瞬變電磁大定源回線裝置和多匝小線框重疊回線裝置對(duì)比分析
——以內(nèi)蒙某煤礦水文物探為例

齊朝華，羅國(guó)平，劉鏡竹

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750)

0 前言

為研究?jī)?nèi)蒙古某礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的富(導(dǎo))水情況，評(píng)價(jià)煤系地層富水性，以便合理布置巷道及采掘工作面，確保安全、高效生產(chǎn)，經(jīng)論證選擇瞬變電磁法勘探開展這項(xiàng)工作。為保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，施工前在研究區(qū)鉆孔59-11附近分別進(jìn)行大定源回線裝置和重疊回線裝置試驗(yàn)，通過試驗(yàn)對(duì)比選擇適合本研究區(qū)工作裝置及施工參數(shù)。

1 理論依據(jù)

重疊回線裝置和大定源回線裝置瞬變電磁法屬于時(shí)間域電磁感應(yīng)法，它利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖場(chǎng)，在一次脈沖場(chǎng)間歇期間接收感應(yīng)二次場(chǎng)。不同的是，重疊回線裝置接收二次場(chǎng)使用與發(fā)射回線重疊的另一個(gè)回線，每個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)移動(dòng)發(fā)射、接收回線。大定源回線裝置接收二次場(chǎng)一般使用專門磁探頭，測(cè)點(diǎn)位于發(fā)射回線中心1/9面積范圍內(nèi)，一個(gè)發(fā)射回線內(nèi)可布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)。瞬變電磁二次場(chǎng)是由地下良導(dǎo)地質(zhì)體受激勵(lì)引起的渦流所產(chǎn)生的非穩(wěn)電磁場(chǎng)，場(chǎng)的分布遵行法拉遞電磁感應(yīng)定律。瞬變電磁法具有下面幾個(gè)特點(diǎn)：

①觀測(cè)純二次場(chǎng)，沒有裝置耦合噪聲，噪聲主要來自天電及人文電磁干擾；

②對(duì)導(dǎo)電圍巖和導(dǎo)電覆蓋層的分辨能力高，測(cè)量方法技術(shù)既快又簡(jiǎn)單；

③在高阻圍巖條件下，沒有地形引起的假異常。

均勻大地的瞬變電磁二次場(chǎng)響應(yīng)可用“煙圈效應(yīng)”(環(huán)流)等效，發(fā)育有含水地質(zhì)體時(shí)的瞬變電磁二次場(chǎng)包括“環(huán)流”響應(yīng)、“環(huán)流”向含水地質(zhì)體匯集產(chǎn)生的集流響應(yīng)、“環(huán)流”對(duì)含水地質(zhì)體激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)渦流的響應(yīng)和“環(huán)流”對(duì)含水地質(zhì)體產(chǎn)生的激發(fā)極化響應(yīng)。不同的瞬變電磁裝置的二次場(chǎng)中上述四種響應(yīng)的占比不同，瞬變電磁異常特征也不同。重疊回線裝置時(shí)集流響應(yīng)和激發(fā)極化響應(yīng)占比較大，含水地質(zhì)體上二次場(chǎng)具有中間低兩側(cè)高的異常特征，甚至可以測(cè)量到負(fù)的瞬變電磁二次場(chǎng)；含水地質(zhì)體上大定源回線裝置的響應(yīng)表現(xiàn)為感應(yīng)電壓高或邊界附近的感應(yīng)電壓的急劇變化。

2 地層及地球物理特征

2.1 地層

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地，地層由老至新：三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組(T3y)、侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)、侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)、下白堊志丹群(K1zh)、第四系(Q)。侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)為區(qū)內(nèi)主要含煤地層，含2、3、4、5、6五個(gè)煤組，按其沉積旋回可劃分三個(gè)巖段。下部為灰白、黃白、灰黑色粗砂巖和含礫粗砂巖，局部地段為礫巖。主要成分為石英、長(zhǎng)石，泥質(zhì)膠結(jié)及高嶺土質(zhì)膠結(jié)。中部為灰黃色，黃色厚層狀砂巖，薄層粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖。上部為灰白色高嶺土質(zhì)膠結(jié)的細(xì)粉砂巖，局部相變?yōu)樯百|(zhì)黏土巖和黏土巖。

