瞬變電磁法在工程中的應(yīng)用

■薛桂霞 ■九江學(xué)院土木工程與城市建設(shè)學(xué)院，江西 九江 332005

1 引言

幾年來，煤礦采空區(qū)富水調(diào)查被廣泛開展，目的是防治水害，避免給煤炭生產(chǎn)帶來安全隱患。同時，由于瞬變電磁法具有探測深度大、分辨率高、信息豐富等特點［1］，從而又被應(yīng)用于礦產(chǎn)資源勘查等領(lǐng)域。

由于電子技術(shù)的快速發(fā)展，勘查市場的旺盛需求，加之瞬變電磁法的自身優(yōu)點，使TEM 方法從儀器到方法技術(shù)均獲長足進展，并被廣泛應(yīng)用于金屬礦勘探、油氣田勘探和煤田地質(zhì)勘探［2］、工程地質(zhì)勘察等多領(lǐng)域中。

2 方法原理

瞬變電磁法是一種時間域的電磁探測方法，簡稱TEM。它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖電磁場，介質(zhì)在一次電流脈沖場激勵下會產(chǎn)生渦旋電流:在脈沖間斷期間渦旋電流不會隨一次場消失而立即消失，即有一個瞬變過程，在其周圍空間形成隨時間衰減的二次磁場。二次磁場隨時間衰減的規(guī)律主要取決于異常體的導(dǎo)電性、體積規(guī)模和埋深，以及發(fā)射電流的形態(tài)和頻率。因此，利用線圈或接地電極觀測二次磁場，研究其與時間的變化關(guān)系，從而確定地下導(dǎo)體的電性分布結(jié)構(gòu)及空間形態(tài)［3］。

該方法是在關(guān)斷一次場后觀測純二次場，不存在一次場干擾的問題，具有很多優(yōu)點，是目前在能源、礦產(chǎn)、水文、工程、環(huán)境等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的物探方法［4］。

3 工程實例

3.1 采空區(qū)積水調(diào)查

為查明采空區(qū)積水情況，采用地面瞬變電磁測深技術(shù)探查、分析該測區(qū)內(nèi)采空區(qū)積水范圍及測區(qū)內(nèi)斷層的含導(dǎo)水性情況，為該采區(qū)防治水工作的合理實施提供依據(jù)。

五虎山井田位于烏達礦務(wù)局礦區(qū)西南部，井田內(nèi)地層及構(gòu)造情況分述如下:(1)地層。井田內(nèi)出露有上石炭統(tǒng)太原群下部(C3T1)，太原群上部(C3T2)，下二迭統(tǒng)山西組(P1SH)，上二迭統(tǒng)石盒子組(P2S)及第四系(Q)等地層。(2)構(gòu)造。區(qū)內(nèi)總的構(gòu)造形式為產(chǎn)狀平緩的向斜構(gòu)造的一翼，走向近乎南北，受區(qū)域主要斷層—烏達逆斷層的控制。(3)煤層。本區(qū)煤層分層對比清楚，沉積較穩(wěn)定，在井田范圍內(nèi)變化較小，除不穩(wěn)定煤層的局部塊段外，對比可靠。(4)井田水文地質(zhì)條件。本井田地層巖性為黑灰色頁巖、灰白、灰黃色砂巖，灰黑色、黑色砂質(zhì)頁巖、煤層及薄層石灰?guī)r等。砂巖裂隙發(fā)育，透水性良好、性脆，為本區(qū)的含水巖層。

典型測線視電阻率等值線圖

圖1 五虎山4 線0 -800m 視電阻率等值線圖

圖2 五虎山8 線0 -600m 視電阻率等值線圖

由于原測線長度遠遠大于800m，數(shù)量也比較大，這里只用其中4線前800m 及8 線前600m 作為一個解釋的例子。由圖1 和圖2 并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)資料，可見，在-200m 至-300m 這個水平面上，低阻異常(圖中綠色區(qū)域)范圍較大，異常幅度也較大，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料我們分析認(rèn)為該低阻異常區(qū)應(yīng)為最上面煤層采空區(qū)積水所致。

