Stratagem_TM_EH_4电导率成像系统简介及应用

St rat a gem TM E H - 4 电导率
成像系统简介及应用
郭建强 武 毅 邵汝君 曹福祥
(原地矿部水文方法研究所 ,保定 071051)
摘 要 EH- 4 电导率成像系统属于部分可控源与天然场源相结合的一种大地电磁测深系统 。

由 接收与发射两部分组成 。

根据勘探目的 ,可选择高频配置 (10 Hz ～100 k H z ) 或低频配置 (0 . 1 Hz ～ 1 000 Hz ) 。

通过采集时间域两组相互正交的电磁场信号 ( Ex , Hy , Ey , Hx ) 经过频谱分析及运算 , 求得不同频率的电阻率 、相位及相关度变化曲线 。

通过分析对比这些曲线 ,现场判别数据质量 ,同 时对剖面测点的一维视电阻率连续反演结果进行 EMA P 二维连续剖面反演 ,图示电阻率断面灰度 图 ,可即时对勘测结果进行初步解释 。

文中介绍了野外工作三例 。

关键词 EH- 4电导率成像系统 ,简介 ,应用 。

前言
St r atagem TM EH- 4 电导率成像系统是美国 EM I 和 G eo met r ics 公司联合生产的 。

采用了 最新的数字讯号处理器的硬软件装置 ,是目前国际上一种先进的大地电磁测深仪 。

EH- 4 系统属于部分可控源的大地电磁测深仪 。

观测的基本参数为正交的两个电场分量 ( E x , E y ) 和两个磁场分量 ( H x , H y ) 。

利用上述观测的参数可求得两个不同方向上的视电阻 率 ,进而计算张量阻抗 ,获取地层的真电阻率值 。

由电磁波在介质中传播的特征可知 ,趋肤深 度 (即勘探深度) 随频率的降低而增大 。

因此 ,通过观测不同频率的电磁信号 ,可获得不同深度 的信息 ,达到测深的目的 。

该系统勘探深度从地表数十米至一千多米 。

EH- 4 系统与其它电磁法勘探仪器相比 ,突出的特点是 : ( 1) 巧妙地采用了天然场和人工 场相结合的方式 。

采用部分可控源人工场补充天然场缺失或不足部分的方式完成整个工作频 段的测量 ,减少了低频发射的笨重设备 ; (2) 采用了半径约 2 m 的两个正交半圆形天线 ,发射 1 ～100 k Hz 的高频电磁波 ,构思新颖 ,收发距缩短 ,便于野外工作 ; ( 3) 高密度的数据采集 ,提供 丰富的地质信息 。

该系统既可做单点测深又可做连续剖面观测 ,点距 、频点密集 ,能较充分地 反映地下的地质信息 ; (4) 在每个测点工作结束后 ,提供电磁场功率谱 、振幅谱 、视电阻率 、相 位 、相关度 、一维反演等信息 ,以便检查质量 ,确保野外资料可靠 ; ( 5) 现场给出连续剖面 ( 至少 三个相邻测点) 的拟二维反演结果 。

该系统主要用于地下水调查 、工程地质调查 、找矿 、基岩起伏调查 、地质构造填图及岩层孔 隙率调查等方面 。

0 1997 年 6 月 23 日收稿 。

EH- 4 系统
1 EH- 4 系统主要由接收 、发射 、资料处理三大部分组成 。

该系统的工作原理框图如图 1 。

野外工作布置见图 2 。

图 1 EH- 4 系统工作原理 图 2 EH- 4 系统野外工作布置 1 . 1 接收部分
主要由主机 、前置放大器 (A F E ) 、磁传感器 、带有缓冲器的电极及其附属设备组成 。

1 . 主机是整个系统的中心 ,主要用于文件管理 、数据采集及资料处理等方面 。

它是 IBM 便携式 486 微型计算机 ,内存 8 MB ,硬盘 810 MB ,模数转换 18 位 ,数字处理 32 位浮点 ,液晶 V G A 显示 ,工作温度 0 ℃～ + 50 ℃。

2 . 前置放大器对采集的电磁场信号进行滤波 、放大 ,经数据传送线传至主机 。

设置四个通道 (两个电道 ,两个磁道) ,内置可充电电瓶 。

3 . 磁传感器主要用于采集磁场信息 ,观测频率响应范围 : 标准配置 (B F - 1M 型) ,10 Hz ～ 100 k Hz ;低频配置 (B F - 2M 型) ,0 . 1 Hz ～1 k Hz ,灵敏度 0 . 3 V/ n T 。

