EH-4在尼日尔沙漠地区找水中的应用

朱文科

(安徽省地质矿产勘查局312地质队，安徽 蚌埠 233040)



EH-4在尼日尔沙漠地区找水中的应用

朱文科

(安徽省地质矿产勘查局312地质队，安徽 蚌埠 233040)

在沙漠地区找水，首先需要对工区地电特征有全面的了解，传统物探的做法是通过电阻率测深了解地层的地电特征，对于测量面积较大的工区，点阵式布设测深点才能全面掌握工区地电特征，由于沙漠地区地表干燥，电极接地困难，每个电极接地都需要提前挖好电极坑并浇盐水，这使得测深工作效率降低，劳动强度增大，工期时间长，已不能满足项目需求。 利用EH-4点阵式电磁测深取代传统电法勘探，能够客观反映出地下各个深度的地电断面特征，且该方法工作效率高、劳动强度小、工期时间短，是沙漠地区物探找水的一种有效方法。

EH-4；大地电磁测深；沙漠地区；找水

(Geological Party 312, Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province,Bengbu Anhui 233040, China)

1　引　言

受中国地质工程集团公司(非洲分公司)委托，安徽省环境监测总站联合安徽省地矿局312地质队负责尼日尔津德尔市城市供水项目水源地前期勘察任务。该项目物探勘察面积约100km2,勘察周期三个月。在非洲沙漠地区找水，用传统电法进行电阻率测深工作时，在测点不动的情况下按一定比例逐渐加大供电极距进行视电阻率测量[1，2]，受到地形和地表接地条件限制，大极距测量比较困难。

EH-4电导率成像系统是由美国WMI和Geometrics公司联合生产。该系统是一种高效的声频大地电磁测深方法，配合人工电磁场，弥补了天然电磁场高频信号能量的不足[3，4]。整套设备体积小，质量轻，携带方便，数据采集时间短，精度高，使得EH-4电磁测深被广泛应用于地质灾害调查、资源勘察及地下水勘察，并取得了较好的应用效果[5，6]。通过综合考虑工区勘探面积及勘探周期等因素，项目组最后决定利用EH-4电磁测深代替传统电测深，对工区地电特征进行面积性勘探。

2　EH-4工作原理

EH-4电磁成像系统是一种同时使用天然场源和人工场源信号的频率域电磁观测系统。深部构造通过天然场源成像，其信号源为10Hz～1kHz。浅部构造则通过一个新型的便携式低功率发射器发射1～100kHz的人工电磁信号，补偿天然信号的不足，从而获得高分辨率的成像。EH-4电磁成像系统可以穿透地下不同深度的覆盖层，测量深度最大达到地下1 000m，连续的测深点阵可以形成地下二维电阻率剖面，甚至三维电阻率成像。在地形地貌复杂地区能够快速高效地完成地质勘察任务。

根据电磁学理论，当电磁波垂直入射到均匀各项同性介质时，通过测量相互垂直正交的电磁场分量Ex、Ey、Hx、Hy及频率f，可确定介质的电阻率。其计算公式如下：

(1)

若介质非均匀，则计算所得电阻率为视电阻率，计算公式如下：

(2-1)

(2-2)

式中，ρ为卡尼亚视电阻率(Ω·m)；E为电场强度(mV/km)；H为磁场强度(nT)；f为频率(Hz)。电磁场在大地中传播时，其振幅衰减到初值1/e时的深度，称为趋肤深度δ。

(3)

式中，ω为角频率，ω=2πf；σ为电导率；μ为磁导率。

实际地层多为非均匀介质，结合公式(2)、(3)，视电阻率值为地层固有电性参数，其数值可认为是常量，趋肤深度(δ)与频率成反比，频率越高趋肤深度越小，频率越低趋肤深度越大。由此得出频率较高的数据反映浅部地层的电性特征，频率较低的数据反映深部地层的电性特征。

3　工作方法技术

根据岩石空隙类型及发育规律，可以把地层含水层分为空隙含水层、裂隙含水层或带、岩溶含水系统3种类型[7，8]。花岗岩地区地下水主要为裂隙含水带和空隙含水层，裂隙含水带和空隙含水层与围岩相比，视电阻率值较低。利用EH-4电磁测深进行连续点阵测量，可以得到地下二维电阻率剖面，根据剖面图中电阻率变化趋势找到裂隙含水带和空隙含水层。