2.2 含水層

研究區(qū)含水層自上而下分為第四系(Q)松散層潛水含水層，富水性中等；白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)孔隙潛水～承壓水含水層，富水性弱～中等；侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)碎屑巖類孔隙、裂隙承壓水含水層，富水性弱；侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)碎屑巖類孔隙、裂隙承壓水含水層，富水性弱。侏羅系中下統(tǒng)延安組含水層為開采煤層的直接充水層，對(duì)煤層開采的影響大。

2.3 地球物理電性特征

通過研究區(qū)測(cè)井資料分析電性參數(shù)如下：

總體上深度32～260 m白堊系下統(tǒng)志丹群電阻率較高，平均50 Ω·m，其間深度50 m附近有一個(gè)厚20 m左右的低阻層；深度260～500 m侏羅系安定組、直羅組地層電阻率較低，約為28 Ω·m，下部延安組含煤地層電阻率相對(duì)較高，平均86 Ω·m。不同地層的電性差異明顯，為瞬變電磁勘探提供了前提條件。

表1 研究區(qū)59-11孔測(cè)井視電阻率統(tǒng)計(jì)表

3 單點(diǎn)瞬變電磁成果對(duì)比

本次瞬變電磁勘探使用的是澳大利亞生產(chǎn)的TerraTEM儀器，大定源回線裝置發(fā)射機(jī)是TX-50，接收機(jī)為TerraTEM；重疊回線裝置使用的是TerraTEM發(fā)射接收一體機(jī)。

3.1 大定源回線裝置

大定源回線裝置發(fā)射回線為600 m×300 m矩形線框，接收使用等效面積2 000 m2的磁探頭。圖1是大定源回線發(fā)射供電電流為15A、22A、10A的二次場(chǎng)衰減曲線，受電流的影響關(guān)斷時(shí)間分別為118、164、67μs，導(dǎo)致早期數(shù)據(jù)有微小差別。晚期段最后3個(gè)窗口數(shù)據(jù)也有較小的差別，但在誤差范圍內(nèi)。也就是說3種電流供電時(shí)二次場(chǎng)信號(hào)沒有明顯的差別，可以選擇任意1個(gè)電流供電進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖1 大定源回線不同供電電流二次場(chǎng)衰減曲線對(duì)比Figure 1 Comparison of large fixed-source loop secondary field attenuation curves from different power supply currents

圖2 大定源回線不同增益二次場(chǎng)衰減曲線對(duì)比Figure 2 Comparison of large fixed-source loop secondary field attenuation curves from different gains

在選擇合適工作電流基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行了不同增益、不同延時(shí)、不同疊加次數(shù)的參數(shù)試驗(yàn)，圖2是大定源回線不同增益的二次場(chǎng)衰減曲線，紅色代表增益為1，當(dāng)增益是4時(shí)候，整個(gè)二次場(chǎng)曲線已經(jīng)圓滑，為保證采集數(shù)據(jù)原始質(zhì)量，工作裝置選擇增益為4。通過試驗(yàn)得到大定源回線裝置參數(shù)如下：

發(fā)射：600 m×300 m矩形線框；

接收：等效面積2 000 m2磁探頭；

電流：15A；

增益：4；

測(cè)量時(shí)窗：SIROTEM-3的復(fù)合時(shí)間系列1～32，最大窗口時(shí)間47.945 ms；

測(cè)量延時(shí)：120 μs。

3.2 多匝小線框重疊回線裝置

根據(jù)以往多匝小線框重疊回線裝置工作經(jīng)驗(yàn)，發(fā)射線框選擇2 m邊長(zhǎng)正方形，接收回線選擇1 m邊長(zhǎng)的正方形。首先進(jìn)行不同匝數(shù)的接收和發(fā)射線框試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如下：

表2 多匝小線框重疊回線裝置試驗(yàn)參數(shù)

圖3 不同匝數(shù)重疊回線二次場(chǎng)衰減曲線對(duì)比Figure 3 Comparison of overlapped loop secondary field attenuation curves from different turns

