瞬變電磁勘探中地形改正技術(shù)的研究*

劉 江，許德才，王一凡

(1.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710005；2.陜西省煤田物探測(cè)繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

我國(guó)是煤礦水文地質(zhì)條件最為復(fù)雜的地區(qū)之一，煤礦水害是僅次于瓦斯災(zāi)害的第二大煤礦災(zāi)害性事件。瞬變電磁法勘探對(duì)地下水體和煤礦采空區(qū)反映靈敏，但由于復(fù)雜多變的地質(zhì)、物性等條件的限制和電法解釋的多解性，影響了電法解釋的精度和可靠性，已不能滿足新形勢(shì)的要求。地形影響是瞬變電磁法解釋的難題，理論上可以通過(guò)角域校正、比值法等辦法對(duì)較簡(jiǎn)單的地形起伏變化作校正，但在生產(chǎn)中應(yīng)用時(shí)，野外和室內(nèi)計(jì)算工作十分繁雜，校正效果也不甚理想。為了更好地消除地形變化等干擾因素對(duì)資料解釋的影響，提高瞬變電磁勘探的精度，為用戶提供較精確的地質(zhì)資料，成為一個(gè)重要的研究方向。近年來(lái)，項(xiàng)目組就側(cè)重研究了瞬變電磁勘探中克服地形影響的途徑和方法。

1 地形因素在瞬變電磁資料中的影響

地形對(duì)瞬變電磁響應(yīng)的影響可分為兩大因素：幾何因素、物理因素。幾何因素是指由于地形起伏致發(fā)射線框及接收回線(或探頭)與水平面呈角度斜交；物理因素即導(dǎo)電圍巖以及覆蓋層因地形起伏引起響應(yīng)的改變。目前在野外觀測(cè)中，操作人員會(huì)盡量保持接收線圈水平面或采用適合的裝置形式以避免幾何因素對(duì)瞬變電磁地電響應(yīng)的影響。在煤田TEM勘探中，由于煤系地層沉積序列穩(wěn)定，地形變化主要是由于地表風(fēng)化剝蝕或水體沖刷所致，故在橫向上導(dǎo)電性相對(duì)均一。而由于物理因素的影響，瞬變電磁點(diǎn)、線、面解釋圖件反映的異常往往位于地表的凹陷或抬升位置，與地層情況相悖。

1.1 地形因素在單點(diǎn)曲線中的特征

圖1 ρτ-hτ曲線

從圖1可知，1160號(hào)測(cè)點(diǎn)地表標(biāo)高為1 459 m，280號(hào)測(cè)點(diǎn)地表標(biāo)高為1 335 m，兩點(diǎn)標(biāo)高差124 m。而曲線在同一標(biāo)高的水平面(煤系地層)上1160號(hào)測(cè)點(diǎn)的視電阻也高于280號(hào)測(cè)點(diǎn)，具有一定的對(duì)應(yīng)性。

1.2 地形因素在剖面上的特征

地形影響在剖面圖上的反映表現(xiàn)為：視電阻率等值線與地形線形態(tài)相似，造成“逢山必高”現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)于一維曲線特征分析中所說(shuō)的抬升曲線形式，如圖2所示。

圖2 視電阻率(ρτ)斷面圖

1.3 地形因素在平面上的特征

從圖3可以看到目標(biāo)層對(duì)應(yīng)深度上的視電阻率的高低與地形對(duì)應(yīng)關(guān)系較好。從地形地勢(shì)圖看測(cè)區(qū)西北部的地形標(biāo)高為全區(qū)最高，而煤層頂板視電阻率等值線平面圖的高阻異常條帶也主要分布在測(cè)區(qū)的西北部，與地形標(biāo)高相符，但與礦區(qū)地質(zhì)情況相悖。

圖3 視電阻率與地形關(guān)系

2 二次電位切線斜率法的可行性

2.1 歸一化二次電壓與視電阻率的低阻異常關(guān)系

瞬變電磁法測(cè)量時(shí)，接收線圈所觀測(cè)的感應(yīng)電壓V2(t)與作用磁場(chǎng)的關(guān)系為：

V2(t)=-SRNdB(t)/dt

SR和N分別為接收線圈的有效面積和匝數(shù)，因此磁感應(yīng)強(qiáng)度B(t)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)與V2成正比關(guān)系，故接收線圈所觀測(cè)到的二次場(chǎng)V2(t)與dB(t)/dt的波形是一致的，如圖4所示。

