大定源瞬變電磁法在洋坑礦區(qū)水文地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

【摘 要】大定源瞬變電磁法是基于煤礦中的斷層和巖溶陷落柱與圍巖存在電阻率差異，具有較高的信噪比，劃分異常詳細(xì)。通過洋坑礦區(qū)水文地質(zhì)勘探顯示，大定源瞬變電磁法能有效地解決深部灰?guī)r陷落柱及斷層破碎帶、查明不同采區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的富水性和導(dǎo)水性、查明勘探區(qū)煤系地層和構(gòu)造及灰?guī)r的富水區(qū)及水力聯(lián)系等地質(zhì)問題，具有應(yīng)用前景廣泛。

【關(guān)鍵詞】瞬變電磁法；視電阻率；斷層破碎帶導(dǎo)水性；信噪比；洋坑礦區(qū)

洋坑礦區(qū)位于福建省龍巖新羅區(qū)東南部的適中鎮(zhèn)后祠村，礦區(qū)面積12km2，二十世紀(jì)八十年代，進(jìn)行過區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，初步確立了該區(qū)的童子巖組含煤地層；2006年7～8月進(jìn)行了野外踏勘工作，初步圈定了童子巖組含煤地層范圍；2009年6月提交煤礦普查地質(zhì)報告。已完成7個鉆孔3136.97m，槽探1500m3，1：1萬地質(zhì)填圖12km2，確定主要可采煤層為5、37、39、41等四層煤層，預(yù)計（333+334）煤炭資源量為近千萬t。由于該礦區(qū)范圍內(nèi)有陵坑水庫（容水量為38m3）和洋坑水庫（容水量為438m3），礦區(qū)大部分煤層賦存在該塊段，采用大定源瞬變電磁法對該區(qū)的水文地質(zhì)進(jìn)行專項調(diào)查，具有重要意義。

1.礦區(qū)總體構(gòu)造特征

本區(qū)總體以滑覆構(gòu)造為主導(dǎo)，其中以隱伏斷裂F0為主斷裂，次一級滑覆斷裂F02、F03、F04為近南北走向且表現(xiàn)為近視平行，地層表現(xiàn)為向北西傾斜的單斜構(gòu)造，伴生次一級寬緩的小褶皺。本區(qū)未見規(guī)模較大的巖漿巖體，礦區(qū)北部發(fā)育一條近東西走向、向北傾的正斷層F5，東部發(fā)育一條近南北走向、向東傾的正斷層F1。主要構(gòu)造見礦區(qū)構(gòu)造綱要圖（圖1）。

1.1 滑覆斷裂F0、F02、F03、F04

①F0滑覆斷裂，在本區(qū)表現(xiàn)為隱伏斷裂，與區(qū)域上F0為同一條斷裂。上覆地層為童子巖組第一段下亞段（P1t1-1）及文筆山組上部分地層（P1w），下伏地層為棲霞組（P1q）灰?guī)r及石炭系～泥盆系（C～D），礦區(qū)內(nèi)有5個鉆孔控制。F0斷裂使童子巖煤系地層埋藏變淺。

②F02滑覆斷裂，地表出露2km，對該區(qū)煤系地層賦存起著相當(dāng)?shù)钠茐淖饔?，上覆地層為童子巖組第三段上亞段（P1t3-3），下伏地層為童子巖組第一段下亞段（P1t1-1）及文筆山組（P1w）。F02斷裂對童子巖組破壞嚴(yán)重。使三段上亞段（P1t3-3）直接和一段下亞段（P1t1-1）接觸，缺失三段下亞段主要含煤段。

③F03滑覆斷裂，地表出露3km，上覆地層翠屏山組中下部地層（P2cp2），下伏地層童子巖組第三段上亞段至中亞段（P1t3-3）。F03斷裂使童子巖組三段地層破壞嚴(yán)重。

④F04滑覆斷裂，地表出露7km，上覆地層溪口組（T1x）地層，下伏地層翠屏山組中部地層（P2cp）及童子巖組第一段至第三段地層（P1t1～P1t3）。F04斷裂對童子巖組破壞嚴(yán)重。各滑覆斷裂空間形態(tài)見3、7線剖面圖。

1.2 正斷層F1、F5

①F1斷層：該斷層位于本區(qū)東部，總體走向南北，傾向東，傾角45°左右，地表出露達(dá)5km，其上盤為侏羅系上統(tǒng)南園組（J3n），下盤為侏羅系下統(tǒng)梨山組（J1l）、三疊系下統(tǒng)溪口組（T1x）地層，落差>200m，F(xiàn)1斷層交于F5斷層上。

②F5斷層：該斷層位于本區(qū)北部，走向近東西，傾向北東，傾角40°～60°之間，出露地表達(dá)3km，其上、下盤皆為T1x、P2cp、J3n地層，地層斷距大于500m，F(xiàn)5斷層切斷F04、F01斷層。

