EH-4電磁成像系統(tǒng)在采煤沉陷區(qū)尋找地下水的應(yīng)用

陳正華,姚光華，

(1.外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 400042；2.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶研究中心，重慶 400042；3.國土資源部野外科學(xué)觀測研究基地礦山地質(zhì)環(huán)境——重慶南桐野外基地，重慶 400042)

EH-4電磁成像系統(tǒng)(簡稱EH-4)是目前國內(nèi)外較為先進(jìn)的電磁勘探系統(tǒng)之一。它是CSAMT和MT的結(jié)合體，實(shí)現(xiàn)了天然信號源與人工信號源的采集和處理，能觀測到離地表以下3000m內(nèi)的地質(zhì)斷面的電性變化信息，基于對斷面電性信息的分析研究，可以應(yīng)用于地下水研究[1]、礦產(chǎn)[2]與地?zé)峥辈靃3-4]，以及工程地質(zhì)調(diào)查[5]等。EH-4具有探測深度大、設(shè)備輕、速度快、費(fèi)用低、精度較高等特點(diǎn)，由于小巧和便于攜帶，廣泛應(yīng)用在地形比較復(fù)雜或環(huán)境比較惡劣的地區(qū)[6]。

南桐煤礦是西南巖溶山區(qū)最早開發(fā)的老礦之一，至今有70余年的開采歷史，長期的煤礦開發(fā)形成了大面積的采沉區(qū)，引發(fā)的水資源和水環(huán)境問題十分突出，具有典型性。筆者以重慶南桐煤礦為主要研究對象，進(jìn)行了地表水入滲特征研究、含水層破壞模式研究以及采沉區(qū)尋找地下水資源研究[7-9]，基于以上研究背景，本文運(yùn)用EH-4電磁成像系統(tǒng)探尋采沉區(qū)富水區(qū)域，根據(jù)測線解譯結(jié)果分析覆巖的破壞特征，結(jié)合理論分析和鉆孔驗(yàn)證，論證研究區(qū)適宜取水地段，以期為巖溶山區(qū)采煤沉陷區(qū)地下水資源保障提供思路。

1 EH-4電磁測深測量技術(shù)

EH-4電磁成像系統(tǒng)是利用宇宙中的太陽風(fēng)、雷電等入射到地球上的天然電磁場信號作為激發(fā)場源，又稱一次場，該一次場是平面電磁波，垂直入射到大地介質(zhì)中，由電磁場理論可知，大地介質(zhì)中將會產(chǎn)生感應(yīng)電磁場，此感應(yīng)電磁場與一次場是同頻率的，引入波阻抗Z(式(1))。在均勻大地和水平層狀大地情況下，波阻抗是電場E和磁場H的水平分量的比值，見式(2)、式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：f是頻率(Hz)，ρ是視電阻率(Ω·M)，E是電場強(qiáng)度(mv/km)，H是磁場強(qiáng)度(nT)，φE是電場相位(mrad)，φH是磁場相位(mrad)。必須提出的是，此時的E與H，應(yīng)理解為一次場和感應(yīng)場的空間張量疊加后的綜合場，簡稱總場。在電磁理論中，把電磁場(E、H)在大地中傳播時，其振幅衰減到初始值1/e時的深度，定義為穿透深度或趨膚深度(δ，式(4))。電磁波能量衰減到原來的50%時的傳播深度定義為勘探深度(H，式(5))。

(4)

(5)

由式(4)和式(5)式可知，趨膚深度(δ)或勘探深度(H)都將隨視電阻率(ρ)和頻率(f)變化，測量是在和地下研究深度相對應(yīng)的頻帶上進(jìn)行的。一般來說，頻率較高的數(shù)據(jù)反映淺部的電性特征，頻率較低的數(shù)據(jù)反映較深的地層特征。因此，在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息，并由此計(jì)算出視電阻率和相位，可確定出大地的地電特征和地下構(gòu)造。

