

EH-4大地电磁技术在西藏拉洛水利枢纽中的应用★

肖长伟1岳彩芹1马玉福1,2

(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)

在介绍EH-4大地电磁技术的原理、工作方法和资料处理技术的同时，将该测试技术应用于西藏地区拉洛水利枢纽工程深厚覆盖层现场探测中，获得了较高质量的连续面电阻率测试结果，可为该水利枢纽工程的工程地质勘察提供较为详细的地质资料。

EH-4大地电磁技术，深覆盖层，水利工程地质勘探，应用效果

0 引言

EH-4大地电磁技术是美国Geometrics公司和EMI公司联合研制的电磁探测系统，也称连续电导率剖面仪、大地电磁测量仪和电导率成像系统等，是全新概念的电导率准张量测量仪。它依靠其先进的电磁数据自动采集和处理技术，将CSAMT(Controlled Source Audio-frequency Magneto-tellutric)和MT(Magneto-tell)有机结合在一起，实现了天然信号源与人工信号源信号的采集和处理，既具有较好的稳定性又具有灵活适应性。目前，该系统已被广泛应用于工程物探中，有较好的应用前景。

EH-4大地电磁技术有别于采用频率域采集信号的可控源音频大地电磁技术，它是主要依靠天然场源采集信号的时间域大地电磁技术。基于测线连续单点测量布置，可灵活地应用于各种不利地形，并可进行弯曲测线的测量。由于其主要依靠天然场源时间域采集信号，信号成分的丰富性为测试提供了足够多的频点数据，避免了一系列由于场源所产生的效应，同时也降低了数据处理与分析解译的难度[1]。

地质钻探获取详细的地质信息是前期工程勘察的重要技术手段，但由于地质钻探位置选择及钻孔深度具有一定的人为干扰性，且无法获得连续面上的地质信息，故而在探明重大工程的地质信息方面具有一定的局限性，且存在钻探成本高、工期长等问题。西藏地区的深厚覆盖层由于冰川运动及其他地质构造活动等因素影响，导致覆盖层中存在大量的孤石，使得钻探工作难度大，且易于导致钻至基岩即结束的迷糊性。此外，对于具有一定地质缺陷部位(如溶洞、土洞等)难以较为有效的勘明，而此系统可以获得连续面上的地质信息，通过测试结果解析获得不良地质构造位置，后期加密钻探工作，可有效避免了这一潜在问题。基于这一认识，将此方法应用于西藏地区拉洛水利工程地质勘察和水利设施周边勘察工作中，以解决深厚覆盖层、溶洞等探测的技术难题和各类安全隐患，可为水利工程设计提供更加丰富的基础资料。

1 工作原理

EH-4大地电磁技术使用天然场源和人工场源进行频域电磁观测，主要通过电阻率的变化来解译地下构造情况。深部构造的探测采用天然场源，其接收频率范围为10 kHz～100 kHz，浅部构造的探测则需要一个新型的便携式低功率发射器发射1 kHz～10 kHz的人工电磁信号来弥补天然信号的不足，以获得高分辨率的成像。假设大地为水平介质，平面电磁波垂直投射到地下形成大地电磁场，在地面上可观测到x,y方向相互正交的电场分量(Ex，Ey)和磁场分量(Hx，Hy)。通过同时观测相互正交的电场分量和磁场分量，可确定地下介质的电阻率。即阻抗为电场分量与磁场分量之比：

(1)

(2)

其中，f为频率，Hz；ρ为电阻率，Ω·m。计算的ρ值称为视电阻率值，因为地下介质的不均匀性。探测深度理论上为趋肤深度δ(单位：m)：

(3)

表面阻抗对于一般地层而言是空间坐标的函数，通过含四元素张量进行描述，每个元素与大地电磁场的正交分量存在如下的关系：

(4)

EH-4大地电磁技术通过同时观测x，y方向互相正交的电场分量和磁场分量，计算出阻抗张量，从而计算视电阻率，以此来分辨地下异常体，获得地下目标体的地质构造和埋深情况[2，3,8]。

2 野外工作方法

2.1 观测点的布置

所测中心点用手持式GPS进行定位，电极和磁棒角度及水平的控制用罗盘进行测量，皮尺进行电极距的测量和布设。

2.2 平行试验

测试工作开展之前一定要进行平行试验，以检测仪器工作的正常性。在测线的布置上，两个磁棒平行放在地面上，相隔5 m远，且两个电偶极子也平行布置于地面上。同时观测电场和磁场通道的时间序列信号，当两个通道的波形形态和强度均基本一致时，说明仪器工作正常。

