基于CSAMT的貴州山區(qū)煤礦深部富水區(qū)探測研究

陳品雄 ，羅聰 ，徐林

(1.貴州煤田地球物理勘探有限責任公司， 貴州 貴陽 550014；2.貴州省煤田地質局一七四隊， 貴州 貴陽 550014)

貴州山區(qū)，尤其是黔北地區(qū)的煤系地層上覆長興組地層及玉龍山組為灰?guī)r地層，下覆茅口組為灰?guī)r地層，灰?guī)r的巖溶、巖體節(jié)理裂隙、構造等是礦山開采的重要致災因素。多數(shù)礦井開采深度為200～600 m，隨著開采深度增加，直流電阻率法探測煤礦水害已經不能滿足要求；而瞬變電磁法在貴州山區(qū)受地形起伏及植被影響，大發(fā)射框施測難度大、效率低。可控源音頻大地電磁法（CSAMT）具有探測深度大、工作效率高、抗干擾性強、受地形影響相對較小、設備相對輕便和橫向分辨率高等特點，將成為貴州山區(qū)煤礦水害勘探的重要方法[1-5]。

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是在大地電磁法（MT）、音頻大地電磁法（AMT）為基礎發(fā)展起來的方法，其采用人工源，提高了信號強度，但由于低頻數(shù)據(jù)的非平面波效應導致的近場效應，過渡帶數(shù)據(jù)產生低谷，近場區(qū)數(shù)據(jù)陡升，使低頻數(shù)據(jù)不能正常反映深部電性特征[6-8]。本文以黔北地區(qū)新田井田可控源音頻大地電磁測深數(shù)據(jù)為基礎，針對CSAMT低頻數(shù)據(jù)進行近場校正分析處理，以期達到充分利用低頻數(shù)據(jù)的目的[9-10]。

1 近場效應形成原因及處理方法

1.1 CSAMT（標量測量方式）原理

一般以長度為1～2 km接地導線向地下發(fā)送不同頻率的交變電流形成交變電磁場，觀測磁場振幅Hy和電場振幅Ex。根據(jù)Cagniard（卡尼亞）公式求得地下介質的視電阻率和阻抗相位：

式中，ρs為視電阻率，Ω·m；f為發(fā)射頻率，Hz；Ex為x方向的電場強度，Ⅴ/m；Hy為y方向的磁場強度，A/m；φ為阻抗相位；φE表示電場相應；φH表示磁場相伴。

CSAMT法探測的深度與大地電阻率和信號頻率有關，估算有效深度H的近似公式為：

式中，H為探測深度，m；σ為趨膚深度，m；ρ為大地電阻率，Ω·m。

由式（3）可知，當大地電性結構一定時，通過轉換收發(fā)電磁信號的頻率可測到不同深度的地電信息，從而達到勘探目標地質體的目的。

1.2 近場效應

因為采用人工源，接收機靠近場源（采集低頻數(shù)據(jù)）時，收發(fā)距r不能遠遠大于趨膚深度，電磁波為非平面波，不滿足平面波垂直地面的假設條件，利用卡尼亞公式計算得到的視電阻率及阻抗相位會發(fā)生畸變，表現(xiàn)為過渡區(qū)出現(xiàn)低谷，近場區(qū)低頻段視電阻率以近45°陡升，阻抗相位下降趨于0，遠場區(qū)以外數(shù)據(jù)不適合理論公式。近場區(qū)電場與磁場完全飽和且磁場按照1/r2衰減；遠場區(qū)電場與磁場水平分量按照1/r3衰減。在近場區(qū)與過渡區(qū)曲線形態(tài)無法用MT或AMT方法進行解釋，限制了低頻段數(shù)據(jù)的使用。

1.3 近場數(shù)據(jù)處理方式

Kn在近場時為常數(shù) 0.63，Kf在遠場時為常數(shù)1。根據(jù)實際f，r和測定的值，可以把研究區(qū)分為遠場區(qū)、近場區(qū)及過渡區(qū)。

