基于CSAMT電場分量的電性標志層深度校正技術(shù)及應(yīng)用

劉最亮，張奮軒，張繼鋒，周光裕，趙 輝，張 新

基于CSAMT電場分量的電性標志層深度校正技術(shù)及應(yīng)用

劉最亮1，張奮軒2，張繼鋒3，周光裕3，趙 輝2，張 新1

(1. 華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000；2. 陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710004；3. 長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安 710054)

可控源音頻大地電磁(CSAMT)是探測含煤地層富水區(qū)及采空區(qū)的重要地球物理方法，但其探測深度誤差比較大，采用電性標志層進行深度校正，達到精確解釋地層的目的。首先，提出基于電場單分量視電阻率計算方法，只需通過平移即可獲得全區(qū)視電阻率，無需迭代，簡單快速。接著，分析視電阻率微分極值與電性標志層的關(guān)系，通過測井電阻率曲線識別出電性標志層，然后通過比值計算深度校正系數(shù)，在全區(qū)進行插值得到任意測點的校正深度。對新元煤礦31004工作面R280測線數(shù)據(jù)進行深度校正處理，結(jié)果表明：校正后的深度和實際地層基本吻合。最后，通過已知充水采空區(qū)邊界、淋水點以及鉆孔揭示的結(jié)果進行對比驗證，達到了預(yù)期效果。該方法為CSAMT在含煤地層進行精細化數(shù)據(jù)處理和解釋提供了新的思路。

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)；電性標志層；電場單分量；深度校正；視電阻率微分極值

可控源音頻大地電磁法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics，簡稱CSAMT)是由加拿大多倫多大學M. A. Goldstein等在1975年提出[1]，該方法采用人工場源，克服了天然場源大地電磁法信號微弱的缺點[2]，增強了信噪比。因此，在金屬礦勘探、地熱、水文與環(huán)境地質(zhì)、煤田采空區(qū)陷落柱等方面得到了廣泛的應(yīng)用[3-6]。雖然增加了人工場源，但其數(shù)據(jù)處理方法依然沿用大地電磁測深法中卡尼亞視電阻率處理方法，這就要求數(shù)據(jù)采集區(qū)域必須在遠區(qū)這個條件，此時電偶源發(fā)射的電磁波可近似看作平面電磁波[7]。

采用比值法定義的卡尼亞視電阻率不需要知道發(fā)射場源電流等具體參數(shù)，在公式中把一次場源的參數(shù)消去了。此外，卡尼亞電阻率由于采用一對正交的電場和磁場比值，可抵消一部分噪聲干擾[8]。但是在很多情況下，來自外界環(huán)境的干擾對電場和磁場的影響不相同，采用比值電阻率很可能導致視電阻率發(fā)生更大的畸變，對于資料的處理和解釋不利。何繼善[9]提出一種廣域視電阻率定義方式，把它和偽隨機源結(jié)合起來，形成了一種新的電磁勘探方法——廣域電磁法：認為采集一個分量并不會減少地下電性信息，在野外施工更加方便，從而減少了野外生產(chǎn)成本，提高工作效率。該方法受到了地球物理工作者廣泛關(guān)注[10-16]?？煽卦匆纛l大地電磁法在電磁理論和采集參數(shù)上與廣域電磁法接近，也可分離出單分量電場和磁場，可借助于廣域視電阻率的思路提高資料解釋水平。由于磁場對地下介質(zhì)敏感度不高，CSAMT方法在野外采集時，常常采取6個電道共用一個磁道，一方面降低野外成本，另一方面也方便采用卡尼亞視電阻率方法進行野外解釋。但是在有大的地質(zhì)構(gòu)造存在時，如地質(zhì)斷層或斷裂等，會導致磁場發(fā)生較大的變化，這樣計算的卡尼亞電阻率會發(fā)生畸變，給實際資料解釋造成困難，甚至會得到與實際情況不符的錯誤結(jié)論。由于CSAMT發(fā)射電流及發(fā)射電偶極源坐標參數(shù)等已知，電場分量對地下低阻異常體的反映相比磁場更加靈敏，近年來，許多學者對采用單分量電場進行數(shù)據(jù)處理和解釋進行了研究[8,17-18]。通過平行于源方向的電場提取視電阻率，不僅能夠反映地下介質(zhì)的電性變化，而且克服了多個電道共用一個磁道方法的缺陷，提高了資料解釋的可靠性。

