直流電測(cè)深資料的縱向電導(dǎo)微分解釋法

徐小連， 劉金濤

(1.湖北煤炭地質(zhì)局，武漢 430070；2.武漢中地多維勘查技術(shù)有限公司，武漢 430200)

直流電測(cè)深資料的縱向電導(dǎo)微分解釋法

徐小連1， 劉金濤2

(1.湖北煤炭地質(zhì)局，武漢 430070；2.武漢中地多維勘查技術(shù)有限公司，武漢 430200)

直流電測(cè)深法是一種常規(guī)的物探方法，在煤炭資源勘探中得到了廣泛應(yīng)用。電測(cè)深資料地解釋處理，目前雖已開展一維、二維和三維反演，但由于電磁場(chǎng)的復(fù)雜性，其定量解釋結(jié)果有時(shí)難以達(dá)到滿意的結(jié)果。這里在經(jīng)驗(yàn)法的基礎(chǔ)上，利用縱向電導(dǎo)微分法進(jìn)行電測(cè)深資料的定量解釋，達(dá)到了較好的應(yīng)用效果，在電測(cè)深勘探中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

直流電測(cè)深； 縱向電導(dǎo)； 微分； 資料解釋

0 引言

直流電測(cè)深法是一種常規(guī)的物探方法，它是在同一測(cè)點(diǎn)上逐漸增加供電電極距，使勘探深度由小逐漸加深，于是可觀測(cè)到測(cè)點(diǎn)處沿深度方向的視電阻率變化規(guī)律[1]。資料解釋以定性解釋為主，定量解釋主要有理論量板法、圖解法、經(jīng)驗(yàn)公式法、K剖面法[2]，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)地發(fā)展，先后研制了各種電測(cè)深曲線的數(shù)字處理軟件，從而使電測(cè)深曲線的定量解釋由“量板法”過渡到計(jì)算機(jī)數(shù)字解釋[1]，實(shí)現(xiàn)了電測(cè)深資料的一維、二維和三維反演[3]。由于電測(cè)深體積效應(yīng)影響及多解性地存在，在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)難以達(dá)到滿意的結(jié)果。筆者在經(jīng)驗(yàn)法的基礎(chǔ)上[4-6]，利用縱向電導(dǎo)微分解釋法，解釋主要目的層及地質(zhì)異常，經(jīng)正演計(jì)算和勘探實(shí)例效果分析，解釋結(jié)果達(dá)到了較好的效果。

1 縱向電導(dǎo)微分解釋法原理

水平地面下有n層水平地層，各層電阻率分別為ρ1、ρ2、…、ρn；各層厚度分別為h1、h2、…、hn-1；各層底面到地表的距離分別為H1、H2、…、Hn-1、Hn→∞。當(dāng)電流平行水平巖層流動(dòng)時(shí)，所測(cè)得的電導(dǎo)值為縱向電導(dǎo)S，單位為1/Ω，縱向電導(dǎo)與層參數(shù)的關(guān)系為：

S=h/ρ

(1)

假設(shè)某一電測(cè)深點(diǎn)，供電電極距為AB/2,測(cè)量電極距為MN/2,共有N個(gè)觀測(cè)極距，i=1、2、3、…、N。利用代替層的原理[7]，設(shè)AB/2(i)為第i個(gè)極距勘探體積內(nèi)的最大勘探深度,各極距實(shí)測(cè)的ρs(i)為AB/2(i)極距勘探體積內(nèi)的平均視電阻率值,則AB/2(i)極距勘探體積內(nèi)S(i)為式(2)。

(2)

依此得到S(1)、S(2)、…、S(N),繪制AB/2(i)、S(i)曲線，根據(jù)S值曲線特征，利用折線法求得折線交點(diǎn)位置，折線交點(diǎn)垂線與對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)AB/2位置即為推斷解釋的界面深度位置，但其結(jié)果通常與實(shí)際情況會(huì)存在誤差，通過由已知到未知的原則，據(jù)已知鉆孔揭露情況，選擇合適的改正系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，其標(biāo)定系數(shù)為C，C的取值范圍，不同的測(cè)區(qū)有所不同，據(jù)理論及結(jié)合經(jīng)驗(yàn)分析，C值一般取0.7～0.75。

