肖新星

（湖南省有色地質(zhì)勘查局二四七隊　湖南　長沙　410000）

瞬變電磁法在某地區(qū)找地下水的應(yīng)用

肖新星

（湖南省有色地質(zhì)勘查局二四七隊湖南長沙410000）

作為地球物理科學(xué)研究應(yīng)用中一種很有前景的物探方法，瞬變電磁法利用其獨特的優(yōu)勢，在覆蓋層厚度探測及分層，基巖劃分，探測地下裂隙、基底斷裂、破碎帶，沙漠干旱地區(qū)找水，地下空洞（煤礦采空區(qū)）探測等領(lǐng)域都有成功的案例。本文結(jié)合具體工程案例，重點就瞬變電磁法在某地區(qū)找地下水的應(yīng)用進行了研究。

瞬變電磁法；地區(qū)找地；應(yīng)用分析

引言

瞬變電磁法以其直接觀測純二次場，沒有一次場的影響，具有對類似低阻的含水導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造反映靈敏、橫向分辨率較高（深度超過400m，橫向?qū)挾仁畮酌椎膶?dǎo)水構(gòu)造可以分辨）、受地形影響小、工作效率高等特點，能快速準確地完成煤礦突水構(gòu)造的定位探測，能為煤礦突水淹井事故的搶險救災(zāi)節(jié)約勘探時間。但是，瞬變電磁法資料高精度處理仍然是個難點，尤其是在高精度反演解釋方法、高強度干擾信號的處理、地形影響的校正等方面需要研究，對指導(dǎo)數(shù)據(jù)采集方法的改進、資料綜合解釋方法精度的提高以及該技術(shù)的應(yīng)用范圍均有一定促進作用。

1　瞬變電磁法方法技術(shù)

作為是一種陣列勘探方法，高密度電法的原理與普通電阻率法相似，它集中了電剖面法和電測深法，一次性完成電極布置，選用多種電極排列方式進行測量，采集實現(xiàn)了野外數(shù)據(jù)的自動化或半自動化作業(yè)。瞬變電磁法是利用不接地或接地線源向地下發(fā)送一次場，在一次場的間歇期間，測量由地質(zhì)體產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場隨時間的變化。瞬變電磁法基本工作原理是∶利用通有一次電流的脈沖激勵回線線圈或接地長導(dǎo)線，這樣會在整個空間內(nèi)建立起電磁場，在電磁場穩(wěn)定建立后快速關(guān)斷供電電源，為了維系空間中的場不能馬上消失，這樣將在導(dǎo)電地層中感應(yīng)出感應(yīng)渦流，而感應(yīng)渦流在導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播規(guī)律服從擴散方程，它逐步由地表處向地層深部擴散，其分布范圍也逐步擴大，并在地層中及上半空間產(chǎn)生感應(yīng)二次場，該二次場隨時間的延長將逐漸衰減消失。在實際應(yīng)用中，觀測的是在一次場脈沖間歇中，測量二次電場和磁場隨時間的衰減，而二次場中則包含有豐富的地下電阻率等信息。其原理如圖1所示。瞬變電磁法特點∶①觀測斷電后的純二次場，克服了復(fù)雜的一次場補償問題，受地形影響小。③單脈沖激發(fā)就可得到多信息的整條瞬變電場衰減曲線，通過加大發(fā)射功率和多次疊加，可大幅度地提高信噪比，加大勘探深度。③采用不接地回線裝置，適宜于各種地理環(huán)境下的野外工作。④由于瞬變電磁法的探測深度取決于大地電阻率和儀器的采樣時間和功率，可通過調(diào)節(jié)發(fā)送功率、儀器采樣時間，方便地控制探測范圍。⑤采用不同的裝置形式，可以相應(yīng)地提高橫向、縱向分辨能力。⑥對發(fā)送回線的形狀、方位和點位要求不嚴，測地工作簡單，可通過流水作業(yè)達到極高的工作效率。⑦在高阻圍巖地區(qū)，不會產(chǎn)生地形起伏的假異常。⑧利用該方法的測量系統(tǒng)，可實施地面、空中、地下、水上、井中或坑道電磁法探測。⑨剖面測量與測深工作同時完成，提供了更多有用信息，減少了多解性。