在遠場區(qū)，因為Kf＝1，表明式（4）與式（1）相同，而在近場區(qū)和過渡區(qū)則必須用Kf和Kn系數(shù)進行校正。

2 研究區(qū)富水區(qū)特征

研究區(qū)地層出露地層有：三疊系下統(tǒng)夜郎組玉龍山段上部（灰?guī)r）、三疊系下統(tǒng)夜郎組九級灘段下部（粉砂巖、泥巖）及第四系。未出露地層有三疊系下統(tǒng)夜郎組玉龍山段下部（灰?guī)r）、沙堡灣段（主要為泥巖）、二疊系上統(tǒng)長興組（灰?guī)r）、龍?zhí)督M（含煤地層，主要由薄至中厚層狀粉砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、泥巖及少量細砂巖組成）及下統(tǒng)茅口組（灰?guī)r）。

研究區(qū)斷裂和巖溶發(fā)育。T1y2含水層富水性強，部分區(qū)域直接裸露地表，沿節(jié)理密集帶在T1y2含水層發(fā)育呈南北延伸的溝谷，沿溝谷形成季節(jié)性地表溪流，雨季溝谷中地表溪流在徑流過程中多沿落水洞集中注入地下，成為T1y2地下水的補給來源。

主采煤層M4與P3c-T1y2含水層間隔水巖層厚度小于礦井頂板冒落導水裂隙帶高度，未來開采過程中，P3c-T1y2巖溶地下水將通過裂隙或斷層帶進入礦井，造成礦坑涌水，特別是暴雨期間，大量地表水可能通過落水洞涌入礦坑，造成礦坑突水。P2m灰?guī)r若存在巖溶裂隙發(fā)育，其對后續(xù)煤礦開采龍?zhí)督M底部煤層會造成水患威脅。研究區(qū)位于F5正斷層附近。F5正斷層位于井田西南部蒙家寨-梨子沖一帶，長3.2 km，走向NE35°～45°，傾向SE，傾角為71°，地表出露清楚，落差30 m左右。

通過對研究區(qū)及附近區(qū)域進行野外踏勘和調查，研究區(qū)無采掘活動。結合該區(qū)地層及地層產狀情況，地表泉點、巖溶、構造發(fā)育情況，研究區(qū)主要水患（富水區(qū)）為 F5正斷層和 T1y2、P3c、P2m灰?guī)r內形成的巖溶裂隙。

結合研究區(qū)附近鉆孔的測井視電阻率曲線資料，將工區(qū)內地層視電阻率進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結果見表1。

表1 研究區(qū)附近鉆孔巖心視電阻率測量統(tǒng)計

3 近場校正效果分析

本次 CSAMT探測布置一個發(fā)射源，長度為1990 m，收發(fā)距為8.25～8.65 km（大于探測深度10倍），接收偶極矩為20 m。采用標量測量方式。

圖1為1號測線10 m、130 m、230 m測點卡尼亞電阻率和阻抗相位曲線，雖然1號測線收發(fā)距為 8.65 km，但從曲線可以看出近場效應明顯?？醽嗠娮杪首杩瓜辔磺€均比較圓滑，未出現(xiàn)明顯畸變點，在低頻200～50 Hz左右，卡尼亞電阻率明顯進入低谷，尾部明顯升高；阻抗相位在200 Hz左右出現(xiàn)最高點，低頻衰減逐漸趨近于0。200～50 Hz明顯進入過渡帶低谷，50 Hz以后明顯進入近場區(qū)。表明在高頻區(qū)域（遠場區(qū)），卡尼亞視電阻率能夠客觀地反映出地電斷面的垂向變化；但在過渡區(qū)和近場區(qū)，電場和磁場衰減的強度變化不一致，卡尼亞視電阻率不能正確反映地電斷面變化情況。

圖1 1號測線10 m、130 m、230 m測點卡尼亞電阻率和阻抗相位曲線

圖2為1號測線10 m、130 m、230 m點位實測卡尼亞電阻率和近場校正后視電阻率曲線。近場校正后遠區(qū)（高頻段）無變化，過渡帶低谷消失，近場區(qū)低頻曲線不再陡升。表明近場校正效果良好，較好地解決了過渡帶及近場引起曲線畸變的問題。

