瞬變電磁法在水文地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

■尤善清

（江蘇省地質(zhì)工程有限公司江蘇南京210018）

瞬變電磁法在水文地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

■尤善清

（江蘇省地質(zhì)工程有限公司江蘇南京210018）

運(yùn)用瞬變電磁法在水文地質(zhì)勘探中起到的作用非常重要，并且其勘查的結(jié)果是可行而且有效的。這種方法勘查的深度相對(duì)比較大，分辨能力也非常強(qiáng)，受到地形影響比較小，工作效率也能夠得到充分的保證，能為水文地質(zhì)勘探提供非常有參考意義的調(diào)查線索。在某些工程建設(shè)之中，需要對(duì)一定深度的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的勘查，了解其是否存在地下暗河，以確保工程的安全性和穩(wěn)定性。

水文地質(zhì)瞬變電磁法勘探技術(shù)資料分析

1　瞬變電磁探測(cè)基本原理及技術(shù)方法

水文地質(zhì)勘查指的是調(diào)查、研究并解決各類建筑工程以及人類活動(dòng)中涉及到的各種地質(zhì)問題的科學(xué)。水文地質(zhì)勘察的目的是為了查明各種工程地區(qū)的地質(zhì)條件，客觀評(píng)價(jià)工程地區(qū)內(nèi)的各種地質(zhì)問題，預(yù)測(cè)建筑工程過程中可能出現(xiàn)的地質(zhì)條件的變化以及對(duì)建筑工程的影響，選擇最優(yōu)的施工地點(diǎn)，并對(duì)針對(duì)施工地區(qū)的不良地質(zhì)問題提供解決方案，確保建筑工程的順利施工以及正常使用。工程地質(zhì)研究的主要內(nèi)容有確定巖土成分、物理化學(xué)與力學(xué)性質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)以及對(duì)建筑工程穩(wěn)定性等方面可能造成的影響，對(duì)巖土進(jìn)行工程地質(zhì)分類，在此基礎(chǔ)上改善巖土的建筑性能。在過去的工程勘察工作當(dāng)中，很多方法都沒有結(jié)合施工需要以及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)地下水對(duì)巖土工程的具體影響甚至危害。而目前經(jīng)常運(yùn)用的是時(shí)間域瞬變電磁法。

瞬變電磁法是一種利用不接地回線湖綜合接地線源向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，然后地下的導(dǎo)電地質(zhì)在脈沖磁場(chǎng)的激發(fā)之下，感應(yīng)出渦流，并且根據(jù)渦流的大小來判別地質(zhì)體的導(dǎo)電程度，從而在空間形成二次瞬變磁場(chǎng)。第一次脈沖磁場(chǎng)隨著脈沖電流的關(guān)斷而會(huì)出現(xiàn)崩潰，但是第二次瞬變磁場(chǎng)卻不會(huì)立即消失，而會(huì)有一個(gè)衰減的過程，這個(gè)衰減的過程是按照時(shí)間指數(shù)的規(guī)律遞變的。因此，根據(jù)第二次渦流場(chǎng)能夠?qū)?dǎo)電體的規(guī)模、產(chǎn)狀以及電性進(jìn)行判別，從而解釋地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)，幫助了解地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2　瞬變電磁法資料處理方法

2.1瞬變電磁法

對(duì)驗(yàn)收合格的原始資料，室內(nèi)組進(jìn)行預(yù)處理并計(jì)算出每個(gè)測(cè)點(diǎn)的視電阻率值，繪制視電阻率斷面圖，為定性分析和定量解釋提供基本圖件。視電阻率的計(jì)算使用晚期視電阻率公式。

式中t為測(cè)道時(shí)間，M為發(fā)送磁距，q為接收線圈的有效面積，V（t）為感應(yīng)電壓。實(shí)際觀測(cè)的是歸一化感應(yīng)電壓V（t）/I，因此上式的實(shí)際應(yīng)用式為：

式中A為發(fā)送回線面積，V（t）為觀測(cè)值。

2.2資料定性分析

資料的定性分析是資料定量解釋的基礎(chǔ)，也是定量解釋成果的重要依據(jù)。通過對(duì)平面圖及斷面圖進(jìn)行綜合分析，推測(cè)區(qū)內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)輪廓。瞬變電磁和直流電測(cè)深聯(lián)合勘測(cè)，依據(jù)電測(cè)深法勘探原理及地下人工電場(chǎng)分布特征，當(dāng)?shù)貙映练e分布均勻，視電阻率均勻變化；如遇有砂層、砂礫石層諸多因素影響，相對(duì)沉積分布均勻的地層而言，視電阻率值相對(duì)變大，結(jié)合區(qū)內(nèi)鉆孔資料，進(jìn)行綜合對(duì)比分析解釋，將所獲得資料進(jìn)行地質(zhì)分層，從而確定砂礫石及黏土層異常分布范圍。