由于電磁法具有體積效應(yīng)，視電阻率是地下不同電性體和地形的綜合反映，在探測深度上常常采取經(jīng)驗公式，該公式在不同地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境中計算的深度差異非常大，甚至相同的地層環(huán)境中不同測點的探測深度也出現(xiàn)較大偏差；即使采用二維斷面反演結(jié)果，由于反演的多解性也會導致深度和實際地層不吻合[19-20]?；诖耍P者提出采用CSAMT電場單分量處理解釋方法，以含煤地層高阻和低阻層分界面為電性變化的標志層，通過電場視電阻率微分極值提取標志層特征，結(jié)合已知鉆孔資料，計算出深度校正系數(shù)，然后在全區(qū)未知區(qū)域進行插值，得到整個測區(qū)的所有深度校正系數(shù)。對測區(qū)每個測點進行深度校正，校正后的視電阻率斷面圖基本與含煤地層吻合，深度誤差也控制在一定范圍內(nèi)。該方法為CSAMT在含煤地層的精細探測提供了一種新的思路。

1 電場單分量處理技術(shù)

1.1 電場解析表達式

何繼善[9]在可控源電磁法的基礎(chǔ)上提出廣域電磁法，他認為可以用電磁場單分量計算廣域視電阻率以獲取地下的電性變化。可控源音頻大地電磁法(圖1)同樣可以采用電磁場單分量進行解釋，由于電場分量對地下介質(zhì)的電阻率比較敏感，選取電場單分量進行處理解釋。相比卡尼亞電阻率而言，電場單分量可避免磁場受到的干擾，野外測量也方便，減少了一定工作量。

圖1 可控源電磁法示意圖

在柱坐標系下可控源電磁法產(chǎn)生的電場各水平分量為：

通過式(1)和式(2)可以得到：

近區(qū)和遠區(qū)電場表達式分別為：

式(3)是均勻半空間電場的解析解，式(4)和式(5)分別是電場的近區(qū)和遠區(qū)表達式，可以看出，不論近區(qū)還是遠區(qū)，當其他參數(shù)不變時，電場都和電阻率成正比關(guān)系，與頻率無關(guān)，這種現(xiàn)象叫飽和現(xiàn)象。

1.2 電場全區(qū)視電阻率計算

電場單分量計算視電阻率，大多采用迭代的方式進行計算[20-21]。本文采用的是一種視電阻率的平行算法，無需迭代，速度極快。

若令：

因此，有：

根據(jù)上述關(guān)系，若均勻半空間的電阻率為原來的倍，同時將觀測頻率擴展至原來的倍，則此時觀測到的電場為原來的倍。

探測深度采用基于趨膚深度的經(jīng)驗公式進行計算，具體計算公式如下：

圖2分別是H型地層和K型地層的卡尼亞電阻率和電場全區(qū)視電阻率測深曲線，由圖2可知，在遠區(qū)，即高頻段電場全區(qū)視電阻率和卡尼亞視電阻率曲線重合，在近區(qū)，卡尼亞視電阻率呈45°斜上升，而電場全區(qū)視電阻率趨向于某一穩(wěn)定值。整體上看，電場全區(qū)視電阻率在中間區(qū)和近區(qū)過渡也比較平滑，沒有發(fā)生大的畸變，畸變反映了地層的變化情況?？梢?，采用電場分量計算視電阻率有一定優(yōu)勢。

2 電性標志層的確定

在新元煤礦31004工作面的測井電阻率圖上，發(fā)現(xiàn)中間三四百米深度的位置處有一個明顯的低阻層，但視電阻率測深曲線的位置和低阻層的位置不一致?？梢?，采用經(jīng)驗深度公式計算的結(jié)果和實際有較大偏差，需要進行校正，否則解釋深度會出現(xiàn)錯誤，與實際地層不符。直接通過電場視電阻率確定地下介質(zhì)的分層比較困難，而導數(shù)極大值或極小值在確定地下介質(zhì)界面時會有比較好的效果。當?shù)叵麓嬖陔娦詷酥緦?，即電阻率由高向低過渡的分界面或電阻率由低向高過渡的分界面，可把它作為電性標志層，視電阻率曲線在電性標志層深度處變化率最大，因此，通過視電阻率求導，采用導數(shù)的極值確定電性標志層。圖3a是H型地電模型，其電場視電阻率導數(shù)有一個極小值，該極小值對應(yīng)地層電阻率由高向低變化的位置。圖3b是K型地電模型，其視電阻率導數(shù)極大值位置對應(yīng)著地層電阻率從低向高過渡的位置。因此，可以通過視電阻率極值位置確定電性標志層。

