瞬變電磁法勘探在黃土塬區(qū)煤層富水異常區(qū)探測中的應(yīng)用

高小偉

【摘 要】本文在敘述紅柳林礦地質(zhì)概況的基礎(chǔ)上，結(jié)合測井資料分析了礦井范圍內(nèi)各地層的物性參數(shù)；通過實例指出了瞬變電磁法探測數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)----地形校正與干擾波校正技術(shù)；闡述了瞬變電磁法資料解釋的基本原則。事實證明，在黃土塬區(qū)應(yīng)用瞬變電磁法勘探技術(shù)查找煤層富水異常區(qū)是可行的。

【關(guān)鍵詞】瞬變電磁法；黃土塬；富水異常區(qū)

中圖分類號： P631.325；P631.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）21-0230-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.106

【Abstract】On the basis of describing the geological situation of hongliulin mine and combining with logging data， this paper analyzes the physical parameters of various strata in the mine area.Through examples，the key technologies of transient electromagnetic detection data processing-terrain correction and interference wave correction are pointed out. The basic principles of transient electromagnetic method data interpretation are expounded.Facts have proved that it is feasible to use transient magnetic exploration technology to find water-rich abnormal areas of coal seam in loess tableland area.

【Key words】Transient electromagnetic method；Loess tableland；Water-rich anomaly area

1 概況

1.1 勘探區(qū)地形地貌

紅柳林礦位于陜北黃土高原與毛烏素沙漠的過渡地帶，區(qū)內(nèi)地貌類型可分為波狀沙丘灘地區(qū)、河谷區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)。植被覆蓋良好，主要以沙柳、沙蒿、檸條、沙打旺等植物為主，總體地勢西北高，東南低。最高處標(biāo)高1333.50m，最低處標(biāo)高1090.00m左右。

1.2 勘探區(qū)地質(zhì)概況

1.2.1 地層

井田基本被第四系覆蓋，僅在北部、南部的溝谷中有基巖出露。井田地層由老至新依次為三疊系上統(tǒng)永坪組，侏羅系下統(tǒng)富縣組、中統(tǒng)延安組、直羅組，新近系上新統(tǒng)保德組、第四系中更新統(tǒng)離石組、上更新統(tǒng)薩拉烏素組、全新統(tǒng)風(fēng)積沙及沖積層。

1.2.2 煤層

延安組為含煤地層，自下而上分為五個含煤段，每段含1個煤組，編號為2-2、3-1、4-2、4-3、4-4、5-2的煤層為可采煤層，區(qū)內(nèi)延安組厚度變化在35.60m–255.73m，平均159.92m。煤層平均總厚24.79m，含煤系數(shù)15.5%。

1.2.3 基于測井曲線的地層物性特征分析

5-3號煤、5-2號煤均呈高電阻率、低密度、低伽馬、高聲波時差的典型組合特征，但5-3號煤比5-2號煤電阻率值小。5-2煤層側(cè)向電阻率曲線中高異常，幅值164～631Ω.m，形態(tài)為多齒狀；密度曲線低值大異常，約1.39～1.42g/cm3，形態(tài)為鋸齒邊箱狀；自然伽瑪曲線低異常，3～17API，形態(tài)為箱型；自然電位曲線負(fù)異常，-50～-7mV，形態(tài)為鐘形。

4-4、4-3、4-2號煤在自然伽馬、密度曲線上區(qū)別不大，均為低自然伽馬（4-20API）；低密度（1.35～1.47g/cm3）。電阻率曲線區(qū)別明顯，雖都為高異常值，但從下而上電阻率幅值增高：4-2號煤電阻率高異常幅值最大，呈叢狀高峰異常；4-3號煤、4-4號煤電阻率曲線多呈指狀。