3.1开工平行实验

在野外数据采集前，需做开工平行实验，检测仪器和探头是否正常，将两个磁棒相距5m平行埋于地下，两个电偶极子也平行布设，观测仪器的时间序列信号，如果两个对应通道的波形形态和强度基本一致，则说明仪器和探头正常。

3.2电极与探头布设

野外测量规定测线方向为x轴，垂直测线方向为y轴，在测点上沿x、y轴布置两组相互垂直的电极和磁探头，采用“+”字型方式布极。测点的电极距可根据地形条件布设，一般为8～20m，布极时Ex平行测线，Ey垂直测线；磁棒离前置放大器应大于5m，Hx平行测线，Hy垂直测线布设，为了消除人文干扰，两个磁棒均需埋于地下5cm处且用土覆盖。使用水平仪定向，使得磁棒相互垂直的误差控制在±2°，且保持水平。测量期间若有汽车经过，则观测的电磁信号会出现畸形，需对该点重复进行观测。

3.3数据采集与处理

EH-4采用单点标量测量模式，进行三个阶段的全频率采集，电道、磁道增量模式及数据叠加次数可根据接受信号强弱进行调整。工频滤波选择50Hz。有明显电磁干扰信号可直接剔除，没有剔除的干扰在电阻率成图过程中直接删除个别跳跃太大的频点[9]。

对采集的时间序列数据首先进行预处理，利用傅立叶变换转换为频率域信号，得到电磁场频率域的实分量和虚分量，然后计算各频带的视电阻率，电场、磁场的振幅，相位差及相干度等信息，并进行一维Bostic反演。室内资料处理中采用Robust估计方法处理时间序列资料，以压制不相关噪声的影响，得到高质量的张量阻抗元素。圆滑因子可根据地形条件选择，范围在0.05～10之间，地形越陡圆滑系数越小，反之亦然。利用EH-4自带二维成像软件进行快速自动成像。对于连续的点阵EH-4测深点，可将各个测深点同一深度的视电阻率绘制成等值线平面图，直观了解工区地电特征。

4　应用实例

4.1勘察区地质概况

工区位于撒哈拉沙漠南缘，地形起伏较小，地表多为小沙丘和戈壁滩，沙丘间可见各种类型洼地，总趋势为北西部高海拔，南东部低海拔。

工区地质结构简单，自下而上可以划分为三层。底部为前寒武系结晶基底，以古老的花岗岩和少量变质岩为主，津德尔市区附近有少量露头。中部为白垩系碎屑岩，以砂岩、泥岩及砾岩为主，主要分布在断陷盆地内，依据岩性可划分为上下两段，下段为Tegama群Echkar组，岩性以砂岩、砾岩为主，为富水区地层，上段为森诺曼阶Farka组，岩性以红色泥质砂岩为主，即红层。上部为第四系覆盖，以薄砂层和砂质黏土层为主[10]。

区内构造简单，区域性大断裂为一组北东向断裂，延伸达到100km，且断距较大，该断裂控制着断陷盆地的范围及白垩系Tegama群Echkar组的分布。次生断裂为一组北西向断裂，规模小且切割北东向大断裂。两组断裂在空间上成90°交错，断裂交错的节点为白垩系地层空隙水和构造裂隙水的富水区。

4.2物探工作布置

根据北东向断裂的走向，本次物探工作设计北西向平行勘探线9条，进行EH-4连续点阵电磁测深，网度为300m×2 000m，测线布置见图1。

布极方式采用“+”字型，每两个电极组成一个电偶极子，分别沿平行测线方向及垂直测线方向布置一对电偶极子，电道测量方位角Ex、Ey分别为327°和147°，磁道测量方位角Hx、Hy分别为57°和237°，电极距20m，两个磁棒对应电极方向平行布设。为避免近场干扰，选定发送装置距测点300m布设。