圖1　瞬變電磁工作原理

根據(jù)二次場的衰減曲線特征，就可以判定地下不同深度地質(zhì)體的電性特征及規(guī)模大小等。由于該方法是觀測純二次場，消除了由一次場所產(chǎn)生的裝置耦合噪音，具有體積效應(yīng)小、橫向分辨率高、探測深度深、對低阻反映靈敏、與探測地質(zhì)體有最佳耦合、受旁側(cè)地質(zhì)體影響小等優(yōu)點。目前，瞬變電磁法已被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探、工程勘探、地下水與地?zé)嵴{(diào)查、采空區(qū)及導(dǎo)水裂隙帶探測、環(huán)境災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查等諸多領(lǐng)域。在瞬變電磁法中常用的工作裝置有重疊回線、中心回線、偶極和大回線源裝置。以下實例中野外數(shù)據(jù)采集工作均選用大回線源裝置，使用儀器為加拿大產(chǎn)V8電法工作站。資料數(shù)據(jù)處理方面具備功能齊全的正反演解釋軟件。

2　工區(qū)水文地質(zhì)概況

某工區(qū)主要為白云巖分布區(qū)，地貌類型以峰林谷地為主，地形起伏變化較大；工區(qū)北東約3km為柳江自北往南流過，為當?shù)刈畹颓治g、排泄基面。工區(qū)地層巖性為石炭系中統(tǒng)大埔組（C2d）白云巖，淺灰、灰色厚層狀塊狀-粉晶白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r；工區(qū)受南北向構(gòu)造體系的共同影響，發(fā)育有柳江背斜及柳西向斜，受兩者共同作用，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖石節(jié)理、裂隙以及溶洞等都較為發(fā)育。地下水主要賦存于裂隙、溶洞當中；區(qū)內(nèi)谷地開闊、匯水面積大，且位于地下水排泄區(qū)，地下水位深約3～8m，富水性強；地下水補給源主要為西部、南部廣大巖溶平原區(qū)，地下水往北東方向徑流，向江河排泄。該地層主要為侏羅系地層，具體有延安組、直羅組及安定組。含煤比較豐富，巖性多為砂巖、泥巖和少量含鋁質(zhì)泥巖，富含化石。泥質(zhì)含量較多及富水時電阻率很低，一般不大于10Ω·m，或者更低，煤質(zhì)及其它巖性則電阻率較高，均在20～50Ω·m以上。

3　地球物理前提

通常情況下，正常、完整的地層相對穩(wěn)定，各層位電性在縱向和橫向上都有相對穩(wěn)定的變化規(guī)律；而當?shù)貙訁^(qū)域內(nèi)構(gòu)造發(fā)育時，一般會因為層位相對錯動造成周圍一定范圍內(nèi)巖層裂隙發(fā)育，特別當構(gòu)造、裂隙帶中充水時，即相當于局部會出現(xiàn)明顯的含水異常，這種局部低阻異常區(qū)域的存在將會打破地層在縱向和橫向上的原有規(guī)律。在本次勘探工區(qū)中，由于受到構(gòu)造影響，工作區(qū)內(nèi)裂隙、溶洞較為發(fā)育，且位于地下水排泄區(qū)，富水性強，為本次瞬變電磁勘探工作提供了良好的地球物理前提。