圖2 1號測線10 m、130 m、230 m測點實測卡尼亞電阻率曲線（黑色）和近場校正后視電阻率曲線（藍色）

4 剖面異常響應分析

圖3為1號測線二維反演電阻率剖面圖（橫縱比例為1:5）。從電阻率剖面可以看出，T1y3地層整體呈相對低阻，符合砂巖和泥巖電性特征；T1y2地層呈相對高阻，符合灰?guī)r電性特征；P2m地層整體呈相對高阻，符合灰?guī)r電性特征；P3l地層呈相對低阻，符合粉砂巖、泥巖、煤層電性特征；尤其T1y1、P3c呈相對低阻（泥巖）—高阻（灰?guī)r）薄互層，電性特征反應不明顯。表明CSAMT在縱向對高阻及低阻地層分辨率均較好；由于厚度關系，對薄層高阻或低阻互層反應不明顯。

F5斷層為正斷層，傾角為71°，斷距約31 m，出露明顯。在圖3上顯示上盤為相對高阻，下盤為相對低阻，推斷下盤發(fā)育破碎帶發(fā)育，F(xiàn)5斷層電性特征反應明顯。

圖3 1號測線二維反演電阻率剖面

據(jù)圖3推斷巖溶發(fā)育范圍6個，均呈相對低阻。T1y2地層發(fā)育4個，編號I至Ⅳ；P3c地層發(fā)育1個，編號Ⅴ；P2m地層發(fā)育1個，編號Ⅵ。該區(qū)域無煤層露頭，煤層埋深，據(jù)調查該區(qū)域未發(fā)生過煤層采掘活動，無采空區(qū)。

圖4為2號測線二維反演電阻率剖面圖（橫縱比例為1:5）。各地層電性特征與1號測線相似，表明CSAMT整體對高阻及低阻的地層均反應明顯，對高低阻互層的薄地層反應不明顯，對橫向上 F5斷層反應明顯。

圖4 2號測線二維反演電阻率剖面

據(jù)圖4推斷巖溶發(fā)育范圍9個，均呈相對低阻。T1y2地層發(fā)育6個，編號I至Ⅵ；P3c地層發(fā)育1個，編號Ⅶ；P2m地層發(fā)育2個，編號Ⅷ和Ⅸ。該區(qū)域無煤層露頭，煤層埋深，據(jù)調查該區(qū)域未發(fā)生過煤層采掘活動，無采空區(qū)。P2m地層發(fā)育較1號測線偏低，根據(jù)研究區(qū)附近302號鉆孔，茅口灰?guī)r發(fā)育裂隙及溶蝕，表明測線2區(qū)段巖溶裂隙較為發(fā)育。

根據(jù)以上兩個剖面特征：表明通過近場校正后，CSAMT在縱向對高阻及低阻地層分辨率均較好；由于厚度關系，對薄層高阻或低阻互層反應不明顯。F5斷層斷距30 m，從淺部至深部均反應明顯，表明通過近場校正后，CSAMT在橫向上從淺部至深部均有良好的分辨率。兩條測線共推斷的巖溶發(fā)育位置15個，其橫向大小為15～30 m，表明通過近場校正后，可控源音頻大地電磁法橫向上區(qū)分巖溶異常也具有良好的效果。

5 結論

（1）對數(shù)據(jù)進行近場校正，近場校正后遠場區(qū)（高頻段）無變化，過渡度帶低谷消失，近場區(qū)低頻曲線不再陡升。近場校正效果良好，較好地解決了過渡帶及近場引起曲線畸變的問題。

（2）對部分剖面進行分析，表明通過近場校正后，CSAMT在縱向對地層分辨率較好，其結果與測井曲線統(tǒng)計的視電阻率吻合度好；CSAMT對斷層具有良好的分辨率，對巖溶異常也具有良好的地響應效果。

（3）通過實測資料，可控源音頻大地電磁在按測量10倍深度選擇收發(fā)距時近場效應相當明顯，對其低頻數(shù)據(jù)進行近場校正處理提取并應用十分有必要。通過對實測資料近場校正處理后，能很好地反映深部地層及富水區(qū)的異常特征，表明視電阻率數(shù)據(jù)相當于遠區(qū)視電阻率數(shù)據(jù)，提高了 CSAMT深部低頻數(shù)據(jù)的可靠利用程度，能更好地服務于貴州山區(qū)礦山復雜地質條件下的的深部防治水工作。