地空电磁-核磁共振联测方法在地层富水性探测中的应用与研究

郭 源

(中煤平朔集团有限公司地质测量中心,山西 朔州 036000)

地空电磁探测是利用飞机平台搭载电磁勘探设备的地球物理勘查技术。由于该方法采用飞行平台作为搭载装置,无需地面人员接近勘查作业区,特别适合高山、沙漠、湖泊沼泽、森林覆盖等地形复杂地区。国外航空电磁勘查自20世纪50年代开始发展,目前已形成时间域和频率域、主动源和被动源、固定翼和直升机吊舱平台的系列航空电磁勘查系统。应用领域由传统的金属矿产和油气资源勘查,发展到包括环境工程、地下水和地热资源、海洋地形调查、极地研究等应用领域。国内20世纪70年代曾发展过航空电磁系统,曾研制出了固定翼频率域和时间域航空电磁系统。90年代由于地质行业萧条,航空电磁系统的开发基本处于停滞状态。随着国家经济高速发展,对复杂地形区域大深度探测需求的不断增加,最近10年内,地空电磁方法逐步得到发展。然而,国内外学者对地空电磁探测的理论研究和应用主要集中在时间域地空电磁探测方法,频率域电磁测量方法的研究较少。近几年,李世平等[1]在露天矿地下水勘察中,对地、空协同时频域电磁法稍有研究。

核磁共振技术已经广泛应用于对地下水资源勘探以及对灾害水调查评估工程中。早在20世纪,国外已经申请了核磁共振的相关专利,并初步实现了对野外实测数据的计算。21世纪初期,国外进行了基于核磁共振原理的地下水探测方法直接得到含水体含水率大小、孔隙度以及渗透性等信息的计算研究。国内对核磁共振法探测地下水的研究起步较晚,主要是潘玉玲等[2]对核磁共振技术进行了应用和推广,林君等[3]研制了国内自主知识产权的JLMRS型核磁共振地下水探测仪,在全国范围内得到了广泛应用。然而,国内核磁共振技术计算方法的研究还相对较少,蒋川东等[4]在国内率先研究了二维阵列线圈磁共振地下水探测正演理论,并提出了阵列式线圈的工作模式,但计算方法的研究相比国外仍然有较大差距。近几年,国内科研院所对横向约束理论和分块计算方法进行研究,研究了核磁共振技术计算新方法,完成拟二维分块式计算方法的原理研究,弥补了国内在计算方法上的不足。

随着经济的快速增长,对复杂地形区域大深度探测需求的不断增加,以及地层富水对煤炭生产安全的危害。为落实有关防治水规定,切实实现露天矿规划采剥区水害的探查、预防与治理。基于研究区地理地质条件,在工作区域高压电线、露天大型装备强干扰、矿区复杂地形、高背景电阻率等特殊情况下,研究地空电磁-核磁联测探测效果以及实用性,为露天矿含水区探测提供一种新型快速探测方法。经过综合分析以及对采集数据的反演,可获取相关水文地质信息,对煤矿企业的安全生产具有重要的指导意义和实用价值,经济效益巨大,社会效益显著。

1 探测范围及方法

1.1 探测范围

本次探测工作区域如图1所示。图中黑粗单线部分为地空方法中地面布设的发射源位置,电极A与电极B,发射导线长度为1.7 km;黑色线框区域为实际测量区域,由1、2、3、4四个顶点确定,具体坐标不做表述。测量区域东西长约900 m,南北宽约1 000 m,总面积约0.9 km2。

图1 测区位置示意图Fig.1 Location of the survey area

针对含水区对煤炭生产安全的危害,验证地空电磁-核磁共振联测探测方法,在该区域的探测效果和适用性,重点验证在工作区域高压线、露天大型采掘装备强干扰、矿区复杂地形、高背景电阻率等特殊情况下,地空电磁-核磁共振联测探测方法对含水层的分辨的能力和效果。