2 實(shí)例分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

本研究采用20世紀(jì)90年代由美國EMI公司和Geometrics公司聯(lián)合推出的EH-4電磁成像系統(tǒng)，野外數(shù)據(jù)采集采用單點(diǎn)測深的方法，鑒于該系統(tǒng)通常采用天然場源，只有在天然場信號很弱或者根本沒有信號的頻點(diǎn)上，才使用人工場源，用以改進(jìn)數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高數(shù)據(jù)信噪比。根據(jù)測點(diǎn)的實(shí)際的情況，本次僅對信號較弱的測點(diǎn)進(jìn)行了人工場源的發(fā)射，標(biāo)準(zhǔn)人工場源發(fā)射天線頻率從800Hz到64KHz，從發(fā)射天線的頻率范圍可以看出，采用人工場源發(fā)射僅是加強(qiáng)淺部的數(shù)據(jù)信號，采用高頻探頭。點(diǎn)距主要在20m左右。

2.2 數(shù)據(jù)處理

野外采集的時間序列在進(jìn)行預(yù)處理后，進(jìn)行FFT變換，獲得電場和磁場虛、實(shí)分量和相位數(shù)據(jù)。進(jìn)行一維BOSTICK反演，將頻率變換為深度；在一維反演的基礎(chǔ)上，用國外二維成像軟件進(jìn)行快速自動二維電磁成像。為提高分辨率，同時，選擇較小的像素，使反演數(shù)據(jù)得到加密，從而突出相對弱低阻異常。對反演得到的數(shù)據(jù)在XZ平面上進(jìn)行Kringing網(wǎng)格化，X軸和Y軸采用各向異性的方法進(jìn)行半徑搜索。從而滿足電性各向異性的實(shí)際情況。

2.3 測線分析

自化工廠廠區(qū)到家屬區(qū)東側(cè)的高山布置一條EH-4電磁測深測線，共25個點(diǎn)(圖1)。剖面上部50m以淺整體為低阻區(qū)域，比較平穩(wěn)，往深部逐漸為高阻，在10～20點(diǎn)電阻率等值線不連續(xù)，表現(xiàn)為低阻。根據(jù)電阻率大小、等值線形態(tài)分為2個高阻異常、1個低阻異常、1個基底區(qū)域。

Ⅰ號異常，位于橫坐標(biāo)1～10點(diǎn)，深度范圍-50～-350m，電阻率較大，最高可達(dá)20000Ω·M。根據(jù)實(shí)測和地質(zhì)填圖資料,該處大部分巖性為灰?guī)r。因此，推斷Ⅰ號異常為灰?guī)r高阻區(qū)域，且溶蝕破碎不發(fā)育。

Ⅱ號異常，位于橫坐標(biāo)20～25點(diǎn)，深度范圍-50～-400m，電阻率較大，最高可達(dá)20000Ω·M。根據(jù)野外露頭情況，該處為裸露山體，大部分巖性為灰?guī)r。因此，推斷Ⅰ號異常為灰?guī)r高阻區(qū)域，且溶蝕破碎不發(fā)育。

Ⅲ號區(qū)域，為整條測線400m以深的基底區(qū)域，電阻率較大，從等值線形態(tài)上看，該區(qū)域與Ⅰ、Ⅱ號異常有所關(guān)聯(lián)，且被低阻異?！扒治g”的趨勢。

Ⅳ號異常，位于橫坐標(biāo)10～20點(diǎn)，深度范圍-50～-430m，電阻率較小，最高不超過1500Ω·M。位于兩個高阻異常之間，形態(tài)不規(guī)則，根據(jù)地質(zhì)情況，上部為泥巖、灰?guī)r互層，因此推測該區(qū)域經(jīng)地表水長期滲透、溶蝕引起，為灰?guī)r溶蝕強(qiáng)發(fā)育區(qū)，局部存在泥質(zhì)充填的溶洞。該異常區(qū)域含水充分，且有向深部滲透的趨勢。

3 研究區(qū)EH-4應(yīng)用

3.1 EH-4測線解譯含水區(qū)域

測線所處的地層剖面見圖2，其中方框表示的是EH-4測線的范圍，經(jīng)過與圖1對照比對，由于Ⅳ號異常區(qū)域含水充分，且有向深部滲透的趨勢，這個地段預(yù)測是目前研究區(qū)重點(diǎn)找水區(qū)域。

