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地下水电磁法探测技术进展综述

发布时间:2017-09-18 08:55:00
 

摘要:电导率和介电常数异常是地下水电磁法探测的物理基础,其异常特点为浅层空间连续性差,多呈非线性状态分布。电磁法探测地下水受地面条件影响较小,可以连续测量,成本低廉。瞬变电磁法和可控源音频大地电磁法是比较成熟的地下水探测技术;地质雷达和空间遥感雷达如果在振幅、频率信息利用和遥感定量多约束反演研究上有理论突破,将大大提高地下水探测的分辨率。近年来地下水电磁法勘探从模型到技术,再到反演,均呈现明显的“联合”、“移植”和“借鉴”的趋势。地下水研究的电磁模型所存在的问题可以概括为:定性化多定量化少、一维近似多高维模型少、传统手段沿用多现代技术应用少、单一方法研究多综合影响考虑少。
1、引言
地下水是我国重要的生产生活水源,地下的含水构造对采矿、环保、农业、地下工程等部门也有重大的意义。因此,地下水的高效率、高精度勘查就成为水资源研究中首先要解决的课题。
当地质单元含有地下水后,其电导率即与含水饱和度、矿化度、地层孔隙度、渗透率等诸多因素相关。通常,含水层相对隔水层或低饱和地层呈现明显的高导电性,因此电导率异常是地下水地球物理电磁法探测的主要依据。文献[1]详细列举了多种常见地质条件下的典型电导率特征。除电导率特征外,含水层通常还有较高的介电常数,所以高饱和地层可以对地质雷达、空间成像雷达等高频设备所发射的电磁波产生明显的响应。另外在某些特殊情况下,磁异常、弹性波阻抗异常、放射性异常等均被间接地用于水文地质研究。近几年发展起来的地面核磁共振方法(SNMR)对地下空间的氢元素敏感,因此可以直接探测地下水参数。
地下水调查集中研究几十米到几百米深的浅层结构,各种异常场都有共同的特点,即局部不均匀体干扰较大,有用异常与噪声幅度接近,微小地质体存在非线性状态分布;另外人文影响、地形起伏也比较明显。这就要求用于地下水探测的地球物理方法必须有足够的浅层分辨率、稳定的反演算法、较宽的深度范围和覆盖频谱;要求仪器设备抗干扰、频点密集、轻便高效。
2、用于地下水探测的几种电磁探测技术
应用地球物理学领域的电磁法一般指使用电磁感应原理发射和接收信号,利用地下物质对交变电磁场及电磁行波的响应描绘地下空间电性结构的方法。电磁法探测地下水的优势在于直接研究与水文地质性质相关的电导率、介电常数分布,并且受地形、体积效应和矿体干扰较小,对接地条件要求小,便于向空中、井中和水上移植,可以连续测量,施工方便,成本低廉。下面着重介绍比较成熟或有良好发展前景的几类地下水电磁探测技术。
2.1瞬变电磁法(TEM)
TEM是时间域的人工源主动探测法。其基本原理是通过地面水平线框向地下发射脉冲磁矩,该一次场关断后,测量一段时间内由地下介质感应生成的二次场。地质体所感应出的电流越大其TEM异常也越明显,因此TEM对含水的高导地层灵敏,并且有较强的抗干扰能力。该方法的探测深度与所使用的磁矩(即发射框的面积乘以发射电流的大小)大小成正比,一般有效分辨区间为400m以内。
TEM的突出优点是观测纯二次场,且不受静态、近场效应和地形、接地条件的影响。TEM用于地下水探测有丰富的实例:如煤矿断层富水性调查;塔克拉玛干沙漠边缘高矿化度区寻找淡水含水层;寻找水库或矿井涌水通道和隔水层渗漏点;监测垃圾场对地下水的污染;海水入侵周期性监测;圈定山区岩溶水富水地段和确定水井井位等。