瞬變電磁資料的處理和解釋工作是同時(shí)進(jìn)行的，它們之間存在一種從實(shí)踐到認(rèn)識(shí)的過程。資料解釋是建立在資料處理后的視電阻率斷面圖的基礎(chǔ)上。瞬變電磁資料的解釋首先依據(jù)鉆孔資料及電測(cè)深的電性分層建立正演模型，然后將單點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一維反演，確定目的層所對(duì)應(yīng)的瞬變電磁采樣道（深度），抽取各目的層位的視電阻率值作順層平面圖，結(jié)合各條測(cè)線的視電阻率斷面圖對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)黏土及砂礫石層分布異常進(jìn)行解釋。對(duì)黏土和砂礫石層異常分布的解釋不僅要從定性圖件上進(jìn)行分析，而且要結(jié)合單點(diǎn)數(shù)據(jù)和單支衰減曲線進(jìn)行綜合解釋，最終綜合計(jì)算的視電阻率和已知鉆孔資料及各個(gè)測(cè)點(diǎn)的正反演解釋結(jié)果，使解釋結(jié)果更加準(zhǔn)確。以某區(qū)K9線為例分析瞬變電磁測(cè)線繪制的視電阻率等值線斷面圖（見圖1），上部等值線均勻分布，視電阻率在（80～120）Ωm，分析為第四系亞砂土、砂質(zhì)黏土的電性反映；中部等值線阻值為40Ωm的相對(duì)低阻等值線封閉圈分布，是第四系黏土層的電性反映；等值線阻值為70Ωm的相對(duì)高阻等值線封閉和半封閉圈分布，是第四系砂礫石層的電性反映；下部等值線呈不均勻的起伏分布，視電阻率值在（50～80）Ωm之間變化，分析為第四系黏土層與砂礫石層相間沉積的綜合電性反映。

3　瞬變電磁探測(cè)施工方法

3.1施工儀器

施工中采用TEM-47（增強(qiáng)型）瞬變電磁儀，儀器探測(cè)精度高，盲區(qū)小，抗干擾能力強(qiáng)裝置主要參數(shù)為：接收機(jī)PROTEM-RECEIVER，時(shí)間門20/30，信號(hào)分辨率24位，包括1個(gè)符號(hào)位，系統(tǒng)分辨率29位。發(fā)射機(jī)TEM-47，基本頻率30，15，285Hz。

3.2施工方法

采用TEM法進(jìn)行觀測(cè)。TEM法觀測(cè)的是二次場(chǎng)，因此對(duì)低阻異常體特別靈敏，是探測(cè)含水層及其富水性、構(gòu)造及其含水情況的主要手段。1102改造工作面瞬變電磁勘探采用偶極布置方式，偶極工作方式布置的優(yōu)點(diǎn)是精度高，利于運(yùn)輸巷道條件下的作業(yè)。1102工作面瞬變電磁勘探工程施工測(cè)線6條，即回風(fēng)巷底板垂探線，測(cè)線長(zhǎng)330m，點(diǎn)距10m，實(shí)測(cè)物理點(diǎn)34個(gè)；回風(fēng)巷幫內(nèi)450俯探線，測(cè)線長(zhǎng)330m，點(diǎn)距10m，實(shí)測(cè)物理點(diǎn)34個(gè)；運(yùn)輸巷底板垂探線，測(cè)線長(zhǎng)340m，點(diǎn)距10m，實(shí)測(cè)物理點(diǎn)35個(gè)；運(yùn)輸巷內(nèi)幫450俯探線，測(cè)線長(zhǎng)340m，點(diǎn)距10m，實(shí)測(cè)物理點(diǎn)35個(gè)；切眼底板垂探線，測(cè)線長(zhǎng)60m，點(diǎn)距10m，實(shí)測(cè)物理點(diǎn)7個(gè)；切眼內(nèi)幫450俯探線，測(cè)線長(zhǎng)60m，點(diǎn)距10m，實(shí)測(cè)物理點(diǎn)7個(gè)實(shí)測(cè)施工共完成測(cè)線長(zhǎng)1460m，物理點(diǎn)152個(gè)。

3.3資料處理

（1）原始數(shù)據(jù)整理。首先要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、兩次優(yōu)選、濾波，消除噪聲，對(duì)資料進(jìn)行去偽存真。

（2）時(shí)深轉(zhuǎn)換。瞬變電磁儀器在井下觀測(cè)到的是二次場(chǎng)電位隨時(shí)間的變化，為便于對(duì)資料的認(rèn)識(shí)，需要將這些數(shù)據(jù)變換成電阻率隨深度的變化，即進(jìn)行一維層狀反演處理。

（3）繪制視電阻率斷面等值線圖。①?gòu)臅r(shí)深轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)中選出每個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，繪制各測(cè)點(diǎn)的視電阻率單曲線圖，分析每個(gè)測(cè)點(diǎn)的視電阻率單曲線類型；②繪制各測(cè)線的視電阻率斷面圖，即沿每條測(cè)線電性隨深度的變化情況；③結(jié)合已知地質(zhì)資料分析測(cè)區(qū)內(nèi)主要地層、地質(zhì)構(gòu)造，將電性異常轉(zhuǎn)換成地質(zhì)異常。

