0 引言
瞬变电磁法(transient electromagnetic method,TEM)是一种时间域瞬变电磁探测方法,它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场,在一次脉冲磁场间歇期间,利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法,具有观测纯二次场、施工简单、对低阻含水体灵敏度高、纵横向分辨能力强及地形影响小等优点。该方法是寻找金属、非金属、煤炭、油气等矿产和地下水资源的重要而有效的地球物理方法,在地质灾害调查、采空区及其富水性、隧道超前探测、基础工程勘查(如城市地下管网探测,铁路公路、水库水渠、坝基坝址、地铁机场、高层建筑)等领域被广泛应用[1⇓-3]。TEM根据场源类型分为磁性源和电性源。磁性源属于感应源,与目标层有最佳耦合,但场的能量衰减快,探测深度有限,发射源在地形复杂或边长较大时布设量大,工作效率低;电性源瞬变电磁法信号强大,不需要大量移动发射源,能适应山区、高原、丘陵等复杂地形,大幅度提高工作效率,但该方法在偏移距较大时,存在采集信号强度衰减强烈、信噪比降低等缺点,降低了瞬变电磁法的分辨率[4⇓⇓-7]。
针对一些具体的精细探测问题,如:矿井地质灾害精细勘探(如采空区及其富水性探测)、高速公路和铁路建设中的隧道超前地质预报精细探测、大型水坝隐患精细探测等,目前已有的瞬变电磁法的分辨率受到限制,探测效果受到影响,主要原因是常规方法要想提高信噪比,就要加大发射回线的面积,体积效应的影响也随之加强,影响了分辨率的提高。随着探测分辨率和精度要求的提高,迫切需要对瞬变电磁法进行深入研究,张莹莹、李貅等提出了多激励源瞬变电磁方法[8⇓⇓-11],即采用多个不同位置的电性源同时发射,通过调整源的位置及电流方向、大小,来加强采集信号强度、削弱随机噪声、减少电性源体积效应的影响,全面反映地下异常体空间信息,从而提高瞬变电磁法的探测深度及分辨率,达到实现精细地质勘查的目的[12]。本文以探查甘肃魏家地煤矿含水采空区为例,通过构建多激励源瞬变电磁正演模型、野外数据采集、资料处理及解释,以及钻孔验证,来比较大定源回线、单激励源及多激励源瞬变电磁的勘查效果。
1 多激励源瞬变电磁法
图1
图1
多激励源Yee晶胞加载方式示意
Fig.1
Schematic diagram of load mode of Yee unit cell with multiple excitation sources
2 多激励源三维正演算例
图2
图3
图3
单激励场源测线32各分量多测道曲线
Fig.3
Multi-trace map of line 32 under single excitation field source
图4
图4
多激励场源(电流方向相反)测线32各分量多测道曲线
Fig.4
Multi-xcitation field source (opposite current direction) line 32 multi-omponent trace
图5
图5
多激励场源(电流方向相同)测线32各分量多测道曲线
Fig.5
Multi-xcitation field source (same current direction) line 32 multi-omponent trace map
以上分析说明:采用多个辐射源可以从不同角度对地下异常体进行勘探,有助于更好地识别异常体。通过利用源的排列及电流方向等因素对信号影响的差异,合理布设电性源,对需要的响应分量进行增强,进而达到增大勘探深度、提高分辨率的目的。
3 应用实例
3.1 研究区概况
甘肃魏家地煤矿地处靖远煤田宝积山矿区东部魏家地井田内,西北与宝积山煤矿相接,西南与大水头煤矿为邻,行政区划隶属甘肃省白银市平川区宝积镇(图6)。矿区小煤窑非正规开采现象普遍,商业转让时有发生,造成小煤窑井下开采范围、积水情况等矿井地质资料不翔实,对矿区整体规划及矿井生产形成安全隐患。探明小煤矿开采造成的采空区及采空区积水位置及范围,及时采取措施进行治理,消除隐患,对矿井生产建设具有重要意义。
图6
研究区位于陇西旋卷构造体系乌鞘岭—六盘山旋回褶带的中段的宝积山—红会拗褶带的东段。该拗褶带在大湾—车轮沟压扭性断裂以北,西起于响泉口,经宝积山—打拉池一带,走向N55°W,长约42 km,主要由侏罗系宝积山复式向斜构成,地层总体平缓,呈倾向ES的单斜构造,一般在3°~20°之间。地表全部为第四系覆盖,区内地层自下而上依次为上三叠统南营儿群(T3n)、中侏罗统窑街组(J2y)、中侏罗统王家山组(J2w)、上侏罗统苦水峡组(J3k)、第四系(Q)。中侏罗统窑街组为区内主要含煤地层,可采煤层为一煤,赋存于窑街组顶部,走向上煤层厚1.73~46.27 m,倾向上由南向北变薄,其顶、底板由粉砂岩、砂质泥岩、泥岩和炭质泥岩组成,隔水性良好。该隔水层顶部为新河组底部砂岩裂隙含水层(Ⅱ含水层),岩性为粗、中粒砂岩,夹砂质泥岩及泥岩,平均厚度44 m,为富水性较弱的含水层。矿井水文地质类型为中等[14]。