2.洋坑礦區(qū)地面物理場特征

大定源瞬變電磁法在煤礦水文勘探中取得的效果很明顯，能有效的反映深部地層的信息，具有高信噪比，劃分異常比較詳細(xì)，勘探深度大，在勘探地下陷落柱及斷層破碎帶的應(yīng)用中，瞬變電磁法處理解釋的視電阻率擬斷面圖中，根據(jù)地表地形地質(zhì)資料，再結(jié)合鉆探的資料，在查明的陷落柱及斷層破碎帶位置基本上復(fù)合。目前瞬變電磁法在地質(zhì)勘探中對地質(zhì)異常進(jìn)行較準(zhǔn)確的定位，對于地質(zhì)異常體的判斷需要結(jié)合地質(zhì)填圖及鉆探資料進(jìn)行綜合解釋。對深度信息反演準(zhǔn)確度不高，視深度和真實深度存在一定的誤差，異常體的定性解釋是瞬變電磁法的需要解決的首要問題。擬采用瞬變電磁法對洋坑煤礦進(jìn)行水文地質(zhì)勘探，瞬變電磁法的基本方法及原理如下：

2.1 瞬變電磁法主要內(nèi)容

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM）屬于時間域電磁法，利用階躍波或其他脈沖電流場源激勵大地產(chǎn)生過渡過程場，斷電瞬間在大地中形成渦旋交變電磁場，測量這種由地下介質(zhì)產(chǎn)生的二次感應(yīng)電磁場隨時間變化的衰減特性，從而達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的。大定源瞬變電磁法是瞬變電磁法的一種方法，主要優(yōu)點是劃分異常比較詳細(xì)、具有較高的信噪比、勘探深度比較大，適合于深部勘探，比如探測深部地下水、圈定礦產(chǎn)資源。在煤田勘探領(lǐng)域，該方法可以有效彌補(bǔ)煤田鉆探的不足。大定源瞬變電磁法發(fā)射回線邊長從400～1000m不等，通常是正方形或矩形，但是受地形影響較大，因此敷設(shè)線框不太嚴(yán)格?；鼐€一旦鋪好以后，可采用多臺儀器同時接收，工作效率高，成本低。因而，該方法被廣泛應(yīng)用于煤田勘查、水文和工程勘探等領(lǐng)域。

2.2 瞬變電磁法基本原理

磁場的渦旋場在大地中主要以擴(kuò)散形式傳播，在這一過程中電磁能量直接在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播而消耗。由于趨膚效應(yīng)，高頻部分主要集中在地表附近，且其分布范圍是源下面的局部，較低頻部分傳播到深處，且分布范圍逐漸擴(kuò)大。隨著時間的延長，渦流場將向下及向外擴(kuò)散，并逐漸變形為圓電流環(huán)，發(fā)射電流關(guān)閉后三個不同時刻地下等效電流環(huán)的分布示意見圖1。從圖中可以看到，等效電流環(huán)很像從發(fā)射回圈中“吹”出來的一系列“煙圈”[1]，因此，將地下蝸旋電流向下向外擴(kuò)散的過程形象的稱為“煙圈效應(yīng)”。其傳播深度和速度為：；，其中，d為深度（m），v為速度（m/s），t 為傳播時間（s）；σ為介質(zhì)電導(dǎo)率；μ0為真空中的磁導(dǎo)率。晚期場視電阻率[2]為： ；

其中S為發(fā)射回線的面積（m2），N為匝數(shù)（個），I為供電電流強(qiáng)度（安培），V為電壓（伏特），當(dāng)接受線圈面積為s（m2），匝數(shù)為n（個），t為采樣時間（s）。

3.瞬變電磁法在洋坑煤礦區(qū)水文地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

福建省121地質(zhì)大隊物探院在洋坑煤礦為查明不同采區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的富、導(dǎo)水性，查明該勘探區(qū)煤系地層、構(gòu)造及灰?guī)r的富水區(qū)及水力聯(lián)系，決定開展地面瞬變電磁勘探工程。本礦區(qū)屬中低山、丘陵地形，溝谷縱橫，山巒連綿起伏，地形切割強(qiáng)烈，主要山脈分布在礦區(qū)的東部，山脈總體呈近南北走向。礦區(qū)東部高，西南部低，最高點位于礦區(qū)南部標(biāo)高+1193.30m，最低侵蝕基準(zhǔn)面位于礦區(qū)西側(cè)的溝谷中，標(biāo)高+678m，相對高差515.30m，地形切割強(qiáng)烈，溝谷邊坡度較陡，常見懸崖峭壁。溝谷坡降大，地形坡度多在20°～50°之間，局部可達(dá)60°～70°。本次開展地面瞬變電磁勘探法，其測線布置與地質(zhì)勘探線的布置一致，以便于對比分析。本次擬選擇3與7線進(jìn)行實驗。

（1）瞬變電磁勘探法在第7線上實測情況。從圖3來看，測線7線上0～80m、150～250m及離地面60～750m區(qū)域，存在明顯的低阻異常體，可以認(rèn)為是含水陷落柱或F03斷層破碎帶；根據(jù)測線7表明3煤層底板離地面大約340m。而480～580m和650～750m是高阻區(qū)域。這一結(jié)果與鉆探資料結(jié)果相符合。