圖1為2500-1200測(cè)點(diǎn)孔旁電測(cè)深曲線圖，圖2為該測(cè)點(diǎn)換算后的S曲線圖。圖2中折線交點(diǎn)E所對(duì)應(yīng)的AB/2即為解釋的2500-1200測(cè)點(diǎn)覆蓋層與基巖分界面深度，經(jīng)與鉆孔資料對(duì)比，鉆孔揭露深度為解釋深度的0.7倍。

為了提高解釋的自動(dòng)化水平，盡量減少人工繪制折線的工作，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，圖2中的直線AB上所有點(diǎn)的斜率相同，同樣直線CD上的點(diǎn)也具有另一個(gè)相同的斜率值，因此，可以通過對(duì)AB直線和CD直線段求導(dǎo)(或微分)，即可得到它們各自的斜率值S′，則：

(3)

圖1 2500-1200測(cè)點(diǎn)電測(cè)深曲線圖Fig.1 Electrical sounding curve of point 2500-1200

圖2 2500-1200測(cè)點(diǎn)S曲線圖Fig.2 S curve of point 2500-1200

式(3)稱為縱向電導(dǎo)的微分值，據(jù)此，S′值不同或有較大變化的地段，即為不同巖層的分界面，S′值相同或相近的地段即為同一巖性地層，S′值異常段即為地質(zhì)異常的反映。在實(shí)際解釋過程中，首先對(duì)單個(gè)電測(cè)深點(diǎn)的原始曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合濾波處理，再對(duì)擬合濾波處理后的曲線按實(shí)際需要進(jìn)行樣條加密，最后才進(jìn)行S′值計(jì)算。整個(gè)過程，利用Matlab高級(jí)編程語言編程，形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)處理程序。

縱向電導(dǎo)微分解釋法是否有效的驗(yàn)證是通過：①由正演模型進(jìn)行驗(yàn)證；②通過實(shí)際勘探實(shí)例進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3為二維層狀正演模型，上層電阻率ρ1=40 Ω·m，h1=20m～50m;下層電阻率ρ2=200 Ω·m，圖3中的BC為設(shè)計(jì)的正斷層，斷距為30 m。

圖4為模型1的S′等值線圖，經(jīng)試驗(yàn)，繪制等值線圖時(shí)，以S′值的標(biāo)準(zhǔn)方差值作為等值線的間隔進(jìn)行繪制。圖4中的AB、CD為界面反映，BC為斷層反映，解釋的界面深度：HCD=27 m,HAB=67 m。對(duì)S′等值線圖解釋的結(jié)果與模型參數(shù)進(jìn)行修正處理,CD界面的修正系數(shù)C1=20/27=0.741,AB界面的修正系數(shù)C2=50/67=0.746,綜合得到C=(C1+C2)÷2=0.744。因此，將由S′等值線圖解釋的結(jié)果乘以0.744即為最后解釋的各巖性界面深度。

圖3 正演模型1Fig.3 Forward model 1

圖4 模型1正演解釋結(jié)果Fig.4 Forward interpretation results of model 1

圖5 正演模型2Fig.5 Forward model 2

圖6 模型2正演解釋結(jié)果Fig.6 Forward interpretation results of model 2

圖5為二維層狀地電結(jié)構(gòu)模型，其中嵌入一個(gè)低阻柱狀體。模型的地電參數(shù)如下：ρ1=20 Ω·m，h1=40 m；ρ2=200 Ω·m，h2=60 m；ρ4=40 Ω·m。其中ρ3=2 Ω·m的柱狀地質(zhì)體為設(shè)計(jì)的高導(dǎo)電柱狀體，柱狀體高為60 m、寬為60 m。

圖6為模型2的S′等值線圖，以S′值的標(biāo)準(zhǔn)方差值作為等值線的間隔繪制等值線。圖6中的AB、CD為界面反映，AB為第一層與第二層的分界面，CD為第二層與第三層的分界面，其中解釋的低阻異常為設(shè)計(jì)的高導(dǎo)電體反映，解釋的界面深度乘以相應(yīng)的修正系數(shù)后即可得到界面的真實(shí)深度。

