瞬變電磁勘探在新疆火燒區(qū)含水性探測(cè)中的應(yīng)用

摘要：采用瞬變電磁勘探方法探測(cè)新疆煤炭火燒區(qū)含水性，在瞬變電磁法勘探常規(guī)電阻率計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用大定源回線優(yōu)化反演技術(shù)，結(jié)合測(cè)井、鉆探及地質(zhì)資料形成三維數(shù)據(jù)體，并利用自主開(kāi)發(fā)的三維可視化軟件進(jìn)行資料解釋，經(jīng)鉆探驗(yàn)證效果良好。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁;優(yōu)化反演;火燒區(qū)

新疆地區(qū)煤炭資源豐富，但煤層火燒區(qū)分布亦廣泛，對(duì)煤層破壞及開(kāi)采影響巨大，煤層火燒后往往形成較大的裂隙，使得煤層頂?shù)装宓貙訉?dǎo)水性加強(qiáng)，在大氣降水以及周邊河流的補(bǔ)給下，容易形成較大的水區(qū)，直接威脅井下安全，因此，針對(duì)火燒區(qū)特別是富水區(qū)的探測(cè)顯得尤為重要，本文主要探討采用瞬變電磁（TEM）反演技術(shù)對(duì)火燒區(qū)含水性精細(xì)化探測(cè)的應(yīng)用效果。

1 研究區(qū)地質(zhì)、地球物理特征

本次課題組選擇新疆準(zhǔn)南煤田某礦作為研究區(qū)，該區(qū)內(nèi)主要分布侏羅系下統(tǒng)八道灣組（J1b），為該區(qū)主要含煤地層，由下而上沉積環(huán)境呈現(xiàn)出不同的相變模式，底部主要為湖泊—沼澤相沉積，向上逐漸伴有河流相的含煤粗粒碎屑巖建造，巖性主要以灰—灰黑色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、礫巖和煤層組成，夾少量厚層狀中、粗砂巖，地層總厚為699—1379.42米。含大于0.30米的煤層35層，編號(hào)煤層為2l層，煤層平均總厚79.21來(lái)，按地層平均厚1045.61米計(jì)。含煤系數(shù)為7.6%。該組地層與下伏三疊系上統(tǒng)郝家溝組（T3h）呈平行不整合接觸，與上覆三工河組（J1s）為整合接觸。

根據(jù)以往物探及測(cè)井資料可知，該區(qū)地層電阻率在10～ 102.5Ω·m，其中以地表較為干燥的第四系覆蓋層電阻率最高，達(dá)102.5Ω·m，以含水火燒區(qū)最最低約10Ω·m。而黑色泥巖以及泥質(zhì)粉砂巖亦為低阻反應(yīng)，以往電磁法勘探手段難以區(qū)分，往往根據(jù)電阻率繞曲及低阻圈閉并結(jié)合解釋人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行劃分含水區(qū)邊界，人為因素大，因此需要在資料解釋階段引入約束反演，提高資料解釋的精細(xì)度。

2 工作方法及技術(shù)

瞬變電磁法（Transient electromagnetic method，TEM）屬時(shí)間域電磁測(cè)深法，又稱“純異常場(chǎng)法”，它是利用階躍波形電磁脈沖激發(fā)，利用不接地回線向地下發(fā)射一次場(chǎng)，在一次場(chǎng)的間歇期間（斷電后），測(cè)量由地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化來(lái)達(dá)到尋找各種地質(zhì)目標(biāo)體的一種引人注目的地球物理勘探方法。該方法對(duì)低阻反映靈敏、分層明顯，是自八十年代在國(guó)內(nèi)煤礦采空區(qū)探測(cè)、防治水等方面廣泛應(yīng)用并在近幾年取得長(zhǎng)足發(fā)展的煤礦物探新技術(shù)。

瞬變電磁法的工作原理是：在地表敷設(shè)不接地線框或接地電極，輸入階躍電流，當(dāng)回線中電流突然斷開(kāi)時(shí)，在下半空間就要激勵(lì)起感應(yīng)渦流以維持?jǐn)嚅_(kāi)電流前已存在的磁場(chǎng)，并且此渦流場(chǎng)隨時(shí)間以等效渦流環(huán)的形式向下傳播、向外擴(kuò)展，利用不接地線圈、接地電極或地面中心探頭觀測(cè)此二次渦流磁場(chǎng)或電場(chǎng)的變化情況，用以研究淺層至中深層的地電結(jié)構(gòu)。由于是在沒(méi)有一次場(chǎng)背景的情形下觀測(cè)純二次場(chǎng)異常，因而異常更直接、探測(cè)效果更明顯、原始數(shù)據(jù)的保真度更高。（其工作原理見(jiàn)右圖）。

