瞬變電磁法在探測煤礦富水性中的應用

麻燕華

摘 要：瞬變電磁勘探技術在20世紀80代末、90年代初已經(jīng)應用于煤田地質勘探領域，以其獨有的輕便、靈活、分辨率高并且對尋找低阻異常區(qū)效果比較明顯而倍受青睞。本文通過利用瞬變電磁法具有低阻反映靈敏、分層明顯的特點，充分表明瞬變電磁法對探測含水灰?guī)r的富水性的勘探有明顯的效果。

關鍵詞：瞬變電磁法；灰?guī)r富水性；電阻率法

1 瞬變電磁法的原理

瞬變電磁法（簡稱TEM法）是利用不接地回線或接地電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時間分布，從而來解決有關地質問題的時間域電磁法[ 1 ]。

瞬變電磁法的激勵場源使用較多的是回線場源。發(fā)射的電流脈沖波形主要有矩形波、三角波、和半正弦波等，不同波形有不同的頻譜，激發(fā)的二次場頻譜也不相同。多數(shù)儀器使用回線場源階躍脈沖（相當于矩形脈沖后沿）激發(fā)的瞬變電磁場進行測量。

在導電率為σ、導磁率為μ0的均勻各向同性大地表面敷設面積為S的矩形發(fā)射回線，在回線中供以 的階躍脈沖電流。在電流斷開前，發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個穩(wěn)定的磁場，如圖1所示[ 2 ]。

2 TEM資料處理

瞬變電磁法資料處理流程如圖2。

首先對原始數(shù)據(jù)進行整理、預處理、建立數(shù)據(jù)庫、調整時窗參數(shù)，提取有用信號；然后進行一維反演，輸出各測線視電阻率斷面圖，各斷面圖的數(shù)據(jù)構成了一個三維數(shù)據(jù)體，在該數(shù)據(jù)體中可以根據(jù)三維地震提供的各目的層深度，提取出各層位對應深度的視電阻率數(shù)據(jù)，進而可以繪制出各層位的視電阻率分布圖，結合現(xiàn)有的已知地質資料成果綜合分析，判斷電性異常區(qū)的真?zhèn)?，進行合理的地質解釋，最終生成我們所需的各層位富水性分布圖。

3 應用實例

3.1 測區(qū)地球物理電性特征

瞬變電磁法是電法勘探的一種方法，它通過研究不同地層的電阻率差異，并結合已知地質資料來達到評價地層和地質構造含水性等目的。利用電（電阻率）法評價地層的富水性，首先要掌握測區(qū)地層的電性特征，尤其是要掌握含水巖層與周圍巖層的電性差異。

根據(jù)已搜集到的鉆孔資料并參考鄰區(qū)有關資料，綜合分析該區(qū)主要巖層的電性特征見下表（表1）：

巖石的導電性與其巖性有關，同時也與其含水性有密切關系。一般情況下，干燥的巖石、石油和空氣的電阻率為無窮大，但實際上巖石孔隙、裂隙大都含有一定量的水，并隨著巖石含水飽和度的增加，電阻率急劇下降。

因此，巖層的電阻率大小不僅取決于干燥巖石本身的電阻率，還取決于巖石的含水飽和度。一般來說，含水斷層和含水巖層的電阻率遠小于不含水圍巖和巖層的電阻率，這也是電法評價構造及含水層富水性的依據(jù)。

3.2 視電阻率斷面圖分析解釋

視電阻率斷面圖的底部橫坐標表示測點號，縱坐標表示地層標高（單位為m），圖右側為電阻率色標，電阻率單位為Ω.m。圖中標有“Q”的黑線為第四系底界面，標有“16”的黑線為16煤底板，標有“O2”的黑線為奧灰頂界面，圖中紅色線段表示斷層及地質異常區(qū)。從視電阻率斷面圖總體來看，上部視電阻率值普遍較低，為第四系地層的電性反映，中部視電阻率值相對較高，為煤系地層的電性反映，下部視電阻率值明顯高于中、上部視電阻率值，視電阻率等值線呈高阻密集分布，為奧陶系灰?guī)r的電性反映。

現(xiàn)以D1、D2線為例分析如下：

3.2.1 D1線視電阻率斷面圖

D1線共布設了57個測點，點距40m，剖面長度2240m。該斷面上發(fā)育有莊頭斷層、FS8、FS7、FS5、FS11等斷層，從斷面圖上看大號端16煤底板及奧灰頂界面附近視電阻率值偏低，對應到平面圖上顯示為低阻異常區(qū)，分析該處巖溶相對發(fā)育，需要引起注意。該斷面上其它斷層破碎帶附近沒有明顯低阻異常，反映其它斷層在該地段富水性相對較弱（見圖3）。

3.2.2 D2線視電阻率斷面圖

D2線共布設了26個測點，點距40m，剖面長度1000m。該斷面發(fā)育有FS16斷層，從斷面圖上看整條剖面視電阻值變化較為平緩，F(xiàn)S16斷層破碎帶附近視電阻率沒有明顯變化，僅在84號測點16煤附近視電阻率有一小的低阻反映，分析認為是局部電性不均勻，或有裂隙等充填低阻物質所致，認為整條剖面富水性較弱（見圖4）。

4 結論

在本次電法勘查區(qū)內(nèi)采用瞬變電磁法（簡稱TEM法）探明了第四系底界、灰?guī)r富水性、富水區(qū)域以及奧灰頂部60m范圍內(nèi)的富水性、富水區(qū)域，達到良好的效果。

瞬變電磁法對淺層富水區(qū)探測的重要勘探方法，需要指出的是各灰?guī)r富水異常區(qū)，在靜態(tài)平衡遭到破壞時，有可能通過斷層破碎帶或裂隙導水，各含水層之間存在一定的水力聯(lián)系，在地質資料解釋中，還應結合三維地震以及地質水文資料進行綜合分析，來取得更好的地質解釋成果。

參考文獻：

[1] 牛之璉.時間域電磁法原理[M].長沙.中南工業(yè)大學出版社，1992.

[2] 楊海燕，岳建華.礦井瞬變電磁法理論與技術研究[M].科學出版社，2015.