EH4野外工作原理与应用

EH4野外工作原理与应用EH4大地电磁系统是由美国GEOMETRICS和EMI公司联合生产的采用最新数字处理器的连续电导率成像系统, 该系统是采用天然场源与人工场源相结合大地电磁测量系统, 其有效勘探深度为几十米至一千米左右, 很适合于我国目前矿产勘探的现实需求, 与其他大地电磁系统如加拿大凤凰公司生产的V系统、美国EMI公司生产的MT系统等电磁仪一样, 其观测的基本参数为正交的电场分量, 和磁场分量, 。通过密点连续测量, 采用专业反演解释处理软件可以组成地下二维电阻率剖面, 甚至三维立体电阻率成像。

（1）EH4是全新概念的电导率张量测量仪

通常意义下的电探仪，指的是交、直流电阻率剖面仪。这两种方法都是有源测量方法，需要向地下直接供电，并且随着测量深度加大，电极布线和供电量都不断增加，野外劳动强度大，效率低。另一方面，尽管这两种方法都属于有源电探，但采集到的视电阻率值都属于标量范畴，对辨别地下二度体异常的走向无能为力。大地电磁同属于电探，但它是无源测量。利用天然电磁场，虽然避免了大电流供电，但天然电磁场不稳定，而且某些频段先天不足，干扰强，讯号弱。参看（图1）大地电磁场水平分量频谱展示图。它反映了天然电磁场与人文电磁场的分布情况。在1Hz左右，无论电场和磁场都是低谷；在1000Hz处磁场几近寂静，电场有一低谷。在几十赫兹到104Hz范围内，人文活动的电磁场干扰特别严重。这些特点决定了大地电磁法只适合于采集较低频率。通常观测时间长，分辨率较低，适合解决深层宏观问题。

所以尽管电探方法起源最早，几十年来，由于以上的局限性，一直阻碍它的发展。几十年来，1000米以内，几百米上下，正是人类经济、文明活动在地壳上层最活跃的深度。其它物探方法，如地震勘探法，自40-50年代之后都开始大展身手，而浅、中深度范围的电探则相对寂寞冷落，处于陪衬地位。

EH4是全新概念的电导率张量测量仪。它利用大地电磁的测量原理，但配置了特殊的人工电磁波发射源。这种发射源的天线是一对十字交叉的天线，组成X、Y两个方向的磁偶极子，轻便而且只用于普通汽车电瓶供电，发射率从500Hz到100KHz，专门用来弥补大地电磁场的寂静区和几百赫兹附近的人文电磁干扰谐波（见图1）。仪器用反馈式高灵敏度低噪音磁棒和特制的电极，分别接收X、Y两个方向的磁场和电场。由18位高分辨率多通道全功能数据采集、处理一体机完成所有的数据合成。

由此，EH4的全新概念主要归结为如下几个方面：

1)EH4应用大地电磁法的原理，但使用人工电磁场和天然电磁场两种场源；

2)EH4既具有有源电探法的稳定性，又具有无源电磁法的节能和轻便；

3)EH4能同时接收和分析X、Y两个方向的电场和磁场，反演X-Y电导率张量剖面，

对判断二维构造特别有利；

4)EH4仪器设备轻，观测时间短，完成一个近1000m深度的测深点，大约只需15~20

分钟，这使它可以轻而易举实现密点连续测量（首尾相连），进行EMAP连续观

察（见图2）；

5)在EH4的采集控制主机中插入两块附加的地震采集板，就可使一台EH4兼作地

震仪和电导率测量，为一机实现综合勘探首创先例；

6)实时数据处理和显示，资料解释简捷，图像直观。

(2) EH4工作原理

EH4通过发射和接收地面电磁波来达到电阻率或电导率的测探。连续的测深点阵组成地下二维电阻率剖面，甚至三维立体电阻率成像。

根据以MaxWell 方程组为核心的大地电磁理论, 若将地表天然电场与磁场分量的比值定义为地表波阻抗, 那么在均匀大地背景下, 此阻抗与入射场极化无关, 只与大地电阻率以及电磁场的频率有关 Z=)1(i f -πρμ (1) 式中f 是频率, ρ是电阻率, μ是磁导率(1)式可用于确定大地的电阻率