2.3 电机布置

通常情况下，EH-4测试工作一般采用四个电极，每两个电极组成一个电偶极子，与测线方向一致的电偶极子叫做X-Dipole，与测线方向垂直的电偶极子叫做Y-Dipole，其长度为8 m～20 m不等。为了便于对比监视电场信号，一般采用相等的电极距。为了保证X-Dipole电偶极子与Y-Dipole电偶极子相互正交，使用罗盘仪进行精确定向，误差小于±0.5°；电偶极子的长度用测绳测量，误差小于±0.5 m。EH-4工作示意图如图1所示。

2.4 磁棒布置

磁棒距离前置放大器至少5 m远，用罗盘仪和水平尺使Hx,Hy两磁棒相互垂直且水平，误差小于±2°。为了避免人为因素的干扰，两个磁棒要埋入地下至少5 cm深且保证其平稳，所有测试人员离开磁棒至少5 m远，磁棒的布置尽量远离房屋、电缆、大树等。

2.5 AFE(前置放大器)布置

电、磁道前置放大器放在两个电偶极子的中心点上，AFE应先接地，且离磁棒至少5 m远，以避免其因相互信号干扰而损坏。

2.6 主机布置

主机要水平放置，离AFE(前置放大器)至少5 m远，且保证操作员能看到AFE和磁棒。

2.7 发射机的布置

发射机与接收机的距离至少要为3倍的趋肤深度，最理想距离为不小于6倍的趋肤深度[4，5]。

3 资料处理和分析解释

3.1 资料处理

首先，对EH-4测试野外采集的时间序列数据进行预处理。其次，在测试现场或室内进行FFT变换(傅里叶变换)，获得电场和磁场虚实分量和相位数据，并利用该系统兼有的数据处理功能对所有测点进行编辑，根据规范和实践经验，舍弃畸变或低质量的频点数据，保留高质量的频点数据。然后进行一维反演和地形校正，并在一维反演的基础上进行二维反演成像。最后使用Surfer软件绘制出电阻率等值线图[6]。

3.2 解释方法

EH-4大地电磁技术勘探以地下介质的电性差异为基础，不同岩性的地层具有不同的电阻率。岩石电阻率高低与岩性、孔隙度、孔隙充填物的性质、含水性和断裂、破碎等引起的地层结构变化相关。此外，岩石的电阻率还与地层结构、成分、岩石颗粒的大小、密度以及地下水含量等因素相关。可根据反演断面图电性特征的分布情况，推断解释地下目标体的埋深、形态及分布规律等。

在断面上，若某处视电阻率等值线密集或横向斜率突变，说明不同地质体分布于该处两侧，且该处往往是不同电性地质层的分界处或断裂带。若某区域低电阻显示区范围广且视电阻率值过低，则该区域很可能为断裂破碎严重区。在资料分析和解译过程中，主要是根据电阻率值变化及电阻率等值线的形态等综合因素来判别异常区[7,8]。

4 应用实例

4.1 拉洛水利枢纽工程概况

拉洛水利枢纽工程是雅江右岸一级支流夏布曲干流上的控制性水利枢纽工程，它位于日喀则地区萨迦县境内，总投资43亿元。该工程包括“一个大坝、两个水电站、三个隧洞和四个灌区”，配套工程主要包括1条总干渠、8条分干渠，总干渠长39.6 km，分干渠总长115.3 km，可为申格孜、扯休、曲美和聂日雄四大灌区提供充足的水源保障。拉洛水利枢纽工程规划建设的水库库容为3.55亿m3，每年可向四大灌区提供1.76亿m3水量，并规划建设总装机容量为4.84万kW、年发电量达1.64亿度的拉洛、德罗两座电站。

4.2 地形地质概况及地球物理特征

4.2.1 地貌概况

干渠沿线总体呈山脊与谷地(盆地)相间分布地貌。山体延伸方向多与构造线展布方向一致，以中—高山为主，总体走向近东西向，高程4 500 m～5 000 m左右，山顶一般较宽，地形较起伏，两侧斜坡地形较陡，坡度多为25°～35°，局部形成陡崖，坡脚处普遍较缓，地形坡度一般为10°～20°。区内断陷盆地或侵蚀谷地自南往北分别分布较大的盆(谷)地有申格孜盆(谷)地、扯休—曲美盆(谷)地及雅鲁藏布江断陷侵蚀谷地(聂日雄谷地)，谷地内地形平缓。各灌区、分干渠及总干渠分别布置于盆地(灌区)周边坡脚地带，大小冲沟、残丘等侵蚀地貌发育。渠线主要物理地质现象为岩石风化、冻融、泥石流。