為了后期反演工作及三維解釋的需要，本次試驗(yàn)采集按照40×40m的規(guī)則網(wǎng)度采集，采用大定源回線參數(shù)，共完成了5777點(diǎn)的原始資料采集。

資料處理方法

3.1預(yù)處理

對(duì)經(jīng)過(guò)驗(yàn)收的原始資料進(jìn)行濾波、排序等基礎(chǔ)處理，為進(jìn)一步的計(jì)算和處理工作做好準(zhǔn)備。

瞬變電磁法觀測(cè)數(shù)據(jù)是各測(cè)點(diǎn)各個(gè)延時(shí)（時(shí)窗）的瞬變感應(yīng)電壓，同一個(gè)測(cè)點(diǎn)不同延時(shí)（時(shí)窗）的感應(yīng)電壓不僅與某個(gè)深度的地層電阻率具有一定的相關(guān)性，而且和該深度上覆地層電阻率相關(guān)。

二次場(chǎng)歸一化感應(yīng)電壓由于信號(hào)小，易受各種人文電磁、地表因素干擾，因此去除非地層電性產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是瞬變電磁處理的首要目標(biāo)。采用了直接的畸變數(shù)據(jù)剔除和非線性濾波兩種方法。

瞬變電磁場(chǎng)法對(duì)于地表?xiàng)l件的適應(yīng)性是比較強(qiáng)的，資料處理主要是針對(duì)電磁干擾的。對(duì)一些干擾大的測(cè)點(diǎn)先做單點(diǎn)平滑，然后再通過(guò)剖面圖視電阻率等值線的形態(tài)進(jìn)行分辨。一般來(lái)說(shuō)，孤立的、非常密集的封閉圈往往不是真正的地質(zhì)異常，需將其再次平滑。

當(dāng)然，平滑的基礎(chǔ)是受電磁干擾的瞬變實(shí)測(cè)衰減曲線仍保持了形態(tài)上的完整。為此，當(dāng)干擾很大時(shí)除加大供電電流外（180-200A），每個(gè)測(cè)點(diǎn)上的重復(fù)觀測(cè)次數(shù)多達(dá)7-8次直到獲得較為理想的曲線為止。

3.2視電阻率計(jì)算

盡管感應(yīng)電壓高對(duì)應(yīng)電阻率低，但不同時(shí)間的瞬變電磁二次場(chǎng)感應(yīng)電壓跨躍了5、6個(gè)數(shù)量級(jí)（甚至更大），而且不直觀。將歸一化瞬變感應(yīng)電壓換算成視電阻率、視縱向電導(dǎo)、視深度等直觀參數(shù)是瞬變電磁數(shù)據(jù)處理不可缺少的，也是最基礎(chǔ)的，它符合深度多少米電阻率多少的常規(guī)解釋要求。幾種主要參數(shù)計(jì)算公式如下

-------------------------晚期視電阻率

式中μ0=4π×107，M為發(fā)射磁矩M=I·L2，t為時(shí)窗時(shí)間，q為接收線圈的有效面積，VZ是感應(yīng)電壓

-----------------------縱向電導(dǎo)

------------------視深度

上述視電阻率、視深度是處理應(yīng)得到的基本參數(shù)，根據(jù)資料的實(shí)際情況應(yīng)進(jìn)行濾波、優(yōu)化反演等處理。

3.2 TEM大定源回線優(yōu)化反演

建立如下目標(biāo)函數(shù)ψ的模型，

式中，，d是數(shù)據(jù)向量，m是模型向量，是正演模擬函數(shù)，e是殘差向量。其中的分量為（歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，單位）;為地電模型的電阻率向量，可令為模型單元個(gè)數(shù)，且每一為取對(duì)數(shù)后的電阻率值（即）。正則化參數(shù)λ是一個(gè)正數(shù)。正定矩陣V起殘差向量e之協(xié)方差的作用，其是數(shù)據(jù)誤差的一種度量。ψ的第二項(xiàng)是為了獲得穩(wěn)定的解而對(duì)地電模型的一種約束。本程序?qū)⒕仃嘗取為簡(jiǎn)單的二階微分算子，即Lm近似為Δ（）。