圖2 基于電場全區(qū)視電阻率和卡尼亞視電阻率比較

針對4號測井和6號測井數(shù)據(jù)，找到離測井最近的測點，然后計算其視電阻率并對其求導數(shù)，發(fā)現(xiàn)視電阻率導數(shù)存在極小值，這個與測井顯示的電阻率變化規(guī)律一致，如圖4所示。因此，可以根據(jù)電場視電阻率導數(shù)確定電性標志層，然后根據(jù)電性標志層再校正可控源電磁資料解釋的探測深度。從圖可以看出，視電阻率極值并沒有和測井資料的電性標志層完全對應(yīng)，這主要是由于實際地層電阻率變化比較復雜，而探測深度是一個經(jīng)驗公式，在均勻半空間下成立，應(yīng)用到復雜地層中，有一定的偏差，因此，可通過測井資料確定的地層分界面和視電阻率導數(shù)對應(yīng)的地層深度計算校正系數(shù)，然后通過校正系數(shù)再對實測資料進行校正，并推廣到測井附近測點中。

圖3 理論模型電場全區(qū)視電阻率導數(shù)

圖4 測井旁視電阻率及其導數(shù)

為了從理論上驗證這個特征，根據(jù)測井電阻率曲線特征，抽象出一維理論地電模型，計算出理論模型的電場視電阻率，并求其縱向?qū)?shù)，發(fā)現(xiàn)在中間高阻層和低阻層電性分界面處，同樣存在著極小值，與實測視電阻率結(jié)果一致，如圖5所示。

圖5 抽象的理論模型及其視電阻率導數(shù)

3 實測資料處理

3.1 新元煤礦31004工作面地球物理條件

巖石孔隙、裂隙大部是含水的，并且隨著巖石的濕度或飽和度的增加，電阻率急劇下降。同時，水分含量相同的不同巖石的電阻率可能有很大差別，原因在于其礦化度不同。斷層及破碎帶等地質(zhì)體的電阻率取決于其本身的大小、破碎程度及其含水飽和度。含水斷層的電阻率遠小于周圍不含水圍巖的電阻率，這也是采用CSAMT研究煤田富水區(qū)及采空區(qū)問題的物性依據(jù)。如斷層破碎帶或采空區(qū)富水，灰?guī)r內(nèi)的充水溶洞、裂隙等都將打破水平方向電性均一性，當其在三維空間上具有一定規(guī)模時可改變縱向電性的變化規(guī)律，表現(xiàn)為局部的、區(qū)域性的電性異常。一般情況下，沉積地層的電性特征在橫向上是相對均一的，當存在富水性的斷層構(gòu)造或其他良導電地質(zhì)體時，與圍巖視電阻率值相比，含水巖層會表現(xiàn)低視電阻率特性。如果巖層不富水，則會表現(xiàn)為相對高阻特性。所以，可以根據(jù)這一物性差異，從橫向上對含煤地層的富水區(qū)及采空區(qū)富水情況進行探測并作出解釋。

3.2 靜態(tài)效應(yīng)校正

靜態(tài)位移會造成視電阻率的畸變，導致視電阻率遠遠偏離真實地層的電阻率。圖6給出了R280線的電場視電阻率斷面圖，從圖中可以看出，有大量的又窄又長的紡錘形等值線形狀，這個形狀并不是真實地層電阻率的反映，而是由于近地表不均勻或地形起伏變化的。從圖中可以看出，在地形起伏變化的地方，基本都會出現(xiàn)這種“掛面條”現(xiàn)象，這是由于地形會引起電流線的變化，在低谷處，電流線會聚集，在山脊處，電流線發(fā)散，因此，在山脊會出現(xiàn)低阻，在山谷則出現(xiàn)高阻“掛面條”現(xiàn)象。壓制靜態(tài)效應(yīng)的方法很多，有空間濾波法，曲線平移法，小波分析法等，但都難以完全消除靜態(tài)位移。本文根據(jù)實際數(shù)據(jù)所成斷面圖特征，發(fā)現(xiàn)在測線部分區(qū)域沒有地形影響，其電阻率基本反映地下電性變化情況。據(jù)此，選取該段測點，以中間比較穩(wěn)定的高阻層段所處頻率范圍為參考頻段，即45～360 Hz這個頻段，在R280線選取1 490～1 890 m為參考區(qū)域，求取該區(qū)域地層所選取頻段的平均電阻率，然后對測線上每個點也求取該頻段的平均電阻率，兩者比值得到平移校正系數(shù)，把該系數(shù)應(yīng)用于每一個測點進行曲線平移校正，效果如圖7所示。經(jīng)過靜態(tài)位移校正后電場視電阻率斷面圖基本消除了“掛面條”現(xiàn)象，橫向電性特征更加連續(xù)，符合實際地層的特征。