圖3是其中C、E、F裝置參數(shù)的二次場(chǎng)衰減曲線，C衰減曲線由于過渡過程影響，早期有3個(gè)窗口數(shù)據(jù)產(chǎn)生了畸變；E衰減曲線晚期4個(gè)時(shí)窗的數(shù)據(jù)有跳變；F衰減曲線變化平緩，通過分析認(rèn)為F(發(fā)射線圈25匝2 m邊長(zhǎng)正方形、接收線圈30匝1 m邊長(zhǎng)正方形)適合數(shù)據(jù)采集要求。試驗(yàn)裝置的同時(shí)，瞬變電磁勘探中增益對(duì)數(shù)據(jù)的影響較大，圖4是裝置F不同增益的試驗(yàn)曲線，增益1數(shù)據(jù)劇烈跳動(dòng)，增益64時(shí)晚期2個(gè)測(cè)道數(shù)據(jù)有跳動(dòng)，增益32時(shí)數(shù)據(jù)變化平緩，數(shù)據(jù)都大于觀測(cè)噪聲，最終選擇增益32進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖4 重疊回線裝置不同增益的二次場(chǎng)曲線Figure 4 Overlapped loop installation secondary field curves from different gains

試驗(yàn)得到裝置參數(shù)如下：

發(fā)射：25匝2 m×2 m回線；

接收：30匝1 m×1 m回線；

電流：2.4A；

增益：32；

測(cè)量時(shí)窗：SIROTEM-3的復(fù)合時(shí)間系列1～32，最大窗口時(shí)間47.945 ms；

測(cè)量延時(shí)：120 μs。

圖5是已知鉆孔附近大定回線源裝置與多匝小線框重疊回線裝置的一維反演電阻率曲線與電阻率測(cè)井曲線的對(duì)比，瞬變電磁2條反演電阻率曲線在400 m以淺與電阻率測(cè)井曲線完全一致，450 m深度附近3條曲線都有一個(gè)電阻率低，多匝小線框重疊回線裝置的反應(yīng)更明顯。600 m以后大定源回線與多匝小線框重疊回線的反演電阻率大小差別大，但對(duì)地層電性的垂向變化特征基本相同。

通過鉆孔資料知道，10～290 m為白堊系下統(tǒng)志丹群，290～375 m為侏羅系安定組，375～500 m為侏羅系直羅組，500～570 m為侏羅系延安組三段，570～810 m為侏羅系二段含煤地層。綜合推斷10～375 m電阻率呈現(xiàn)高～低～高變化是白堊系下統(tǒng)志丹群和侏羅系安定組地層巖性的反映；450 m附近測(cè)井曲線低阻主要為侏羅系直羅組的反映；500 m以后電阻率開始抬高主要是含煤地層侏羅系延安組綜合反映。

4 測(cè)線瞬變電磁成果對(duì)比

4.1 大定源回線裝置視電阻率擬斷面圖

在不同裝置單點(diǎn)瞬變電磁成果對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，就兩種裝置進(jìn)行了測(cè)線對(duì)比分析，2條測(cè)線分別為88線、96線，線距80 m、點(diǎn)距20 m。圖6是大定源回線試驗(yàn)段視電阻率擬斷面圖，斷面圖中看出250～500 m深度的低電阻率特征明顯，深部和淺部的視電阻率相對(duì)較高，而且淺部視電阻率沿測(cè)線變化平緩。深部視電阻率沿測(cè)點(diǎn)變化大，反應(yīng)了深部地層巖性或富水性沿測(cè)線的變化。2條測(cè)線在測(cè)點(diǎn)2 320、深度650 m附近有一個(gè)局部視電阻低，電阻率值在28 Ω·m左右。這個(gè)電阻率低異常有向東(大號(hào)點(diǎn))、向深部延展的趨勢(shì)，96線的這個(gè)特征更明顯，延伸到96線測(cè)點(diǎn)2 520、深度93 m。

4.2 多匝小線框重疊回線裝置擬斷面圖

多匝小線框使用發(fā)射線圈25匝2 m邊長(zhǎng)正方形、接收線圈30匝1 m邊長(zhǎng)正方形的重疊回線裝置進(jìn)行了勘探線試驗(yàn)，圖7是視電阻率擬斷面圖，視電阻率等值線總體特征與大定源回線裝置一致，250～500 m深度的低電阻率特征明顯，深部和淺部的視電阻率相對(duì)較高，而且淺部視電阻率沿測(cè)線變化平緩。