延安組粉砂巖、砂質(zhì)泥巖曲線異常特征為電阻率逐漸變低，密度、自然伽瑪逐漸變高，自然電位逐漸接近零。從曲線形態(tài)看沉積旋回為明顯的正粒序特征。

延安組中、細(xì)粒砂巖，視電阻率曲線異常明顯鼓起，自然伽瑪曲線異常凹下去，自然電位為明顯的負(fù)異常。

直羅組物性特征：電阻率呈現(xiàn)高幅值，自然伽馬低幅值，與上覆保德組及下部延安組地層曲線反映呈明顯的臺階狀，自然電位曲線明顯負(fù)異常，密度曲線幅值呈現(xiàn)中、高值，直羅組砂巖部分由于風(fēng)化，相比同巖性砂巖相比密度幅值有所降低，與其孔隙度有很大關(guān)系。

保德組物性特征：低電阻率25Ω·M左右，因該層中常含有鈣質(zhì)結(jié)核而曲線出現(xiàn)齒狀波動；自然伽瑪曲線平滑，其值平均40API左右；密度值平均約2.30g/cm3，曲線變化較??；自然電位曲線平直光滑偶有起伏，其值約-50mv左右。

離石組物性特征：電阻率值低曲線平直，比下伏地層曲線更平直而光滑。自然電位與下伏地層區(qū)別不大；自然伽瑪曲線幅值低平，平均約50API；密度平均值約2.20g/cm3，曲線形態(tài)與下伏地層相似。

薩拉烏素組物性特征：電阻率中低40～60Ω·M；自然電位小負(fù)異常，與電阻率組成薄箱狀；密度反映似黃土；自然伽瑪?shù)彤惓?，約60API。

2 瞬變電磁法地球物理特征

本次瞬變電磁法探測區(qū)域內(nèi)所涉及的地層地質(zhì)構(gòu)造簡單，地層沉積相對穩(wěn)定，巖層物性特征比較明顯，主要由粗粒砂巖、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖組成。砂巖的電阻率為中高值反映，粗粒砂巖及中粒砂巖為最高，細(xì)粒砂巖居中，粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖為低阻反映?？偨Y(jié)由淺至深地層電性變化規(guī)律應(yīng)為：淺部局部有全新統(tǒng)風(fēng)積沙集聚區(qū)呈高阻電性特征，下部土層呈低阻電性特征；向下至延安組砂巖地層，上部巖層風(fēng)化后，空洞裂隙發(fā)育，巖石風(fēng)化破碎后，因風(fēng)化巖層中水份增多，泥質(zhì)含量增高，電阻率幅值隨之降低，風(fēng)化程度愈高，電阻率幅值愈低，向下部含煤地層電性呈增大的趨勢特征，砂巖地層中的煤層一般呈穩(wěn)定的較高阻特征；至含煤地層下部富縣組、延長組等穩(wěn)定砂巖地層，電性值較含煤地層降低。

綜上，當(dāng)?shù)貙映练e層序穩(wěn)定，不含局部地質(zhì)構(gòu)造、燒變巖區(qū)、含水區(qū)時，地層電性呈穩(wěn)定的“高——低——高——低”趨勢特征；當(dāng)?shù)乇頍o風(fēng)積砂時，或會呈“低——高——低”的趨勢特征；相反，當(dāng)?shù)貙又写嬖谶@些特殊地質(zhì)體和含水區(qū)時，地層電性將會發(fā)生明顯的變化，如采集的視電阻率等值線發(fā)生扭曲變形、圈閉等。這種明顯的地層和局部地質(zhì)體的電性差異，為以導(dǎo)電性差異為應(yīng)用前提的地面瞬變電磁法的實施提供了良好的地球物理基礎(chǔ)。

3 測點布置

測網(wǎng)密度為40m×20m，即線距40m點距20m。1-2煤層探測區(qū)面積較小，測線、測點單獨編號，測線共31條；2-2、3-1和4-2三個煤層的探測區(qū)和額外增加區(qū)域測線、測點采用統(tǒng)一設(shè)計和標(biāo)示。因測區(qū)形狀限制，每條測線上的測點個數(shù)不盡相同，經(jīng)統(tǒng)計，坐標(biāo)點總數(shù)為45711個，編號由0開始，至最大525。復(fù)測檢查點應(yīng)為坐標(biāo)點的3%～5%。對2300個復(fù)測點進(jìn)行統(tǒng)計，復(fù)測總均方相對誤差平均在±8.36%范圍內(nèi)，沒有超出復(fù)測允許的±15%的范圍。