TEM的不足之处在于评估地层含水量时一般只能通过电阻率对比,定量研究需要做抽水试验。地下水水质情况是通过建立电阻率与颗粒度及地下水饱和度、矿化度之问的模型相关关系推测得到的。因现有推测方法均是依靠经验公式,故可靠性和适应性并不理想。TEM在变质岩地区对异常的推断较困难,随着探测深度的加大,层间渗透水和金属矿的影响越来越明显。TEM资料中容易因激发极化效应出现测深曲线的非正常变号,另外还存在数据量大、资料解释较为复杂的特点,不便于野外工作的快速分析和现场决策。近几年TEM技术在适应地下水探测的特殊需求上取得了不少进展和新的认识,现归纳如下。
1)物理模型。张保祥等针对地下水分布模型设计了TEM测量的物理和数值正演模拟,总结出若干几何导体和导电覆盖层对异常的影响;并正演了几种典型的地下水类型的TEM响应。2.5维有限元正演算法基于叠加原理,从麦克斯韦方程组出发导出了中心回线2.5维二次场的有限单元计算公式,该算法可直接计算异常场,速度快、精度高。
2)野外采集。新疆干旱地区的对比实验证明:TEM擅长分辨相对较浅深度,具有矿化度差异的水体;其野外工作效率处于中等水平,适用于中等比例尺的剖面工作。TEM的脉冲源具有较宽频带且低频成分丰富,适合山区深埋岩溶地下水勘查。将TEM线圈沉入井底观测可获得更高的信噪比,即使在数十米深的水域其效果依然良好。研究人员还开发了TEM与直流电法、地震和钻孔等方法的联合探测,可有效地建立精细模型,并反映出水文参数。对于普遍存在于TEM数据中的激发极化效应,国外学者指出可以用大发射回线或偏移回线进行压制,并建立多数据模型改善Cole—Cole参数。
3)反演解释。三维瞬变电磁近似反演、快速电阻率成像方法和快速拟地震解释方法均是速度和精度兼顾的TEM资料快速解释技术,对野外工作有一定实用价值。回线源瞬变电磁成像方法和联合时频分析解释法则通过求出反射序列和充分利用时域和频域信息,达到了增强TEM识别地下电性界面能力的目的。已经有学者注意到了小波分析和人工神经网络算法等现代信息处理技术在TEM资料处理中的应用,这类非线性反演算法给我们提供了全新的数据观察视角,对以非线性状态分布为主要特征的浅层水文地质问题有特殊意义。
2.2可控源音频大地电磁法(CSAMT)
CSAMT是一种结合可控源和音频大地电磁的频率域探测方法,因采用比值测量,故可以减少外来随即干扰和地形影响。CSAMT横向分辨率较高,对断层灵敏;因为接收机同时测量电场和磁场分量,因此高阻屏蔽作用小。CSAMT有效探测深度大于TEM,可以达到lkm,但浅层分辨率有所不足。当测点点距较小时,CSAMT在工作效率方面的优势较明显,一次发射可以多点频率测深,一次布极可以完成几十平方千米的面积测量,适用于不便铺设大排列电极的地形复杂地区找水和大比例尺工作。
相对传统电法和其他频率域方法,CsAMT在地下水领域的普及还较欠缺。我国的中科院等科研机构使用CSAMT对山区、丘陵、平原、海滨、城市边缘和闹市区的区域的地下水进行了一些研究,探测目标有基岩裂隙水、深部地热资源、第三系基岩的古河道水、第四系砂砾层水、坝体渗漏调查、南水北调西线地质勘查等。在国外,CSAMT结合自然电位法和高密度电法也被用在火山区等复杂地质条件下的地下流体勘探中。
