可控源音頻大地電磁法在水源勘測中的應用

呂 英

(山西省水文水資源勘測局，山西 太原 030001)

可控源音頻大地電磁法(簡稱CSAMT法)，采用加拿大鳳凰地球物理公司生產的V6-A多功能電磁勘測系統，設備由信號發射系統與電磁接收系統兩部分組成。發射系統主要有發電機、T-3電流輸出單元、MTU衛星同步時間控制鐘、GPS衛星接收天線;接收系統為主機、磁棒、電纜線、GPS衛星接收天線。

CSAMT的測量野外工作方法如圖1所示。

圖1 CSAMT測量野外工作示意圖

本設備向大地發射不同頻率的電磁信號后，通過衛星控制發射與接收機之間的工作時間同步，應用V6-A主機接收電場分量與磁場分量，并通過反演計算，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，克服了地形對勘測資料的影響。

1 CSAMT法的特點

1.1 工作效率高

用一個發射偶極子供電，可以在它的兩側很大的扇形區域內進行測量，每一個測量點都是測深點。在山區或交通不便的地區，選擇合適的地方布置供電電極，發射源相對穩定，一次發射，可同時完成多組電磁斷面的測量。移動接收機，可進行1個排列7個測點的測深工作，降低了勞動強度。

1.2 抗干擾能力強

使用可控制的人工場源，信號強度比天然場要大得多，抗干擾能力強。

1.3 勘探范圍廣

CSAMT的勘探深度與發送偶極子大小及收-發距長短無關，其探測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

測量參數為電場與磁場之比，得出的是卡尼亞電阻率。所測得值進行歸一化處理，減少了外來的隨機干擾，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，它可以穿過高阻薄層，一些無法用傳統直流電法探測到的高阻薄層地質體，用CSAMT法能很好反映出來。

2 CSAMT法的主要關系式

2.1 視電阻率

大地電磁場在地面上觀測兩個正交的水平電磁場(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采用標量觀測裝置，Ex為沿x方向的電場分量，Hy為與Ex垂直方向上的磁場的水平分量，經過運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中的穿透深度有關，其表達式為:

趨膚深度不代表實際勘探深度，對穿透深度常用的公式為:

上式表明，穿透深度取決于兩個參數:大地電阻率ρ與使用的信號頻率f，當大地電阻率結構一定時，改變信號頻率，便可得到連續的垂直測深。

3 CSAMT野外數據采集

3.1 電磁場的發射

隨著地下水勘測深度的不斷加大，工作實踐表明，當勘測目的層超過1 km，石灰巖頂板埋藏深度大，上覆低阻層較厚時，受厚層低阻屏蔽影響，信號傳遞弱，探測深度受到影響，采用大功率發射系統T-30，由交流發電機產生380 V、400 Hz的交流電流，通過T-30電流輸出系統，調節為工作頻率表設計的音頻信號，再通過A、B供電電極向大地發射。每個頻率的電流信號發射時間，由MTU衛星同步鐘精確控制。做到低電壓、大電流，減小導線電阻與接地電阻。供電導線電阻小于5 Ω，供電導線長一般選擇1～2 km。供電電極A、B用鋁箔，工作時在供電電極A、B處挖成放射狀溝槽、埋設鋁箔、澆上鹽水、將土壓實，減小接地電阻，供電回路總電阻可減小到15 Ω，提高信號強度，保證了勘測資料的準確性。

3.2 電磁場的接收

磁棒連接信號接收的第1道，不極化電極距離根據勘測精度與地形條件選擇5～50 m或更大一些等間距排列，測線方向與發射系統的供電電極平行，收-發距根據探測深度與地質條件在4～8 km之間選擇。磁棒水平埋于地下，并與測線和發射偶極子垂直。工作時，除1～2道間開關置0FF外，其余各道之間均置ON。通常觀測站位于第4個不極化電極處，并在測站處埋設接地電極。

3.2.1 電場的接收

電場的接收由MN電極向主機傳輸電信號，它采用固體不極化電極，不極化電極的接地電阻應小于5 KΩ。正式開機測量前，先檢測每個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、埋設地點、接地條件及接線。

3.2.2 磁場的接收

在垂直測線方向上水平放置磁探頭，與接收機連接以傳輸磁信號。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，用土覆蓋。測量時，7道電場都要與磁場相比以求得電阻率。磁棒埋設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電磁系統可同時測量7個測深點，每個排列的測量需埋設7個不極化電極，并在測站埋設1個接地電極。考慮到巖溶裂隙發育的不均勻性，測點距離按30 m布設。

3.2.4 工作頻率的選擇

勘測工作頻率根據工作目的不同，選擇不同頻率系列。應用于水源勘測時，為提高CSAMT法對地層分別能力，采用加密數據采集間隔，一般選擇8F60頻率系列，還可根據目的層的埋藏深度選擇4F、8F頻率系列。應用區域構造勘測時，如深大斷裂、地熱資源時，因勘探深度大，可選擇頻率較低、采集時間較長的8F60或4F60頻率系列。應用于采空區勘測時，因目的層較淺，可選擇頻率較高、采集時間較短的8H30或4H30系列。

4 實例分析

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，反映了地層在水平方向上的不連續。根據本斷面特征分析，中奧陶系頂板埋深約200 m左右。電阻率區域不均勻處，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500 m3/d。

實際施工井深830 m，取中奧陶系石灰巖的巖溶地下水，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。井位點選在80～120 m之間，設計井深700 m，取中奧陶系石灰巖的巖溶地下水，預計出水量200 m3/d。

圖3 山陰縣芍藥溝煤礦選定井位CMAST電阻率斷面圖

實際施工井深650 m，在520～540 m和610～640 m發現巖溶裂隙相對發育，經抽水試驗，出水量達240 m3/d，水質符合當地飲用水標準。3)古縣石壁鄉三合村地質構造勘測。本區地質條件復雜，要求勘測深度大于1 500 m，地形條件不允許開展傳統電法測量。勘測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長的斷面勘測。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，推斷為兩處構造低阻帶的反映。

圖4 三合村選定井位CSAMT電阻率斷面圖

結合TEM勘測斷面電阻率特征，推斷有兩處構造通過測區，構造走向呈北東—南西走向。推斷石灰巖頂板埋深約800 m，建議鉆孔設置于該剖面的120 m處，設計井深1 500～1 600 m。該設計深井竣工后，實際井深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，解釋的巖溶發育部分地層十分破碎，驗證了物探資料的解釋的斷層的存在。說明深埋含水層勘測，采用加密頻點的數據采集技術，可提高勘測精度。

5 結語

可控源音頻大地電磁法(簡稱CSAMT法)，使用人工發射的可以控制的場源，借助大地中傳播的不同頻率的電磁波趨膚效應的差異，達到電磁測深的目的，克服了天然電磁場信號微弱易受自然環境的影響。其應用較多的領域還屬石油勘探、地震監測、大地構造研究、工程地球物理勘測等，而應用到地下水勘測領域，特別是在山西這樣地形條件差、水文地質條件復雜、水位埋藏深的山區找水，不僅進一步擴大了CSAMT法的應用領域，而且對開發研究本方法在深層地下水勘探方面的技術有實際意義。

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