基于小線圈瞬變電磁法的紅沙泉礦區(qū)地下水資源探測

李海潮，徐 標(biāo)，胡雄武

（1.國家能源集團新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001）

我國是世界上第一煤炭生產(chǎn)國及消費國，充足的煤炭儲量保證了國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展需求。在過去的幾十年里，煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)已引發(fā)礦區(qū)大氣、水、土壤環(huán)境的污染和生態(tài)環(huán)境的破壞。黨的十九大報告中指出，堅持人與自然和諧共生，必須樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念[1]。要從根本上解決這個問題，必須重視礦山生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)治理，提高礦區(qū)植被覆蓋率。然而植物生長與地下水資源關(guān)系密切[2]，針對新疆紅沙泉礦區(qū)特殊的水文地質(zhì)條件，查明地下水資源的賦存特征變得尤為重要。一般而言，地球物理勘探中的電類探測方法是用于地下水資源探查的常用手段，其中包括直流電阻率法[3]、激發(fā)極化法[4]以及瞬變電磁法[5]等?？紤]到紅沙泉礦區(qū)屬大陸性干旱荒漠氣候，年蒸發(fā)量是年均降水量的十幾倍，礦區(qū)內(nèi)地表或為風(fēng)積沙，或為巖層裸露，總體上地表介質(zhì)含水率極低，這對直流電阻率法和激發(fā)極化法等接觸式方法在該區(qū)應(yīng)用時必然面臨電極耦合性差、接地電阻大等實際問題，進一步造成數(shù)據(jù)采集質(zhì)量低，測試效果差；瞬變電磁法（Time domain Electromagnetic Method，簡稱TEM）是一種非接觸式探測方法，且具有不受地表高阻層屏蔽、對低電阻體響應(yīng)敏感等優(yōu)點，在地下水資源的探測應(yīng)用中甚廣[6-8]。但該方法在實際應(yīng)用中常采用大定源裝置進行勘探工作，該裝置在地形起伏較大及工作環(huán)境惡劣的區(qū)域應(yīng)用時工作強度大，且淺部存在較大的勘探盲區(qū)，一般適用于探測埋深較大的目標(biāo)體[9]。與之不同，近年來逐漸推廣的小尺度回線裝置（即小線圈）對復(fù)雜地形的適用性更強，施工快速且便捷，勘探盲區(qū)小，適用于淺層地質(zhì)勘探[10]?；谏鲜龇治觯Y(jié)合紅沙泉礦區(qū)地形地貌及水文地質(zhì)條件，擬通過正演模擬，分析小線圈瞬變電磁法感應(yīng)電動勢以及視電阻率響應(yīng)特征，從理論上確定該方法在紅沙泉礦區(qū)應(yīng)用的可行性；并進一步通過現(xiàn)場試驗及鉆孔驗證，確定該方法的有效性以及可靠性，從而為礦區(qū)地下水資源探查提供技術(shù)支撐，保障礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)。

1 方法原理

瞬變電磁法工作原理圖如圖1。

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

瞬變電磁法的本質(zhì)是電磁感應(yīng)，它是地質(zhì)體在階躍或近似階躍的電流場激發(fā)下，內(nèi)部產(chǎn)生渦旋電流場效應(yīng)。通常利用不接地的回線向地下發(fā)射脈沖電磁場作為激發(fā)場源，在脈沖電磁場間歇期間，地質(zhì)目標(biāo)體在激勵場（即“一次場”）的作用下，其內(nèi)部會產(chǎn)生具有空間和時間雙重特性的感生渦流場，其大小與地質(zhì)目標(biāo)體的空間特征和電性特征、激勵場的特征等有關(guān)；由于熱損耗，渦流場會逐漸減弱直至消失[11-12]。實際勘探中，不能直接測量這種渦流場的大小，但可利用儀器觀測這種渦流產(chǎn)生的電磁場（即“二次場”）的強弱、空間分布特性和時間特性。二次場的本質(zhì)特征是由地質(zhì)體的物理性質(zhì)決定，其時間特性中，早期信號反映淺部地層地質(zhì)信息，晚期信號反映深部地層地質(zhì)信息，時間的早晚與探測深度具有對應(yīng)關(guān)系。由此可見，通過二次場觀測可進行地下異常體的推測和判識。

2 瞬變電磁場響應(yīng)特征

2.1 研究區(qū)地層與地電模型

研究區(qū)處于準(zhǔn)噶爾盆地東部腹地，南為天山、北為克拉麥里山。區(qū)域地勢總的呈向南緩傾的斜坡，但地勢東、南高，北、西低，地貌形態(tài)為殘丘狀的剝蝕平原，海拔657～753 m，最大比高96 m，相對高差一般在30 m 左右。接近盆地邊緣地帶，徑流非常微弱，基本屬于垂直交替帶。主要地貌類型為風(fēng)積沙漠、剝蝕殘余丘陵和剝蝕波狀平原。研究區(qū)鉆孔地質(zhì)柱狀及視電阻率測井曲線如圖2。

