基于可控源音频大地电磁法的富水性研究

周 耀，唐维峰，魏勇

(1．河南省地球物理空间信息研究院；2．河南省地下工程探测信息工程技术研究中心，河南 郑州 450000)

在煤矿开采和矿井的掘进过程中，地下断层、断裂破碎带等在地表雨水下渗以及地下水的填灌下极易造成大量地下水涌入坑道，造成淹井、煤层顶板塌陷等地质灾害，不仅会给煤矿带来严重的经济损失，而且极大地威胁煤矿工作人员的生命安全[1]。及时而准确的探明煤矿富水异常区域，能够有效避免灾害性突水，更好的提出煤矿开采防治水方案，从而保证煤矿产区的生命财产安全。

本次勘探区位于中朝淮地台南缘，鲁西隆起南部。研究区内所见地层由老到新依次为奥陶系、石炭系本溪组、太原组、二叠系山西组、上下石盒子组及第四系。研究区的断裂和断层较为发育，主干断裂有延展长、落差大等特点。而研究区内的19条断层中，仅有2条落差小于30m。水文地质方面，研究区位于淮北平原水文地质单元区，地下水类型可划分为新生界松散岩类含(隔)水层组、二叠系碎屑岩类含(隔)水岩组、石炭系灰岩岩溶含水岩组及细碎屑岩(隔)水岩组以及奥陶系碳酸盐岩岩溶含水岩组4个含(隔)水层组。其中，间接充水水源为第四系松散层三含或四含砂层水，富水性不等。而且该层直接覆盖于煤层之上，在断层裂隙发育的区域可能会发生涌水或出水，是影响生产及安全的主要因素之一。同时，太原组灰岩水可能会通过导水裂隙进入矿井，影响矿井的生产及安全。最后，在研究区东部及南部由于落差较大的边界断层存在，煤系地层可能与奥陶系灰岩地层对接，而奥陶系灰岩水往往通过导水断层和陷落柱成为矿井水害的根源。研究区内地质条件较为特殊，目的地层深浅范围较大，需要可以采集低频信号，以满足研究区内勘探深度要求，同时亦可兼顾深浅变化较大的要求。

1 可控源音频大地电磁法

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是在大地电磁法(MT)的基础上，针对解决大地电磁法场源的随机性强和信号微弱而发展成的一种人工场源电磁测深方法。该方法由于使用了人工信号源，与大地电磁法(MT)相比，能够压制干扰，采集到高品质的数据；该方法具有勘探深度大、快速高效、横向分辨力高等优点[2]。近十年是CSAMT测量事业蓬勃发展的时期，除了方法理论更加成熟，仪器设备也更先进，数据处理和反演技术更加完善，同时，其应用领域也不断扩展，在深部构造、油气探查、地热、煤田探测、固体矿产深部找矿、水文、工程、环境地质等领域得到广泛应用，取得了丰硕的成果[3]。

2 基于可控源音频大地电磁法的富水性研究

2.1 单点分析

为了更加有效的利用现有的钻孔资料，本次研究在典型的钻孔附近进行了单点视电阻率分析。在单点的测量结果中(以10-1钻孔为例)，视电阻率曲线整体呈现A型曲线，见图1。

图1 视电阻率单值曲线

通过对比钻孔资料分析，结果表明：第四系底部视电阻率值最低，随着深度增加视电阻率缓慢上升。在进入二叠系下石盒子组，视电阻率等值线逐渐平滑，下部穿透梁花园滑脱断层破碎带后，视电阻率上升趋势明显，见表1。

表1 10-1钻孔视电阻率电性对比(钻孔编号10-1)

随后，对于研究区内其他7个钻孔也做了相应的测量分析，分析结果表明：研究区内的各层位视电阻率相近。以第四系底部的视电阻率为例，无论是最大值或最小值，其相差都在10Ω·m以内，见图2。

