音頻大地電磁法在某灰?guī)r地區(qū)煤炭資源勘查中探測(cè)巖溶和陷落柱的應(yīng)用

袁 偉,李天亮，李東北,熊 鍵

(1.重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020；2.重慶136地質(zhì)隊(duì)，重慶 401147)

音頻大地電磁法在某灰?guī)r地區(qū)煤炭資源勘查中探測(cè)巖溶和陷落柱的應(yīng)用

袁 偉1,李天亮2，李東北2,熊 鍵2

(1.重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020；2.重慶136地質(zhì)隊(duì)，重慶 401147)

灰?guī)r地區(qū)巖溶、陷落柱的發(fā)育，嚴(yán)重影響了煤田資源勘查鉆孔的布置位置的選擇和為后期煤田的開(kāi)采產(chǎn)生了安全隱患。為了規(guī)避這些不利地質(zhì)因素的影響，這里根據(jù)這些不利地質(zhì)體的地球物理特征，選用音頻大地電磁法對(duì)某煤田勘查區(qū)的地層含水性、地層溶洞和陷落柱的分布形態(tài)、發(fā)育規(guī)模、埋藏深度等情況進(jìn)行了調(diào)查。最終根據(jù)該方法的解釋結(jié)果圈定的陷落柱、隱伏的巖溶和裂隙發(fā)育帶得到了后期鉆孔的驗(yàn)證。該調(diào)查結(jié)果為音頻大地電磁法在灰?guī)r地區(qū)巖溶、陷落柱的探測(cè)提供參考。

音頻大地電磁法； 巖溶探測(cè)； 陷落柱； 煤田勘探

0 引言

在煤田資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中，煤田陷落柱因其易含水、導(dǎo)水等不利地質(zhì)特征，給煤田勘探中的資源評(píng)估帶來(lái)了誤差，也給煤田開(kāi)挖過(guò)程帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患。因此，在煤田資源勘察過(guò)程中，掌握煤田陷落柱的發(fā)育分布規(guī)律等特征顯得十分必要。前人在使用地球物理勘探方法探測(cè)煤田陷落柱的分布規(guī)律提供了很多成功范例[1-4],重慶某灰?guī)r地區(qū)煤田資源勘察項(xiàng)目，使用音頻大地電磁法探測(cè)該地區(qū)的陷落柱發(fā)育分布規(guī)律，后經(jīng)鉆孔鉆探驗(yàn)證，證明了該方法在該地區(qū)探測(cè)陷落柱分布的有效性。

1 音頻大地電磁法基本原理

大地電磁測(cè)深法(Magneto-tellurics，MT)發(fā)展于20世紀(jì)中期。作為一種經(jīng)典的地球物理探測(cè)方法，它主要通過(guò)探測(cè)巖層電性結(jié)構(gòu)來(lái)推斷地球物理模型[5-6]。該方法利用入射到地面上的天然電磁場(chǎng)信號(hào)(主要為宇宙中的太陽(yáng)風(fēng)、雷電、無(wú)線電波等)作為激發(fā)場(chǎng)源，使大地介質(zhì)中產(chǎn)生感應(yīng)電磁場(chǎng)，此感應(yīng)場(chǎng)與激發(fā)場(chǎng)同頻率，通過(guò)探測(cè)地層感應(yīng)的同頻率的電場(chǎng)和磁場(chǎng)變化，來(lái)計(jì)算得到相應(yīng)的波阻抗Z[7]。假設(shè)地面水平且大地為一維介質(zhì)時(shí)，電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H水平分量的比值可得到大地電磁的波阻抗[8]。

(1)

(2)

(3)

式中：φH為磁場(chǎng)相位，(rad)；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，(nT)；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，(mv/km)；ρ為電阻率，(Ω·m)；f為頻率，(Hz)：φE為電場(chǎng)相位，(rad)。實(shí)際工作中，儀器測(cè)量的E與H是垂直入社的一次場(chǎng)與地下介質(zhì)的感應(yīng)場(chǎng)疊加后的總場(chǎng)。根據(jù)電磁場(chǎng)理論趨膚深度原理，將電磁場(chǎng)的振幅衰減到初始值1/e時(shí)的深度，定義為趨膚深度(δ)

(4)

由式(4)可知，某個(gè)頻率的趨膚深度是隨電阻率和頻率變化而變化的，根據(jù)公式可知，頻率越高測(cè)量深度越淺，頻率越低，測(cè)量深度越深。因此，在一定的頻率范圍內(nèi)觀測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的變換規(guī)律，就可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)深度的視電阻率和相位。以此可確定出大地的電阻率變化規(guī)律，進(jìn)而推斷地下的構(gòu)造特征。

