EH4高频大地电磁法探明地下水埋深的应用

闫永峰

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 昌吉 831100)

1 概述

区域地下水环境调查中，常用的方法有水文地质钻探和水文地质物探法，此外还有遥感技术等。水文地质钻探方法是一种常用的、可靠的地下水调查方法，其特点是直观、方法简单，可进行取样、各种压水抽水等试验，也可长期做观测孔。水文地质物探通常采用四极电测深法[1-3]、EH4高频大地电磁法[4-6]、瞬变电磁法[7]等。由于受地形、埋深等客观因素影响，EH4高频大地电磁法受地形影响较小、探测深度较深，且应用范围广。

学者们对EH4高频大地电磁法的应用进行了大量研究。高锡良、杨立中[8]在EH4大地电磁测深在马茨深埋长输水隧洞勘察中的应用，预测隧洞施工可能存在的隧洞工程地质问题，为隧洞设计施工提供参考依据。王杰、王志豪等[9]采用EH-4在巴基斯坦SK水电站前期勘察中的应用分析，取得了良好的地质勘察效果，使得厂房外移得以实现，为设计方案优化和推动工程的快速、顺利实施提供了有力保障。皇健、武斌等[10]在EH4高频大地电磁测深法在公路隧道勘查中的应用，初步查明岩性、断层破碎带、富水地段等位置，为下一步工程施工提供基础地质资料。安鑫、钟韬等分析EH4在水利工程勘察[11]、引调水勘察[12]、工程地质勘察[13]等的应用，获得了较好的勘察效果。李忠，吴中海等[14]利用EH4音频大地电磁测深仪探测巧家巨型古滑坡及其结构面特征，探明6条活动断层。

本文以阿克苏博孜区块地下水环境调查项目为例，采用EH4高频大地电磁法探明基岩埋深和地下水水位埋深情况。介绍了EH4高频大地电磁法工作方法与技术，进行实例分析探测结果，为类似工程提供依据。

2 工程概况

3 地球物理特征、工作方法技术与布置

3.1 地球物理特征

水文电法类勘探主要是依据地层介质的电性差异，确定基岩断层地层含水性，从而达到寻找地下水的目的。据水文地质及物探资料，该测区地下水一般，地层含水条件较差。在测试的测区内覆盖层主要岩性为Q2和Q3-Q2砂卵砾石，Q2砂卵砾石视电阻率(ρs)值一般在90～220 Ω·m之间；Q3-Q2砂卵砾石视电阻率(ρs)值一般在220～1 200 Ω·m之间；测区基岩为泥砂砾岩，泥砂砾岩泥砂岩视电阻率(ρs)值一般在20～300 Ω·m之间。覆盖层与基底电性差异较大。根据地质条件、曲线形态、电性层的稳定性、连续性等综合判定覆盖层的层次，确定基底起伏及埋深，故地电断面的形态能较客观地反映深部地质特征。

综上所述，EH4高频大地电磁测深法解决勘察区水文地质问题方法是可行的，存在其地球物理前提条件。

3.2 工作方法技术

EH4高频大地电磁法由发射系统、接收系统和控制系统三大部分组成。其中发射系统主要由发射天线、发射机和控制开关组成；接收系统主要由前置放大器(AFE)、电磁传感器及附属设备组成；控制系统主要由测站距离即收发距150～400 m之间，发射和接收保持同步(野外工作布置见图1)，尽量避免周围环境中的不利因素对测量的影响。首先，避免人工电场的影响，在无法避免的情况下，适当减少信号的增益，避免信号溢出，同时适当延长测量时间和增加叠加次数。其次，当风动影响较大时，将接收装置的电缆、探头等用土埋压，以保证信号不受干扰。再次，每一个测点要保证各个电极接地良好。

图1 EH4高频大地电磁测深法野外工作布置示意

野外数据采集时，以测线方向为X轴，垂直测线方向为Y轴。本次勘探工作过程中，X、Y方向的电极距为50 m、收发距为220 m、230 m、240 m，工作频率为10～100 KHz、叠加次数16次以上，记录X、Y、Z3个文件。观测数据当日传输到电脑，同时成图，并及时备份。

3.3 工作布置

EH4高频大地电磁法1-1'剖面沿大致由近西-东方向布设，长7 800 m；2-2'剖面大致近北-南方向布设，长13 000 m。所有测试点距约为60～150 m。

4 资料解释

EH4音频大地电磁测深法接受天然源和可控源的电磁波，通过测量相互正交的电场和磁场分量，可确定介质的电阻率值。测试中采用天然场和人工场相结合的方法。人工场可控源是由发射系统构成，主要有发射天线、发射机和控制开关组成；发射天线采用正南正北方向布置。发射机一般距离测点150～400 m。测试点距视地层条件而定，发现有电阻率变化较大时加密测点一般为20 m，地层电阻无明显变化时加大测试点距为50 m，电极距(20 m，20 m)，平行试验记录清晰，无畸变点，相位20°～80°之间，相干度大于0.5，原始记录符合测试要求。测试结果符合《水利水电工程勘探规程 第1部分：物探》(SL/T291.1-2021)的要求。EH4高频大地电磁测深法采用专用的软件计算，计算出每个测点不同深度的电阻率，并转换成文本文件，再用相关的作图软件成图(见图2)。