圖6 電場視電阻率斷面圖

Fig.6 Apparent resistivity section based on electric field

圖7 靜態(tài)效應(yīng)校正的電場視電阻率斷面圖

3.3 深度校正系數(shù)的確定

深度校正主要是基于工作面的已知測井資料或三維地震處理結(jié)果，一般礦區(qū)都有一些已知的鉆孔及電阻率測井曲線，從這些已知鉆孔資料中可以大致確定出含煤地層的電性標志層位置，這個可通過測井曲線識別?；谶@些已知鉆孔確定的電性標志層深度，通過三次樣條插值或線性插值，得到測區(qū)其他測點的深度。然后通過可控源音頻大地電磁電場視電阻率的導數(shù)圖，識別出各個測點上視電阻率導數(shù)極小值。每個測點上的標志層深度與視電阻率導數(shù)極小值的比值，作為各個測點的深度校正系數(shù)。將每一個測點計算的經(jīng)驗深度除以這個校正系數(shù)，然后將該深度轉(zhuǎn)換為高程。

由圖7可知，該測區(qū)含煤地層基本呈層狀分布，縱向的電阻率呈低–高–低–高電性分層特征，淺部低阻主要是第四系黃土引起的，電阻率20～ 30 Ω·m，中間的高阻層主要是砂巖和砂泥巖互層，電阻率相對較高，為60～80 Ω·m，接下來是富水性比較強的K8和K10砂巖含水層，電阻率較低；橫向局部有一些不連續(xù)性，主要是由于富水性的不均勻性及采空區(qū)的影響。從圖上看，3號煤層位于低阻區(qū)的中部，這不符合實際情況，3號煤層厚度約2 m，電阻率較高，由測井資料可知，其深度位于該低阻層的下方。對此，借助測區(qū)內(nèi)9口測井資料，對該深度進行校正。圖8是視電阻率縱向?qū)?shù)，由圖中可以看出，中間出現(xiàn)了一個比較連續(xù)的極小值，這些極小值連接起來，對應(yīng)實際地層的電性標志層(圖8紅色線)，而測井資料確定的電性標志層的位置位于上方(圖8粉紅色線)，兩者之間有一定的偏差，通過比值，求出校正系數(shù)，對整條測線進行深度校正。

圖8 電場視電阻率縱向?qū)?shù)

從電場視電阻率看，在校正后的斷面圖上(圖9)高阻電性標志層橫向顯示更連續(xù)，低阻層的深度發(fā)生了變化，明顯向上進行了偏移，這個低阻層在3號煤層的正上方，是K8和K10砂巖含水層，與實際吻合，在測線的尾部，煤層略微向下傾斜，校正后視電阻率等值線也與之對應(yīng)，說明基于電阻率一階導數(shù)極值的電性層深度校正更接近于實際地層，有利于縱向上精細劃分層位。

圖9 深度校正后電場視電阻率斷面圖

4 效果驗證

4.1 充水采空區(qū)邊界

新元煤礦31004采空區(qū)邊界位于勘探區(qū)右側(cè)，最右側(cè)采空區(qū)充水，在視電阻率等值線圖上應(yīng)該顯示為低阻。R280線右段穿過采空區(qū)，在電場視電阻率等值線圖上把富水采空區(qū)用紅色的框標示出，已知采空區(qū)右邊界在勘探區(qū)測線的3 460 m附近，剛好位于視電阻率高值向低值過渡處，和已知充水采空區(qū)邊界基本吻合，水平誤差不超過30 m，如圖10所示，該低阻區(qū)的中心高于煤層，推測采空區(qū)的水主要來自K8砂巖含水層。

4.2 已知出水點

根據(jù)礦上提供的最新資料，出水點靠近輔助進風巷，最新的工作面出水點靠近輔助進風巷60 m，距離可控源電磁法勘探測線為1 620 m，該處視電阻率呈低阻，在45 Ω·m以下，與出水點位置吻合，推測該出水點位置水源來源于K8砂巖含水層。