4.2.2 地质概况

测区内地层由新到老依次出露有：第四系冲洪积、洪积、洪坡积、崩坡积、残坡积、坡积、崩积；第三系古～始新统柳区群紫红色、灰黄色、黄绿色薄～厚层状复成分砾岩、砂砾岩、岩屑石英砂岩、泥质粉砂岩、粘土岩，第三系中—渐新统大竹卡组紫红色含泥钙质粉砂岩、浅灰绿色页岩与中层状细粒长石石英砂岩互层；白垩系上统昂仁组灰黄、深灰色粉砂质页岩、薄层细粒长石砂岩；侏罗系上统维美组灰、灰白色中厚层～巨厚层石英砂岩夹灰黄、灰黑色粉砂质页岩，侏罗系中统遮拉组深灰色、灰色钙质页岩，侏罗系下统日当组黑色页岩、灰色钙质页岩。

4.2.3 地球物理特征

测区内地形高差相对较小，起伏不大。测区上伏地层主要为第四系覆盖层，覆盖层电阻率约为30 Ω·m～100 Ω·m，电阻率相对较低，而完整岩石电阻率相对较高，且含水或泥土充填的断层或破碎带表现为低阻，它们之间存在明显的电性差异。因此，为该工区开展EH-4大地电磁技术勘探提供了可靠的地球物理前提。

4.3 测试成果

现场物探工作完成测线长度2 000 m，测点间距50 m，测点41个，其电阻率分布云图如图2所示。

由图2可知，拉洛水利枢纽工程中刚坚寺干渠测试区电阻率在0 m～400 m范围内分布较为平缓，其中浅表部范围内(150 m～200 m)具有一定的浅层地下水存在。400 m～1 000 m范围内具有相对隔水层，其中测线西部范围在地表以下1 000 m范围外具有一定的地下水，分析为地下构造的存在，具有一定的承压水。在测线1 800 m～2 000 m相同部位亦具有这一现象。在整个2 000 m测线范围内，测线长度方向200 m,1 000 m及1 800 m具有电阻率等值线密集带存在现象，表明该部位为地层电性变化位置，即可初步判定为地层或构造变化部位。0 m～400 m范围内无电阻率等值线密集带或横向斜率突变带，即无明显地层变化现象存在，可初步判定第四系地层与风化岩层在电性上差别较小。

5 结语

采用EH-4大地电磁技术在西藏地区水利枢纽工程探测中取得了较好的勘探效果，可宏观上把握一定范围内的面上地质信息，所提供的解译结果可为水利工程建设提供较为详尽的基础资料。结合区域地质情况、后期地质钻孔局部加密工作，可较好的定位不良地质体部位及类型，特别是在深厚覆盖层和溶洞等探测方面效果尤为明显。通过该方法的实施，可在一定程度上解决西藏高原地区钻探难度大、效率低等问题。

[1] 董 晨,张吉振.EH-4大地电磁技术的适用及应用效果[J].铁道建筑技术,2008(S1):528-529.

[2] 贾红伟.EH-4大地电磁技术的原理及其在工程物探中的应用[J].科技信息,2009(26):498-499.

[3] 倪芬明,刘泰生.EH-4电磁仪的原理及应用[J].石油仪器,1999,13(1):32-34.

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

[5] 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):476-477.

[6] 何中江.EH-4在不良地质体勘查中的应用[J].科技风,2012(11):105.

[7] 胡卫群,王建军.EH-4电磁测深法在隧道断层勘察中的应用[J].公路工程,2012,37(5):192-193.

[8] 王玉和,王厚臣,程久龙,等.EH-4电磁方法在断层定位及导水性探测中的应用[J].山东科技大学学报,2010,29(4):37-38.

The application of EH-4 earth electromagnetic technology in Los water conservancy hub project in Tibet★

Xiao Changwei1Yue Caiqin1Ma Yufu1,2

(1.TibetHydropowerPlanningandDesignInstitute,Lhasa850000,China;2.KeyLaboratoryofIceLakeDisastersandWaterResourcesinTibet,Lhasa850000,China)

This paper introduced the principle, working method and processing technology of data of EH-4 earth electromagnetic technology, the testing technology was applied to the field detection of deep overburden of Los water conservancy project in Tibet, achieved the higher quality of continuous surface resistivity test results, can provide detailed geological data for the water conservancy engineering geological survey.

EH-4 earth electromagnetic technology， deep overburden， water conservancy engineering geology exploration， application effect

2014-11-20 ★:水利部“948”项目(项目编号：201323);中国水利水电科学研究院科研专项(岩基本科研1411)

肖长伟(1965- )，男，硕士，工程师； 岳彩芹(1974- )，女，经济师； 马玉福(1992- )，男，助理工程师

1009-6825(2015)04-0224-03

P641

A