呂 英

(山西省水文水資源勘測(cè)局，山西 太原 030001)

可控源音頻大地電磁法(簡(jiǎn)稱CSAMT法)，采用加拿大鳳凰地球物理公司生產(chǎn)的V6-A多功能電磁勘測(cè)系統(tǒng)，設(shè)備由信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)與電磁接收系統(tǒng)兩部分組成。發(fā)射系統(tǒng)主要有發(fā)電機(jī)、T-3電流輸出單元、MTU衛(wèi)星同步時(shí)間控制鐘、GPS衛(wèi)星接收天線;接收系統(tǒng)為主機(jī)、磁棒、電纜線、GPS衛(wèi)星接收天線。

CSAMT的測(cè)量野外工作方法如圖1所示。

圖1 CSAMT測(cè)量野外工作示意圖

本設(shè)備向大地發(fā)射不同頻率的電磁信號(hào)后，通過衛(wèi)星控制發(fā)射與接收機(jī)之間的工作時(shí)間同步，應(yīng)用V6-A主機(jī)接收電場(chǎng)分量與磁場(chǎng)分量，并通過反演計(jì)算，得到不同深度的電阻率，通過改變頻率的方法控制勘探深度，克服了地形對(duì)勘測(cè)資料的影響。

1 CSAMT法的特點(diǎn)

1.1 工作效率高

用一個(gè)發(fā)射偶極子供電，可以在它的兩側(cè)很大的扇形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)都是測(cè)深點(diǎn)。在山區(qū)或交通不便的地區(qū)，選擇合適的地方布置供電電極，發(fā)射源相對(duì)穩(wěn)定，一次發(fā)射，可同時(shí)完成多組電磁斷面的測(cè)量。移動(dòng)接收機(jī)，可進(jìn)行1個(gè)排列7個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)深工作，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.2 抗干擾能力強(qiáng)

使用可控制的人工場(chǎng)源，信號(hào)強(qiáng)度比天然場(chǎng)要大得多，抗干擾能力強(qiáng)。

1.3 勘探范圍廣

CSAMT的勘探深度與發(fā)送偶極子大小及收-發(fā)距長(zhǎng)短無關(guān)，其探測(cè)深度大致為目前使用的頻率，其勘探深度范圍為幾十米到2～3 km。

1.4 地形影響小

測(cè)量參數(shù)為電場(chǎng)與磁場(chǎng)之比，得出的是卡尼亞電阻率。所測(cè)得值進(jìn)行歸一化處理，減少了外來的隨機(jī)干擾，地形影響大為減弱。

1.5 高阻層屏蔽作用小

CSAMT采用的是交變電磁場(chǎng)，它可以穿過高阻薄層，一些無法用傳統(tǒng)直流電法探測(cè)到的高阻薄層地質(zhì)體，用CSAMT法能很好反映出來。

2 CSAMT法的主要關(guān)系式

2.1 視電阻率

大地電磁場(chǎng)在地面上觀測(cè)兩個(gè)正交的水平電磁場(chǎng)(Ex，Hy)之比定義為平面電磁波的波阻抗Z，其物理意義與電阻率相同。

CSAMT采用標(biāo)量觀測(cè)裝置，Ex為沿x方向的電場(chǎng)分量，Hy為與Ex垂直方向上的磁場(chǎng)的水平分量，經(jīng)過運(yùn)算就可獲得地層的視電阻率ρs:

2.2 穿透深度

趨膚深度與電磁波在介質(zhì)中的穿透深度有關(guān)，其表達(dá)式為:

趨膚深度不代表實(shí)際勘探深度，對(duì)穿透深度常用的公式為:

上式表明，穿透深度取決于兩個(gè)參數(shù):大地電阻率ρ與使用的信號(hào)頻率f，當(dāng)大地電阻率結(jié)構(gòu)一定時(shí)，改變信號(hào)頻率，便可得到連續(xù)的垂直測(cè)深。