4 . 电极主要用于接收电信息 ,标准配置为 B E- 16 型缓冲器电传感器 ,配 16 m 电缆及钛钢电极 ;低频配置为 B E - 50 型缓冲器电传感器 ,配 50 m 电缆及 CuSO 4 不极化电极 。

1 . 2 发射部分
发射部分主要由发射天线 、发射机及 12 V 直流电源组成 。

发射天线采用构思新颖的两个正交的半圆形天线 ,是该系统的独特处之一 。

发射机本身的发射频率为 500 Hz ～100 k Hz ,其与发射天线阻抗相匹配 。

采用不同的发射天线 ,其发射频率不同 。

采用标准配置天线 ,发射频 率为 1～64 k Hz ;采用低频配置天线 ,发射频率为 500 Hz ～32 k Hz 。

发射机的定位是至关重
要的 。

因为 EH- 4 系统的数据处理软件以场源远离测点 ( 即远场
物 探 与 化 探 22 卷 ·460 · 区) 为前提 。

发射机太近太远 ,都会对测量结果有很大影响 ,甚至产生假异常 ,所以该系统的发 射机可以快速 、方便地移动 ,这又是该系统的独特处之一 。

原则上 ,发射机与接收机的距离取 为可控源探测最深目标的 3～4 倍 。

理论上 ,收发距 ( r ) 应是最低工作频率时“趋肤深度”的 3 倍 ,即
r = 3 ×
δ = 3 ×503 ρ/ f 式中 , r 是收发距 ;δ是趋肤深度 ;ρ是帄均大地电阻率 ; f 是最低工作频率 。

因此 ,在实际工作中 ,应多次移动发射机位置 ,改变收发距 ,两次观测的视电阻率值应相差 几个百分点 。

1 . 3 数据采集 、资料处理
1 . 3 . 1 数据采集
该系统的数据采集方式是时域采集 ,然后进行傅立叶变换 ,转换为频率域信号 ( 图 2) ,即 首先在时间域将 4 道 (2 个电道 ,2 个磁道) 的电磁信号收集起来 ,进行傅立叶变换 ,转换为电磁 信号的实分量 、虚分量功率谱 ,通过频谱计算视电阻率 、相位差 、相关系数等 。

图 3 EH- 4 系统数据采集方式 对于标准配置 ,整个采样频段分为三个频段 ( 1 ———10 Hz ～1 k Hz ; 4 ———300 Hz ～3 k H z ; 7 ———1 . 5～99 k Hz ) 。

每段可以人为地设置叠加次数 。

根据信号的质量确定叠加次数 ,信号质 量好 ,叠加次数少 。

每个频点采样又分为三段 ,发射场部分 (即 7) 的采样时间每段为 20 ms ,采 样点 4 096 个 ,每段进行一次傅立叶变换 ,其最终取数频点为 60 个 。

对于低频配置 ,采样方式 与标准配置类 似 , 只 是 采 样 时 间 相 应 加 长 。

整 个 频 段 为 两 部 分 进 行 ( 1 ———50 Hz ～ 1 k Hz ; 2 ———0 . 1～75 Hz ) 。

1 . 3 .
2 输出文件
该系统无论何种配置 ,输出文件有四个 ,即标准配置 : @文件 、Y 文件 、X 文件 、Z 文件 ; 低 频配置 : @L 文件 、V 文件 、U 文件 、W 文件 。