图2 研究区内第四系地板视电阻率对比

2.2 顺层切片特征分析

结合7号、8号煤层等高线数据，本次研究绘制了7号、8号煤层顶板上30m、10m以及底板和底板下10m、30m、50m、70m的视电阻率切片。以绘制7号煤层视电阻率切片为例，将切片分为两组进行讨论。第一组为煤层顶板上30m、10m以及底板和底板下10m的切片所组成，此区域富水异常主要和断层有关，见图3。图中用白色椭圆标记的区域为低视电阻率异常区域。在7号煤层视电阻率切片区域内的西部，煤层露头和经过该区域内的F16断层下盘，视电阻率明显较低。其原因可能是煤层露头与下覆第四系地层存在直接接触以及与第四系底部含水层产生直接的水力联系，从而对煤层区域的底板有直接的补给作用，从而造成了富水异常。该区域的北部，除F1+2逆断层上盘存在非常明显的视电阻率异常外，其他区域异常不明显。

图3 7号煤层顶底板视电阻率顺层切片(A)

第二组为7号煤层底板下30m、50m以及70m切片组成，此区域富水异常主要和岩性有关，见图4。该系列切片所经过的区域主要岩性为奥陶系灰岩，整体视电阻率呈现中低阻，部分与梁花园滑脱断层相接区域呈现中高阻，北部风氧化带下部呈现低阻。

图4 7号煤层顶底板视电阻率顺层切片(B)

2.3 视电阻率断面分析

本次研究工作在研究区内共铺设了38条测线，结合地质及钻孔资料，完成各地层在视电阻率断面图上进行标定工作，以便于更好地对各测线进行视电阻率断面特征分析。

以第25条测线的视电阻率断面为例，从纵向上看，视电阻率随深度增加而逐渐变大，各地层层状明显。从横向上看，由西向东方向上，相同深度的视电阻率随着测量点号的增大呈现逐渐减小，同一地层视电阻率随点号的增大视电阻率呈现逐渐增大趋势。7号煤层和10号煤层区域存在几处较为明显的视电阻率等值凹陷区域，分别用白色实线椭圆和白色虚线椭圆标出，见图5。

图5 第25测线视电阻率断面

在360～400测量点的-100m标高附近，10号煤层视电阻率明显较低，导致该异常的原因是距离煤层露头区域较近，与上覆第四系地层可能存在水力联系。在480点～520点-400m标高附近，位于F16断层上盘的10号煤层底板等值线附近视电阻率等值线有明显凹陷，推断原因为F16断层上盘的10号煤层通过F16断层与下盘灰岩相接触，导致上下盘直接存在水力联系。在640～760测量点之间，7号煤层底板-500m标高附近视电阻率等值线存在明显异常区域，为底板存在异常区域。在680～800测量点的区域内，10号煤层底板-600m标高附近视电阻率等值线存在明显凹陷，为10号煤层富水异常区。在840～1 000测量点之间-500m～-700m标高，视电阻率等值线凹陷异常明显，根据地质资料，此处应为梁花园滑脱断层作用区域，综合分析为破碎异常区。

2.4 综合分析

通过顺层切片以及视电阻率断面分析，结合单点测量、研究区内地质、钻孔资料可以看出，当断层两盘为脆性可溶性岩石时，断裂以及在其影响下，裂隙发育，而且具有良好的透水性；当断裂两盘为脆性不可溶性岩石时，断层两侧往往发育有张性较好的裂隙，具有较好的透水性；当断层两盘为柔性岩石时，断层破碎带多被低渗透性的泥质成分充填，孔隙、裂隙率低，断层面闭合，一般不导水或导水性极弱。

3 结论

①断层的错断与滑动，导致岩层裂隙增大，同时滑动断层与第四系地层直接接触有利于地表水和地下水对下赋地层进行补给，形成低视电阻率富水异常区。②奥陶系上部灰岩受到滑脱断层的影响，富水异常明显。而太原组灰岩，除断层影响外，相对稳定。 ③研究区内的断层可成为地表水下渗以及地下水流动的通道，在由断层造成的岩层破碎带极易形成低视电阻率富水异常区。所以，断层是研究区内富水异常形成的主控因素。 ④利用可控源音频大地电磁法，结合钻孔资料进行单点测量，进而约束顺层切片和视电阻率断面的特征分析，效果良好，为煤矿富水性研究提供了一种新的勘探思路。