3.2 地球物理特征
煤层开采后会形成 “三带”(图7)。煤层被采后,上覆岩层冒落、坍塌、破碎,并充填采空区形成垮落带(冒落带);断裂带(裂隙带)是在重力作用下,岩层向下移动,发生错动,形成裂隙发育区域,使得部分岩层存在脱层现象;一定时间后下部岩层形成新的应力支撑,阻止其进一步塌陷,使上覆岩层的完整性得以保存,形成了弯曲下沉带,该带表现为纵向弯曲,横向连续。小窑采空区的地球物理特征主要取决于其赋存结构,小窑采空跨度小,其垮落带坍塌并不充分,冒落带和裂隙带共同形成了相对较大的空间区域,如果该区域不充水时,较围岩表现为高阻,若在中后期因坑道或围岩富水区回灌使得空腔被水充填,则较围岩表现为低阻,这种电性差异为瞬变电磁法的应用提供了前提[15-16]。研究区电阻率曲线形态主要表现为H、QH和HA 3种类型,依据视电阻率曲线形态及视电阻率值大小,归纳出区内各地层电性特征(表1)。
图7
图7
采空区塌陷垂直“三带”示意
Fig.7
Sketch map of vertical “three zones”for collapse of mined-out area
表1 研究区地层电阻率特征
Table 1
| 地层 | 岩性 | 视电阻率/(Ω·m) |
|---|---|---|
| 第四系 | 黄土、砂质黏土、砂砾石 | >60 |
| 侏罗系 | 泥岩、粗砂岩、砂砾岩及煤层 | 10~60 |
| 三叠系 | 中、粗砾砂岩,局部含砾 | >150 |
3.3 工作方法
本次物探工作围绕已知采空区布设15条测线,测线近南北向,线距20 m,点距20 m,测线自西向东依次命名为100、120、140、…380线,测点由南向北依次编号为100、120、140、…500,每条测线长均为400 m(图8)。采用多激励源瞬变电磁方法进行数据采集,采集设备为V8多功能电法仪。为了和传统瞬变电磁法进行对比,选择部分测线进行了大定源回线及单激励源野外数据采集。
图8
大定源回线发射边框600 m×600 m,发射频率8.333 Hz,发射电流15 A,观测范围距发射边框1/3(200 m)范围内。单激励源(电偶源)AB长1 500 m,收发距1 000 m(发射源南北向平行于施工测线布设,距100测线以西1 000 m,见图9),发射电流15 A,发射频率8.333 Hz。多激励源接收信号采用地面布设,2个平行的电流方向相反的单激励源发射,采集2个单激励源发射的瞬变电磁响应数据。发射系统采用地面长导线源,发射源为AB和CD(其中AB位置与单激励源重合,CD长1 500 m,南北向平行于接收测线布设,距380测线以东1 000 m),发射电流15 A,频率8.333 Hz,接收系统为磁线圈和接地电极,接收磁场和电场数据,具体见表2。
图9
图9
发射源与测区位置示意
Fig.9
Schematic diagram of emission source and survey area location
表2 不同发射源的观测参数
Table 2
| 工作装置 | 发射 边长/m | 发射 电流/A | 发射 频率/Hz | 偏移距/m |
|---|---|---|---|---|
| 大定源回线 | 600×600 | 15 | 8.333 | ≤200 |
| 单激励源 | AB:1500 | 15 | 8.333 | 1000 |
| 多激励源 | AB:1500 CD:1500 | 15 | 8.333 | 1000 |
3.4 资料处理
资料处理采用V8系统TEM模块配套软件和IXIDV3进行联合处理,数据处理流程见图10。
图10
图11为测区正常地段及含水区的实测视电阻率曲线及其反演深度模型,反演采用Occam一维反演。正常地段内,由浅至深视电阻率主要表现为高—低—高的特征,曲线首支电阻率值呈相对高阻,对应第四系表层黄土、砂砾石;曲线中部呈低阻特征,是上侏罗统苦水峡组、中侏罗统王家山组砂岩、粉砂岩、砂质泥岩及泥岩的电性反映;曲线尾支呈高阻特征,并随着深度增大而逐渐增大,分析为中侏罗统窑街组砂砾岩、砂岩、粉砂岩及煤层的综合电性特征。而含水区的电阻率曲线尾支变化不大,与上覆地层电阻率相当,不再呈高阻特征,分析为中侏罗系统窑街组煤层采空区积水的反映。