@(或 @L ) 文件是测量信息文件 。

主要包括电源 频率及起始文件号 ,发射机 、接收机位置 , x 、y 向电偶极距长度及 16 进制内部增益设置 。

Y
(或 V ) 文件是二进制的时序文件 。

X ( 或 U ) 文件是互功率谱文件 ,每一行由 19 列组成 ,每一 列长度 11 个字符 ,单位为 H —n T , E —V/ km , f —Hz 。

Z ( 或 W ) 文件是文本阻抗文件 。

每一频点由 12 行组成 ,每一列有 8 个字符 ,此文件是最终处理文件 。

主要内容有频率 , x 、y 方向上的标量视电阻率 、相位 、相关度以及 8 个实 、虚分量的阻抗元素 。

1 . 3 . 3 资料处理
资料处理有实时处理和后续处理两种 。

实时处理 ,根据每个测点给出的视电阻率 、相位 、相关度及振幅曲线 ,进行数据质量的实时分析 。

对于一些不可靠的数据可以从曲线中剔除 ,然 后继续测量 ,或者整条曲线的数据质量太差 ,采取措施 ,实施重复测量 。

在完成整条测线的连续观测后 ,可在现场采用 EMA P 法 (该法可以有效地消除静态效应) 给出拟二维反演解释结果的灰度图 (图 4) 。

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 。

EH- 4 系统除了接收 4 道 St r atage m TM 电导率记录外 ,还可同时记录 24 道或 48 道地震记 录 ,作地震勘探用 。

2 应用效果
地矿部水文方法研究所 1996 年 3 月引进 EH- 4 系统后 ,在不同的地质条件下进行了为期 一年多的地下水调查试验工作 ,取得了比较满意的效果 。

这里选择较典型的 3 个实例做介绍 。

2 . 1 北京军区驻内蒙古某部队附近地下水调查效果 该部队驻地位于内蒙古人烟稀少的荒
原戈壁上 。

区内出露的主要地层有白垩系
下统 的 砾 岩 、砂 砾 岩 、砂 岩 、泥 岩 、泥 质 砂
岩 、泥灰岩 ; 燕山期的喷出岩有灰绿色 、紫
红色的玄武岩 。

根据区域水文地质资料分
析 ,由于该地区位于某盆地中心部位 ,白垩
系碎屑岩颗粒变细 ,迳流滞缓 ,其间孔隙水
矿化度普遍偏高 。

前人曾在北 区 打 一 个 钻 孔 , 全 孔 为 白
垩系地层 ,孔深 181 . 15 m ,水位 1 . 97 m ,含
水层为 24 . 17～82 . 25 m ,矿化度 5 . 1 g/ L , 水质很差 。

图 4 北京军区某部队驻内蒙古
边防孔旁 E H- 4 系统勘测剖面 在该孔旁布置一测线 , E H- 4 系统勘测结果见图 4 。

由图可见 ,剖面地表的第四系冲击砂 砾石层 ,视电阻率值较高 ,10 余米以上可达 20 Ω·m 。

20～80 m 间视电阻率在 5～14 Ω·m 之 间 ,140～180 m 之间视电阻率小于 4 Ω·m 。

断面总体上在 20～180 m 之间 ,愈深水质愈差 , 140～180 m 水质最差 。

勘测结果与钻孔资料有较好的一致性 ,说明 EH- 4 系统视电阻率能够 在总体上反映地下水矿化度的变化 。

2 . 2 陕西富帄县黄土旱塬隐伏岩溶区地下水调查
陕西富帄县黄土旱塬隐伏岩溶区位于渭北东部岩溶于的补给迳流区 。

该区沉积着巨厚的
物 探 与 化 探 22 卷 ·462 · 第三系 、第四系松散层 。

区内揭露的地层依次为 :第四系主要岩性为粉砂质粘土与灰白色含砂 砾石层 ;第三系主要岩性为粉砂质泥岩 、粉砂岩 、泥灰岩 、灰质泥岩等 ,底部为泥质胶结底砾岩 ; 图 5 陕西富平页坡村孔旁
EH- 4 系统高频观测结果
由 2 号测点和 3 号测点连成的剖面 图 6 陕西富平页坡村孔旁 EH- 4 系统低频观测结果
图 7 陕西富平杨家坡 E H- 4 系统观测剖面及解释结果
奥陶系主要岩性为深灰、浅灰色灰岩。

根据区域地质资料推测,区内灰岩基底的隆起、凹陷与地形呈正相关关系,推测塬北坡存在北东向断层、倾向北西。

陕西地矿局第二水文队在该区富帄县至宫里公路东侧的页坡村北东向展布的黄土塬制高部位布一钻孔,水位120 m ,第四系粘土层厚约200 m ,第三系泥岩厚约300 m ( 由于非全孔取芯,地层界线划分不十分清楚) ,基岩(O) 埋深约520 m ,出水部位716 m ,水量大于2000 t / d ,矿化度小于1 g/ L ,终孔深度780 m 。

EH- 4 系统在该孔旁进行勘测,图5 是高频观测的二维反演灰度图。

由图可知,表层由于干燥,30 m 以上视电阻率较高,大于65 Ω·m ,110 m 以上视电阻率大于20 Ω·m ,显示出地下水水位面;110～250 m 之间,视电阻率略低,在9～15 Ω·m之间,为第四系地层反映; 200～400 m 视电阻率小于5 Ω·m ,为第三系泥岩反映,该视电阻率值表明第三系地层中地下水水质可能相对较差。

