陜北礦區(qū)地下水資源地面瞬變電磁法探查實(shí)踐

吳群英，胡雄武，王宏科

(1.陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719301；2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

陜北侏羅紀(jì)煤田是我國(guó)現(xiàn)已探明的煤炭資源最大的煤田之一，以煤炭?jī)?chǔ)量豐富、煤質(zhì)優(yōu)良、煤層埋藏多為淺、中埋深煤層，賦存條件簡(jiǎn)單、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單而備受?chē)?guó)內(nèi)外關(guān)注[1]。20世紀(jì)80年代就在此建礦采煤，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，采礦工藝日趨成熟，開(kāi)采規(guī)模巨大、開(kāi)采強(qiáng)度逐步提升。但該區(qū)地處我國(guó)西北干旱地區(qū)，是毛烏素沙漠與陜北黃土高原的接壤地帶，地形起伏大，黃土溝壑縱橫交錯(cuò)，風(fēng)沙遍布，植被類(lèi)別稀少，屬典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)[2-6]。煤層大規(guī)模的開(kāi)發(fā)與利用勢(shì)必會(huì)造成相比平原地區(qū)更為嚴(yán)重的地面塌陷問(wèn)題、水資源問(wèn)題和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，從而誘發(fā)一系列礦山環(huán)境地質(zhì)效應(yīng)，進(jìn)一步加劇了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的退化[7]。水環(huán)境是生態(tài)環(huán)境重要組成部分，而煤炭大規(guī)模開(kāi)采必然對(duì)地下水環(huán)境造成影響，因此，開(kāi)展煤炭開(kāi)采對(duì)地下水環(huán)境的影響研究具有重要的實(shí)際意義。

1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法屬于電磁感應(yīng)類(lèi)探測(cè)方法，遵循電磁感應(yīng)原理[26]。其機(jī)理為：導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的電磁場(chǎng)激發(fā)下，產(chǎn)生渦流場(chǎng)效應(yīng)，即利用一個(gè)不接地的回線(xiàn)或磁偶極子(也可以用接地線(xiàn)源電偶極子)向地下發(fā)射脈沖電磁波作為激發(fā)場(chǎng)源，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，脈沖電磁波結(jié)束以后，大地或探測(cè)目標(biāo)體在激發(fā)場(chǎng)(即“一次場(chǎng)”)的作用下，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感生的渦流場(chǎng)，這種渦流場(chǎng)具有空間特性和時(shí)間特性，其大小與諸多因素有關(guān)，如目標(biāo)體的空間特征和電性特征、激發(fā)場(chǎng)的特征等，而且由于熱損耗的緣故會(huì)逐漸減弱直至消失[27-28]。實(shí)際勘探中，雖然不能直接測(cè)量這種渦流場(chǎng)的大小，但是可以利用專(zhuān)門(mén)儀器觀測(cè)這種渦流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)(即“二次場(chǎng)”)的強(qiáng)弱、空間分布特性和時(shí)間特性。一次場(chǎng)、二次場(chǎng)及總場(chǎng)強(qiáng)度示意如圖1所示。

圖1 瞬變電磁法工作原理Fig.1 Operating schematic of transient electromagnetic method

針對(duì)一次場(chǎng)脈沖信號(hào)，二次場(chǎng)信號(hào)在晚期條件下可表示為：

(1)

其中：μ0為磁導(dǎo)率，H/m；M為發(fā)送線(xiàn)圈磁矩，A·m2；q為接收線(xiàn)圈等效面積，m2；ρ為地層電阻率，Ω·m；t為時(shí)間，s。從式(1)看出，二次場(chǎng)信號(hào)與ρ3/4、t5/4成反比。即二次場(chǎng)的本質(zhì)特征是由探測(cè)目標(biāo)的物理性質(zhì)及賦存狀態(tài)決定，其時(shí)間特性中，早期信號(hào)反映淺部地層地質(zhì)信息，晚期信號(hào)反映深部地層地質(zhì)信息，時(shí)間的早晚與探測(cè)深度具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

