SOTEM法分量探测能力对比及应用实例
Comparison of component detection capabilities using the short-offset transient electromagnetic method and an application example
通讯作者: 罗聪(1985-),男,高级工程师,主要从事电磁法正反演研究工作。Email:249288584@qq.com
第一作者:
责任编辑: 叶佩
收稿日期: 2025-06-3 修回日期: 2025-07-30
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Received: 2025-06-3 Revised: 2025-07-30
为了验证SOTEM在复杂地形条件下煤矿防治水中的应用效果,本文利用SOTEM方法模拟分析了Hz分量与Ex分量对地层的探测能力,并在贵州黔北地区某煤矿开展了试验工作,本次试验布置4条剖面,用SOTEMSoft软件进行反演,并对反演结果进行了钻探验证。试验结果表明:在赤道向测量时Hz分量具有较强的探测低阻异常体的能力;Ex分量能探测低阻异常体和高阻异常体且探测能力相当,探测低阻体时沿赤道向测量,探测高阻体时沿轴向测量。SOTEM法能在复杂地形条件下精准定位煤矿水害集中区域,试验证明了SOTEM法在贵州黔北地区煤矿防治水中的适用性及准确性。
关键词:
This study aims to demonstrate the effects of the electric-source short-offset transient electromagnetic method(SOTEM) for water hazard prevention and control in coal mines under complex topographical conditions.To this end,the detection capabilities of the Hx and Ex components were simulated and analyzed using the SOTEM method,along with field tests in a coal mine in northern Guizhou.During the tests,four profiles were arranged and the SOTEMSoft software was used for inversion, with the inversion results verified by drilling.The results show that during measurement along the equatorial direction,the Hz component exhibited a high capability to detect low-resistivity anomalies.In contrast,the Ex component exhibited a comparable capability in detecting both low-resistivity(along the equatorial direction) and high-resistivity anomalies(along the axial direction).The SOTEM technique can accurately locate the most severe water hazard areas in coal mines under complex topographical conditions.The feasibility and accuracy of the SOTEM method for water hazard prevention and control were validated through the application in coal mines in northern Guizhou.
Keywords:
本文引用格式
潘远, 罗聪, 徐林, 陈品雄, 傅宏毅.