3 CSAMT野外數(shù)據(jù)采集

3.1 電磁場(chǎng)的發(fā)射

隨著地下水勘測(cè)深度的不斷加大，工作實(shí)踐表明，當(dāng)勘測(cè)目的層超過1 km，石灰?guī)r頂板埋藏深度大，上覆低阻層較厚時(shí)，受厚層低阻屏蔽影響，信號(hào)傳遞弱，探測(cè)深度受到影響，采用大功率發(fā)射系統(tǒng)T-30，由交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生380 V、400 Hz的交流電流，通過T-30電流輸出系統(tǒng)，調(diào)節(jié)為工作頻率表設(shè)計(jì)的音頻信號(hào)，再通過A、B供電電極向大地發(fā)射。每個(gè)頻率的電流信號(hào)發(fā)射時(shí)間，由MTU衛(wèi)星同步鐘精確控制。做到低電壓、大電流，減小導(dǎo)線電阻與接地電阻。供電導(dǎo)線電阻小于5 Ω，供電導(dǎo)線長(zhǎng)一般選擇1～2 km。供電電極A、B用鋁箔，工作時(shí)在供電電極A、B處挖成放射狀溝槽、埋設(shè)鋁箔、澆上鹽水、將土壓實(shí)，減小接地電阻，供電回路總電阻可減小到15 Ω，提高信號(hào)強(qiáng)度，保證了勘測(cè)資料的準(zhǔn)確性。

3.2 電磁場(chǎng)的接收

磁棒連接信號(hào)接收的第1道，不極化電極距離根據(jù)勘測(cè)精度與地形條件選擇5～50 m或更大一些等間距排列，測(cè)線方向與發(fā)射系統(tǒng)的供電電極平行，收-發(fā)距根據(jù)探測(cè)深度與地質(zhì)條件在4～8 km之間選擇。磁棒水平埋于地下，并與測(cè)線和發(fā)射偶極子垂直。工作時(shí)，除1～2道間開關(guān)置0FF外，其余各道之間均置ON。通常觀測(cè)站位于第4個(gè)不極化電極處，并在測(cè)站處埋設(shè)接地電極。

3.2.1 電場(chǎng)的接收

電場(chǎng)的接收由MN電極向主機(jī)傳輸電信號(hào)，它采用固體不極化電極，不極化電極的接地電阻應(yīng)小于5 KΩ。正式開機(jī)測(cè)量前，先檢測(cè)每個(gè)不極化電極的接地電阻，接地電阻大于5 KΩ者，需更換或檢查電極、埋設(shè)地點(diǎn)、接地條件及接線。

3.2.2 磁場(chǎng)的接收

在垂直測(cè)線方向上水平放置磁探頭，與接收機(jī)連接以傳輸磁信號(hào)。在磁棒放置處挖深約20 cm的條形坑，把磁棒水平放置在坑內(nèi)，用土覆蓋。測(cè)量時(shí)，7道電場(chǎng)都要與磁場(chǎng)相比以求得電阻率。磁棒埋設(shè)避免在高壓線下及汽車、行人來往頻繁的公路邊。

3.2.3 電極布置

V6-A電磁系統(tǒng)可同時(shí)測(cè)量7個(gè)測(cè)深點(diǎn)，每個(gè)排列的測(cè)量需埋設(shè)7個(gè)不極化電極，并在測(cè)站埋設(shè)1個(gè)接地電極?？紤]到巖溶裂隙發(fā)育的不均勻性，測(cè)點(diǎn)距離按30 m布設(shè)。

3.2.4 工作頻率的選擇

勘測(cè)工作頻率根據(jù)工作目的不同，選擇不同頻率系列。應(yīng)用于水源勘測(cè)時(shí)，為提高CSAMT法對(duì)地層分別能力，采用加密數(shù)據(jù)采集間隔，一般選擇8F60頻率系列，還可根據(jù)目的層的埋藏深度選擇4F、8F頻率系列。應(yīng)用區(qū)域構(gòu)造勘測(cè)時(shí)，如深大斷裂、地?zé)豳Y源時(shí)，因勘探深度大，可選擇頻率較低、采集時(shí)間較長(zhǎng)的8F60或4F60頻率系列。應(yīng)用于采空區(qū)勘測(cè)時(shí)，因目的層較淺，可選擇頻率較高、采集時(shí)間較短的8H30或4H30系列。