現(xiàn)場(chǎng)探查時(shí)根據(jù)發(fā)射和接收子系統(tǒng)工作，可進(jìn)一步獲得來(lái)自于地下地質(zhì)條件的二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)響應(yīng)規(guī)律，用于進(jìn)行地下異常體的推論和判識(shí)。

2 瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)

2.1 主采煤層覆巖地電模型

研究區(qū)位于陜北黃土高原北部，毛烏素沙漠東南緣，地處風(fēng)沙地貌向黃土丘陵地貌的過(guò)渡帶，主要地貌單元為風(fēng)沙區(qū)。依據(jù)研究區(qū)鉆孔地質(zhì)柱狀及視電阻率測(cè)井曲線(xiàn)(圖2)。

由圖2可知所涉及的主要地層由老至新如下：①侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)是本區(qū)內(nèi)的主要含煤地層，包含1煤層、2-2煤層、中細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖等層位，其中2-2煤層為研究區(qū)主采煤層。對(duì)照視電阻率測(cè)井曲線(xiàn)可知，延安組地層總體電阻率值較高，1煤層由于區(qū)內(nèi)厚度不穩(wěn)定，測(cè)井曲線(xiàn)中視電阻率約為180 Ω·m；2-2煤層視電阻率最高，約為800 Ω·m；中細(xì)粒砂巖作為延安組第5段含水層，其電阻率平均約為200 Ω·m；砂質(zhì)泥巖等作為延安組第四段含水層，其視電阻率約在300 Ω·m。②侏羅系中統(tǒng)直羅組地層(J2z)，因受后期剝蝕，區(qū)內(nèi)僅殘存下部地層，以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主。該組地層為研究區(qū)內(nèi)主要含水層位之一，其對(duì)應(yīng)的測(cè)井視電阻率平均約為60 Ω·m；③以淺棕紅色黏土為主的新近系上新統(tǒng)保德組(N2b)、以棕黃色～黃褐色亞黏土為主且局部夾灰黃色亞沙土的第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l)等地層視電阻率值相對(duì)較低，其測(cè)井視電阻率平均約為25 Ω·m；④第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙(Q4eol)等地層以細(xì)粒沙為主，其電阻率較高于下部土層，平均約為60 Ω·m。

圖2 研究區(qū)鉆孔地質(zhì)柱狀與視電阻率測(cè)井曲線(xiàn)Fig.2 Borehole geological column and apparent resistivity log in study area

由上述分析可知，研究區(qū)主采煤層上覆地層電性特征較為復(fù)雜，正常情況下從地表到2-2煤層底板，總體表現(xiàn)出“較高—低—略高—較高—高—更高—高”的相對(duì)地電模型特征，分別對(duì)應(yīng)Q4eol、N2b和Q2l、J2z、1煤、J2y第5段中粒砂巖、2-2煤以及J2y第四段砂質(zhì)泥巖等7個(gè)層位，由于實(shí)際視電阻率測(cè)井曲線(xiàn)存在一定的波動(dòng)，在模型構(gòu)建時(shí)先對(duì)視電阻率數(shù)據(jù)通過(guò)回歸分析進(jìn)行擬合，使得曲線(xiàn)到數(shù)據(jù)點(diǎn)的差異達(dá)到最小。最終構(gòu)建了研究區(qū)主采2-2煤層上覆地層的理論地電模型，具體地電模型可參照?qǐng)D2中綠色階躍線(xiàn)。

2.2 數(shù)值模擬與分析

1)瞬變電磁一維正演。瞬變電磁法一維正演的基本思想是先求回線(xiàn)源頻率域響應(yīng)，再通過(guò)時(shí)頻轉(zhuǎn)換方法即可求解時(shí)間域響應(yīng)。以瞬變電磁法中心回線(xiàn)裝置為例，其頻率域感應(yīng)電壓表達(dá)式[29]為：

(2)科學(xué)性。幼兒課件主要以聲像材料來(lái)表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，文字較少，資料來(lái)源更要可靠，聲像材料要邏輯嚴(yán)密，動(dòng)畫(huà)符合事物發(fā)展規(guī)律，且素材質(zhì)量要好。