在實(shí)際應(yīng)用中，大地電磁測(cè)深法根據(jù)其頻率范圍不同可分為：①高頻大地電磁測(cè)深法(HMT)；②音頻大地電磁測(cè)深法(AMT)；③大地電磁測(cè)深法(MT)。一般情況下，音頻大地電磁測(cè)深(AMT)和大地電磁測(cè)深(MT)工作頻率分別是1 Hz～8 192 Hz和0.001 Hz～340 Hz；而高頻大地電磁測(cè)深(HMT)工作頻率范圍10 Hz～100 kHz[9-11]。

2 巖溶、陷落柱的地球物理特征

根據(jù)石灰?guī)r地層的物理化學(xué)特征，其在地下水的長(zhǎng)期流動(dòng)溶蝕作用下，經(jīng)常發(fā)育成巖溶。尤其是在中古代的石灰?guī)r層中，溶洞非常發(fā)育，再經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地下水不斷溶蝕，洞穴就會(huì)越來(lái)越大。這造成了其周?chē)刭|(zhì)構(gòu)造力和上部覆蓋層的重力場(chǎng)發(fā)生變化，溶洞容易發(fā)生坍塌，其覆蓋層上部的煤系地層也隨之發(fā)生坍塌，造成了上部的煤系發(fā)生陷落，煤層遭到破壞。由于這種塌陷呈圓形或不甚規(guī)則的橢圓形柱狀體，因此叫陷落柱[12-14](圖1)。

圖1 陷落柱示意圖Fig.1 Schematic collapse column

由于煤系地層的沉積序列較穩(wěn)定，在地層未遭受破壞的情況下，其地層的導(dǎo)電性在縱向上有比較固定變化規(guī)律，在橫向上則比較均一。當(dāng)存在陷落柱或構(gòu)造破碎帶時(shí)，若構(gòu)造不含水，其導(dǎo)電性較差，局部電阻率值升高；若構(gòu)造含水，其導(dǎo)電性就好，相當(dāng)于存在局部低電阻率地質(zhì)異常體。由此可知，當(dāng)煤系地層內(nèi)陷落柱、斷層、裂隙破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育時(shí)，將破壞地層電性在橫向和縱向上的變化規(guī)律[15]。

此次勘查區(qū)內(nèi)可溶性石灰?guī)r大面積出露，呈北東南西向展布，石灰?guī)r厚度大，分布廣，質(zhì)純，受橫向溝谷強(qiáng)烈切割侵蝕，逕流、排泄條件良好，有利于巖溶地貌的發(fā)育，巖溶洼地、落水洞、溶洞發(fā)育?？辈閰^(qū)內(nèi)主要含水層屬碳酸鹽類(lèi)巖溶裂隙含水層，因此推斷本勘察區(qū)的陷落柱大多處于強(qiáng)烈發(fā)育階段，此階段的陷落柱主要位于地下水強(qiáng)徑流帶上。地下水徑流條件較好，洞頂垮落下來(lái)的碎塊巖石，不斷被地下水軟化，破壞、沖刷和帶走。在此階段，陷落柱體內(nèi)充填物質(zhì)未被完全壓實(shí)，孔隙率較高且存在空洞,柱內(nèi)充水，導(dǎo)水性強(qiáng)。因此研究區(qū)陷落柱在物性上呈現(xiàn)低電阻率特征，而研究區(qū)煤層上部和下部地層均呈高電阻率的灰?guī)r分布。另根據(jù)調(diào)查，本區(qū)的灰?guī)r地層電阻率為高阻特征；以砂巖、泥質(zhì)砂巖和泥巖為主的地層電阻率為相對(duì)低阻特征；含水陷落柱區(qū)域?yàn)榈碗娮杪侍卣鳌？梢愿鶕?jù)這些電阻率的變化，來(lái)劃分地下巖層和含水陷落柱的分布區(qū)域。

因此，陷落柱與圍巖存在低—高的電阻率差異，這就為使用音頻大地電磁法尋找陷落柱提供了物性基礎(chǔ)(圖2)。

圖2 陷落柱與圍巖電阻率對(duì)比示意圖Fig.2 Contrast and rock collapse column in schematic resistivity

3 音頻大地電磁調(diào)查的數(shù)據(jù)處理

野外原始數(shù)據(jù)采集回來(lái)后，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)解編轉(zhuǎn)換、編輯平滑、極化模式識(shí)別、靜位移校正、橫向?yàn)V波、反演計(jì)算、編輯成圖等一系列的資料處理才能得出我們所需要的處理成果。野外原始資料預(yù)處理，是將原始數(shù)據(jù)(各場(chǎng)量的時(shí)間序列)計(jì)算或轉(zhuǎn)換為頻率域測(cè)深曲線(即各個(gè)頻率上的視電阻率和阻抗相位)[16-19]。