由于人工偶极源的原因,CsAMT在使用中的首要问题就是发射接收距与信号平面波场区之间存在矛盾。另外资料解释上存在静态效应、近场效应、过渡场、阴影及场源附加效应等一系列问题。近年来不断有学者致力于研究克服以上不利因素的方法,如对静态效应的影响采用空间滤波法,经过这一处理可以直接反映出从地表到1~2km深的真电阻率变化;以及使用近场因子法对近场进行校正;在空间滤波和近场校正后的电阻率断面上就可根据等值线的疏密来确定断层的倾向。另一方面,研究人员积极探索CSAMT偶极源的二维、三维正演,以及CSAMT全资料反演,这些方法有望从根本上解决近场问题。
另外,地球物理工作者也总结出一些野外实用经验。如对于二维地质体,可以进行两次平行的TM模式测量,一维反演后如果层状界面不连续,结合地质信息后可以确定为断层。第四系覆盖较薄地区,CSAMT对两高阻隔水层所夹的低阻破碎带含水层构造非常灵敏,在走向的近垂直方向布置两条以上测线,就可以得到可靠的含水构造信息。
CSAMT勘探地下水,工作效率高、探测深度大、环境适应性好、在寻找大型水源基地方面具有优势;与区域地质信息结合后成井率非常高,有很大的推广价值。
目前已逐渐普及的EH-4电导率成像系统具有与CSAMT类似的原理,它结合了人工源的高频段(1kHz~100kHz)和天然源的低频段(0.01~lkHz),总频点多达60个,同时保证了较高的分辨率和探测深度。EH-4目前主要用于进行地下水矿化度的划分及地质构造的确定;以及利用电性剖面及电导率值来判断岩溶发育规模、基岩构造发育情况。
我国引进的EH-4设备已经在西北干旱地区找水和矿化度评估中取得较好效果,但是该仪器在低频部分抗干扰能力较差。而MT和CSAMT固有的静态效应和近场效应对EH-4来说仍然存在。
2.3地质雷达法(GPR)
GPR方法使用不接地天线向地下发射高频(10MHz~2000MHz)电磁脉冲;电磁波遇到电性界面(尤其是介电常数分界面)会发生反射、折射和透射;地面的接收天线使用感应原理接收地下空间的电磁脉冲响应。目前广泛使用的是小偏移距的收发天线,类似地震勘探中的自激自收,因此其解释方法也很大程度上借用地震勘探理论进行同相轴分析。
国外研究者在地下水领域使用GPR较多,在理论和实践上得到一些有借鉴意义的成果:①在蒙古国乌兰巴托,为分辨多次反射使用了共中心点(CMP)采集方式,干燥区探测深度由几米提高到10米;并且CMP资料可以用于估测介电常数分布。②电磁波穿过导电层频率要降低,通过研究高频分量的衰减从而设计一个低通滤波器来模拟大地电导率分布,然后用GPR资料反演电导率分布。该方法被用于海水入侵检测。③加拿大地下研究实验室使用单孔和跨孔雷达探测含水的花岗岩体断裂构造,跨孔速度成像结果跟水力学实验的渗透率值保持一致;说明井中雷达可有效工作在结晶岩石地质条件下。④日本学者将阵列式雷达长期埋设在地下,实时测量地下水位的反射回波,做到了在数小时内跟踪二维空间中的水位变化。⑤浅层地下土壤和地形复杂,GPR波速在空间时间上都有变化,基于水位深度和双程走时的 GPR预测方程可以提高GPR方法的深度解释精度。⑥刘格非等通过数值仿真和经验数据采集,建立含水量分布与反射信号时频域特征间的定量关系,论证了通过地下空间微波响应反演地下介电常数分布的可行性。
从近几年雷达对地探测的研究来看,理论界已经注意到传统的雷达资料仅仅利用了脉冲响应的时间域特性(如同相轴),处理、解释方法基本遵循地震理论;而数据中蕴藏的大量振幅、频率信息尚未开发利用。前述的GPR高频衰减低通模型和地面微波方法为全面性解译雷达信息提供了思路。另外共中心点(CMP)采集方式、层速度提取等GPR领域热点问题的突破和发展,对地下水研究都将具有重要意义。