4 實(shí)例分析

1)圖2為后溝煤礦選定井位CMAST電阻率斷面圖，反映200 m埋深以下電阻率曲線向左(向西)傾斜，電阻率等值線在水平方向上不連續(xù)，反映了地層在水平方向上的不連續(xù)。根據(jù)本斷面特征分析，中奧陶系頂板埋深約200 m左右。電阻率區(qū)域不均勻處，主要反映在剖面水平距離的0～60 m之間，也是地層不完整的地段。建議鉆井位置選擇在圖中60～90 m之間，建議鉆井深度為800～850 m，單井出水量可達(dá)500 m3/d。

實(shí)際施工井深830 m，取中奧陶系石灰?guī)r的巖溶地下水，單井出水量450 m3/d。

圖2 后溝村南CSAMT電阻率斷面圖

2)圖3為山陰縣芍藥溝煤礦選定井位CMAST電阻率斷面圖。井位點(diǎn)選在80～120 m之間，設(shè)計(jì)井深700 m，取中奧陶系石灰?guī)r的巖溶地下水，預(yù)計(jì)出水量200 m3/d。

圖3 山陰縣芍藥溝煤礦選定井位CMAST電阻率斷面圖

實(shí)際施工井深650 m，在520～540 m和610～640 m發(fā)現(xiàn)巖溶裂隙相對(duì)發(fā)育，經(jīng)抽水試驗(yàn)，出水量達(dá)240 m3/d，水質(zhì)符合當(dāng)?shù)仫嬘盟畼?biāo)準(zhǔn)。3)古縣石壁鄉(xiāng)三合村地質(zhì)構(gòu)造勘測(cè)。本區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，要求勘測(cè)深度大于1 500 m，地形條件不允許開展傳統(tǒng)電法測(cè)量?？睖y(cè)工作布置在三合村西南河谷兩岸和賈村村南兩處，完成了2 km長(zhǎng)的斷面勘測(cè)。圖4為所選井位的CSAMT電阻率斷面，800 m以下的低阻帶分布于剖面的30～120 m之間與420～480 m之間，電阻率值小于1 000 Ω·m，推斷為兩處構(gòu)造低阻帶的反映。

圖4 三合村選定井位CSAMT電阻率斷面圖

結(jié)合TEM勘測(cè)斷面電阻率特征，推斷有兩處構(gòu)造通過測(cè)區(qū)，構(gòu)造走向呈北東—南西走向。推斷石灰?guī)r頂板埋深約800 m，建議鉆孔設(shè)置于該剖面的120 m處，設(shè)計(jì)井深1 500～1 600 m。該設(shè)計(jì)深井竣工后，實(shí)際井深1 670 m，出水量1 000 m3/d，水溫42℃。該井穿過了三疊、二疊、石炭的砂頁巖，打穿了奧陶系石巖，終孔于中寒武張夏組底部。施工過程中，解釋的巖溶發(fā)育部分地層十分破碎，驗(yàn)證了物探資料的解釋的斷層的存在。說明深埋含水層勘測(cè)，采用加密頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，可提高勘測(cè)精度。

5 結(jié)語

可控源音頻大地電磁法(簡(jiǎn)稱CSAMT法)，使用人工發(fā)射的可以控制的場(chǎng)源，借助大地中傳播的不同頻率的電磁波趨膚效應(yīng)的差異，達(dá)到電磁測(cè)深的目的，克服了天然電磁場(chǎng)信號(hào)微弱易受自然環(huán)境的影響。其應(yīng)用較多的領(lǐng)域還屬石油勘探、地震監(jiān)測(cè)、大地構(gòu)造研究、工程地球物理勘測(cè)等，而應(yīng)用到地下水勘測(cè)領(lǐng)域，特別是在山西這樣地形條件差、水文地質(zhì)條件復(fù)雜、水位埋藏深的山區(qū)找水，不僅進(jìn)一步擴(kuò)大了CSAMT法的應(yīng)用領(lǐng)域，而且對(duì)開發(fā)研究本方法在深層地下水勘探方面的技術(shù)有實(shí)際意義。

［1］可控源音頻大地電磁法理論與應(yīng)用/石昆法著 北京:科學(xué)出版社，1999.10.