3.4資料解釋

資料解釋是根據(jù)編繪的視電阻率斷面等值線圖，結(jié)合地層相對(duì)視電阻率高、低阻電性分布情況，測(cè)區(qū)水文地質(zhì)資料，判斷探測(cè)范圍內(nèi)巖層的賦、導(dǎo)水性及其分布情況等。根據(jù)巖石電阻率實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果可知，灰?guī)r、粉砂巖、細(xì)砂巖與中砂巖間存在一定的電性差異，砂巖與煤層、泥巖間的電性差異明顯。不同巖性地層電阻率大小關(guān)系大致為：泥巖＜泥質(zhì)粉砂巖＜細(xì)砂巖＜粗砂巖＜煤層＜灰?guī)r。本次工作區(qū)域圍巖的巖性以泥巖為主，根據(jù)上述關(guān)系可知，泥巖電阻率值較低，會(huì)使探測(cè)結(jié)果整體電阻率值較低。這與實(shí)際探測(cè)結(jié)果一致。通常情況下在探測(cè)的目的地層是高阻砂巖或高阻石灰?guī)r地層，其視電阻率斷面等值線圖反映為在高阻背景值上出現(xiàn)低阻異常，該低阻異常一般為地層破碎，多為裂隙或巖溶裂隙發(fā)育所形成的賦水異常。該低阻異常越低，即電性差異越大，往往賦水性較強(qiáng)。

4　治理措施與應(yīng)用前景分析

4.1治理措施

通過物探手段后，首先圈畫出底板某區(qū)域，然后制訂有效治水措施。一般來說，疏水開采是有條件的，對(duì)于含水豐富、補(bǔ)給條件好、水壓高的承壓含水層，就不宜采用疏降方法；同時(shí)，對(duì)于某些含水層可以疏降，但疏降規(guī)模受礦井排水能力的限制，因此采取疏降方法時(shí)應(yīng)考慮條件是否允許。結(jié)合實(shí)際來看，1102工作面標(biāo)高在+105m以上，回風(fēng)大巷標(biāo)高為+75m，兩巷間距離為60m，排水設(shè)施齊全，有利于底板水的疏放，因此可采用疏水降壓的方法治理水害在1102工作面布置了疏放鉆孔，后期對(duì)該面回采期間的出水量進(jìn)行觀測(cè)，出水量約1m3/h，回采過程中已不受水害威脅。

4.2應(yīng)用與前景

通過瞬變電磁技術(shù)的使用，在遇水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井環(huán)境，物探設(shè)備能承受住各種壓力，經(jīng)受各種條件限制的考驗(yàn)。在以往的簡(jiǎn)單水文探測(cè)過程中，它已經(jīng)開始嶄露頭角，如今在水文地質(zhì)條件復(fù)雜，且水文地質(zhì)勘探資料較少的情況下，能發(fā)揮出這樣的水平，是儀器本身應(yīng)有的職能，也是物探技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。目前瞬變電磁技術(shù)不但可以應(yīng)用于巖巷水的探測(cè)，還能運(yùn)用于煤巷水文探測(cè)、地面水文地質(zhì)探測(cè)；探測(cè)的形勢(shì)及范圍可以根據(jù)形勢(shì)設(shè)定；可以對(duì)整個(gè)運(yùn)輸巷道、抽放巷道的探測(cè)、檢測(cè)整個(gè)預(yù)采工作面、回采工作面的積水情況，采用三維立體成像，結(jié)合采掘平面圖進(jìn)行綜合分析，有效的掌握采掘周圍含水情況。

5　結(jié)語

瞬變電磁技術(shù)的不斷發(fā)展，必將給礦井的生產(chǎn)帶來至關(guān)重要的影響。如今的節(jié)能減排，降成增效的角度，都是不錯(cuò)的選擇。通過大面積的探測(cè)，快速準(zhǔn)確的掌握采掘的一手資料，為采掘工作提供較為可靠的依據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新，瞬變探測(cè)將越來越精確，結(jié)構(gòu)成圖思路將越來越清晰，對(duì)未知領(lǐng)域的認(rèn)知度將越來越明朗化，綜合利用率將越來越高。

［1］陳載林，黃臨平，陳玉梁.我國(guó)瞬變電磁法應(yīng)用綜述 ［J］.鈾礦地質(zhì)，2010，26（1）：51-54.

［2］董俊領(lǐng).淺談瞬變電磁法在水文地質(zhì)勘探中的應(yīng)用 ［J］.城市建設(shè)理論研究：電子版，2012，（22）.

［3］劉小平，劉森，鐘秋.瞬變電磁法探測(cè)水文地質(zhì)因素在復(fù)雜地表?xiàng)l件下的應(yīng)用 ［J］.地下水，2014，（1）：117-118.

P641.4+3［文獻(xiàn)碼］ B

1000-405X（2016）-8-191-2