2.4空间遥感法(RS)
空间遥感是一种深空(或高空)对地探测方法,随着设备分辨率的提高和理论认识的更新,RS研究范围已逐渐向中小尺度和地下空间靠近,并与地面方法衔接。最近几年报道的实例证明,用RS技术解决水文地质问题有宏观、综合、动态、快速的突出特点。
目前遥感技术研究地下水的方法主要有水文地质遥感信息分析法、环境遥感信息分析法、热红外遥感地表热异常监测法和遥感信息定量反演模型等四种方法。然而,前三种方法基于过多间接经验性假设和近似,比例尺尚不足直接指导钻井井位;另外解译结果局限于表层信息,深度分辨率和抗人文干扰能力远不能与地面方法相比。
而第四种遥感信息定量反演方法则代表着遥感数据研究的未来方向。该方法通过实验的或数理的模型将遥感信息与观测目标参量联系起来,将遥感信息定量地反演为某些地学参量。对具备定的穿透能力的微波雷达而言,通过定量反演可能反映出地下更深部的信息。近年来已有若干使用定量方法研究地下空间水分布的试验,如以S.A.Komarov为代表的微波遥感监测模型和以塔西甫拉提·特依拜为代表的GLRDS模型。塔西甫拉提·特依拜等人使用全波段Landsat-7ETM+图像,用“感一数学一模型学遥”融合的研究方法,在其他辅助资料的基础上建立土壤水分和地下水位的实验方程。利用该方程对新疆策勒绿洲荒漠交错带进行了验证,结果表明地下水位反演结果符合实测数据。
结合目前的实际情况,为了将遥感定量反演应用于地下水精细结构的勘探,除了进一步提高数据质量外,在理论上还可做如下两个方面的努力:①完善地球各圈层对电磁信号的响应模型。空问传感器所接收到的信号受岩石圈、水圈、生物圈和大气圈综合影响,用正演的方法研究电磁波在各类复杂媒质中的传播有助于提高地面分辨率,以及从微波雷达信号中提取深层的地下空间信息。②开发多数据联合反演技术。随着遥感技术向着多平台、多仪器、多时相、多光谱、多角度和多种空间分辨率方向发展,在一个目标区域获得多套数据已成为可能。不同类型的数据从不同侧面反映地下空间的特征,将尽可能多的数据联合起来实施多约束反演,可以减少单一数据的不确定性。针对目前遥感方法难以在穿透深度上有所突破的弱点,可以尝试从一个初始地下模型出发,正演得到其地面效应,再用各类遥感方法获得的地面数据去反复检验和修正,最后得到满足精度要求的迭代结果。
3、地下水电磁探测发展的综合评价
3.1地下水电磁探测三大趋势
由于地下水探测往往要面对各种复杂的浅层水文地质条件,传统的单一方法越来越不能胜任高精度、高分辨率、高效率、大数据量、多参数信息的任务要求。因此近年来在地下水探测领域逐渐呈现出方法上“联合”、“移植”和 “借鉴”的趋势 。
所谓的“联合”(Integration),既有时空尺度和方法上的联合,也有同一方法不同装置和数据的联合。可以说从模型设计到数据采集,再到资料的解释处理,均可有各式“联合”。MaxwelA.Meju甚至倡导建立地下水电磁勘探的“大统一理论”,即将散乱的电磁方法规范到一个大而全的理论框架中,把来源各异的电磁数据通过定量的方法整合在一起,以增加相互之间的可比性和参考性,便于下一步的联合解释,以及纵向和横向评价。不论是方法的联合,还是数据和理论的联合,其基本出发点都是为了达到“信息互补”的目的。结合了人工源与天然源的混场源方法(EH-4)之所以能取得极大的成功,很大程度上是因为其顺应了“联合”的发展趋势,实现了频谱上的“信息互补”。