3.2 理論分析含水區(qū)域

在煤層頂板開采時，無論應(yīng)力分布還是變形在垂向和水平方向上都存在著固有的分區(qū)規(guī)律[10]，剖面上形成一定范圍的拉伸區(qū)和壓縮區(qū)(圖3)，其中拉伸區(qū)位于外邊緣區(qū)(煤柱上方近地表區(qū)域)，形成的裂縫成為地表水和降雨的入滲通道，同時，儲水空間增大，地下水位將隨著儲水空間的增大而下降，地下水位下儲水空間成為富水區(qū)域。具體到研究區(qū)中，物探剖面Ⅳ號異常區(qū)域正位于拉伸區(qū)，與理論分析的含水區(qū)域吻合。圖1與圖2對照，Ⅳ號異常區(qū)域主要位于T1j灰?guī)r地層，屬于堅(jiān)硬巖層，由于拉伸區(qū)形成裂縫導(dǎo)通地下水，致使T1j灰?guī)r地層采動影響范圍內(nèi)形成“統(tǒng)一含水體”，即Ⅳ號異常區(qū)域富水地帶。

圖1 EH-4剖面

圖2 EH-4遙感解譯剖面對應(yīng)地層剖面

3.3 EH-4測線解譯分析覆巖隔水層的破壞特征

圖3 煤層覆巖拉伸壓縮區(qū)分區(qū)(改編自參考文獻(xiàn)[10])

物探剖面顯示，Ⅲ號區(qū)域電阻率較Ⅳ號異常區(qū)域大，可以對上部低電阻率區(qū)域(Ⅳ號異常)地下水起到較好的支撐作用，T1f6-7層位的中、下段正處于Ⅲ號區(qū)域，主要為鈣質(zhì)泥巖，屬于軟巖，有較強(qiáng)的適應(yīng)變形的能力，物探解譯從側(cè)面也說明T1f6-7層位中、下段遭受地下采煤的破壞影響有限，未遭到明顯破壞；Ⅲ區(qū)域的左下角橢圓區(qū)域正好為現(xiàn)階段煤層開采水平，體現(xiàn)出比四周高的電阻率，是因?yàn)殚_采破壞了上部巖層的完整性，空隙增大，而采煤疏放了空隙中地下水，故煤炭開采面四周的電阻率高于未破壞完整基巖，這與實(shí)際情況也是相符的。

3.4 鉆孔驗(yàn)證理論分析含水區(qū)域

該物探剖面中布置ZK6做抽水試驗(yàn)驗(yàn)證富水區(qū)域(圖2)。當(dāng)ZK6鉆進(jìn)至孔深101m時，地層揭露到T1j3底部，在孔深80m以1.6m3/h的流量抽水，水位下降0.4m，由于水位下降有限，在孔深90m又以3.7m3/h的流量抽水，水位下降1.6m。繼續(xù)鉆進(jìn)至T1j2地層內(nèi)，終孔孔深120m時，在孔深74m處，以4.75m3/h的流量抽水，地下水水位下降2.20m。根據(jù)這三次抽水試驗(yàn)，計(jì)算平均滲透系數(shù)為0.93 m/d，出水量大且穩(wěn)定，論證了Ⅳ號異常區(qū)域(即覆巖拉伸區(qū))是研究區(qū)較好的取水地段(圖3)，同時說明南桐采煤沉陷區(qū)在T1j地層的“統(tǒng)一含水體”找水的可行性。

4 結(jié)論

1)EH-4測線探測出Ⅳ號異常位于兩個高阻異常之間，推測此異常區(qū)域含水充分，且有向深部滲透的趨勢，判斷Ⅳ號異常為南桐采煤沉陷區(qū)富水區(qū)域。

2)結(jié)合理論分析和鉆孔驗(yàn)證，位于外邊緣區(qū)(煤柱上方近地表區(qū)域)的拉伸區(qū)出水量大且穩(wěn)定，論證了Ⅳ號異常區(qū)域是研究區(qū)較好的取水地段，同時說明南桐采煤沉陷區(qū)在T1j地層的“統(tǒng)一含水體”找水的可行性。

3)EH-4電磁成像系統(tǒng)應(yīng)用于巖溶山區(qū)探測結(jié)果顯示地下水富集區(qū)域與采空區(qū)位置均與實(shí)際吻合，說明EH-4可應(yīng)用于巖溶山區(qū)，是該區(qū)域采煤沉陷區(qū)尋找地下水的有效方法。

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