(2)

① 正弦積分形式：

(3)

② 余弦積分形式：

(4)

式(3)和(4)均為雙重?zé)o窮積分，其中Im表示取復(fù)數(shù)的虛部；Re表示取復(fù)數(shù)的實(shí)數(shù)。內(nèi)層積分為貝塞爾函數(shù)，這里可以通過(guò)快速漢克爾變換求解[30]，外層積分可利用正余弦變換數(shù)值濾波法來(lái)計(jì)算[31]，最后根據(jù)視電阻率定義，得到全程視電阻率表達(dá)式：

(5)

式中，u可從均勻半空間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式求出[18]。

2)瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)特征。研究區(qū)直羅組和延安組第5段含水層富水性是瞬變電磁法探查的重點(diǎn)對(duì)象?？紤]到兩個(gè)含水層在橫向上富水性具有較強(qiáng)的不均一性，分別針對(duì)2個(gè)含水層在不同含水情況下的地電模型展開(kāi)正演模擬，進(jìn)一步獲得瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)特征。在表1中，模型A即為依據(jù)前文鉆孔視電阻率測(cè)井曲線(xiàn)所構(gòu)建的理論地電模型，在實(shí)際中直羅組和延安組第五段含水層均極少量含水，可以認(rèn)定為正常地電模型。同時(shí)，在正常地電模型條件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了異常地電模型B、C和D。與正常模型A相比，模型B代表直羅組含水層具有較強(qiáng)的富水性，模型C代表延安組第5段含水層具有較強(qiáng)富水性，模型D則代表直羅組和延安組2個(gè)含水層均具有較強(qiáng)的富水性。各模型具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。另外，在正演模擬時(shí)設(shè)計(jì)發(fā)射線(xiàn)圈面積250 m×250 m，接收線(xiàn)圈總面積為100 m2，發(fā)射電流為1 A。

表1 一維正演地電模型參數(shù)Table 1 One-dimensional forward modeling geoelectric model parameters

依據(jù)地電模型A、B、C和D所計(jì)算獲得的歸一化感應(yīng)電壓衰減曲線(xiàn)如圖3所示，dB/dt表示磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化量。從圖3中可見(jiàn)：①在瞬變電磁場(chǎng)延遲時(shí)間小于0.000 1 s的早延時(shí)范圍內(nèi)，異常模型B、C和D與正常模型A所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓曲線(xiàn)基本一致；而當(dāng)延遲時(shí)間超過(guò)0.000 1 s，異常模型B、C和D與正常模型A所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓曲線(xiàn)則開(kāi)始分離。根據(jù)模型參數(shù)對(duì)比，可以確定0.000 1 s約為保德組紅色黏土層與下伏直羅組粉砂巖層位的瞬變電磁場(chǎng)過(guò)渡時(shí)間。②在延遲時(shí)間超過(guò)0.000 1 s以后，各異常地電模型與正常模型對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓曲線(xiàn)之間也存在明顯的差異，如模型B因?yàn)橹绷_組地層的強(qiáng)富水性，其所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓曲線(xiàn)則具有較大的感應(yīng)電壓幅值，與正常模型分離程度較大；模型C為延安組地層富水，與正常模型曲線(xiàn)相比，在0.000 1～0.001 s，兩者的分離程度較小，在延遲時(shí)間超過(guò)0.001 s之后，兩者所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓曲線(xiàn)分離程度有所增大；模型D表示直羅組和延安組地層均強(qiáng)富水，其所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓曲線(xiàn)幅值在0.000 1 s以后表現(xiàn)最大，與正常模型感應(yīng)電壓曲線(xiàn)分離最大。③模型B、C和D對(duì)應(yīng)的瞬變電磁場(chǎng)衰減曲線(xiàn)差異明顯，主要表現(xiàn)在延遲時(shí)間位于0.000 1～0.01 s范圍內(nèi)各模型曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的電壓幅值和衰減斜率的差異，超過(guò)0.01 s，曲線(xiàn)之間的差異逐漸減小。

