浅部水文地质条件的瞬变电磁法勘查

张永超

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 (煤炭科学研究总院)，北京 100013)

在我国西北地区有众多煤矿均开采浅埋煤层，查明浅部的水文地质条件对这些煤矿的防治水工作有重要意义。水文地质勘查采用钻探、物探点面结合的方式可以达到准确性和经济性的平衡。目前常用的水文物探方法有高密度电法、瞬变电磁法、音频大地电磁法、可控源音频大地电磁法、核磁共振法、三维地震法等，其中瞬变电磁法具有地形适应性好、探测深度范围大、对含水体敏感等优点，成为水文物探中最常用的一种方法。本文以鄂尔多斯市伊旗某煤矿为例，详述采用瞬变电磁法勘查浅部水文地质条件时，如何在施工参数设置和数据处理时采用有针对性的优化以取得良好的效果。

1 原理简介

瞬变电磁法(简称TEM)利用一个不接地的回线源(也可以用接地线源)向地下发射阶跃电流作为激发场源，根据法拉第电磁感应定律，大地在阶跃电流的作用下，内部会产生感生的涡流(见图1)。电流关断后激发的新磁场(称为“二次场”)可以等效为一系列水平圆环状线电流形成的磁场，这些电流环可看作以一定角度从发射回线向下、向外扩散的“烟圈”。

图1 瞬变电磁法原理示意

均匀半空间条件下，“烟圈”将沿以线圈中心为顶点、底角为47°的倾斜锥面向地层深部扩散，“烟圈”沿倾斜锥面其向下传播的速度为：

(1)

式中，v为传播速度；μ0为真空磁导率；t为衰减时间；ρ为电阻率。

可见感应涡流场的扩散速度与地层介质的导电性密切相关，区域地层的导电性越好则二次场的扩散和衰减越慢，反之则越快。线圈不同时刻接收的信号来自于不同深度，早期信号主要反映浅部地电信息，晚期信号主要反映深部地电信息。

(2)

(3)

式中，u0为真空磁导率；r为发射线框半径；Φ(u)为误差函数，表达式如下：

(4)

(5)

当满足晚期条件(u→0)时，公式(2)、(3)可近似为：

(6)

(7)

由公式(6)和(7)可见，相同时刻地下电阻率越低，地面接收的二次场信号就越强。根据信号强度及时间早晚，即可推断地下介质由浅至深的分布情况。

2 测区概况

煤矿开采区域原为湖区(现已干涸)，主采侏罗系中下统延安组的4-2煤，煤层厚度约为3.7m，埋深约80～120m。测区由地表至煤层主要的含隔水层有：第四系松散层潜水含水层(富水性弱～中等)、侏罗系中统碎屑岩类承压水含水层(富水性弱)、侏罗系中下统延安组顶部隔水层(主要为泥岩，局部缺失)、侏罗系中下统延安组碎屑岩类承压水含水层(富水性弱)。其中第四系含水是该矿的主要充水源，但受地形、厚度等因素的影响，其富水性相差较大，为更有针对性地进行防治水工作，在开采前采用瞬变电磁法探测煤层上覆岩层的富水性。

根据测井曲线，地层电性条件由浅至深依次表现为：

(1)第四系地层，电阻率约25Ω·m，整体呈低～中阻特征。

(2)4-2煤层上部的侏罗系地层，岩性多以砂岩为主，夹泥岩，根据岩性和砂岩粒度的不同，电阻率约30～65 Ω·m，整体呈中阻特征。

(3)4-2煤层则属导电性较差的高阻层，电阻率大于150Ω·m。

(4)4-2煤层底板岩性多以泥岩为主，夹砂岩，其电阻率约20Ω·m，整体呈低阻特征。

整体上，勘查区由浅至深的电性呈“中(低)阻～高阻～低阻”的“K型”特征。

3 施工参数

由于测区主要的含水层为浅表的第四系地层，因此施工参数必须针对浅部做一定的优化。

(1)时间序列 时间序列主要由重复频率决定，重复频率越高，观测时间的起始值越靠近零点，但时间范围越窄，这样虽然对浅表会有较好的反映，但很可能达不到探测深度的要求，因此重复频率应选择满足探测深度要求的最高频率。本次最大勘探深度应大于120m，测区地层的电阻率最低约为20Ω·m，按《地面磁性源瞬变电磁法技术规程》(DZ/T 0187-2016)中最大时窗估算公式为：

(6)