ρ=2

51H E f (2)

式中ρ的单位是Ω·m ，E 的单位是mv/km,H 的单位是nT

对于水平分层的大地, 上述表达式仍然适用。但用它计算得到的电阻率为视电阻率, 而 且随频率的改变而变化, 因为电磁波的大地穿透深度或趋肤深度与频率有关 δ=ωμσ2

f ρ

500≈ (3)

式中δ的单位是m

虽然趋肤深度在某种意义上来说与电磁波在介质中的穿透的深度有关, 但它并不代表实际的有效探测深度。有效探测深度是指某种测深方法的体积平均探测深度。对其有如下的经 验公式

D=δ/2356≈f ρ

≈(m) (4)

由式说明, 穿透深度仅仅取决于大地电阻率和使用的信号频率。随着电阻率的减小或频率增高, 穿透深度变浅反之, 随着电阻率增大或频率降低, 穿透深度加大。如大地电阻率结构一定时, 改变信号频率便可以得到连续的垂直测深, 这就是大地电磁法的基本工作原理。 根据上式, 结合EH4的工作频率10Hz-100KHz, 则EH4的有效勘探深度为 10m-800m 即通常所说的的有效勘探深度为几十米到一千米左右。其具体情况与当地的不同地质情况有关。

(3) 综合应用

(1)这是在福建厦门某矿山进行了的野外工作事例

工作该矿山以磁铁矿与黄铁矿为主, 夹杂以少量褐铁矿。上世纪八十年代初, 曾在此地做过磁法与双频激电, 均有高磁异常和低电阻率高幅频率异常, 2003年在此地施工了三个米左右的浅钻孔, 但仅见少量磁铁矿化与黄铁矿化, 未见可开采的工业矿体。经过对现场进行了踏勘, 并大量查阅已知资料, 特别是有关地质资料, 通过研究得知该矿区内的成矿有利构造为断层或断裂带,于是研究决定采用从电阻率参数来勘探断层或断裂带, 以求找出成矿的有利地段。根据实际情况, 共设计了三条短剖面线, 勘探结果显示的反演结果很好地反了断层的存在, 也很直观地体现了已施三个钻孔的基本情况。具体情况如下图

从图4的反演结果图很清晰地看出,该矿区内存在一产状较陡的断层,该断层应为成矿的最有利位置,而已施工的三个钻孔的定位不准,根据勘探结果,建议在5线水平320米的位置布设一130米左右深的钻孔贯穿断层,以作进一步验证。但EH4对于浅而薄的矿体反映不灵敏，所以三个钻孔所钻取的少量矿化带在反演断面上没有反映，这是EH4系统的不足。

(2)北同蒲线雁门关隧道

测区位于山西省朔洲市山阴县以南与忻洲市代县以北的交界处,线路走向基本沿208国道。隧道全长14400 m。施测时间为冬季。测区位于山区,属恒山山脉,地形起伏极大,隧道最大埋深达850 m。除个别地段为采矿施工弃渣场。其他地段均为荒山。地表大部基岩裸露且风化严重,第四系覆盖极薄。部分为松林及低矮灌木。隧道所经沟谷,地表及地下水较为发育。测区内地层岩性基本为上太古界冰淋沟组及东湾组变质岩,仅进口部分地段为第四系洪积层松散堆积物所覆盖。岩性基本为片麻岩、变粒岩及角闪岩,其间发育有伟晶岩及磁铁石英岩岩脉。地层除进口部分段落倾向小里程,大部倾向大里程。该项工作采用的大地电磁方法除EH4外还采用了可控源音频大地电磁V6方法。以下为两种方法的二维反演断面。由于篇幅所限,仅展示反演断面图的主要部分。通过对两幅图件的对比,可以发现,两种方法的宏观电性变化尤其是深部非常一致,且EH4所反映的电性变化更为细致;对低阻目标的反映更为敏感。断层、赋水、风化、裂隙、岩性变化等地质内容均被反映。如前文所述,该测区的地球物理特点非常适合发挥EH4的优势特点。经过后期大量的钻孔验证,与EH4 的成果完全吻合。EH4

对深达800 m 至900 m的目标反映优秀。