PAN Yuan, LUO Cong, XU Lin, CHEN Pin-Xiong, FU Hong-Yi.
0 引言
贵州具有丰富的煤炭资源(储量全国第五位),但是全省92.5%的面积为山地和丘陵,高原、山地占主导,地表高差较大,是典型的喀斯特地貌,区内灰岩地层多且厚,岩溶比较发育,从而导致地下暗河众多,形成特殊的岩溶生态系统,地下溶洞、暗河系统复杂,易引发矿井透水、塌陷等安全事故。贵州煤层赋存条件较其他省份更复杂且水文地质条件较隐蔽,传统钻探手段效率低且存在盲区,物探技术可非破坏性的快速获取地下水分布、导水构造位置及岩层渗透性等关键信息,为制定防治水方案提供科学依据。由于地形、地表植被的影响,传统的物探方法在贵州难以开展,物探结果往往精确度不高,难以准确划分煤矿主要水害靶区。 电性源短偏移距瞬变电磁法(short-offset transient electromagnetic method,SOTEM)是一种勘探深度大、不受高阻层屏蔽、垂向分辨率高、施工效率高、探测精度高的新型时间域瞬变电磁装置[1-2],此装置灵活性很高,与传统的磁性源瞬变电磁法(transient electromagnetic method,TEM)需要铺设大线框且只能在线框中间三分之一区域测量相比,采用接地电性源且源长度比起电性源长偏移距瞬变电磁法(long-offset transient electromagnetic method,LOTEM)更加精简和便利。与可控源音频大地电磁法(controlled-source audio-frequency magnetotellurics,CSAMT)相比收发距更能因地制宜,且对于发射源与测线的夹角没有那么严格的要求,这就为SOTEM法在贵州的应用奠定了“得天独厚”的优势。薛国强等[3-4]针对近源探测的优越性,对短偏移情况下的电性源瞬变响应做出了研究,并初步形成了短偏移形式的电性源瞬变电磁工作形式和数据处理方法;陈卫营等[5-6]开发了SOTEM法集正演、反演等功能于一体的软件,并命名为SOTEMSoft。本文就SOTEM法建立地质模型,对各地层条件下其Ex分量及Hz分量对模型的分辨能力进行对比分析,经过试验得出与正演相吻合的结论,并经钻孔验证了此方法在贵州的适用性。
1 SOTEM方法原理
接地的电偶极子发射时在空间直角坐标系下会产生6个电磁场分量,分别为电场在x方向上的分量(Ex)、电场在y方向上的分量(Ey)、电场在z方向上的分量(Ez)和磁场在x方向上的分量(Hx)、磁场在y方向上的分量(Hy)、磁场在z方向上的分量(Hz),虽然以上6个分量均具有对地探测的能力,但它们的衰减特征及传播特性具有比较大的差异。据前人研究成果结合各分量的传播及分布特性表明大多数情况下仅使用分量Hz和分量Ex,因为这两个分量从分布和衰减特性来说都较为稳定,在地面大范围施工更加适合。因此,目前实际应用中主要以观测这两个分量为主。Hz分量在实际应用中常用于在赤道向观测相对低阻体,因为该分量仅对低阻体敏感且集中于赤道向;Ex分量对高、低阻体都比较敏感,对低阻体的敏感区域集中于赤道向区域,而对高阻体的敏感区域集中于轴向区域[11-12]。因此观测装置类型可分为两种:赤道向和轴向。以下对两种装置类型进行简要说明。
如图1所示,图中A和B两点为接地发射源,最佳观测区域为与发射源两端成120°夹角范围内。发射源两端都可以观测,以发射源为轴线对称分布。偏移距为测点到发射源几何中心的垂直距离。
图1
图2为SOTEM轴向观测示意,最佳观测范围为以发射源的延长线为中轴线,在60°范围内观测信号,轴向装置的偏移距为测点到发射源的垂直距离。
图2
SOTEM法发射源为接地长导线电性源,长度一般为500~2 000 m,一般认为在大于1/2倍最大测深而小于2倍最大测深之间为最佳观测区域,发射电流一般为10~40 A,发射波形为双极性矩形阶跃波,在小偏移距内观测纯二次场信号响应,此种装置信噪比高,体积效应小,施工效率高[13
2 SOTEM法瞬变电磁场正演模拟
对电性源接地导线对层状大地激发出的水平电场分量Ex及垂直磁场分量Hz的运动轨迹进行模拟,分析SOTEM法中这两种分量的最佳观测区域。
层状介质中电性源接地导线所产生的垂直磁场和水平电场的响应公式如下:
