瞬变电磁法对多层富水层的探测能力

高　瑜　牟新伟

(山东大学岩土与结构研究中心，山东 济南　250061)



瞬变电磁法对多层富水层的探测能力

高瑜牟新伟

(山东大学岩土与结构研究中心，山东 济南250061)

通过设计不同地电模型进行正演计算，针对多层富水层的设置，分析了各种地层条件下视电阻率及其导数的曲线特征，并结合工程案例，验证了瞬变电磁法对多层富水层的探测能力，为矿山防治水工作提供了参考。

瞬变电磁，多层富水层，探测能力，一维正演

0　引言

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，简称TEM)作为一种新兴地球物理勘探手段，具有探测深度大、横向分辨率高、低阻响应灵敏、抗干扰能力强及工作效率高等传统勘探方法所不具备的优势[1]，并且更适用于高阻围岩中含水充泥断层裂隙的探测[2-5]。然而，该勘探技术在工程应用中也存在一些棘手问题，其中最为突出的是沿探测深度方向上多层低阻异常的有效性探测问题。如果处理不好这个问题，势必会给数据处理和解释造成一定误差和多解性，一定程度上也限制了瞬变电磁的进一步推广应用。

本文通过设计不同地电模型进行正演计算，针对多层富水层的设置，分析比较了各种地层条件下视电阻率及其导数的曲线特征，初步探讨了瞬变电磁法对多层富水层的探测能力，为今后进一步研究提供了一定借鉴意义。

1　TEM探测能力理论分析

1.1正演基本原理

利用标量赫兹位与电磁场分量E,H,B,D的关系，便可得到频率域中电磁场分量的表达式:

经傅里叶变换把频率域转换为时间域电磁场表达式，从而得到各项同性水平层状地表上，由阶跃电流激励在中心点接收的瞬变响应，有如下两式[6，7]：

最后根据视电阻率定义[8]，得到晚期视电阻率表达式：

1.2正演模拟分析

本文设计了以1层富水层、2层富水层及3层富水层为例的一维正演模型，地电模型参数见表1。发射线圈总面积为(60×60)m2，在发射线圈中通入电流I=3 A，接收线圈总面积为4 000 m2，关断时间取为0，在设置好以上参数后，通过一维正演程序，可以得到相应地电模型的视电阻率曲线(见图1～图3)。

表1　一维正演地电模型参数

富水层在视电阻率曲线中的响应特征见表2。

表2　富水层在视电阻率曲线中的响应特征

2　应用实例

2.1地质与地球物理概况

测区属于郁江向斜东翼中泥盆统东岗岭阶(D2d)灰岩区，整体为一单斜构造，形态单一，岩层倾向158°～180°，倾角12°～18°。该区地面标高一般为27 m～31 m，采坑底最低标高-5 m。测区所在地地表水系较发育，该区三面环河，南面为浔江，河宽水深，流量大，东面为秦川河(浔江支流)，北面为无名河(秦川河支流)。

测区由两个相邻采区组成，东侧为一区采场，西侧为二区采场。目前两采场部分区域已开采至-5 m，并已停止向下开采。矿山在开采到-5 m台段后，矿坑出现较大涌水，矿坑周围出现岩溶塌陷。

由以往地质调查工作可知，一、二区采场矿坑东面有4条岩溶地下水强径流带，南面有5条岩溶地下水强径流带。该区域地下水位较浅，因而下伏的含导水通道应为充水或充泥特性，属于低电阻率特征。测区及周边的岩性较为单一，主要是灰岩，部分存在方解石充填情况。由此可见，该测区具备应用瞬变电磁法来查明已推断径流带准确位置的地球物理前提(见表3)。

表3　矿区岩石等电阻率范围参考表

2.2应用效果分析

本文仅以一区采场东部地质推断的岩溶地下水径流带为例，来说明瞬变电磁法应用于露天矿山地下多层涌水通道探测的地质效果。

由图4可知：经处理切除浅地表的“盲区”数据后，该成果图显示出该测区地下水径流带的空间分布特征。经现场踏勘分析，可知：浅地表由于受充沛的大气降水以及植物根系储水等因素影响，使得浅地表含水率较高，整体呈中低阻水平。