“移植”(Adaptation)则体现了对已有技术的再次开发。目前的电磁勘探平台已经形成地下、地面、水上、航空和深空五个层次,其中以地面方法最为完善。近年来航空电磁法(AEM)、直升机电磁法(HEM)、水上TEM,以及井中方法的成功实施提醒我们可以尝试将成熟的地面方法改编为不同平台的版本,使进一步提高分辨率、提高工作效率和填补探测盲区成为可能。
“借鉴”(Imitation)是不同方法间的模仿。如GPR的仿地震CMP采集和处理、TEM 快速拟地震解释、地面拖拽式电磁剖面系统、不接地电容式电极、固定雷达阵列,都是对其他先进方法的取长补短,使老方法得以焕发新活力。科学领域许多创新均来源于对邻近学科的借鉴,这种方法论对电磁勘探技术来说同样有重要的指导作用。
3.2地下水正反演模型研究
地质和地球物理模型是一整套探测方法建立的基础。目前地下水研究中电磁模型所存在的问题可以形象地概括为:
1)定性化多定量化少。该问题集中反映在用现有模型难以直接从电磁探测结果提取水文地质参数。地层视电阻率和含水量、矿化度的关系都需要钻井标定或者现场采样建立经验方程才能获得。文献提出一种可计算地下水混合分布系统有效电导率的时域有限差分方法(FDTD),该方法同时考虑传导电流和位移电流,适用于较宽的电磁频谱;并可满足微小地质体非线性分布的需要;为水文地质参数定量反演研究提供了正演思路。
2)一维近似多高维模型少。为了进行复杂地质构造的高精度勘探,需要使用考虑横向异常体影响的高维分析。二维和三维模型的开发目前主要是受算法和计算机运算能力的限制。近年来对一维模型的突破主要有:利用周边信息横向约束的1.5维反演口、TEM中心回线的2.5维有限元正演、不均匀电导性媒质中电磁感应问题的3D有限元法解口、GPR信号在成淡水转换区传播的FDTD模型模拟。
3)传统手段沿用多现代技术应用少。因地下水所在的近地表空间连续性较差,多有不均匀体干扰,所以使用传统的分析解释方法经常会受到虚假异常的误导。针对地下水研究的特殊情况,应该考虑采用非线性反演技术,如蒙特卡罗、小波理论、分形理论、人工智能等。现在非线性方法在地下水领域仅有初步的试验,有待进行全面探索。
4)单一方法研究多综合影响考虑少。从更宏观的视角来看,目前的模型研究基本局限于某一种确定的探测技术,以及与该技术有关的特征和效应,跨方法的横向联系非常少。正如前述“大统理论”所希望的那样,构建一个利于不同方法之间数据沟通、结果对比的方法论框架将是未来电磁法探测模型研究的战略方向。
4、结语
近年来地下水电磁法勘探从模型设计到数据采集,再到反演解释,均呈现明显的“联合”、“移植”和“借鉴”的趋势。在这三种方法论的指导下,传统手段又得以再次开发,并与其他技术组合发挥出更大的功效。未来几年内如无重大的基础性理论突破或仪器改进,地下水电磁勘探仍将沿上述三条思路发展。相对“联合”而言,“移植”和“借鉴”国内外做得还很不够,更多的新进展有望产生
于这两个方向。
地下水勘探对分辨率和定量研究的需要使得我们不得不反复审视贯穿电磁方法始终的正演和反演技术。确定多项水文地质参数对地层整体电阻率的影响、三维非线性地质体分布下电磁波传播正反演的快速计算、地下空间介电常数异常反演、高噪声环境中的微弱信号提取、非线性反演方法的使用、多数据类型约束反演、跨方法的“大统理论”研究,这些均是对浅层水文地质探测有重大意义的理论性研究课题。