圖3 不同地電模型的瞬變電磁響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.3 Attenuation curves of transient electromagnetic field calculated by different geoelectric models

依據(jù)地電模型A、B、C和D所對(duì)應(yīng)感應(yīng)電壓數(shù)據(jù)計(jì)算所得的全程視電阻率曲線(xiàn)如圖4所示。同圖3中感應(yīng)電壓曲線(xiàn)相似，全程視電阻率同樣在0.000 1 s發(fā)射分離且不同模型之間具有較為明顯的分離特征，由于全程視電阻率與感應(yīng)電壓之間具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系且大小關(guān)系相反，所以全程視電阻率與感應(yīng)電壓曲線(xiàn)之間具有反向相似的響應(yīng)特征。但需要指出的是，僅視電阻率曲線(xiàn)本身來(lái)看，在直羅組砂巖層不富水條件下(即模型A和C)，曲線(xiàn)近似為H型；反之視電阻率曲線(xiàn)近似為QH型。表明直羅組地層的富水性會(huì)較大程度地改變視電阻率曲線(xiàn)類(lèi)型。

圖4 不同地電模型的視電阻率曲線(xiàn)Fig.4 Apparent resistivity curves obtained by different geoelectric models

綜合上述分析可知：①研究區(qū)內(nèi)不論是直羅組地層富水、延安組地層富水還是兩者皆富水，不同富水條件對(duì)應(yīng)的瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)特征均有較大程度的差異，表明研究區(qū)內(nèi)利用瞬變電磁方法進(jìn)行地下水資源觀測(cè)在理論上具有可行性；②直羅組地層與上覆土層之間對(duì)應(yīng)的瞬變電磁場(chǎng)延遲時(shí)間約為0.000 1 s，表明實(shí)際觀測(cè)中針對(duì)直羅組地層富水條件的觀測(cè)時(shí)間應(yīng)早于0.000 1 s；③模擬分析結(jié)果表明，瞬變電磁場(chǎng)的延遲觀測(cè)時(shí)間在0.01 s范圍內(nèi)即可有效捕捉不同含水層位的富水信息。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1)儀器設(shè)備與觀測(cè)參數(shù)。現(xiàn)場(chǎng)地面瞬變電磁法勘探選用V8多功能電法工作站。鑒于研究區(qū)最大勘探深度小于200 m，根據(jù)瞬變電磁場(chǎng)時(shí)深轉(zhuǎn)換關(guān)系大致確定選用邊長(zhǎng)為250 m的方形發(fā)射線(xiàn)框。采用大定源觀測(cè)方式，在發(fā)射回線(xiàn)中心1/3區(qū)域內(nèi)通過(guò)等效面積為100 m2的線(xiàn)圈進(jìn)行瞬變電磁場(chǎng)接收。在實(shí)際觀測(cè)中保證發(fā)射電流10 A，設(shè)置G×4發(fā)射增益。結(jié)合前文數(shù)值模擬研究結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)正式開(kāi)展數(shù)據(jù)采集之前進(jìn)行了多個(gè)發(fā)射頻率的觀測(cè)信號(hào)對(duì)比。

25 Hz、12.5 Hz和5 Hz對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)感應(yīng)電壓曲線(xiàn)如圖5所示。對(duì)比可見(jiàn)，3個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的歸一化感應(yīng)電壓曲線(xiàn)在0.000 4～0.01 s基本一致，表明3個(gè)頻率均能對(duì)地下主體地層地電信息進(jìn)行有效的反映；在0.000 4 s之前的早延時(shí)段，3個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓曲線(xiàn)存在明顯差異，分析為不同發(fā)射頻率對(duì)應(yīng)的激勵(lì)場(chǎng)源中頻率分布差異所致，發(fā)射頻率越高，激勵(lì)場(chǎng)源中高頻能量越突出，則早延時(shí)段電磁場(chǎng)趨膚深度越小，對(duì)淺部地層信息反映越明顯；反之，發(fā)射頻率越低，則激勵(lì)場(chǎng)源中低頻能量越強(qiáng)，早延時(shí)段電磁場(chǎng)趨膚深度越大，相應(yīng)的勘探盲區(qū)越大。對(duì)比前文數(shù)值模擬響應(yīng)結(jié)果，可知25 Hz的發(fā)射頻率更符合研究區(qū)瞬變電磁勘探要求。