图6 为该孔西侧约300 m 处EH- 4 系统低频观测剖面,图中所标孔位为钻孔大致位置。

视电阻率断面基本上反映地层电性的变化规律。

在深度400～500 m 之后,视电阻率开始上升,表明了基底起伏。

剖面右侧(北坡) 500～600 m 处显示了推断断层存在。

断层两侧对应地层的厚度也有明显的变化,北侧基底的埋深较南侧深约65 m ,厚100 余米。

剖面左侧钻
孔一带视电阻率值在基岩段有一明显的畸变,表明该部位岩石可能破碎或有次级构造通过。

图7 是EH- 4 系统在该区杨家坡一带勘测剖面及解释结果。

上部为EH - 4 系统勘测剖面,中部为地表地形图,下部为解释结果。

图中很明显地看出第四系( Q )、第三系( N) 及基岩面的变化规律,与地表地形呈正相关关系,解释结果与地质推断吻合很好。

2 .
3 保定市工业城试验效果
保定市工业城位于华北帄原京深高速公路西侧。

此次试验目的是对比EH- 4 系统与直流电测深法、电测井三者勘测结果(图8) 。

由图8 可见,三者勘测结果有很好的一致性。

尤其是
a —保定市工业城EH - 4 实验剖面;
b —直流电测深剖面
物探与化探22 卷·464 ·
EH- 4 系统勘测结果与电测井结果在三个高阻砂层上均有明显的反映,而直流电测深法只反映出一个高阻砂层带,分层能力远不如EH- 4 系统。

这充分说明该系统勘测结果不仅有效,而且具有很高的分辨率。

3
结语
上述三例仅是原地矿部水文方法研究所进行为期一年多地下水调查试验工作的很少一部分。

EH- 4 系统在多种地质条件下不同程度地进行过试验工作,结果非常有效,且分辨率高, 工作效率较其它电磁测深法提高很多倍。

该系统确属当今国际上一种先进的新方法、新仪器。

它将在某些领域发挥重要作用。

A BRIEF D ESC RI PTIO N OF THE STRATA GEM TM E H- 4 EL ECTRICA L
C O N
D UCTIVITY IM A G
E -
F O RM IN
G SYSTEM A N D ITS APPL IC AT I O N
G uo J ianqiang , Wu Y i , Shao Rujun , C ao Fuxiang
( I nst i t ute of Hy d rogeologic Tech n i q ue , M GM R , B aodi n g071051)
The S t r at agem TM EH - 4 elect r ical co n ductivity image2forming syst em is a magnetot elluric so un d ing Abstract
syst em which co mb ines p artly co nt rollab le so urce and nat ural field so urce and co nsist s of receivin g device and emit2 t er . Based o n t he explo ratio n o b ject , o n e can use high2f requency allocatio n (10 Hz～100 k Hz) o r l o w2f requency al2 locatio n(0 . 1 Hz～1 000 Hz) . By collecting t w o set s of elect r o m agnetic signals ( E x , H y , E y , H x ) in time d o m ain which are p erp end icular to each o t her and t hro u gh sp ect ral analysis and calculatio n , t he variatio n curves of diff erent f requencies , resistivities , p hases and co rrelatio n degrees can be drawn. By analysing and co m p aring t hese curves , t he o n2t h e2spot judgement of dat a qualit y can be carried o ut , t h e EMA P t w o2d im ensio nal co ntinu o us p rofiling inver2 sio n can be co n duct ed fo r co n tinu o us inversio n result of o n e2d imensio n al app arent resistivit y of measuring point s alo n g t h e p r ofile , and t h e gray level d iagram of t h e resistivity sectio n can be illust r at ed. As a resu lt , p r eliminary int erp r e2 t atio n of t h e explo ratio n result may be made immed iat ely. Three fields w o r k examples are given in t h is p ap er .
EH - 4 elect r ical co n ductivity image2fo rming syst em , brief descrip t io n ,applicatio n.
K ey w ords
第一作者简介郭建强,男,1964 年10 月生于甘肃,1985 年毕业于西安地质学院应用地球物理系,获学士学位。

多年来一直于水文地质工程地质技术方法研究所从事水文物探、工程物探的理论研究与野外勘查工作,曾两次荣获部科技成果三等奖,发表学术论文五篇。

现为高级工程师,地下水勘察技术中心室主任。