从图4整体上看，深度40 m以内，地电信息复杂多样，是瞬变电磁重点解释区域；深度40 m以下范围，视电阻率分布均匀且整体呈高阻，推断该层位为完整性较好的灰岩。

对于深度40 m以内的范围，地电断面主要分布有两处低阻异常区。第一处异常区大体分布在深度8 m～18 m的范围内，低阻异常主要呈水平带状分布，视电阻率普遍小于200 Ω·m，推断该深度范围地层结构较破碎，发育贯通性较好的溶隙裂隙等导水储水构造。深度25 m～30 m范围为另一处低阻异常区，该层位分布三处异常点，分别处于该深度层位的3 m，12 m及20 m～40 m的测线位置，尤其以第三处异常点空间分布最为明显，推断前两处异常点发育溶隙裂隙的导水储水构造，第三处异常点发育成熟的导水溶腔构造。此外，与地电断面上下两处异常区相比，介于上述两处异常区之间地层视电阻率较高，形成上下两层地下水径流带的隔水构造。

为验证瞬变电磁探测效果，在图4所示位置进行钻孔取芯验

证。由钻孔资料可知，深度3.8 m～4.8 m处探明红粘土充填的溶洞，深度4.8 m～14.6 m处为泥灰岩与破碎灰岩胶结，受大气降水的地表入渗补给影响，该层位含水率较高，呈低阻，对应图4中的第1层低阻异常；深度27.3 m～28.4 m处探明完整性极差的灰岩，且存在溶蚀现象，对应图4中的第2层低阻异常。以上2层低阻异常深度位置与瞬变电磁测线所测得的低阻异常深度位置基本吻合。

综上所述，瞬变电磁测线探测成果分析结论与钻探验证资料之间存在较高一致性，充分说明了瞬变电磁法应用于2层富水层的探测具有显著的地质效果。

3　结语

通过分析一维地电模型正演模拟得到的视电阻率曲线特征，对瞬变电磁法探测多层富水层的能力进行了初步探讨：

由表2可见：理论上，瞬变电磁法对于1层富水层的探测，完全具备探测能力；对于2层富水层的探测，需要合理设置采集参数，才能取得良好的探测效果；但对于3层及3层以上的情况，上部2层富水层的屏蔽影响较严重，利用瞬变电磁法开展探测工作较为困难。

实际应用中，瞬变电磁法以点测方式来开展探测工作，对于每一测点来说，瞬变电磁法在探测深度方向上至多能识别出2层富水层，同时，由于每一测点位置所测得的富水层深度位置差异以及瞬变电磁场自身性质(即“环形电流”以一定角度向下向外扩散传播[9])，使最终得到的视电阻率断面图出现多于两层低阻异常的测点位置。认清这一点，对于今后瞬变电磁法数据解释工作有一定的指导作用。

[1]牛之琏.脉冲瞬变电磁法及其应用[M].长沙：中南工业大学出版社，1992.

[2]李貅，郭文波，李毓茂.瞬变电磁法在煤田矿井涌水通道勘察中的应用[J].西安工程学院学报，2000,22(3):35-38.

[3]刘树才，刘志新，姜志海.瞬变电磁法在煤矿采区水文勘探中的应用[J].中国矿业大学学报，2005，34(4):414-417.

[4]伍卓鹤，李新宁，陈泉芳，等.瞬变电磁法在矿产勘查中的应用研究[J].华南地震，2007,27(3):26-43.

[5]李章波，陈露.复杂地形下瞬变电磁法探测多层采空区积水[J].四川地质学报，2015,35(3)：443-447.

[6]罗回国.瞬变电磁大定源回线一维正演模拟研究[D].北京：中国地质大学，2012.

[7]朴化荣.电磁测深法原理[M].北京:地质出版社，1990.

[8]李貅.瞬变电磁测深的理论与应用[M].西安:陕西科学技术出版社，2002.

[9]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京：地质出版社，1998.

[10]米萨克 N.纳比吉安.勘查地球物理电磁法(第一卷 理论)[M].赵经祥，译.北京：地质出版社，1992.

Capacity of Transient Electromagnetic Method for detecting multi-layer water-rich strata

Gao YuMou Xinwei

(ResearchCenterofGeotechnicalandStructuralEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China)

Through designing different geo-electric models for forward calculation, in light of multi-layer water-rich strata setting, the paper analyzes apparent resistivity and derivative curve under various geological conditions. And combining with engineering cases, it testifies the detecting capability of TEM for multi-layer water-rich strata, which has provided some guidance for mining flood preventing.

Transient Electromagnetic Method(TEM), multi-layer water-rich strata, detecting capability, one dimensional forward calculation

1009-6825(2016)08-0088-02

2016-01-07

高瑜(1989- )，男，在读硕士；牟新伟(1991- )，男，在读硕士

P631.325

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