4 資料處理與解釋

4.1 資料處理

4.1.1 視電阻率轉(zhuǎn)換計算

TEM野外采集的數(shù)據(jù)為感應(yīng)電動勢。橫坐標(biāo)為算術(shù)坐標(biāo)，表示觀測二次場的時間；縱坐標(biāo)為對數(shù)坐標(biāo)，表示歸一化感應(yīng)電動勢。一般須將感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)換為視電阻率。從感應(yīng)電動勢的衰減曲線中很難看出地電斷面結(jié)構(gòu)，為此，需將感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)換為視電阻率，并用轉(zhuǎn)換出來的視電阻率生成擬斷面圖。

4.1.2 時間道斷面圖繪制

在時間道斷面圖中，可以直觀的看到隨時間的變化數(shù)據(jù)點的分布情況，從而可以分析探測目的層的控制點數(shù)量，掌握可靠信息的時間分布特性，為資料的進(jìn)一步處理分析奠定基礎(chǔ)。如圖1所示，為171線的時間道斷面圖。由圖可知隨著時間的增加，視電阻率值由淺至深呈現(xiàn)近“高——低——高——低”的變化特征，時間道斷面圖較好的反映了地層電性特征。淺部高阻層與地表松散砂層有對應(yīng)關(guān)系，下部相對低阻層與新近系地層或風(fēng)化巖地層有對應(yīng)關(guān)系，再向下相對高的層位與含煤地層相對應(yīng)，深部低阻層位則為含煤地層下部砂巖地層的反映，這種變化特征與地球物理特征分析和試驗結(jié)果一致。在資料處理與分析過程中，將時間道斷面與深度斷面相結(jié)合，有利于對數(shù)據(jù)進(jìn)行深度剖析。

4.1.3 時間道斷面圖繪制電磁干擾校正

2-2煤測區(qū)西部邊界附近有高壓線路由南向北穿過礦區(qū)，在測區(qū)西南部0線0點附近進(jìn)入，35線39～42點附近出；測區(qū)北部169線201～202點附近進(jìn)入，178線210～214點附近出。對其附近測點的數(shù)據(jù)質(zhì)量造成不同程度的影響。為提高資料解釋的準(zhǔn)確度和可靠性，本次采取了相關(guān)方法，對電磁干擾進(jìn)行了校正，盡可能還原真實的地電信息，減少假異常。

以171線原始視電阻率擬斷面圖為例，高壓線在171線的201～202號測點之間穿過，其對附近各測點數(shù)據(jù)的影響程度由圖2（a）可見，視電阻率值出現(xiàn)突變，中晚期等值線出現(xiàn)扭曲變形，似雜亂無章；早期視電阻率值基本未受影響，等值線保持了應(yīng)有的變化趨勢。

對受電磁干擾影響數(shù)據(jù)的處理采用專用軟件進(jìn)行校正，使其回歸應(yīng)有的衰減規(guī)律，最大限度的還原其對地層電性的真實反映。如圖2（b）為校正后的視電阻率擬斷面圖，由其等值線趨勢可見，與未受電磁干擾數(shù)據(jù)變化規(guī)律一致，基本符合地層應(yīng)有的電性分布規(guī)律，為后期的資料分析解釋奠定了基礎(chǔ)。

4.1.4 深度反演與層位標(biāo)定

對預(yù)處理和各種校正處理后的數(shù)據(jù)，進(jìn)行反演計算，反演的目的是確定探測控制的有效深度和視電阻率對各目的地層的反映情況，并根據(jù)確定的技術(shù)參數(shù)，完成“深度-視電阻率擬斷面圖”的繪制和目標(biāo)層位平面數(shù)據(jù)的提取。