本次資料的實(shí)時(shí)處理與解釋的流程可以將其分成三部分(圖3)：

1)資料預(yù)處理。主要包括MT曲線的平滑、去飛點(diǎn)、極化模式判別與轉(zhuǎn)換等。

2)MT資料的靜位移校正(筆者主要采用空間濾波方法)。

3)二維反演、成圖與解釋。

圖3 資料處理流程圖Fig.3 Data processing flow chart

4 音頻大地電磁調(diào)查的成果解釋

4.1 音頻大地電磁調(diào)查測(cè)線布置

根據(jù)音頻大地電磁測(cè)深法技術(shù)規(guī)程要求，①設(shè)計(jì)測(cè)線應(yīng)基本覆蓋陷落柱發(fā)育區(qū)帶；②設(shè)計(jì)測(cè)線基本覆蓋測(cè)區(qū)內(nèi)已開(kāi)或?qū)㈤_(kāi)的鉆孔；③設(shè)計(jì)測(cè)線應(yīng)避開(kāi)城鎮(zhèn)或大的居民點(diǎn)。

測(cè)線方向?yàn)楸逼珫|30°，如圖4所示。根據(jù)項(xiàng)目目的任務(wù)要求，AMT測(cè)線由5條平行測(cè)線組成。本測(cè)區(qū)規(guī)定從北向南分別為WTPM1、WTPM2、WTPM3、WTPM4、WTPM5。測(cè)線SW端為測(cè)線起始點(diǎn)，NE端為測(cè)線終點(diǎn)。

4.2 特征原始數(shù)據(jù)分析

為分析巖溶發(fā)育區(qū)和不發(fā)育區(qū)音頻大地電磁單點(diǎn)視電阻率曲線和相位曲線，特以WTPM5線400 m處和1 520 m處的原始數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析(圖5)。

圖5(a)、圖5(b)為WTPM5線400 m處的視電阻率曲線和相位曲線，其中黑色方塊為T(mén)E模式數(shù)據(jù)(電場(chǎng)方向垂直測(cè)線走向，磁場(chǎng)方向平行測(cè)線走向)，紅色圓點(diǎn)為T(mén)M模式數(shù)據(jù)(電場(chǎng)方向平行測(cè)線走向，磁場(chǎng)方向垂直測(cè)線走向)。此測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)為未見(jiàn)巖溶發(fā)育地區(qū)的數(shù)據(jù)。

圖5(c)、圖5(d)為WTPM5線1 520 m處的視電阻率曲線和相位曲線，其中黑色方塊為T(mén)E模式數(shù)據(jù)(電場(chǎng)方向垂直測(cè)線走向，磁場(chǎng)方向平行測(cè)線走向)，紅色圓點(diǎn)為T(mén)M模式數(shù)據(jù)(電場(chǎng)方向平行測(cè)線走向，磁場(chǎng)方向垂直測(cè)線走向)。此測(cè)點(diǎn)在后期鉆探發(fā)現(xiàn)地下350 m到357 m為含泥沙巖溶發(fā)育段。

分析圖5(a)、圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)，兩種模式的視電阻率曲線和相位曲線形態(tài)基本一致。其中，TE模式的視電阻率數(shù)據(jù)較TM模式的視電阻率數(shù)據(jù)低，這可能與測(cè)點(diǎn)出電阻率二維電阻率有差異有關(guān)。高頻段數(shù)據(jù)(30 000 Hz～100 000 Hz)跳躍較大，不夠光滑連續(xù)，分析造成此現(xiàn)象的原因?yàn)楦哳l信號(hào)較弱，數(shù)據(jù)受到干擾較大引起的。在1 000 Hz到3 000 Hz數(shù)據(jù)跳躍也較大，這與音頻大地電磁測(cè)量的信號(hào)的“死頻帶”有關(guān)。圖5(c)、圖5(d)的數(shù)據(jù)也存在上述三個(gè)規(guī)律。

圖4 AMT測(cè)線布置圖Fig.4 AMT survey line layout

圖5 典型視電阻率和相位原始曲線Fig.5 Typical apparent resistivity and phase of the original curve(a)無(wú)異常點(diǎn)視電阻率原始曲線；(b)無(wú)異常點(diǎn)相位原始曲線；(c)巖溶發(fā)育區(qū)視電阻率曲線；(d)巖溶發(fā)育區(qū)相位原始曲線

對(duì)比分析圖5(a)和圖5(c)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的視電阻率曲線可以發(fā)現(xiàn)，在巖溶不發(fā)育區(qū)視電阻率曲線在低頻段視電阻率呈持續(xù)升高的形態(tài)，而在巖溶發(fā)育區(qū)在低頻帶，視電阻率曲線呈持續(xù)降低的形態(tài)，這與含泥巖溶發(fā)育區(qū)電阻率較低的特征相對(duì)應(yīng)。