图11
图11
实测视电阻率曲线(a)及其反演深度模型(b)
Fig.11
Plot of measured apparent resistivity (a) and plot of inversion depth model (b)
3.5 推断解释
推断解释主要结合多测道曲线(二次电位)、反演电阻率剖面、电阻率切片图及钻孔(验证孔)资料。采用Occam一维反演,通过改变中间层的厚度及电阻率大小,观察厚度和电阻率变化对反演效果的影响。反演时电阻率范围为100~103 Ω·m,以电阻率20 Ω·m半空间模型为初始模型,共30层,迭代的终止条件为拟合差小于5%或达到最大迭代次数30次。最小反演深度设置为10 m,最大反演深度设置为1 000 m。图12为280线和340线的综合剖面。剖面线基本垂直于构造走向(主要指一煤底板),与野外施工测线垂直(剖面线位置如图8中粉色实线所示)。可以看出,不同方法的反演电阻率剖面具有相似的形态特征,均表现为浅部高阻、中深部相对低阻(图12中橘黄色虚线以下),推断分别为第四系和侏罗系、三叠系的电性反映。
图12
图12
280线(左)、340线(右)物探综合剖面
Fig.12
Comprehensive geophysical profile of line 280 (left) and line 340 (right)
大定源回线反演电阻率剖面纵向分层相对明显,大致可分为2个电性层:浅部第四系相对平缓;深部电阻率横向变化不大,仅在一煤底板(图12中黑色虚线所示)附近存在一定变化,表现在280线170~220点及340线160~300点间电阻率为相对低阻,推断为煤层采空区积水的电性反映。
单激励源反演电阻率剖面上浅部地层略向东倾,与区域地质认识更吻合;电阻率由浅至深依次减小,尤其是一煤底板附近及以下,电阻率整体较低,推测为煤层采空后积水,体积效应影响较大所致。
多激励源反演电阻率剖面上反演深度相对较深(约1 300 m),电阻率纵向特征明显,大致可分为3个电性层:高阻—中低阻—高阻。推断浅部高阻特征为第四系黄土、砂质黏土、砂砾石的反映,高程大致在1 500 m以上;中部中低阻特征为侏罗系泥岩、粗砂岩、砂砾岩,煤层采空区及其积水区的综合电性反映,高程大致在700~1 500 m之间;深部高阻为三叠系中、粗砾砂岩和砾岩的电性反映。在煤层底板附近,电阻率横向变化明显,局部地段电阻率等值线呈封闭或半封闭状,电阻率表现为低阻特征(见280线140~210、240~380测点,340线140~380测点),推断该低阻特征为煤层采空区积水的电性反映。其中,280线140~210测点与大定源回线推断的异常位置有重合;280线240~380测点在多测道曲线上二次场信号较强,衰减较慢(图12a中红色虚线方框所示),为低阻体的响应特征,与反演剖面低阻异常段吻合;340线140~380测点低阻异常段相对于大定源160~300测点,向东(测点大号方向)有所扩大,该异常扩大段在多测道曲线上也存在一定的变化,表现为二次场信号较强,衰减较慢,该特征表明该地段存在低阻异常,与异常扩大段(340线300~380测点)相吻合。
图13
图13
高程1 000 m(a)和1 050 m(b)电阻率等值线平面
Fig.13
Elevation 1 000 m (a) and 1 050 m (b) resistivity contour plan
4 结论及认识
3种方法在研究区内应用各有特点,大定源回线瞬变电磁垂向分辨率较高(主要表现为纵向分层相对明显),有利于薄层探测,但其在横向上探测低阻异常的能力有限;单激励源瞬变电磁对低阻目标体(采空区积水)敏感度大于高阻目标体,使得其体积效应相对较大,降低了其在纵向、横向上的分辨率[17];多激励源瞬变电磁体积效应小,横向上圈定的异常范围基本能够代表采空区积水的范围。经钻探验证,多激励源瞬变电磁勘查效果相对较好,更符合研究区实际。
1)受方法原理本身限制,不同方法的反演电阻率值域不尽一致,大定源回线电阻率值相对较低,多激励源电阻率值相对较高;反演深度也不尽相同,大定源回线反演深度相对于电偶源(单激励和多激励源)较浅。
2)野外数据采集中,单激励源布线更容易,多激励源要解决发射同步等一系列问题,但从场的角度看,采用多激励源可以从不同角度对地下异常体进行勘探,有利于更好地识别异常体。
3)多激励源探测尽管体积效应小,但其影响仍不可避免。本区纵向上异常范围大于实际采空区范围,主要是因为采空区围岩破碎,变形主要集中在纵向,冒落带和裂隙带共同形成了相对较大的空间区域;当存在小窑采空区时,因其跨度小,垮落带坍塌不充分,体积效应会更加明显。在类似地区精细调查时,使用物探手段应重视体积效应,这也是多激励源瞬变电磁今后要努力改进的方向之一。