4.3 已知鉆孔

T1鉆孔方位角61°，傾角66°，孔深128.6 m。鉆孔施工過程中無出水情況；T2鉆孔方位角291°，傾角57°，孔深137.7 m。鉆孔施工過程中無出水情況。如圖10所示，其R280線對應(yīng)深度處的視電阻率相對較高，與鉆孔情況基本吻合。T3鉆孔方位角74°，傾角61°，孔深118.0 m。鉆孔施工至42.5 m中粒砂巖涌水量0.5 m3/h；施工至93 m中粒砂巖涌水量增大至1.5 m3/h，壓力0.6 MPa。該鉆孔對應(yīng)深度處的電阻率位于視電阻率由低向高的梯度帶上，說明該位置處是接近于K2砂巖富水邊界，與實際情況基本吻合，其深度誤差不超過10%，滿足探測精度要求。

圖10 R280線采空區(qū)邊界和淋水點對比驗證

5 結(jié)論

a. 采用基于電場單分量處理解釋技術(shù)，直接由電場計算全區(qū)視電阻率，簡單方便，在野外只需測量電場分量，避免了采用卡尼亞電阻率方法進行解釋時，受磁場電磁干擾更加嚴重的缺點，為進一步精細處理和解釋提供理論基礎(chǔ)。

b. 采用基于視電阻率微分極值的深度校正方法，可對縱向巖性進一步精細劃分，較準確地確定地層在縱向上的電性分層。

c. 從測井電阻率曲線確定出電性標志層，對實測視電阻率曲線求縱向?qū)?shù)，識別出縱向?qū)?shù)極值，求出電性標志層與視電阻率導數(shù)極值的比值，通過該比值進行縱向深度校正，使視電阻率形態(tài)更符合實際地層形態(tài)，該方法為精準處理可控源音頻大地電磁資料提供了技術(shù)支持和方法保證。

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Depth correction technique of electrical marker based on electrical field component of CSAMT

LIU Zuiliang1, ZHANG Fenxuan2, ZHANG Jifeng3, ZHOU Guangyu3, ZHAO Hui2, ZHANG Xin1

(1. Huayang New Material Technology Group Co., Ltd., Yangquan 045000, China; 2. Shaanxi Coalfield Geophysical Prospecting and Mapping Co. LTD., Xi’an 710004, China; 3. College of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an 710054, China)

Controlled Source audio-frequency Magnetotellurics(CSAMT) is an important geophysical method to detect water-rich areas and goafs in coal strata. However, the detection depth error is relatively large. Therefore, the electrical marker layer is used for depth correction to achieve the purpose of accurate interpretation of strata in this paper. A method for calculating all time apparent resistivity based on single component of electric field is proposed. The apparent resistivity can be obtained by translation algorithm, which is simple and fast without iteration. The relationship between the differential extremum of the apparent resistivity and the electrical marker layer is analyzed, and the electrical marker layer is identified by the well logging resistivity curve, then the depth correction coefficient is calculated by the ratio. Finally, the correction depth of any measuring point is obtained by interpolation in the whole region. Depth correction is carried out for the survey line R280 data of working face 31004, Xinyuan Coal Mine, and the results show that the corrected depth is in better agreement with the actual formation. Through comparison and verification of the known of known water-filled goaf boundary, water spraying point and borehole data, the desired goals are achieved. This method provides a new idea for fine data processing and interpretation by CSAMT in coal strata.

Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics(CSAMT); electrical marker layer; electrical field component; depth correction; apparent resistivity differential extremum

P631

A

1001-1986(2021)04-0024-09

2020-12-10；

2021-04-28

國家重點研發(fā)計劃課題(2018YFC0807806)；陜西省自然科學基金項目(2021JM-159)

劉最亮，1974年生，男，山西平遙人，博士，教授級高級工程師，從事煤田地質(zhì)與勘探工作. E-mail：liuzuiliang@163.com

張繼鋒，1978年生，男，陜西蒲城人，博士，副教授，從事電法勘探理論及應(yīng)用研究. E-mail：zjf0201@126.com

劉最亮，張奮軒，張繼鋒，等. 基于CSAMT電場分量的電性標志層深度校正技術(shù)及應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：24–32. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.004

LIU Zuiliang，ZHANG Fenxuan，ZHANG Jifeng，et al. Depth correction technique of electrical marker based on electrical field component of CSAMT[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：24–32. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.04.004

(責任編輯 聶愛蘭)