由上述正演模型解釋結(jié)果，說明縱向電導(dǎo)微分解釋法，能夠較好地對(duì)地層結(jié)構(gòu)、斷層(構(gòu)造)、地質(zhì)異常體(高導(dǎo)電體)等作出較精細(xì)化的解釋。

2 勘探實(shí)例

測(cè)區(qū)內(nèi)新生界松散巖層直接覆蓋于二疊系上組煤層之上，松散巖類孔隙含水層對(duì)上組煤層的開采具有較大的水害威脅。因此，通過電測(cè)深探測(cè)，查明開采煤層上覆新生界松散巖類孔隙含水層的相對(duì)富水性及劃分基巖與新生界松散層界面。

2.1 勘探區(qū)地質(zhì)概況

發(fā)育較大的褶曲有：①神安背斜：位于神安村東及東北，軸向北西～北東，兩翼傾角5°～9°，軸長2 500 m，由高-12、1-9鉆孔控制；②高陽向斜：基本控制井田東部構(gòu)造形態(tài)，為高-11、22-9兩孔所控制，軸向由北東經(jīng)高陽鎮(zhèn)后轉(zhuǎn)向正南，南北延伸3 300 m；③臨水背斜：穿過臨水村，軸向北東～北西，兩翼傾角8°，軸長2 800 m，由高-4、高-10、101、1-11鉆孔控制；④西辛壁向斜：位于西辛壁南，軸向北東，兩翼傾角5°～9°，軸長1 170 m，由高-1、高-3鉆孔控制。

發(fā)育較大的斷層有：①F14：位于高-13東50 m，逆斷層，走向NE ，傾向NE ，H=5 m∠300；②F4：位于西辛壁村，逆斷層，走向NE，傾向NW，H=18 m∠350；F3：位于韓家灘，逆斷層，走向N～NE ，傾向W～NW ，H=80 m～150 m∠300。

井田內(nèi)陷落柱比較發(fā)育，柱體內(nèi)一般無水，陷落柱導(dǎo)水性差。

勘探區(qū)水文地質(zhì)條件，通過現(xiàn)有資料分析，第四系沖積層孔隙含水層主要分布于汾河等河谷中，富水性較強(qiáng)；石炭二疊系的砂巖及薄層灰?guī)r含水層，富水性較弱，補(bǔ)給來源少；奧陶系石灰?guī)r只在東部溝谷處有出露，富水性強(qiáng)，但分布不均勻。

2.2 勘探區(qū)地球物理特征

由實(shí)測(cè)視電阻率曲線分析，新近系地層視電阻率變化較大，其視電阻率在20 Ω·m～150 Ω·m，砂礫石段電阻率較高，而基巖界面附近視電阻率在35 Ω·m左右。石炭二疊系煤系地層段視電阻率在40 Ω·m～80 Ω·m左右。奧陶系地層為測(cè)區(qū)內(nèi)最高電性層，視電阻率大于80 Ω·m，甚至可達(dá)數(shù)百歐姆。由此可見,區(qū)內(nèi)地層之間存在明顯的電性差異，具備地球物理勘探的前提條件。

新生界地層與基巖分界面是區(qū)內(nèi)較明顯的電性標(biāo)志層之一，基巖分界面以上的高阻地層段，也即電測(cè)深曲線的K型段(或有細(xì)分層)，為新生界地層砂巖或砂礫石層含水地層。

2.3 野外工作

電測(cè)深法采用垂向?qū)ΨQ四極裝置,最大供電電極距AB/2為1 000 m，最小AB/2為10 m，測(cè)量電極距MN/2為AB/2的十分之一活動(dòng)電極系列。

圖7 物探工作布置圖Fig.7 Geophysical layout

測(cè)網(wǎng)布置為150 m×80 m，即線距為150 m,點(diǎn)距為80 m，在地表不能按規(guī)則網(wǎng)度施工地段(如居民區(qū))，測(cè)點(diǎn)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地情況作適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)。