非線性共軛梯度（NLCG）直接求解最小二乘的極小化問(wèn)題，突破了

線性化迭代反演的框架。非線性共軛梯度的模型序列由一系列的一元極小化或沿著計(jì)算的搜索方向的線性搜索所確定，

搜索方向是對(duì)線性共軛梯度的近似，其迭代格式為，

式中，。

成果解釋

通過(guò)上述資料處理及優(yōu)化反演，形成一個(gè)以40×40m為單元網(wǎng)格的三維數(shù)據(jù)體，并采用課題組自主開(kāi)發(fā)的三維可視化解釋軟件，對(duì)該數(shù)據(jù)體按照解釋資料形成剖面、水平切片以及聯(lián)井剖面等，進(jìn)行資料的最終解釋，三維可視化效果如下圖2，三維可視化效果圖。資料解釋過(guò)程中，采用該可視化軟件可以根據(jù)需要疊加上已知的地質(zhì)、鉆孔、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，形成地質(zhì)、鉆探、測(cè)井、瞬變電磁一體化的三維數(shù)據(jù)體，可對(duì)地下地質(zhì)體完成初步的三維定位和顯示，更好的提高解釋精度及直觀效果，極大的提高了解釋效率。

本課題的研究區(qū)域內(nèi)煤層較厚，各層煤都有燃燒，煤層的頂、底板比較破碎，火區(qū)地面塌陷嚴(yán)重。所以空區(qū)基本都有冒落現(xiàn)象，視電阻率剖面上的相對(duì)高阻對(duì)應(yīng)著老窯和燃燒后形成的空區(qū)或者是這些區(qū)域冒落后形成的松散破碎帶。相對(duì)低阻對(duì)應(yīng)著火燒區(qū)含水體、老窯積水區(qū)、煤層燃燒區(qū)。在對(duì)異常體進(jìn)行解釋的時(shí)候，要在充分利用已知的地形地質(zhì)資料的前提下，除視電阻率值的高低外，在判斷異常方面還要考慮視電阻率等值線的形態(tài)、地形、地表電性不均勻程度、觀測(cè)點(diǎn)原始數(shù)據(jù)質(zhì)量等因素。

當(dāng)然，實(shí)際的解釋過(guò)程還是遵循有已知到未知，有剖面到平面的過(guò)程。其中下圖3即為對(duì)驗(yàn)證鉆孔部分局部放大的剖面顯示。從圖上可見(jiàn)，在標(biāo)高500至900m，圖形左側(cè)小出現(xiàn)大面積低電阻率區(qū)，物探推測(cè)為火燒區(qū)含水體，與后期鉆探驗(yàn)證情況完全吻合。

5.結(jié)論及建議

通過(guò)本次優(yōu)化反演形成的瞬變電磁數(shù)據(jù)在低背景電阻率區(qū)域探測(cè)水區(qū)效果較好，能夠在低電阻率的砂泥巖區(qū)見(jiàn)到較為明顯的含水區(qū)邊界，并經(jīng)后期鉆探驗(yàn)證，準(zhǔn)確率較高;采用三維切片的方式使得解釋過(guò)程更為直觀、高效;反演過(guò)程中較好的利用了地質(zhì)模型和綜合測(cè)井資料，使得反演成果更為接近真實(shí)地質(zhì)情況，有效的解決了瞬變電磁深度誤差較大的問(wèn)題。

由于本研究區(qū)后期發(fā)現(xiàn)淺部有大量的老窯采空區(qū)存在，在瞬變電磁資料上反應(yīng)不明顯，可見(jiàn)基于大定源回線的反演技術(shù)針對(duì)淺部（深度小于100m）低阻體探測(cè)存在一定的缺陷，使用過(guò)程中應(yīng)結(jié)合淺層具體情況采用其他的方法進(jìn)行補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)：

[1]李貅，瞬變電磁測(cè)深的理論與應(yīng)用，陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2002。

作者簡(jiǎn)介：

苗圃（1967—）高級(jí)工程師，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程碩士學(xué)位，1990年工作，先后從事新疆煤田滅火處技術(shù)科科長(zhǎng)、副總工程師、新疆煤炭科學(xué)研究所所長(zhǎng)等工作。