式中，t为电流关断后延时，ms；H为最大勘探深度，m。

电流关断后延时0.92ms方可满足勘探深度要求，根据仪器特性，本次施工选择的重复频率为25Hz，其最大延时约为7ms。

(2)线框大小 线框大小会影响最大探测深度和浅部盲区，小线框关断时间短、盲区小，但有效探测深度浅，大线框则反之。根据本次探测的最大深度，设计了120m、240m两种边长的线框，它们在无干扰地区的原始数据曲线对比见图2。仪器记录的两者的关断时间相差不大(120m为25μs，240m为32μs)，曲线也都比较圆滑，但240m线框整体上信号强度更大、抗干扰能力更强，因此线框边长选择240m。

图2 不同线框的感应电压—时间曲线对比

4 数据处理

以测区2个典型的测点为例，说明瞬变电磁法探测浅部水文地质条件时数据处理的优化措施。图3为2个典型测点的原始数据曲线，在早期，测点1的感应电压衰减速度明显要慢于测点2，根据该特征结合地质资料可推断测点1处的浅部第四系地层的富水性强于测点2，晚期两者则基本重合，表明在深部两者的电阻率则趋于一致。

图3 典型测点的感应电压—时间曲线对比

数据处理可分为滤波、视电阻率计算、反演等

步骤，其中将原始的感应电压数据转换为视电阻率是至关重要的一步。按公式(6)或(7)计算的电阻率称为晚期视电阻率，按公式(2)或(3)计算的电阻率则称为全程视电阻率。图4为2个测点分别按(6)式和(3)式求取的晚期和全程视电阻率，在观测的早期(t<0.0001s)，2个测点的晚期视电阻率曲线急剧升高并趋于重合，并不能很好地反映浅部真实的水文地质情况，这种现象是该时间段的数据并不满足晚期条件造成的；而全程视电阻率则无上述现象，在观测的早期，测点1的视电阻率明显低于测点2，晚期2个测点的视电阻率基本重合，与原始数据反映的地质情况基本吻合。由上述分析可见：与常用的晚期视电阻率相比，全程视电阻率具有时间适用范围大、更能反映真实地质情况的优点。由上述分析可见，与勘查深度较大时不同，浅部水文地质条件勘查时，数据处理必须采用全程而非晚期视电阻率，否则会造成浅部地质信息的失真。

图4 全程、晚期视电阻率—时间曲线对比

5 勘查成果及验证

采用全程视电阻率反演后得到的典型视电阻率断面如图5所示。

图5 测区典型视电阻率断面

图5中的灰色虚线表示4-2煤的底板，由图可见，纵向上由浅至深的“K型”地电断面特征表现得十分明显，与该区实际地电结构吻合。在地表以下约0～40m左右有一北高南低、横向连续性非常好的低阻层，其视电阻率低于15Ω·m，根据地质资料，推断为第四系地层富水的反映，同时富水层北段的视电阻率最低约为6Ω·m，南段的视电阻率最低约为10Ω·m，表明北段的第四系地层富水性强于南段。由4-2煤煤层底板至第四系富水层之间的电阻率约为20～120Ω·m，显著高于浅部地层，表明该范围内的侏罗系地层(煤层顶板)的富水性要显著弱于第四系地层，同时该层位视电阻率等值线垂向变化规律，横向均一性较好的特征则表明煤层顶板内存在局部富水性较强区域的可能性较小。

为验证物探结果，在上述测线的1400点偏东17m处和2640点偏东北2m处各施工1个水文观测钻孔(分别简称孔1、孔2)。孔1处的地下水位埋深15.7m，第四系地层单位涌水量0.1263L/(s·m)，煤层上部的侏罗系地层单位涌水量0.0039L/(s·m)；孔2处的地下水位埋深5.9m，第四系地层单位涌水量0.5084L/(s·m)，煤层上部的侏罗系地层单位涌水量0.0053L/(s·m)。水文观测结果与物探结果基本吻合。

6 结 论

采用瞬变电磁法勘查矿井的浅部水文地质条件时，施工参数和数据处理应有针对性地进行优化才能取得好的效果，具体措施如下：

(1)施工参数应针对浅部进行优化，在满足探测深度的前提条件下选择较高的重复频率，线框大小则应根据现场试验的关断时间和信噪比综合确定。

(2)数据处理时，常用的晚期视电阻率会造成浅部地质信息的失真或丢失，因此必须采用时间适用范围大、更能反映真实地质情况的全程视电阻率。

(3)根据物探结果，测区北部的地下水位和第四系富水性都高于南部，4-2煤层上部的侏罗系地层富水性要显著弱于第四系地层，且存在局部富水性较强区域的可能性较小，水文观测结果与其基本吻合，有力地证明了优化措施的有效性。