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系

圖4說(shuō)明良導(dǎo)體比一般導(dǎo)體的dB(t)/dt或V2(t)衰減較慢，曲線斜率值較小。在瞬變電磁測(cè)深測(cè)量中，時(shí)間道與探測(cè)深度是成正相關(guān)的，故二次電位衰減曲線(V2～H)與V2～(t)的形態(tài)也是相似的。因此，在地下某一時(shí)間道對(duì)應(yīng)的探測(cè)深度上，曲線(V2～H)的斜率K越小，則該深度上視電阻率越低。在某一地質(zhì)層位上，斜率K的低值異常與視電阻率的低阻異常相對(duì)應(yīng)。

2.2 有限元法分析

根據(jù)有限元法原理，在“煙圈”效應(yīng)影響范圍內(nèi)，可將地下半空間的地質(zhì)體劃分成許多小“環(huán)帶”，各“環(huán)帶”單元感應(yīng)電位值疊加運(yùn)算后，則可得到該測(cè)點(diǎn)的總二次電位值，即為接收回線在某一時(shí)間道觀測(cè)到的二次電位值。

在一個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行瞬變電磁測(cè)量時(shí)，在某一時(shí)間道對(duì)應(yīng)的探測(cè)深度上的二次電位值V2真，可以用地質(zhì)體產(chǎn)生的電位差V2巖和由地形影響產(chǎn)生的電位差(干擾電位差)V2擾疊加形成。

可以分析切線斜率K僅與測(cè)點(diǎn)下地質(zhì)體產(chǎn)生的電位差V2巖相關(guān)，而與地形影響產(chǎn)生的電位差(干擾電位差)無(wú)關(guān)。

3 二次電位切線斜率法在地形改正中的地質(zhì)效果

3.1 一維曲線特征分析

該測(cè)點(diǎn)位于鉆孔附近，鉆孔揭露第四系厚7.51 m，3#煤埋深594.31 m，15#煤埋深719.08 m，奧灰頂界面埋深約738.78 m。從圖5中可以看出瞬變電磁對(duì)于煤系地層中主要電性層位均有較明顯的分層標(biāo)志，實(shí)測(cè)曲線9～12 ms段曲線下降較緩，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)換曲線中段538～570 m明顯的低阻層，是3#煤上覆泥、砂巖互層的電性反映；698～786 m處上升幅度較緩平臺(tái)為15#煤與本溪組泥巖的電性反映；尾部上升斜率明顯增大，說(shuō)明已穿透煤系地層，進(jìn)入下伏奧灰?guī)r地層，特征與地質(zhì)資料吻合。

圖5 某測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)及轉(zhuǎn)換曲線

3.2 二維視電阻率斷面特征分析

從圖6可以看出，視電阻率變化特征在縱向上呈現(xiàn)的是由煤系地層的較低阻至奧灰的高阻地層；在橫向上視電阻率基本呈水平層狀，反映了地層層狀分布的特點(diǎn)，局部地段出現(xiàn)高角度的低阻梯度帶結(jié)構(gòu)及高阻和低阻等值線繞曲特征，分析為X131、X132陷落柱及其所形成的裂隙帶富含水所致，與三維地震資料結(jié)果一致。

圖6 地形改正后的視電阻率(上)及地質(zhì)解釋斷面圖(下)

3.3 平面成果

圖7 某深度視電阻率等值線平面圖(左)和頂板砂巖含水異常平面圖(右)

由圖7易知，平面上整體電性平穩(wěn)，大部等值線顏色基本趨近，可見(jiàn)本區(qū)原始數(shù)據(jù)地形校正效果顯著，結(jié)合水文地質(zhì)和鉆孔資料分析，圈定了低阻異常區(qū)；并將異常放在煤層底板構(gòu)造圖上，由于切線法為比值處理，對(duì)數(shù)據(jù)干擾有一定的壓制效果，圈定的富水異常主要集中在測(cè)區(qū)的向斜軸部，同時(shí)也位于測(cè)區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造背斜的兩翼，與礦井地質(zhì)資料吻合。

4 結(jié)語(yǔ)

在瞬變電磁法勘探工作中，運(yùn)用二次電位衰減曲線的切線斜率代替視電阻率參數(shù)進(jìn)行資料處理和解釋，基本消除地形變化等干擾因素對(duì)解釋的影響，地質(zhì)效果顯著，使得資料處理結(jié)果與實(shí)際地層更相符，一定程度上解決了水文地質(zhì)的精細(xì)勘探問(wèn)題，可為礦區(qū)的水害防治提供技術(shù)支持，為煤礦防治水提供了水文物探依據(jù)。