1.2 探测方法及原理

地空电磁-核磁共振联测方法,通过电阻率参数粗略但快速地圈定地下采空区的整体范围,通过磁场信号的幅值和衰减变化参数,直接反映地下含水情况,从而圈定地下含水区。

1.2.1地空电磁探测工作原理

地面和空中的电磁探测工作原理如图2所示。该系统以超大功率的电性源发射作为激励场源,频率可根据需要调整,可有效激发深部异常体,从而垂向探测含水层;利用发射电极深部接地技术、接地耦合匹配技术,达到极低的接地电阻,实现超大电流发射,增强接收信号;利用双源多频伪随机波实现时频同时发射,以及多个应用频点的一次全覆盖。将接收系统吊载在无人飞行器上,通过控制飞行速度和飞行测线,可以实现密集频点测量。空中测量方式可实现复杂地形区域等人力难以进入的区域的测量,受地形影响小,勘探效率更高,与地面相比勘探分辨率更高等优点。

图2 地面和空中电磁探测工作原理Fig.2 Working principle of ground-air electromagnetic detection method

1.2.2地面核磁共振工作原理

核磁共振工作原理如图3所示。向铺在地面上的线圈(发射线圈)中供入频率为拉摩尔频率的交变电流,在地中交变电流形成的交变磁场激发下,使地下水中氢核形成宏观磁矩。这一宏观磁矩在地磁场中产生旋进运动,其旋进频率为氢核所特有。在切断电流脉冲后,用同一线圈(接收线圈)拾取由不同激发脉冲矩激发产生的信号,该信号呈指数规律衰减,信号的强弱或衰减快慢直接与水中质子的数量有关,即该信号的幅值与所探测空间内自由水含量成正比。因此,构成了一种直接探测地下水信息的技术,形成了地面核磁共振探测地下水信息的方法。

利用顺磁氢质子可以产生核磁共振松弛现象的原理,对于地下介质中主要出现在水分子中的氢离子,只要检测到磁共振信号就可以证明检测点地下水的存在[5-10]。通过核磁共振响应与反演软件进行配合,可以迅速得到被测工区的地下水层深度、含水量以及渗透率等地下水文信息,通过水文参数确定含水采区,同时可评估地下0～100 m深度的地质水文信息。

图3 地面核磁共振工作原理Fig.3 Working principle of NMR detection method

2 探测方案、装备与施工情况

2.1 地空电磁探测方案

采用地空电磁探测方法,在选定的探测区域开展全面探测。如图4所示,在测区分为北部区域、中部区域A组、中部区域B组和南部区域4个部分,测区内测线以东西方向平行布设,设计测线50条,实际飞行测线46条,获取有效数据测线30条,长度为30 km。

图4 测区测线布排与区域分组示意图Fig.4 Layout and grouping of survey areas and survey lines

地空电磁探测装备由地面单元与空中单元组成,如图5所示。地面单元以大功率发射装备为主,空中单元以6旋翼无人机飞行平台为主体,近地搭载接收线圈飞行。根据对深度的不同要求,经过多次试验对比分析,确定采用适宜的参数。无人飞行平台的航迹可按照要求任意设定,限于篇幅具体参数本人不做详细介绍。

图5 地空电磁探测系统Fig.5 Ground-air electromagnetic detection system

2.2 地面核磁共振探测方案

核磁共振探测装备由发射装置与接收装置组成,如图6所示。在地空电磁探测结果的基础上,利用地面核磁共振技术进一步探测,对低阻区异常特性来源是否为地下水进行辨认。地面核磁共振探测共布置3个测点,布设于地空电磁探测方法确定的疑似异常区中,进行低阻异常富水特性验证。

图6 核磁共振探测仪器Fig.6 NMR detection equipment

3 数据处理与解释

3.1 地空电磁探测成果解释

数据采集结束后,对测量数据按测线进行了归类整理、分析。根据视电阻率曲线绘制各测线的视电阻率拟断面图。最终,通过视电阻率图中低阻分布区域,并结合实际的地形因素确定疑似含水区域。

本次试验疑似含水区域的判定标准为多条测线共同反应低阻通道,特别是在地表浅部具有明显的低阻特征与地表海拔高度相对较低区域重合的位置。本文选择中部区域A组进行解释,测线为L21～L28,如图4所示。该组区域测线测量比较完整,在空间位置上相近。