對(duì)比分析圖5(b)和圖5(d)還可以發(fā)現(xiàn)，如果低頻段視電阻率持續(xù)升高，則對(duì)應(yīng)的相位數(shù)據(jù)降低；反之，則相位數(shù)據(jù)升高。

4.3 反演電阻率斷面圖分析

分析圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)區(qū)存在三個(gè)連通性較好的低阻通道。

首先是WTPM2線、WTPM3線、WTPM4線、WTPM5線中部的藍(lán)色、綠色低阻連通區(qū)域，此區(qū)域在每條測(cè)線上的發(fā)育規(guī)模、深淺不一，其中，在兩邊的WTPM2線和WTPM5線發(fā)育規(guī)模較大，在中間的WTPM3線和WTPM4線發(fā)育規(guī)模稍小。且低阻通道發(fā)育的方向與此區(qū)域的地形凹陷處及此區(qū)域發(fā)育的一條槽溝)的展布方向一致。根據(jù)本區(qū)地質(zhì)資料，本區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖裂隙、巖溶發(fā)育，常形成槽谷、深溝、陡崖、園形山嶺等巖溶地貌，地表水易轉(zhuǎn)化為地下水，在WTPM5線中部的南部方向可見(jiàn)一溶洞顯示。因此，分析此低阻通道應(yīng)是陷落柱、地下巖溶發(fā)育的重點(diǎn)區(qū)。

其次，在WTPM2線、WTPM3線、WTPM4線、WTPM5線的尾部也形成了一條藍(lán)色、綠色低阻通道。在勘查區(qū)北東部有一條從北東流向南西，在轉(zhuǎn)角巖處注入普子河的小溪，且此區(qū)域的層產(chǎn)狀110°～150°∠20°～43°。因此，分析此低阻通道是此小溪河水常年沿地層傾向滲流形成的，此區(qū)域巖層裂隙含水，且?guī)r溶較發(fā)育。

紅色代表高阻，藍(lán)色代表低阻圖6 五條測(cè)線視電阻率三維視圖(北方向)Fig.6 Five apparent resistivity survey line three-dimensional view(north direction)

紅色代表高阻，藍(lán)色代表低阻圖7 五條測(cè)線視電阻率三維視圖(南方向)Fig.7 Five apparent resistivity survey line three-dimensional view(south direction)

5 結(jié)論

1)針對(duì)實(shí)施項(xiàng)目的地質(zhì)與地球物理特征，選用了音頻大地電磁法對(duì)該區(qū)進(jìn)行陷落柱的探測(cè)。

2)根據(jù)陷落柱的地質(zhì)成因和其填充物的物性特征，及陷落柱與圍巖的電阻率差異，制作了陷落柱的典型地球物理模型，為音頻大地電磁法探測(cè)了提供物性基礎(chǔ)。

3)音頻大地電磁法的資料數(shù)字處理方法正確，處理流程和處理參數(shù)選擇合理。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，針對(duì)本區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)選擇了合理的反演方法，獲得了品質(zhì)較好的反演電阻率斷面圖。

4)通過(guò)對(duì)已知地質(zhì)資料和鉆孔資料的研究分析，確定完整巖體與地質(zhì)異常體的電性特征差異。結(jié)合已知水文地質(zhì)資料進(jìn)行了綜合對(duì)比、分析，提高了解釋的準(zhǔn)確性。

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Audio magneto-telluric method to detect karst and collapse column in the limestone region in the exploration of coal resources

YUAN Wei1,LI Tian-liang2,LI Dong-bei2,XIONG Jian2

(1.Chongqing Municipal Designing Research Institute1,Chongqing 400020,China;2.Chongqing 136 Geological Team1,Chongqing 401147,China)

The karst and collapse column in the Limestone region seriously affected the choice of the location of coal resources exploration drilling and coal mining have had a late safety hazard.In order to avoid the impact of these adverse geological factors,the paper applied a method to investigate these issues according to these unfavorable geological geophysical characteristics,distribution,morphology audio magneto-telluric method of choice in a coal exploration area of formation water,caves and sink hole formation,development scale and depth of burial.Finally according to the method of interpretation results delineated the collapse column,buried karst,and fracture development zone is verified by the late drilling.The survey result is an audio magneto-telluric method in limestone karst areas,survey collapse column adds a success case.

Audio magneto-telluric method (AMT); karst detection; collapse column detection; coal exploration

2015-09-29 改回日期：2016-03-01

袁偉(1987-)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榈厍蛭锢矸囱菖c成像，E-mail：675306771@qq.com。

1001-1749(2016)06-0727-07

P 631.2