式中:(x,y,z)为接收点坐标;r为接收点到偶极子的距离;rTM和rTE分别为TM和TE模式下的反射系数,J1(λr)和J0(λr)分别为一阶、零阶贝塞尔函数。
式中:Y0=
式中:Yn=μn/
正演层状大地模型参数:电性源接地导线坐标为(-500,0,0)、(500,0,0),长度1 km,发射电流15 A,地电模型为H型(ρ1>ρ2<ρ3),ρ1=500 Ω·m,ρ2=50 Ω·m,ρ3=500 Ω·m,h1=300 m,h2=50 m,h3=300 m。
图3
图4
图4
垂直磁场不同时刻的平面分布
Fig.4
Plane distribution of vertical magnetic field at different times
图5
图5
水平电场不同时刻的平面分布
Fig.5
Plane distribution of horizontal electric field at different times
图5a~c分别对电磁场传播时水平电场分量进行时间0.01、1、10 ms切片生成的响应平面分布,分析可知水平电场是以源的几何中心为原点,向四周呈圆形均匀的扩散,随着时间的推移信号强度快速衰减。
3 不同地层模型两种分量探测能力数值模拟对比
建立如图6所示的3种地电模型,对比分析两种分量的探测能力。
图6
3.1 赤道向均匀半空间模型数值模拟对比
图7
图7
均匀半空间赤道向测量反演结果对比
Fig.7
Comparison of inversion results of equatorial measurements in a uniform half space
3.2 赤道向H型地层模型数值模拟对比
建立如图6b所示的H型地层模型,第一层厚度为300 m,电阻率ρ1为300 Ω·m;第二层厚度为100 m,电阻率ρ2为50 Ω·m;第三层为基底,电阻率ρ3为300 Ω·m;发射源坐标为(-600,0,0)、(600,0,0),发射源长度为1 200 m;发射电流为12 A;接收点坐标为(500,0);计算时间为0.01~44.66 ms,共分为123个时间道,对单点进行一维正反演。初始模型为100 Ω·m的均匀半空间,反演最大深度取800 m,首层厚度15 m,各层厚度以上一层递增1倍,共包含54层,迭代次数设置为8次,第8次反演迭代的残差均小于1%,反演结果如图8所示。两个分量的反演结果都与真实模型的电阻率分布基本吻合,但是从拟合曲线分析可知,垂直磁场的反演结果比水平电场的反演结果更加接近真实地层模型,可以得出:针对H型地层模型,赤道向测量时垂直磁场对低阻夹层的灵敏度略微优于水平电场。
图8
图8
H型地层赤道向测量反演结果对比
Fig.8
Comparison of equatorial measurement inversion results for H-shaped strata
3.3 轴向K型地层模型数值模拟对比
如图6c所示,建立K型地层模型,第一层厚度为300 m,电阻率ρ1为100 Ω·m;第二层厚度为100 m,电阻率ρ2为800 Ω·m;第三层为基底,电阻率ρ3为100 Ω·m,发射源坐标为(-600,0,0),(600,0,0),发射源长度为1 200 m;发射电流为12 A;接收点坐标为(700,100);计算时间为0.01~44.66 ms,共分为123个时间道,在发射源轴向进行单点一维正反演。初始模型为100 Ω·m的均匀半空间,反演最大深度取1 200 m,首层厚度15 m,各层厚度以上一层递增1倍,共包含82层,迭代次数设置为8次,第8次反演迭代的残差均小于2.36%。从图9中反演结果与真实模型的对比可以看出,当测量区域处于发射源轴向时,Ex反演结果对K型模型吻合较好,而Vz反演结果对高阻夹层吻合度不高,高阻层的真实电阻率与反演电阻率差别较大。
图9
图9
K型地层轴向测量反演结果对比
Fig.9
Comparison of inversion results of K-type formation axial measurement
3.4 地层模型数值模拟对比结论
上述3种地层模型数值模拟实验可以得出以下结论:
1)当地层模型为均匀半空间时,垂直磁场分量和水平电场分量对地层的探测能力相当,都能分辨出单一地层。
2)针对H型地层模型,赤道向测量时垂直磁场对低阻夹层的灵敏度略微优于水平电场。