圖5 不同發(fā)射頻率的實(shí)測(cè)感應(yīng)電壓衰減曲線(xiàn)Fig.5 Attenuation curves of induced voltage measure different transmission frequencies

2)數(shù)據(jù)采集與分析?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集依據(jù)生產(chǎn)試驗(yàn)確定的參數(shù)開(kāi)展測(cè)試工作。研究區(qū)縱向長(zhǎng)1 520 m，橫向?qū)?60 m，面積約為1 km2，設(shè)計(jì)了20 m×20 m的高密度勘探測(cè)網(wǎng)(圖6)。對(duì)采集的瞬變電磁測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得研究區(qū)全程視電阻率立體分布(圖7)。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)瞬變電磁勘探測(cè)網(wǎng)布置Fig.6 Schematic diagram of observation network operated by transient electromagnetic method on site

圖7 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瞬變電磁視電阻率立體分布Fig.7 Three dimensional distribution of TEM apparent resistivity measured on site

圖8 現(xiàn)場(chǎng)1340線(xiàn)實(shí)測(cè)瞬變電磁視電阻率擬斷面圖Fig.8 Quasi-section of apparent resistivity measured by TEM on line 1304 at the scene

圖9 直羅組砂巖層視電阻率擬斷面Fig.9 Quasi-section of apparent resistivity of sandstone in Zhiluo Group

圖10 延安組第五段砂巖層視電阻率擬斷面Fig.10 Quasi-section of apparent resistivity of sandstone in section 5 of Yanan Group

4 結(jié) 論

1)利用已有鉆孔柱狀及視電阻率測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)比分析，構(gòu)建了研究區(qū)內(nèi)主采煤層上覆地層具有7個(gè)電性層的正常和異常地電模型；通過(guò)地面瞬變電磁一維正演，獲得了正常與異常地電模型所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓衰減曲線(xiàn)和全程視電阻率曲線(xiàn)。經(jīng)不同模型條件下的響應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，表明了不同含水層在富水條件下瞬變電磁場(chǎng)均具有較為明顯的響應(yīng)，且對(duì)不同含水模型之間，感應(yīng)電壓與全程視電阻率之間均具有不同的響應(yīng)特征，反映利用瞬變電磁法對(duì)研究區(qū)直羅組和延安組含水層進(jìn)行探測(cè)在理論上具有可行性。

2)數(shù)值模擬結(jié)果反映瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)延時(shí)在0.000 1～0.010 0 s可有效捕捉目標(biāo)含水層電性特征，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步確定發(fā)射頻率為25 Hz對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)瞬變電磁場(chǎng)符合要求，對(duì)淺中埋深具有較高的分辨率。

3)針對(duì)研究區(qū)內(nèi)開(kāi)展了網(wǎng)格化瞬變電磁法測(cè)試，查明了直羅組和延安組含水層的相對(duì)強(qiáng)富水區(qū)，總體上判定前者裂隙相對(duì)發(fā)育，具有強(qiáng)富水性，后者巖層相對(duì)完整，具有弱富水性。

4)由于地面瞬變電磁方法在進(jìn)行面積勘探時(shí)，其作業(yè)周期較長(zhǎng)，且地表氣候條件在跟蹤探測(cè)過(guò)程中不斷發(fā)生變化，一定程度上造成不同時(shí)期測(cè)試數(shù)據(jù)之間的差異性，因此，在后續(xù)跟蹤探測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析環(huán)節(jié)應(yīng)考慮相關(guān)影響因素，確保四維探測(cè)成果的連續(xù)性和可靠性。