復雜地形條件下瞬變電磁法中心回線裝置發(fā)射線框大小選取研究

宋 偉，鄧劉洋

(中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶400037)

1 引 言

瞬變電磁法是一種建立在電磁感應原理基礎上的時間域人工源電磁勘探方法，相比頻率域電磁法，其研究的是純異常響應的二次場，極大地簡化了對異常響應的研究，具有更高的探測和分辨能力[1,2]。自二十世紀七十年代被引進國內以來，由于其獨特的優(yōu)勢得到了迅猛的發(fā)展，特別是在煤田水文地質勘查方面，瞬變電磁法已經成為最主要的物探方法[3-6]。瞬變電磁法觀測裝置有中心回線、重疊回線、分離回線、大定源回線、偶極等多種，其中中心回線裝置由于發(fā)射中心與接收中心重合，收發(fā)距為零，使得其體積效應小，分層能力強，并且對于深度在1 000 m以內的目標體都能進行探測[7]，因此在中淺層的煤田水文地質勘查中應用得最多[8]。我國煤炭資源豐富，廣泛分布于全國各地，很多煤礦位于地形復雜的山區(qū)，地形高程起伏大，而煤層一般在地下成層分布，起伏變化較小，這就導致煤層埋藏深度變化較大。在這種條件下，使用瞬變電磁法中心回線裝置勘探煤層采空區(qū)或積水區(qū)等順煤層分布目標體時，采用某一固定大小的發(fā)射線框往往無法滿足探測要求，這時需要綜合考慮盲區(qū)、最大勘探深度等因素，在不同埋設范圍內采用不同大小的發(fā)射線框，以達到最佳的探測效果。

2 勘探深度影響因素

瞬變電磁法發(fā)射線框大小設計需要統(tǒng)籌考慮最小勘探深度(即盲區(qū))與最大勘探深度兩個影響因素，使得勘探目標體位于最小勘探深度與最大勘探深度之間，為保證勘探效果還應與勘探最大深度邊界保留一定距離。瞬變電磁法盲區(qū)主要受關斷時間和覆蓋層電阻率的影響，理論上可按式(1)進行計算[9]。

(1)

式中，Dmin為盲區(qū)深度，單位m；ρ為覆蓋層電阻率，單位Ω·m；tmin為關斷時間，單位μs。

勘探目標確定后，覆蓋層電阻率隨即確定，因此影響盲區(qū)大小的主要因素是關斷時間。關斷時間主要與發(fā)射回線的電感和電阻有關，不同的儀器其關斷時間也不一樣，可以用式(2)、式(3)進行估算[10]。

(2)

(3)

式中，L為發(fā)射回線的電感，單位H；R為發(fā)射回線電阻，單位Ω；n為發(fā)射回線扎數(shù)；b為發(fā)射回線邊長，單位m；r為單根發(fā)射回線截面半徑，單位m。

一般在進行勘探之前，發(fā)射回線所用電線規(guī)格已經確定，即單位長度電阻、截面半徑等為定值，地面勘探中也通常使用單扎線圈，因此影響關斷時間的主要因素就為發(fā)射線框邊長。

最大勘探深度主要受發(fā)射線框大小、發(fā)射電流大小、覆蓋層電阻率、環(huán)境噪聲水平等因素影響，理論上可以按式(4)進行計算[1]。

(4)

式中，Dmax為最大勘探深度，單位m；I為發(fā)射電流，單位A；b為發(fā)射回線邊長，單位m；ρ為覆蓋層電阻率，單位Ω·m；η為環(huán)境噪聲水平，單位V/m2。

同樣勘探目標確定后，覆蓋層電阻率、環(huán)境噪聲水平隨即確定，勘探儀器選定后其發(fā)射電流一般變化也不會太大，且其對勘探深度的影響遠小于發(fā)射線框大小的影響，所以主要影響勘探深度的因素就是發(fā)射線框的大小。

3 實例分析

在山西某礦采用瞬變電磁法中心回線裝置探測3號煤層采空積水區(qū)，探測儀器采用加拿大鳳凰公司生產的V8電法工作站，配套T4發(fā)射機?？碧絽^(qū)位于中低山丘陵地帶，區(qū)內溝谷及山梁發(fā)育，溝谷多呈“V”字形展布，地形切割較深，地表最高點高程1 060 m，最低點高程637 m，地表最大高差達到423 m，地形極為復雜。3號煤層勘探區(qū)內最小埋深40 m，最大埋深480 m，平均埋深300 m，埋深差最大達440 m。

根據(jù)地質條件，為同時滿足目標體最小埋深和最大埋深，并留有一定余地，需將勘探盲區(qū)控制在30 m以內，勘探最大深度控制在500 m以上。另外，有研究表明，目標層深度為最大勘探深度一半時，異常響應值最大，這時的勘探效果最好[11]，考慮平均埋深，因此最好將最大勘探深度擴大到600 m左右。