3)当在发射源的轴向区域测量时,Ex反演结果对K型模型具有较好的反应能力,而Vz反演结果对高阻夹层不敏感,高阻层的真实电阻率与反演电阻率差别较大。
综上,两个分量都能识别出单一地层;Hz分量赤道向测量时对低阻体分辨能力较强,轴向测量时则分辨不出高阻体;Ex分量对高、低阻体都具有较强的探测能力,赤道向测量时探测低阻体更为有利,轴向测量时探测高阻体更为有利。
4 应用实例
4.1 试验区地质背景
试验区位于贵州黔北某煤矿,矿区出露地层由老到新依次为:二叠系阳新统茅口组(P2m)、乐平统龙潭组(P3l)及长兴组(P3c),三叠系下统夜郎组(T1y)及第四系(Q),见表1。
表1 矿区地层简表
Table 1
| 系 | 统 | 组 | 段 | 厚度/m | 岩性描述 | 电阻率/Ω·m |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 第四系 | 0~34.30 | 黏土、砂土、泥砾、砂砾等 | 50~600 | |||
| 三叠系 | 下统 | 夜郎组 | T1y3 | >200 | 粉砂岩为主 | 100~300 |
| T1y2 | 粉砂质泥岩、灰岩、薄层石灰岩 | 500~1200 | ||||
| T1y1 | 粉砂岩、泥岩、粉砂质泥岩夹泥灰岩 | 100~300 | ||||
| 二叠系 | 乐平统 | 长兴组 | P3c | 石灰岩为主 | 300~1200 | |
| 龙潭组 | P3l | 粉砂岩、泥岩、细砂岩、灰岩、炭质泥岩及煤层 | 30~150 | |||
| 阳新统 | 茅口组 | P2m | >100 | 石灰岩 | 800~7000 |
从表1可以看出,大致可以将此矿区地层电阻率分为3层:三叠系下统夜郎组及二叠系乐平统长兴组视为第一层,为相对高阻层;二叠系乐平统龙潭组(煤系地层)视为第二层,为相对低阻层;二叠系阳新统茅口组视为第三层,为相对高阻层。以上地层大致满足H型地层模型假设,地层电阻率从上到下依次为:高—低—高。
4.2 赤道向测量解决茅口组突水问题试验
本次SOTEM数据采集工作采用V8电法工作站,发射基频5 Hz,发射电流12 A,发射源长度1 120 m,偏移距为325 m,接收装置采用国产TEM-AL51传感器,有效接收面积50 000 m2。观测的是垂直磁场的感生电动势Vz,观测时间为0.475~42.33 ms,共40道数据点,测量点距为20 m。如图10所示试验一线剖面长度800 m,试验二线剖面长度1 000 m,两条线相互平行且距离110 m,试验二线小号端点处比试验一线长170 m。从图11a可知试验一线在茅口组层位点位450 m,标高750 m处发育有相对低阻异常带;从图11b可知试验二线在茅口组层位点位600 m,标高750 m处发育有相对低阻异常带。后经钻孔验证在两条测线剖面相应位置处打出水,且都有水压,结合两条剖面低阻异常带发育标高推测两者之间可能存在水力联系,发育有彼此连通的岩溶管道。
图10
图11
图11
SOTEM赤道向试验线电阻率断面
Fig.11
SOTEM equatorial test line resistivity cross-section
通过两个试验剖面可知SOTEM法能识别地层的大致层位和产状,此结果充分验证了赤道向垂直磁场对低阻体的探测能力,也证实了SOTEM法在贵州黔北地区勘探的有效性及适用性。
4.3 轴向测量解决岩溶空腔问题试验
采用V8工作站,发射基频5 Hz,发射电流15 A,发射源长度1 300 m,偏移距为200 m,接收装置采用不激化罐观测水平电场分量Ex,测量点距为20 m。如图12a所示,试验三线长360 m,170 m点位处经过钻孔3,钻孔3打到130多m见13 m深的溶洞,溶洞无水位。170 m点位、1 500 m左右标高的位置见一圈闭高阻发育,与打钻揭露的溶洞相吻合。
图12
如图12b所示,试验四线长300 m,点位150 m处经过钻孔4,根据钻孔资料,钻孔4打到117 m深时见33 m深的溶洞,溶洞不含水, 150 m点位,1 524 m标高附近揭露有高阻异常体发育,与钻孔资料相吻合。
通过试验三、四线的反演电阻率断面图可知,SOTEM法轴向勘探测量时水平电场分量对高阻体的反应很灵敏,成功探测并推测了5个不含水的溶洞且其中两个溶洞经钻孔验证与探测结果一致。