4.3 兩種裝置視電阻率擬斷面圖對(duì)比分析

圖8是96線兩種不同裝置的視電阻率擬斷面圖，2種裝置反演得到的地層電性分層特征一致，但橫向上差別較大。淺部100 m附近2 400～2 480處大定回線源裝置為局部低阻，多匝小線框重疊回線裝置為局部高阻。深部大定源回線裝置可以圈定出1、2、3等3個(gè)低阻區(qū)，多匝小線框重疊回線裝置視電阻率擬斷面圖相應(yīng)位置有3個(gè)對(duì)應(yīng)的高阻異常區(qū)。

圖9是88線兩種不同裝置的視電阻率擬斷面圖，與96線類似，2種裝置的地層電性分層特征一致，但橫向上差別較大。大定源回線裝置可以圈定2號(hào)、3號(hào)低電阻率異常區(qū)，2號(hào)異常區(qū)特征不明顯；重疊回線裝置在大定源回線裝置的3號(hào)異常區(qū)處有一個(gè)高阻異常，大定源回線裝置的2號(hào)低阻異常區(qū)處重疊回線裝置是一個(gè)高阻異常，而且異常非常明顯，并與3號(hào)異常形成條帶狀高阻異常。

圖5 不同裝置孔旁測(cè)深曲線對(duì)比Figure 5 Comparison of borehole side sounding curves from different installations

圖6 大定源回線裝置視電阻率擬斷面圖Figure 6 Large fixed-source loop installation apparent resistivity pseudosection

圖7 多匝小線框重疊回線裝置視電阻率擬斷面圖Figure 7 Multiturn small wireframe overlapped loop installation apparent resistivity pseudosection

圖8 不同裝置96線試驗(yàn)段視電阻率擬斷面圖對(duì)比Figure 8 Comparison of line No.96 testing sector apparent resistivity pseudosections from different installations

圖9 不同裝置88線試驗(yàn)段視電阻率擬斷面圖對(duì)比Figure 9 Comparison of line No.88 testing sector apparent resistivity pseudosections from different installations

考慮到88、96線是距離80 m的相鄰測(cè)線，斷面電阻率特征應(yīng)該相似。大定源回線裝置96線2、3號(hào)低阻異常條帶與多匝小線框重疊回線裝置88線、96線2、3號(hào)高阻異常條帶相對(duì)應(yīng)，組成1個(gè)傾向西(小號(hào)點(diǎn))的條帶異常，大定源回線裝置88線受1號(hào)異常的影響，該異常條帶不是很明顯。

5 結(jié)論

通過對(duì)大定源回線裝置和多匝小線框重疊回線裝置視電阻率測(cè)深曲線和視電阻率擬斷面圖的對(duì)比分析，認(rèn)為這2種裝置從淺到深電阻率變化特征一致，具有相同的地層電性分層能力。橫向上2種裝置對(duì)地層電性的電阻率反映相反，大定源回線裝置低阻異常地段多匝小線框重疊回線裝置為高阻異常地段，因此使用瞬變電磁法開展水文物探時(shí)，應(yīng)該考慮使用勘探裝置不同進(jìn)行含水異常分析解釋的方法原則也不同。由于多匝小線框重疊回線裝置相比大定源回線裝置占地面積小，體積效應(yīng)小，異常特征更明顯，選擇發(fā)射線框25匝2 m邊長(zhǎng)正方形、接收線框30匝1 m邊長(zhǎng)正方形的重疊回線裝置在研究區(qū)開展本次瞬變電磁研究工作。

參考文獻(xiàn):

[1]羅國(guó)平，魏鳳英.瞬變電磁法磁場(chǎng)及其視電阻率研究[J].中國(guó)煤炭地質(zhì)(原中國(guó)煤田地質(zhì))，2000,12(2)：60-62.

[2]肖明輝，楊晉煒，等.國(guó)內(nèi)多匝小線框瞬變電磁研究現(xiàn)狀探討[J].西部探礦工程，2011,10：157-160.

[3]于景邨，劉志新，岳建華.煤礦深部開采中的地球物理技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2007，229(2):586-592.

[4]劉最亮，王鶴宇.大定源瞬變電磁法在含水?dāng)鄬訕?gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用[J].煤炭地質(zhì)與勘探，2012，40(5)：67-70.

[5]牛之璉.時(shí)間域電磁法原理[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社,2007.

[6]羅國(guó)平.不同裝置瞬變電磁含水異常特征分析[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2015,27(3)：70-76.

[7]羅國(guó)平，張春燕，李旭.采空區(qū)含水性探測(cè)的綜合電法勘探應(yīng)用研究[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2013,25(1)：44-47.