4.2 資料解釋方法

測區(qū)內(nèi)含煤地層分布均勻，電性差異偏小，而上覆地層存在大面積完整和局部缺失兩種情況，因此會引起野外采集的數(shù)據(jù)，相同的時間道，相似的電性特征，反映的并不一定是同一地層或同一介質(zhì)，因此在資料解釋過程中對異常的認(rèn)識應(yīng)將空間和時間相結(jié)合。

4.2.1 異常劃分方法

異常劃分通常有兩種途徑來確定：一是根據(jù)探測區(qū)內(nèi)已知電性及水文地質(zhì)條件來定；二是在一個新的礦區(qū)，根據(jù)對實測曲線的數(shù)理統(tǒng)計分析計算得到。

4.2.2 異常解釋方法

（1）人工解釋與計算機(jī)解釋相結(jié)合

以人工解釋為基礎(chǔ)、計算機(jī)為工具，由粗到細(xì)逐步進(jìn)行。人工解釋通過對主干剖面的解釋，確定所對應(yīng)的地質(zhì)層位，勾繪地層總體賦存形態(tài)以及構(gòu)造格局，為后期人機(jī)聯(lián)作精細(xì)解釋打下基礎(chǔ)。

（2）斷面與水平/順層切片解釋相結(jié)合

視電阻率—深度擬斷面圖是基礎(chǔ)，從橫、縱兩個方向直觀地反映地層的電性變化特征，可以提供層位劃分、層位追蹤、深度確定、異常圈定等方面的諸多信息，視電阻率—深度擬斷面異常圖是資料分析和成果表現(xiàn)的主要圖件之一。如果把已知鉆孔、斷層、煤層和其它特征層的地質(zhì)信息附加其上，即可構(gòu)成綜合推斷解釋成果的斷面圖。

視電阻率異常平面圖反映某高程（層位）巖層的電性分布和變化特征，常用來分析和確定地質(zhì)異常體的平面分布位置、規(guī)模范圍、走向延伸等情況，形象地稱之為水平切片，原則上可以提供任意高程的水平/順層切片，視電阻率平面等值線異常圖是資料分析和成果表現(xiàn)的主要圖件。

（3）電性解釋與綜合地質(zhì)分析相結(jié)合

由于受目前技術(shù)手段和技術(shù)水準(zhǔn)的限制，所獲得的各種原始信息及經(jīng)過處理的探測成果數(shù)據(jù)等，均存在一定的局限性或片面性，特別是電磁法探測成果還存在一定的多解性。但從地質(zhì)規(guī)律而言，這些數(shù)據(jù)信息均存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系。在電磁法數(shù)據(jù)解釋的基礎(chǔ)上，對煤礦勘探和生產(chǎn)中所獲取的鉆探、巷探及采掘揭露的各種地質(zhì)數(shù)據(jù)信息，采用多種方法（如數(shù)理統(tǒng)計、地質(zhì)統(tǒng)計、數(shù)學(xué)模擬等）進(jìn)行綜合、集成分析和處理，結(jié)合電磁法解釋成果，運(yùn)用地質(zhì)理論進(jìn)行綜合地質(zhì)分析，去粗取精，去偽存真，從中提取有用的地質(zhì)信息，得出符合地質(zhì)規(guī)律的電磁探測結(jié)果，以提高成果的可靠性和精度。

5 地質(zhì)成果

解釋1-2煤層頂板發(fā)現(xiàn)低阻異常區(qū)4處，推斷為基巖風(fēng)化層含水；解釋2-2煤層頂板低阻異常區(qū)14處，分別推斷為基巖風(fēng)化層含水和火燒區(qū)含水解釋3-1煤層頂板低阻異常區(qū)10處；解釋4-2煤層頂板低阻異常區(qū)8處。

6 結(jié)論

（1）對于黃土塬瞬變電磁法來說，合理的地形校正、干擾消除是取得理想成果的基礎(chǔ)。

（2）綜合應(yīng)用物探成果、地質(zhì)揭露資料綜合解釋是取得準(zhǔn)確地質(zhì)成果的關(guān)鍵步驟。

（3）黃土塬區(qū)瞬變電磁法勘探是可行的。