中部区域A组测线的视电阻率成像如图7所示。由于测区内8条测线的位置平行且靠近,各条测线的视电阻率分布形态相似。在视深度0～170 m范围内均呈现为低阻分布,在大于170 m的深度中,电阻率较高。在高阻分布中,右侧电阻率等值线线上凸起。整体上,高低阻呈层状分布比较明见,高低阻分界面相对平整。对于中浅部低阻分布,测线右侧呈现高低阻间隔分布,低阻分布由地表延伸至地下中等深度,其中L24、L25和L26测线的电阻率较低。在测线中间位置,低阻区域呈现大面积的连通分布,其中L25测线的电阻率值最低。在测线右侧,地表浅部区域呈现弱高阻分布,在中部则有相互连通的低阻分布,并且这种分布在各条测线上均有显示,在电阻率分布上表现为含水特征。

图7 L21-L28测线视电阻率成像Fig.7 Apparent resistivity imaging of L21-L28

将各条测线的视电阻率反演结果与实际的地形情况相结合,推测中部区域A组的疑似含水情况如图8所示。虽然各条测线的中部区域均表现出低阻特征,但是其在地形上分布与缓坡地形,因此推测中部区域为疑似渗(聚)水区域。对于测线右侧形状对应于低洼区域,推测该区域为疑似含水区,结合地表地貌特征,确定疑似含水点9。

3.2 地空反演解释总结

结合测区北部区域、中部区域A组、中部区域B组和南部区域综合反演解释结果,可以获得测区内部疑似含水区域总体分布情况,如图9所示。其中,疑似含水区域1、疑似含水区域5和疑似含水区域6因地形低洼,电阻率值较低,其含水的可能性较大。疑似含水区4因为地处缓坡地形,其渗水的可能性较大,存水的可能性较弱。进一步融合地形和反演解释结果,将疑似含水区进行融通,推测测区内可能的导水通道6条。其中,通道1和通道2为东西分布,通道3和通道4为南北走向,这4条通道构成主要通道,通道5和通道6为分支通道。在含水区内,结合实际地貌特征,确定疑似含水点18处。

图8 中部区域A组疑似含水区Fig.8 Suspected water-bearing area of group A in central region

3.3 核磁共振探测方法成果解释

探测得到的含水量情况如图10所示,核磁共振方法1、2号点位于疑似含水区1中。从图10(a)、(b)中分析可知,该异常区含水体主要为3个部分:浅层0～5 m内分布含水量约为5%～7%的薄含水层,15～25 m分布含水量约为13%～14%的含水层,深层85 m及以下分布含水量为14%～15%的较厚含水层。

图10 核磁共振方法解释结果Fig.10 Interpretation results of NMR method

核磁共振方法3号点位于疑似含水区5中,从图10(c)分析可知,该异常区含水体主要为2个部分:浅层12～14 m内分布含水量约为4%的薄含水层,深层90 m及以下分布约为15%的较厚含水层。

3.4 钻孔验证、开采揭露、专项水文勘查项目验证情况

在地空电磁、核磁共振方法探测确定的含水区域内,通过历年生产补充勘探,在此区域内大量钻孔涌水量较大,出现不同程度的涌水情况,进一步验证了地空电磁-核磁共振探测方法圈定的富水区的较可靠性。

随着采掘工程的进一步推进,矿坑东部、南部端帮区域出现较大面积的渗水情况,南部矿坑采掘至11煤底板坑下积水较多,影响矿方的正常生产。基于地空电磁-核磁共振探测的研究成果,矿方提前指定了排水计划、排水管路,对坑下积水进行不间断地排放,未对生产造成较大的影响。

考虑到安家岭露天矿下一步采剥至马关河区域将留设永久边帮,对露天矿边帮稳定性影响较大,严重影响矿井安全生产。因此在后期开展了专项水文地质勘查工作,进一步获取含水层的相关水文地质参数。安家岭矿马关河区域水文勘查与研究物探与钻探成果显示,矿坑南部区域地层相对较富水,圈定了富水区与地空电磁-核磁共振探测一致的区域圈定的富水区基本一致,进一步验证了地空电磁-核磁共振探测富水区的可靠性。

4 结论

地空电磁-核磁共振联测方法,是物探领域地空一体化应用的新技术、新方法。研究结果表明,地空电磁技术能够划定富水区、导水通道及含水点,核磁共振技术能够确定富水性,推断含水层位置、含水量大小等,可评估地下0～100 m深度的不同层位薄厚含水层的含水量等地质水文信息,研究成果能够有效指导地面水文钻探工作,对边坡稳定、生产安全等起到重要的指导作用,为制定防排水计划及措施提供技术依据,为同类矿山提供了参考。