電法觀測(cè)儀器采用法國產(chǎn)SYSACL-R2E型直流電法數(shù)字儀。

2.4 資料處理解釋

電測(cè)深法的主要地質(zhì)任務(wù)是查明,開采煤層上覆新生界松散巖類孔隙含水層的相對(duì)富水性及劃分基巖與新生界松散層界面，因此，主要電性標(biāo)志層是解釋基巖與新生界松散層的界面位置。

縱向電導(dǎo)微分法數(shù)據(jù)處理及解釋流程：

1)原始資料整理。主要是針對(duì)個(gè)別畸變數(shù)據(jù)點(diǎn)采用三點(diǎn)平均法進(jìn)行圓滑處理。

2)S值計(jì)算。若單個(gè)電測(cè)深點(diǎn)有n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)參數(shù)：AB/2(1)、AB/2(2)、…、AB/2(n)；ρs(1)、ρs(2)，…、ρs(n)；利用公式計(jì)算S(i)=AB/2(i)/ρs(i),得到n個(gè)S值。通常情況下，在計(jì)算過程中，可以對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)利用線性插值法進(jìn)行加密處理，再計(jì)算相應(yīng)S值。

3)S′值計(jì)算(縱向電導(dǎo)微分值，無量綱)。根據(jù)步驟2)計(jì)算的n個(gè)S值，利用式(3)在模數(shù)6.25的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，計(jì)算得到n-1個(gè)S′值(縱向電導(dǎo)微分值，無量綱)。

4)剖面圖繪制。利用步驟3)計(jì)算得到的n-1個(gè)AB/2(1)、AB/2(2)、…、AB/2(n-1)；S′(1)、S′(2)、…、S′(n-1)繪制剖面圖，橫坐標(biāo)為AB/2(單位為m),縱坐標(biāo)為S′值。

5)解釋推斷。根據(jù)正演模型計(jì)算及孔旁測(cè)深與已知鉆孔地質(zhì)資料對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，S′值大小與ρs數(shù)值之間存在線性關(guān)系，即高阻層S′值大，低阻層S′值小，同一地質(zhì)層S′值基本相同，不同地質(zhì)層S′值不同，S′值發(fā)生變化或存在異常變化處，推斷為不同地層分界、構(gòu)造發(fā)育部位或?yàn)榈刭|(zhì)異常。圖8～圖11中S′值等值線發(fā)生錯(cuò)斷處推斷為斷層反映，圖中出現(xiàn)的低值封閉圈或低阻異常條帶，推斷為富水區(qū)或?yàn)槌渌睦细G采空區(qū)，煤系地層中孤立的S′值高值封閉圈推斷為不充水的采空區(qū)。S′值較視電阻率成圖解釋的優(yōu)勢(shì)是：地質(zhì)情況相同或相近的表現(xiàn)為更接近，地質(zhì)情況不同的表現(xiàn)為差異更大，能夠突出異常，有助于對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行更精細(xì)地刻畫，充分表征電阻率斷面變化的趨勢(shì)與突變。

資料解釋遵循由已知到未知的原則，首先由區(qū)內(nèi)已知的1-7、高-8、高-12、高-3、1-9、高-11、3-10、1-11等8個(gè)鉆孔資料，利用孔旁測(cè)深曲線求取基巖與新生界松散層的界面深度，分別結(jié)合各鉆孔揭露情況，選擇合適的標(biāo)正系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)區(qū)內(nèi)物探解釋的基巖與新生界松散層的界面深度與鉆孔揭露深度之間的平均標(biāo)定系數(shù)為0.7。

主要目的層位置確定后，再進(jìn)行其他相應(yīng)層位及異常分析解釋，做到由點(diǎn)到線，由線到面的解釋規(guī)律。

2.5 工程成果

利用縱向電導(dǎo)微分解釋法對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)電測(cè)深資料進(jìn)行處理解釋，分析其剖面和平面特征。