依據(jù)圖2 可知，所涉及的主要地層由老至新如下：①侏羅系西山窯組（J2x）：是本區(qū)內(nèi)的主要含煤地層，包含B1、B2’、B2、B3 和B4 煤層，以及煤層之間的砂泥巖等層位，地層相對較高，尤其是在煤層段，其視電阻率值總體在150 Ω·m 以上，煤層之間砂泥巖互層段，電阻率值分布在50～100 Ω·m 之間，其中砂巖層位是區(qū)內(nèi)的主要含水層之一；②侏羅系中上統(tǒng)石樹溝群（J2-3sh）：是含煤地層的上覆巖層，主要為砂巖和泥巖互層，其電阻率值表現(xiàn)略低，平均約為40 Ω·m，是區(qū)內(nèi)含水層之一；③新近系獨山子組（N2d）：分布在研究區(qū)淺部，主要巖性為砂質(zhì)黏土，其視電阻率在區(qū)內(nèi)最低，約為20 Ω·m。

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

由上述分析可知，研究區(qū)地層電性特征較為復(fù)雜，正常情況下從地表到B1 煤層底板，總體表現(xiàn)出“低（N2d）-略高（J2-3sh）-高（B4）-較高～高（B3）-較高～高（B2）-較高～高（B2’）-較高～高（B1）-較高”的相對地電模型特征，由于實際視電阻率測井曲線存在一定的波動，在模型構(gòu)建時先對視電阻率數(shù)據(jù)通過回歸分析進行擬合，使得曲線到數(shù)據(jù)點的差異達到最小。最終構(gòu)建了研究區(qū)含煤地層及其上覆地層的理論地電模型，具體地電模型可參照圖2 中綠色階躍線。

2.2 瞬變電磁場響應(yīng)特征

研究區(qū)石樹溝群和西山窯組含水層賦水性是利用小線圈瞬變電磁法探測的重點，由于研究區(qū)內(nèi)橫向上含水層賦水性存在不均勻性，因此需要針對不同賦水條件下的地電模型進行正演模擬[13]，獲得小線圈瞬變電磁場響應(yīng)規(guī)律。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)情況，構(gòu)建4 種地電模型：模型A 為依據(jù)鉆孔視電阻率測井曲線所構(gòu)建的正常地電模型；模型B、模型C、模型D是在模型A 基礎(chǔ)上建立的異常地電模型，與模型A相比，模型B 代表石樹溝群含水層具有較強的含水性；模型C 代表西山窯組含水層具有較強含水性；模型D 則代表石樹溝群以及西山窯組2 個含水層均具有較強的含水性。正演模擬地電模型參數(shù)見表1。

表1 正演模擬地電模型參數(shù)Table 1 Parameters of forward modeling geoelectric model

不同地電模型的感應(yīng)電壓及其異常幅度曲線如圖3，不同地電模型的視電阻率及其異常幅度曲線如圖4。

圖3 不同地電模型的感應(yīng)電壓及其異常幅度曲線Fig.3 Induced voltage and its abnormal amplitude curves obtained by different geoelectric models

圖4 不同地電模型的視電阻率及其異常幅度曲線Fig.4 Apparent resistivity and its abnormal amplitude curves obtained by different geoelectric models

圖3 給出了4 種地電模型的瞬變電磁感應(yīng)電壓及其相對誤差曲線，表征瞬變場在不同賦水狀態(tài)條件下的響應(yīng)特征。由圖3 可知，不同地電模型條件下，小線圈瞬變電磁感應(yīng)電壓曲線自0.001 ms 后即進入晚期衰減階段，不同模型之間的感應(yīng)電壓幅值及衰減趨勢存在一定的差異，主要位于0.01～50 ms時間段。具體為：①異常模型B 所對應(yīng)的感應(yīng)電壓曲線在0.01 ms 時刻開始與模型A 曲線分離，并在約0.95 ms 時刻達到最大異常，其幅度約為239.4%，隨時間進一步延遲，異常幅度逐漸減小，最終趨向于0，說明含水層對瞬變電磁場的響應(yīng)逐漸減弱，直至消失；②模型C 對應(yīng)的感應(yīng)電壓幅值在0.75 ms 之前基本與模型A 一致，0.75 ms 后感應(yīng)電壓幅值變化明顯，其中約在2.7 ms 時刻異常幅度最大，約為19.7%，隨時間進一步延遲，異常幅值逐漸減小，約在22 ms 后，異常幅度衰減至5%以內(nèi)；③異常模型D 與模型B 在0.95 ms 以前，感應(yīng)電壓異常幅度基本一致；而在0.95 ms 后，模型D 對應(yīng)的感應(yīng)壓大于模型B 對應(yīng)的感應(yīng)電壓，前者的異常幅度也較高于后者，且前者衰減過程慢于后者，反映地層在2 個含水層同時含水條件下，瞬變電磁場具有一定的分辨率。

圖4 給出了各模型對應(yīng)的全程視電阻率及其異常幅度曲線。相比感應(yīng)電壓曲線，視電阻率曲線對不同地層的響應(yīng)更為直觀，尤其是當(dāng)石樹溝群地層和西山窯組地層分別含水時（即模型B 和模型C），視電阻率均表現(xiàn)出較為明顯的負(fù)異常，前者異常幅度絕對值最大可達55.7%，后者異常幅度絕對值最大約為11.3%；而當(dāng)2 個地層均含水時（即模型D），視電阻率在2.7 ms 后相對模型B 有更大的視電阻率負(fù)異常特征。