3.1 盲區(qū)深度計算

為得到V8電法工作站T4發(fā)射機關斷時間隨發(fā)射線框大小變化的特點，實測發(fā)射線框邊長從50 m開始每次遞增50 m直至600 m的關斷時間，實測結果如表1所示，試驗中發(fā)射電流均維持在12A左右，采用8平方銅芯發(fā)射線纜。

表1 關斷時間隨發(fā)射線框邊長變化關系

得到關斷時間后，就可以根據(jù)式(1)估算盲區(qū)深度。覆蓋層電阻率可以根據(jù)勘探區(qū)地表巖土層性質估算?？碧絽^(qū)地表大面積基巖出露，局部為第四系地層，地表基巖由于風化作用，裂隙較為發(fā)育，有地表水滲入，電阻率較完整巖石低，但較第四系地層高，估算電阻率為100 Ω·m左右，第四系地層有黃土覆蓋，電阻率較低，估算電阻率為30 Ω·m左右。根據(jù)式(5)計算得到的盲區(qū)深度如表2所示：

從計算結果中可以看出,當測框小于100 m時盲區(qū)深度可以基本滿足淺部區(qū)域的探測要求。

表2 盲區(qū)深度計算

3.2 最大勘探深度計算

對于最大勘探深度，V8電法工作站操作手冊中給出了一個與式(4)類似的勘探深度計算公式，可以用于參數(shù)設計時估算勘探深度，如式(5)和式(6)所示。

(5)

(6)

其中，D為勘探深度，單位m；ρ為估算背景電阻率，單位Ω·m；t為最晚可觀測時間，單位ms;μ為空氣中的磁導率，值為4π×10-7H/m；I為發(fā)射電流，單位A；b為發(fā)射回線邊長，單位m；η為環(huán)境噪聲水平，單位V/m2。背景電阻率可以根據(jù)地層信息進行估算，勘探區(qū)地層由老至新依次為奧陶系中統(tǒng)峰峰組(02f)、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)、二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)、二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)、第四系中、上更新統(tǒng)(Q2+3)和第四系全新統(tǒng)(Q4)，3號煤層位于山西組下部。地層從淺往深電阻率逐漸增高，估算背景電阻率為150 Ω·m左右。環(huán)境噪聲水平通過實測得到為1×10-8V/m2左右。發(fā)射電流預設為12 A，通過計算得到最大探測深度如表3所示，最大勘探深度與發(fā)射線框邊長關系曲線如圖1所示。

表3 最大勘探深度計算

圖1 最大勘探深度與發(fā)射線框邊長關系曲線Fig.1 Relation curve between maximum exploration depth and side length of transmitting wire frame

從關系曲線中可以看出，當發(fā)射線框較小時，最大勘探深度隨邊長增長較快，當邊長增長到一定程度后，最大勘探深度的增長變緩。計算結果表明,當發(fā)射線框邊長大于400 m時勘探深度即能達到600 m。另外，需要注意的是V8電法工作站T4發(fā)射機最晚觀測時間受發(fā)射頻率的影響，25 Hz發(fā)射頻率的最晚觀測時間為6.28 ms，接近表3中550 m邊長發(fā)射線框對應的最晚可觀測時間，也就是說當發(fā)射線框邊長超過550 m時，估算的最晚可觀測時間已超過儀器允許的最晚觀測時間，需按儀器最晚觀測時間來估算最大勘探深度。

3.3 試驗對比分析

圖2 勘探區(qū)分布示意圖Fig.2 Distribution of exploration area

本次試驗選取在山西某煤礦地面瞬變勘查工區(qū)內進行，井田內地層總體為一走向北東傾向北西的單斜構造，地勢東北高西南低，地層傾角約1°～4°，伴隨發(fā)育有寬緩的褶曲，未發(fā)現(xiàn)斷層、陷落柱存在，未見巖漿巖侵入。勘探區(qū)分布見圖2。工區(qū)內基巖大面積出露，在Ⅱ、Ⅲ號勘探區(qū)(礦井東北部)主要出露二疊系上統(tǒng)上石盒子組，巖性主要由砂巖和粉砂泥巖組成。在I號勘探區(qū)(礦井西南部)主要出露二疊系下統(tǒng)下石盒子組砂(泥)巖與第四系土層。

如圖2所示，勘探區(qū)由3塊不規(guī)則區(qū)域構成，其中Ⅱ、Ⅲ號勘探區(qū)為目標層(3號煤層)深埋區(qū)，I號煤層為淺埋區(qū)。共計布設72條瞬變測線，2個鉆孔試驗點。其中462#鉆孔位于礦井北端，鉆孔見3號煤深度為1 005.88 m，B2-1#鉆孔位于礦井西南角，見煤深度為747.006 m。局部測網(wǎng)及試驗點分布見圖3、4。圖中紅色圓點為瞬變電磁測點，紅色粗實線為勘探區(qū)邊界，黑色間斷線為礦區(qū)邊界，L為測線編號。