图1　工程布置Fig.1　The arrangement plan of the project

4.3资料处理与解释

工区地质结构简单，花岗岩基底与砂岩及砾岩层视电阻率值差异较大，花岗岩基底视电阻率为80Ω·m左右，砂岩及砾岩层视电阻率相对较低，利用视电阻率差异可以查明花岗岩基底起伏，从而找出基底较深的断裂带。如图2所示，钻孔资料揭示区内分为四个地质层：第一层为第四系中、细砂松散层，厚度为5～45m，位于静水位线以上；第二层为砾岩含水层，厚度10～50m，构造断陷处层位较厚，为良好的储水层位；第三层白垩系碎屑岩(红层)，厚度20～200m，该岩层孔隙度小，含水量较差；第四层为砾岩含水层，厚度80～350m，是良好储水层。通过电阻率断面分析得出180线250～370点为北东向主构造。

EH-4电磁测深连续点阵测量结束，利用差值法将每个测深点-300m处视电阻率计算出来。形成视电阻率等值线平面图(图3)，图中清晰地反映出北东向主构造F1及北西向次生构造F2。

图2　180线视电阻率剖面及地质解释断面Fig.2　The apparent resistivity section and geological interpretation of line 180

图3　津德尔Bakin Birji水源地EH-4测深-300 m视电阻率等值线平面Fig.3　The contour plan about apparent resistivity of EH-4 electromagnetic sounding at -300 meters in the water source in BakinBirji, Zinder

通过对地下200m、300m、400m进行视电阻率等值线绘制，视电阻率较低区域在每个深度分布范围不同，地下200m视电阻率值大部小于80Ω·m，说明地下200m大部处于基岩面以上；地下300m有一条北东向的视电阻率低值带，视电阻率值小于80Ω·m，说明该低值带处于基岩面以上，其余部分为视电阻率值大于80Ω·m的黄色区域，可视为基岩区。地下400m是以视电阻率值大于100Ω·m的红色区域为主，说明地下400m基本是基岩区。通过这种视电阻率切片图，可以清晰地反映出花岗岩基底起伏情况，从而更好地选择富水区位置。如图4所示。

图4　津德尔Bakin Birji水源地EH-4测深不同深度视电阻率切片Fig.4　The slice figure of apparent resistivity at different depths of EH-4 electromagnetic sounding in the water source in BakinBirji, Zinder

5　结　语

通过EH-4点阵式电磁测深工作，发现工区内北东向主断裂F1和北西向次生断裂F2，在180线370点和180线430点为两个观测孔，两处钻孔均位于F1断层附近，钻孔资料验证了F1主断裂，且两口观测井出水量均符合工程设计要求。由此得出利用点阵式电磁测深进行面积性测量，能够快速有效地掌握工区地电特征。

EH-4进行连续点阵电磁测深存在的缺陷：电磁测深单点的垂向电阻率值是随机深度值，某些深度信号强，观测值就多些，某些深度信号弱，观测值就少些甚至缺失。对于某一深度缺失的视电阻率值，画电阻率平面等值线图时，需要根据该点缺失值层位上、下的视电阻率值进行插值计算得出。所以缺失的视电阻率值是间接计算得出的，因此建议通过综合物探的方法勘察，以更准确地掌握工区地电特征。

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The Application of EH-4 to Water Exploration in Desert Area in Niger

Zhu Wenke

Asitisquitedryonthesurfaceindesertarea,lookingforwaterbyconventionalelectricalmethodiseffectedbygroundingelectrode,soitisverydifficultinmeasurement.UsingEH-4electromagneticsoundingreplacesconventionalelectricalprospectingismoreeconomicalandeffective.ThedotofEH-4electromagneticsoundingmeasurementcanobjectivelyreflectsthecharacteristicsofthegeoelectricsectionaboutvariousdepthsunderground,thusprovidingthegeophysicalbasisfordeterminingthelocationofthewater-richregion.

EH-4;magnetotelluricsounding;desertarea;waterexploration

1672—7940(2016)03—0299—05

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.03.008

朱文科(1985-)，男，助理工程师，主要从事地球物理勘探工作。E-mail:897629425@qq.com

P631.3

A

2016-02-27