綜合以上模擬分析可知，在不同含水條件下，小線圈瞬變電磁場對研究區(qū)石樹溝群和西山窯組地層含水性均具有較高的分辨率，且利用全程視電阻率曲線可較好的反映地層地電特征，從理論上說明了小線圈瞬變電磁方法應(yīng)用于研究區(qū)地下水資源探測的可行性。

3 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場選擇在研究區(qū)紅沙泉露天礦1 號礦坑南側(cè)布置瞬變電磁法勘探測線A-A’，測線方位為北偏西24°，長度3 500 m。測線地表有一定起伏，涵蓋風(fēng)積沙漠和剝蝕殘余丘陵2 種地貌，測線內(nèi)地層涉及新近系獨山子組、侏羅系中-上統(tǒng)石樹溝群、侏羅系中統(tǒng)西山窯組和侏羅系三工河組等多個含隔水層位，局部表現(xiàn)新近系獨山子組和侏羅系中-上統(tǒng)石樹溝群地層缺失?，F(xiàn)場試驗時，布置測點間距20 m，設(shè)置瞬變電磁儀器發(fā)射頻率為5 Hz，發(fā)射電流8 A，疊加次數(shù)為128 次。收發(fā)線圈采用邊長為2 m 的方形共中心回線裝置，收發(fā)線圈匝數(shù)均為20 匝。

對實測瞬變電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理和全程視電阻率計算，獲得的全程視電阻率擬斷面圖如圖5。

從圖5 可知，測線下方150 m 范圍內(nèi)地層視電阻率值總體分布在80～150 Ω·m，平均約為120 Ω·m，對比前后依據(jù)測井曲線獲得的地層電阻率分布范圍，實測視電阻率值總體較高，反映瞬變電磁勘探測線下方含水層（J2x 、J2-3sh）的含水性總體較弱，但在測線1 200～2 300 m 及2 600～2 800 m 范圍存在相對低阻區(qū)，結(jié)合地層地質(zhì)柱狀水文地質(zhì)條件，分析認(rèn)為相對低阻區(qū)內(nèi)巖層相對含水性增強，其余范圍則相對含水性差。

圖5 瞬變電磁視電阻率擬斷面圖Fig.5 Section of apparent resistivity of transient electromagnetic method

為驗證瞬變電磁勘探結(jié)果，現(xiàn)場收集了鉆孔ZK1和ZK2 的鉆探結(jié)果，其中ZK1 鉆孔位于測線1 680 m，處于相對低阻區(qū)；ZK2 位于測線2 930 m 位置，處于相對高阻區(qū)。ZK1 鉆孔揭露地下J2x 和J2-3sh 含水層裂隙相對發(fā)育，孔內(nèi)有少量出水；而ZK2 鉆孔內(nèi)部無水。鉆孔驗證結(jié)果表明，利用小線圈瞬變電磁法獲得的視電阻率結(jié)果能較好的反映地層的相對含水性特征，進一步反映了在研究區(qū)采用該方法進行地下水資源探測是有效且可靠的。

4 結(jié) 語

地下水環(huán)境是生態(tài)環(huán)境保護與修復(fù)必須考慮的重要因素，探測地下水資源是掌握地下水環(huán)境的重點環(huán)節(jié)之一，也是實現(xiàn)地下水資源保護、利用和進一步實現(xiàn)煤炭開發(fā)與環(huán)境保護協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵內(nèi)容之一。針對紅沙泉露天礦區(qū)地下侏羅系中-上統(tǒng)石樹溝群和侏羅系中統(tǒng)西山窯組含水層中地下水資源的賦存狀態(tài)，利用已有鉆孔柱狀及視電阻率測井曲線對比分析，構(gòu)建了4 種正常和異常地電模型；基于瞬變電磁一維正演，獲得了正常與異常地電模型所對應(yīng)的感應(yīng)電壓和全程視電阻率曲線，經(jīng)不同模型條件下的響應(yīng)數(shù)據(jù)對比分析，表明了不同含水層在含水條件下瞬變電磁場均具有較為明顯的響應(yīng)，且不同模型的感應(yīng)電壓與全程視電阻率具有不同的響應(yīng)特征，且瞬變電磁場響應(yīng)延時在0.01～50 ms 之間可有效捕捉目標(biāo)含水層電性特征，從理論上確定利用瞬變電磁法探測研究區(qū)石樹溝群和西山窯組地層含水性具有可行性。

現(xiàn)場瞬變電磁法探測試驗結(jié)果表明，研究區(qū)地層視電阻率總體偏高，地層含水性總體較弱，局部地層含水性相對增強，鉆孔探測驗證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗綜合表明，利用小線圈瞬變電磁法探測地下水資源是有效且可靠的，可為生態(tài)環(huán)境保護與修復(fù)提供技術(shù)支撐。