（2）瞬變電磁勘探法在第3線上實測情況（如圖4）。在3測線300～350m有一相對低阻區(qū)域，可有一條斷層F02。而該測線3煤層底板離地面大約380～430m；從圖3來看，隨著深度的增加，視電阻率逐步增加，與地質(zhì)情況相符合；這一推論，與鉆探施工結(jié)果一致。

（3）由于測線較長，接地電阻也較大，所以我們移動兩次AB電極，分二段完成測線測量工作。測量數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理，生成3線及7測線視電阻率剖面圖（圖5）。從剖面圖上我們可以看到二條測線上的電阻率異常反映，集中在30～60測點和90～100測點兩處，相應(yīng)的視電阻率也呈較低阻反映，這與圖3、圖4結(jié)論相吻合，但比圖3、圖4更直觀。

（4）從鉆探施工結(jié)果表明：F04、F03、F02、F0、斷層，傾向北西，發(fā)育在翠屏山組（P2cp）與童子巖組第三段上亞段（P1t3-3）之間、文筆山組（P1w）與棲霞組（P1q）之間。從如下鉆孔揭露探表明，與上述的瞬變電磁勘探法結(jié)果相一致。

①據(jù)ZK303、ZK703鉆孔揭露，F(xiàn)0斷裂：為隱伏滑脫斷層，地表未出露，上盤地層為童子巖組第一段下亞段（P1t1）及文筆山組（P1w）上部地層；下盤地層為棲霞組（P1q）地層和下石炭統(tǒng)林地組（C1l）?？碧接?個鉆孔揭露F0斷裂，僅ZK303鉆孔在F0斷裂上盤文筆山組地層的破碎帶中（孔深435.91436.41m）泥漿消耗量較大為0.90m3/h，其它鉆孔均未見漏水現(xiàn)象，F(xiàn)0斷裂造成部分文筆山組地層及童子巖組一段地層的缺失，但并未造成童子巖組煤系地層與棲霞組灰?guī)r直接對口。因此，F(xiàn)0斷裂為局部充導(dǎo)水較強(qiáng)（鉆孔揭露F0斷裂深度統(tǒng)計如表2）。這一點與上述瞬變電磁勘探法結(jié)果相一致。

②F02斷裂：勘探有6個鉆孔揭露，消耗量為0.06～0.30m3/h，均未出現(xiàn)泥漿嚴(yán)重漏失現(xiàn)象。F02破碎帶本次調(diào)查未見出水點，初步判定F02斷裂為導(dǎo)水性弱（鉆孔揭露F02斷裂深度統(tǒng)計表如表3）。這一點與上述瞬變電磁勘探法結(jié)果相一致。

③F03斷裂：礦區(qū)有4個鉆孔揭露，消耗量為0.06～0.20m3/h，均未見泥漿嚴(yán)重漏失現(xiàn)象，因此初步判斷F03斷裂為導(dǎo)水性弱。F03破碎帶本次調(diào)查未見出水點（鉆孔揭露F03斷裂深度統(tǒng)計表如表4）。這一點與上述瞬變電磁勘探法結(jié)果相一致。

④F04斷裂：礦區(qū)有2個鉆孔揭露。未出現(xiàn)童子巖組含煤地層與溪口組中下部的灰?guī)r直接對口。ZK707、ZK507鉆孔揭露F04斷裂破碎帶時出現(xiàn)泥漿消耗量0.60～1.0m3/h。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)ZK707鉆孔由于封孔質(zhì)量差，孔口出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，涌水量0.5l/s，因此，初步推斷F04斷裂為充導(dǎo)水性中等（鉆孔揭露F04斷裂深度統(tǒng)計表如表5）。這一點與上述瞬變電磁勘探法結(jié)果相一致。

4.結(jié)論

通過本次大定源瞬變電磁法勘探與鉆探對比，獲得結(jié)論是：

①直接充水含水巖層童子巖組富水性弱，溪口組富水性中等，為不均勻巖溶～裂隙含水巖組；棲霞組富水性中等～強(qiáng)，為不均勻裂隙～巖溶含水巖組；F04斷裂構(gòu)造充導(dǎo)水性中等；F0斷裂充導(dǎo)水性局部較強(qiáng)；灰?guī)r與煤系地層未直接對口，礦區(qū)內(nèi)F02、F03斷裂構(gòu)造不發(fā)育，斷層充導(dǎo)水性弱。

②洋坑水庫底部對5線東塊段（Ⅱ-334）5煤開采有影響。洋坑水庫底部與一段可采煤層37、39、41煤層相距達(dá)150m以上，對煤層開采無影響。

③陵坑水庫與可采煤層5、37、39、41煤層相距達(dá)150m以上，對煤層開采無影響。中部（S8）與一段可采煤層37、39、41煤層開采有影響。

④下階段工作重點對F04、F0斷裂的充導(dǎo)水性進(jìn)一步查明，建議在1線ZK103孔以東布設(shè)1～2個鉆孔，以便進(jìn)一步為確定礦區(qū)水文地質(zhì)條件提供可靠的依據(jù)。