圖3 B2-1#鉆孔試驗點位置Fig.3 Location of test points of borehole B2-1

圖4 462#鉆孔試驗點位置Fig.4 Location of test points of borehole 462

綜合盲區(qū)和最大勘探深度的計算分析結果，在3號煤層埋深40 m至200 m的淺埋區(qū)域選取50 m和100 m兩種線框進行實測對比分析試驗，試驗點選擇在B2-1號鉆孔旁，此處3號煤層埋深132 m。在3號煤層埋深200 m至480 m的深埋區(qū)域選取400 m和500 m兩種線框進行實測對比分析，試驗點選擇在462號鉆孔旁，此處3號煤層埋深440 m。試驗發(fā)射頻率均采用25 Hz，發(fā)射電流維持在12 A左右。試驗數(shù)據(jù)采用TEMPro軟件進行處理，并與鉆孔資料進行對比處理成果如圖5和圖6所示。

圖5 淺埋區(qū)鉆孔試驗點成果Fig.5 Results of drilling test points in shallow buried area

淺埋區(qū)試驗成果顯示，50 m邊長發(fā)射線框勘探盲區(qū)為20 m，最大勘探深度為248 m；100 m邊長發(fā)射線框勘探盲區(qū)為28 m，最大勘探深度為361 m?？梢钥闯?，試驗得到的盲區(qū)和最大勘探深度同估算結果相差不大。與鉆孔資料對比可以發(fā)現(xiàn)，視電阻率在地表較低，隨深度增加，視電阻率也隨之上升，符合地層地電特性。由于100 m邊長發(fā)射線框盲區(qū)較50 m邊長線框增加不多，也能滿足勘探要求，而且邊長越長，發(fā)射能量越大，異常反應值也隨之增大，抗干擾能力也更強，因此在40 m至200 m的淺埋區(qū)采用100 m邊長的發(fā)射線框更為合適。

深埋區(qū)試驗成果顯示，400 m邊長發(fā)射線框勘探盲區(qū)為81 m，最大勘探深度為707 m；500 m邊長發(fā)射線框勘探盲區(qū)為93 m，最大勘探深度為784 m?？梢钥闯觯囼灥玫降拿^(qū)和最大勘探深度比估算結果要稍大。與鉆孔資料對比可以發(fā)現(xiàn)，視電阻率在淺層較低，在深部變高，同樣符合地層地電特性。由于400 m邊長發(fā)射線框已能達到最大勘探深度要求，抗干擾能力較500 m邊長發(fā)射線框降低也不多，并且邊長越長施工難度越大，因此在200 m至480 m的深埋區(qū)采用400 m邊長的發(fā)射線框更為合適。

圖6 深埋區(qū)鉆孔試驗點成果

圖7 L58測線擬視電阻率斷面

圖8 L6測線擬視電阻率斷面Fig.8 Pseudo apparent resistivity section of L6 survey line

3.4 剖面成果分析

圖7為瞬變電磁L58測線擬視電阻率斷面圖。如圖所示，該測線區(qū)域煤層深埋(約320～425 m)，二疊系中上部有局部低阻異常，推測為巖層裂隙水所致；在山西組底部、3號煤層附近視電阻率值異常變化，相對二疊系中部全部為低阻反映，推測為老空區(qū)積水所致。經查閱地質資料，測線位于2002年前本礦井采空區(qū)，采動后工作面局部低洼處積水，整個采動區(qū)域較為潮濕。測線擬視電阻率斷面圖解釋成果表明在深埋區(qū)采用400 m邊長發(fā)射線框取得較好的探測效果。

圖8為瞬變電磁L6測線擬視電阻率斷面圖。如圖所示，測線區(qū)域煤層埋深較淺(約50～100 m)，地表視電阻率偏低，其中二疊系中上部區(qū)域部分視電阻率較低，推測為各巖層裂隙水所致；在山西組底部、3號煤層附近，測線里程490～560 m范圍，局部存在明顯低阻反映，推測為老空區(qū)積水所致。查閱地質資料發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域位于原小窯破壞區(qū)，周邊區(qū)域為1999年以前小窯大面積采空區(qū)。測線擬視電阻率斷面圖解釋成果表明在淺埋區(qū)采用100 m邊長發(fā)射線框取得較好的探測效果。

4 結 論

1)通過理論計算公式，分析了瞬變電磁法中心回線裝置勘探盲區(qū)和最大勘探深度的各種影響因素，結合實際工程應用，驗證了最主要影響因素為發(fā)射線框邊長的結論。

2)在復雜地形條件下的試驗分析中，通過實測得到了V8電法工作站在一定條件下不同發(fā)射線框邊長對應的關斷時間，計算得到了對應的勘探盲區(qū)深度與最大勘探深度。

3)根據(jù)目標體埋深，在不同區(qū)域進行發(fā)射線框邊長參數(shù)選取試驗，通過單點試驗及測線擬視電阻率斷面圖分析最終確定了合理的邊長參數(shù)。

4)總結了一套合理的測框大小選擇方法，旨在得到最佳勘探效果，為同類型勘查工程提供參考。