4)尽管多激励源方法在本区应用效果较好,但其他2种方法对异常探查也起到了作用。任何方法都存在局限性,应用物探手段进行精细地质调查时,应选用多种物探方法综合对比分析,并进行钻探验证,避免单一方法的盲目性、不确定性。
参考文献
地面与井下瞬变电磁法联合探测煤矿富水区域
[J].
The application of combined ground and underground coal mine transient electronmagnetic methods to the exploration of water-rich area
[J].
利用瞬变电磁法监测煤矿含水采空区
[J].
Monitoring water-filled goaf by using TEM technology
[J].
回线源瞬变电磁法在地质灾害调查中的应用
[J].
Application of loop source transient electromagnetic method in geological hazard investigation
[J].
电性源瞬变电磁法在油田上的应用研究
[J].
The application of grounded source transient electromagnetic method to the oil field
[J].
多道瞬变电磁法(MTEM)技术分析
[J].
Technical analysis of multi-transient electromagnetic method
[J].
多道瞬变电磁法(MTEM)国外研究进展
[J].
Progress of multi-transient electromagnetic method in abroad
[J].
多道瞬变电磁法资料处理方法技术综述
[J].
Overview on data progressing methods of multi-transient electromagnetic method
[J].
电性源瞬变电磁法综述
[J].
Review on the study of grounded-source transient electromagnetic method
[J].
多辐射场源地空瞬变电磁法多分量全域视电阻率定义
[J].
Multi-component full field apparent resistivity definition of multi-source ground-airborne transient electronmagnetic method with galvanic sources
[J].
多辐射源地空瞬变电磁响应三维数值模拟研究
[J].
3D modeling of multi-radiation source semi-airborne transient electromagnetic response
[J].
多激励源瞬变电磁法方法技术在精细地质调查中的应用研究报告
[R].
Research report on application of multi-excitation source transient electromagnetic method technique in fine geological survey
[R].
双轴各向异性介质中回线源瞬变电磁三维拟态有限体积正演算法
[J].
Research on the 3D mimetic finite volume method for loop-source TEM response in biaxial anisotropic formation
[J].
魏家地煤矿小窑采空区及水文地质普查电法勘探报告
[R].
Electrical exploration report of small mine goaf and hydrogeological survey in Weijiadi coal mine
[R].
地球物理勘查技术在探测煤矿采空区中的应用
[J].
The application of geophysical exploration technology to the detection of coal mine goaf
[J].
煤矿小窑采空区及塌陷区的地球物理勘查
[J].
Geophysical exploration in goaf and collapse areas in small coal pits
[J].