圖8中部的低值封閉圈為采空區(qū)反映，正位于地表小煤窯的風(fēng)井和主井附近，采空區(qū)富水。

圖9中高陽向斜、臨水北斜反映清楚，中段的高值封閉圈為陷落柱反映，陷落柱不含水。

圖10中的低值部分為新生界松散層含義地層的分布范圍，F(xiàn)14、F4斷層、神安背斜、西辛壁向斜反映清晰，東側(cè)為高3鉆孔。

圖8 L400測(cè)線S′值剖面圖Fig.8 S′value sectional view of line 400

圖9 L1000測(cè)線S′值剖面圖Fig.9 S′value sectional view of line 1000

圖10 L2050測(cè)線S′值剖面圖Fig.10 S′value sectional view of line 2050

圖11 L2950測(cè)線S′值剖面圖Fig.11 S′value sectional view of line 2950

圖11中段為1-7鉆孔，剖面圖對(duì)各地質(zhì)層位反映較好，各地質(zhì)層位較穩(wěn)定。

圖12為新生界松散巖孔隙含水層分布范圍及富水區(qū)分布圖。富水區(qū)域主要分布在測(cè)區(qū)北部、東北部及測(cè)區(qū)南部，劃分為五個(gè)富水區(qū)條帶：①富水區(qū)位于測(cè)區(qū)的北部，條帶近東西向；②富水區(qū)位于測(cè)區(qū)的神安背斜與F14斷層的交匯處，富水區(qū)條帶近東西向分布；③富水區(qū)位于測(cè)區(qū)東南角西辛壁向斜附近；④富水區(qū)位于測(cè)區(qū)西南角高陽向斜軸的拐彎處；⑤富水區(qū)位于測(cè)區(qū)的東南角高陽河床、臨水背斜、F3斷層三者交匯處，測(cè)區(qū)中部富水性相對(duì)不強(qiáng)。

從以上分析可知，縱向電導(dǎo)微分解釋法，能較好地分辨主要目的層，對(duì)褶皺、斷層、采空區(qū)、陷落柱、含水層等反映清晰。

3 結(jié)論

直流電測(cè)深資料解釋，盡管解釋方法眾多，由于體積效應(yīng)及多解性的存在，往往都在一定條件下，具有一定的局限性，也是困擾地球物理工作者的難題之一。我們利用縱向電導(dǎo)微分解釋法，通過正演模型參數(shù)的驗(yàn)算及實(shí)際勘探實(shí)例的解釋分析，基本能較好地分辨主要目的層，對(duì)褶皺、斷層、采空區(qū)、陷落柱、含水層、巖溶等地質(zhì)異常反映清晰。因此，縱向電導(dǎo)微分解釋法在電測(cè)深資料的定量解釋中，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，在煤炭資源勘探中具有一定的借鑒意義。

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圖12 新近系松散巖孔隙含水層分布范圍及富水區(qū)分布圖Fig.12 Aquifer distribution and water-rich area map of neogene

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Vertical conductance differential interpretation method of electrical sounding data

XU Xiaolian1, LIU Jintao2

(1.Hubei Coal Geological Bureau，Wuhan 430070， China;2.Wuhan CUG Exploration Technology Co., Ltd.,Wuhan 430200， China)

Electrical sounding method which is a conventional geophysical methods in the exploration of coal resources has been widely used. The quantitative interpretation results of electrical sounding data interpretation process are sometimes difficult to achieve satisfactory results although it has now launched one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional inversion, but due to the complexity of the electromagnetic field. In this paper, the empirical method, based on the vertical conducdance differential interpretation method of electrical sounding for quantitative interpretation of the data, has certain application value to achieve a better application results in the electrical sounding exploration.

electrical sounding; vertical conductance; differential; data interprtation

2016-08-07 改回日期：2016-11-21

徐小連(1964-)，男，碩士，高工，主要從事地球物理研究工作，E-mail：uxx123456@sina.com。

劉金濤(1966-)，男，博士，教高，主要從事地球物理勘探與研究，E-mail：liujintao65@126.com。

1001-1749(2017)04-0439-07

P 631.2

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.04.03