图2 EH4高频大地电磁测深法资料处理及成果解释示意

资料处理有实时处理和后续处理两种。本次数据处理采用的是后续处理，后续处理是野外工作结束后在室内完成的一项工作，一般包括两个内容：一是在主机上对野外数据进行相关系数、滤波系数的调整或对时序资料(Y或V文件)进行逐个挑选或剔除等重新处理。尽量降低影响因素，突出有用异常，达到实用目的。另是在上述工作的基础上，将最终处理后的结果文件(Z或W)拷贝到PC机上，进一步做定量解释及二维反演处理，进行彩色成图等。

5 测试成果分析

5.1 1-1'剖面测试成果

如图3所示，1-1'剖面等值线大致将剖面分成1～2个梯度带，D1～D5：深度47～174 m等值线相对密集，变化较大，视电阻率值在90～220 Ω·m之间，推测为Q2砂卵砾石反应；深度47以下至深度174 m以下等值线稀疏，变化较小，视电阻率值在20～80 Ω·m之间，推测为N2泥、砂、砾岩或Q1胶结的砂卵砾石；D5～D8：深度47 m～515 m等值线相对密集，变化较小，视电阻率值在220～1 200 Ω·m之间，推测为Q3-Q2砂卵砾石反应；深度47 m以下至515 m以下等值线相对稀疏，变化较大，视电阻率值在80～220 Ω·m之间，推测为N2泥、砂、砾岩或Q1胶结的砂卵砾石反应。其中在D5-D6区域之间位置深度在47 m以下～249.6 m以下推测为基岩隆起反映。

图3 1-1'剖面视电阻率等值线-地质推断剖面示意

上述地电特征反映了以下地质情况：浅绿色-红色区为Q2砂卵砾石、Q3-Q2砂卵砾石反映，浅绿色-蓝色区为N2泥、砂、砾岩或Q1胶结的砂卵砾石反映。

物探地质推断剖面图综合归纳如下：剖面总长为7 800 m，测点数8个。推测该剖面基岩埋深在47～515 m之间。因在D5-D6区域之间深度在47 m以下～249.6 m以下位置处推测为出现基岩隆现象，基岩隆起周围的地下水被阻隔了，D1-D4推测水位埋深在72.7～173.8 m之间，D6-D8推测水位埋深在241.9～272.3 m之间。

其中D1～D5第一电性层推测为Q2砂卵砾石，厚度为47～174 m，视电阻率为90～220 Ω·m；第二电性层推测为N2泥、砂、砾岩或Q1胶结的砂卵砾石，视电阻率为20～80 Ω·m；D5～D8第一电性层推测为Q3-Q2砂卵砾石，厚度为47～515 m，视电阻率为220～1 200 Ω·m；第二电性层推测为N2泥、砂、砾岩或Q1胶结的砂卵砾石，视电阻率为80～220 Ω·m。

5.2 2-2'剖面测试成果

如图4所示，2-2'剖面等值线大致将剖面分成2个梯度带，D1～D12：深度150.7～543.8 m等值线密集，变化较大，视电阻率值在300～1 100 Ω·m之间，推测为Q3-Q2砂卵砾石反应；深度150.7 m以下至深度543.8 m以下等值线相对稀疏，变化相对较小，视电阻率值在100～300 Ω·m之间，推测为N2泥、砂、砾岩或Q1胶结的砂卵砾石反应。

图4 2-2'剖面视电阻率等值线-地质推断剖面示意

上述地电特征反映了以下地质情况：青色-橙红色区为Q3-Q2砂卵砾石反映，青色-蓝色区为N2泥、砂、砾岩或Q1胶结的砂卵砾石反映。

物探地质推断剖面图综合归纳如下：剖面总长为13 000 m，测点数12点。推测该剖面基岩埋深在150.7～543.8 m之间，推测地下水位埋深在152.4～222.3 m。其中D1-D12第一电性层推测为Q3-Q2砂卵砾石，厚度为150.7～543.8 m，视电阻率为300～1 100 Ω·m；第二电性层推测为N2泥、砂、砾岩或Q1胶结的砂卵砾石，视电阻率为100～300 Ω·m。

6 结语

第四系覆盖层推测为由Q2砂卵砾石和Q3-Q2砂卵砾石构成。1-1'剖面推测覆盖层厚度在47～515 m；2-2'剖面推测覆盖层厚度在150.7～543.8 m。推测水位：因1-1'剖面D5～D6区域位置出现基岩隆起现象，将D4和D6周围的地下水阻隔，所以D1～D4水位线埋深推测在72.7～173.8 m，D6～D8水位线埋深推测在241.9～272.3 m，2-2'剖面水位线埋深推测在150.7～543.8 m。物探测试完成后，在1-1'剖面D7附近打一钻孔，水位在255 m，与物探推测水位基本一致。

由于物探勘测范围较大，点距间隔较远，造成精度偏低，建议剖面点距进行加密测量。区域地质和水文资料较少，建议多收集该地区比例较小精度较高的水文地质图资料和水井钻孔资料，结合物探测深成果对该勘察区域进行综合较准确判定水位情况。由于物探存在多解性，建议使用钻探水文孔进行验证。