3.2 礦產(chǎn)資源勘查

金川鎳礦區(qū)地處中朝克拉通西南邊緣的龍首山隆起帶。隆起帶北側(cè)與阿拉善臺隆潮水?dāng)嘞菖璧叵嗯B，南側(cè)和祁連加里東褶皺帶相接。測區(qū)內(nèi)出露地層有上太古界白家嘴子組、下元古界塔馬子溝組、上元古界震旦系燒火筒群、寒武系韓母山群、泥盆系、石炭系和第四系等。區(qū)內(nèi)出露的地層主要為下元古界白家嘴子組的蛇紋石化白云質(zhì)大理巖、黑云母片麻巖、條痕混合巖等深變質(zhì)巖。地層走向N35OW，傾向SW，傾角40 -70O。受區(qū)域性構(gòu)造作用影響，各巖性帶呈近北西-南東向帶狀平行展布。各單元層內(nèi)小的緊閉褶皺和斷裂構(gòu)造均十分發(fā)育，并常發(fā)生局部倒轉(zhuǎn);甚至在較年輕的泥盆系內(nèi)部也可見有形態(tài)不同的小褶曲。另外，這里出露的老地層經(jīng)歷了長期的變質(zhì)作用、其峰期達到高角閃巖相，并伴有混合巖化，地層中留下許多近熔融的柔流變形構(gòu)造;這些均可導(dǎo)致地層的局部缺失或重復(fù)。

圖3 金川67、68、69 線異常剖面圖

圖3 中TEM-1 異常主要表現(xiàn)為雙峰特征。在三條剖面的地電斷面上，上下低中間高的特征，地電斷面上表現(xiàn)出局部電阻率降低的復(fù)雜變化范圍，寬度達200m 左右，69 線因TEM-1 異常拱形特征的影響，地電斷面上表現(xiàn)為純低電阻率，不是偽視電阻率。

晚時道響應(yīng)電位異常大于0.1，68 線和69 線已超過0.6(Co、Ni 異常對應(yīng)較好、地表見較厚的混合和大理巖)。67 線為對稱寬雙峰特征，68 線為不對稱雙峰特征，69 線為極不對稱或拱形特征，據(jù)此可以推測出三條剖面上低阻體的形態(tài)、產(chǎn)狀和位置。從圖3 宏觀上可以看出淺部近百米深度內(nèi)為低阻層;下面兩百多米深度為相對高電阻率地質(zhì)體分布的范圍，高阻層位多與老地層有關(guān);深部又漸變?yōu)榈妥?。從局部異常特征上看，與響應(yīng)電位雙峰異常對應(yīng)的電阻率異常，則呈兩側(cè)低中間高的特征。對于重疊回線裝置的瞬變電磁法，響應(yīng)電位高表明電阻率低，響應(yīng)電位低則表明電阻率高。對雙峰特征的異常，恰好是中間高阻兩側(cè)低阻。大功率TEM 法已經(jīng)在該三條剖面上發(fā)現(xiàn)一些低阻體的異常，在地電斷面上劃分出一些斷裂構(gòu)造部位(圖3)。

4 結(jié)論與建議

瞬變電磁法是近年來電法勘探領(lǐng)域發(fā)展較快的一種重要方法。相對于其它地球物理方法，瞬變電磁法具有探測深度大、分辨率高、信息豐富等特點，被廣泛應(yīng)用于工程的各個領(lǐng)域，尤其是在煤礦采空區(qū)調(diào)查及資源勘查中更是得到了廣泛的應(yīng)用，從而為防治地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生、深部礦產(chǎn)資源的勘探提供必要的依據(jù)。

本文主要針對瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)富水情況調(diào)查及在資源勘查方面的應(yīng)用，列舉了部分工程實例，從瞬變電磁法的實際應(yīng)用中，我們不難發(fā)現(xiàn)其優(yōu)點，也得到了很好的效果。

任何方法都有其局限性，瞬變電磁法也不例外，多解性為其主要特征，因此，我們必須加強與地質(zhì)資料的結(jié)合程度，尤其是鉆探資料，避免在資料解釋中出現(xiàn)大的偏差與錯誤。

［1］張善法，孟令順，杜曉娟.瞬變電磁法在山東某金礦尾礦庫安全隱患排查中的應(yīng)用［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版)，2010，40(5):1178-1182.

［2］劉樹才，劉志新，姜志海.瞬變電磁法在煤礦采區(qū)水文勘探中的應(yīng)用［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，34(4):414 -417.

［3］蔣邦遠主編.實用近區(qū)磁源瞬變電磁法勘探.北京:地質(zhì)出版社，1998.

［4］張勝業(yè)，潘玉玲.應(yīng)用地球物理學(xué)原理［M］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2004.