5 结论
通过本次软件模拟分析及试验研究对比,得出以下结论:
1)针对不同地层模型进行了SOTEM法模拟对比试验,得出当在发射源的赤道向测量时Hz分量对低阻体表现出较强的探测能力;Ex分量对高、低阻体的探测能力相当,在赤道向区域测量时主要是对低阻体敏感,而对高阻体敏感的区域集中在轴向区域。
2)4条试验剖面的对比分析及钻探验证情况表明:SOTEM法在实际生产中能识别地层的大致层位和产状,验证了在赤道向测量时垂直磁场对低阻异常体具有较优秀的探测能力,轴向测量时水平电场分量对高阻异常体的分辨能力也颇为优秀,证实了SOTEM法在贵州黔北地区勘探的有效性及适用性。
3)相较于目前常用的电磁勘探方法,SOTEM法具有施工简单、勘探深度大、体积效应小、施工效率高等优点,更适应于高差起伏大且植被覆盖较厚的山区探测,是一种极具潜力的大深度主动源电测方法。
4)目前该方法主流的反演方法主要是较为粗糙的一维反演,随着探测深度需求的增长,SOTEM法的相关理论及应用研究工作也会增加,其他电磁场分量在不同地质环境、不同地质任务中的应用等都将需要深入研究。
感谢
中国科学院地质与地球物理研究所陈卫营副研究员在论文思路、软件调试等方面提供的帮助,评审专家对文章提出的宝贵意见,编辑部对本文付出的辛勤劳动。
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由于人工源电磁探测效果与收发距离有一定关系,本文首先分析了收发距离为零的中心回线源瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method,TEM)视电阻率定义和算法特点,回溯了从圆形回线到矩形的修正式中心回线装置的发展过程;概述了从中心回线发展到接地导线源短偏移瞬变电磁(Short-Offset TEM,SOTEM)理论上的可行性;列举了将LOTEM(Long-Offset TEM)从数倍于探测深度的观测区推进到近源区后的探测实例.对于频率域人工源电磁法,介绍了起源于MT(Magneto-Telluric)的CSAMT(Controlled Source Audio-frequency Magneto-Telluric)与电磁频率测深法不同发展道路.电磁频率测深将观测区从远区推进到了中区;广域电磁法通过全区视电阻率新定义不仅提高了解释精度,而且将传统CSAMT远场观测模式推进到中区探测模式;最后指出,如能采用新的点微元假设计算方法,可有望分离自有场和辐射场,实现频域电磁近源探测.
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电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)是目前研究和应用较为广泛的一种人工源时间域电磁法工作装置,对深部资源地球物理精细探测具有一定的实际意义.为了深入理解方法内涵并更好地进行推广应用,本文基于电性源瞬变电磁一维正演理论,研究了SOTEM地下感应电流扩散、多分量电磁响应平面分布、多偏移距衰减等特性,然后根据上述特性研究了SOTEM的最佳观测区域.研究结果表明:电性源在地下可以产生水平和垂直两个方向的感应电流.其中,水平感应电流又分为上部水平感应电流和下部水平感应电流(又称作返回电流),水平感应电流的极大值主要集中于发射源附近并垂直向下扩散;垂直感应电流极大值沿与地面呈45°角的方向向下、向外扩散,并且具有较低的振幅和较快的扩散速度.电性源激发的六个方向的电磁场分量都具有一定的探测能力,但是考虑到地面观测的方便性和各分量的传播、分布特点,大多数情况仅利用垂直磁场分量H<sub>z</sub>(ðB/ðt)和水平电场分量E<sub>x</sub>.其中,H<sub>z</sub>仅对低阻目标体敏感,且敏感区域位于赤道向区域,并集中在发射源附近;E<sub>x</sub>既对低阻体敏感也对高阻体敏感,对低阻体的敏感区域位于赤道向区域,而对高阻体的敏感区域位于轴向区域,并且敏感区域距发射源的距离与目标体埋深和围岩电性有关.
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