4　物探成果

本次瞬變電磁法勘探工作共布設(shè)了16條剖面，由于資料過多，在此只抽取出其中一條G2剖面進行論述。本次數(shù)據(jù)整理采用儀器自帶的Steminv軟件進行數(shù)據(jù)處理和一維反演，圖2和圖3分別為其中一個測點的衰減曲線圖和一維反演曲線圖。從圖2中可以看到，整條衰減曲線較為圓滑、連續(xù)，只是在曲線的尾支有3～4個“飛點”，在進行一維反演前將其剔除（圖2下方4個數(shù)據(jù)點）；圖3為該點一維反演的結(jié)果，地表電阻率值在幾歐姆·米左右，曲線在25～30m深度范圍存在一個低阻層，電阻率值最低約為幾歐姆·米，往深部電阻率值呈現(xiàn)線性增大，到地表下100m左右有一拐點，再往深部電阻率持續(xù)上升達到幾百歐姆·米。

圖2　9號點衰減曲線

圖3　9號點一維反演曲線

圖4和圖5為整條剖面的多道電壓曲線圖及一維反演斷面等值線圖，其中多測道電壓剖面取其中的1～31道電壓信號，電阻率數(shù)值采用對數(shù)數(shù)值繪制。從圖4可以看出，整條測線電壓曲線在中、早期道起伏變化較大，到了晚期之后曲線變得平滑，基本無起伏變化。說明了在中、淺部地層電性變化較大，深部地層電性變化相對平穩(wěn)，反映了深部相對完整的白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r。

圖4　G2線多道電壓剖面曲線

圖5　G2線一維反演斷面等值線

從圖5可以看到，淺部0～-10m左右深度呈現(xiàn)相對中低阻特征，推斷為雜填土、黏土層的反映；圖中-10～-50m深度范圍呈現(xiàn)相對中低-低電阻率特征，該深度地層主要為淺灰、灰色厚層狀細晶白云巖，其中-15～-30m的低阻電性層推斷為含水強風(fēng)化白云巖的反映，再往深部地層電阻率逐漸升高，斷面最深處電阻率值達到上千歐姆·米，反映了地層由強風(fēng)化-弱風(fēng)化-完整白云巖的地層過渡特征。

斷面圖中，39號測點在-60～-70m深度范圍呈現(xiàn)一近直立稍往左傾的相對低阻異常帶，異常曲線從-50m深度出現(xiàn)下凹，異常中心約位于-75m深度，電阻率值只有約12Ω·m，同樣在剖面圖中存在一明顯的左高右低雙峰異常，兩者有著較好地對應(yīng)。47～49測段范圍電壓曲線從早期到晚期都較為雜亂，反映了淺部地層可能較為破碎，深部地層存在局部不均勻體。從斷面圖中也可看到在-70～-80m深度也呈現(xiàn)一倒“Y”形的中低阻異常，異常曲線從-55m深度出現(xiàn)下凹，在47號測點、-75m深度和49號測點、-80m深度分別存在一個圈閉的局部低阻異常，推斷該處存在兩個溶洞，由上部巖層破碎嚴重導(dǎo)致水沿裂隙填充溶洞所形成。斷面其余深部地層電阻率相對較高，橫向等值線較為連續(xù)，存在裂隙、溶洞的可能性很小。

圖6為該條剖面上的一個鉆孔資料，位于測線中的49號點旁邊，鉆孔圖中可以看到，0～-10m左右為黏性土，-10～-100m為淺灰色、灰色厚層狀細晶白云巖，溶洞、裂隙發(fā)育，其中-55～-60m和-80～-90m破碎較為嚴重，裂隙較為發(fā)育，整體而言與本次瞬變電磁法取得的成果都有著較好的對應(yīng)，證明了該方法在工程勘查找水工作中是有效的。

圖6　鉆孔結(jié)構(gòu)

5　結(jié)束語

通過以上瞬變電磁方法的使用，瞬變電磁探測可以較好地對運用于地下找水工程中，探測結(jié)果與鉆探驗證基本吻合。通過鉆探證實了瞬變電磁法在積水探測中的有效性。

（1）探測結(jié)果顯示，瞬變電磁法在以上區(qū)域均能較好地圈定積水異常位置，同時對以往不確定地質(zhì)資料進行補充。將物探方法與鉆探成果兩者綜合使用，能取得較好的地質(zhì)效果。

（2）瞬變電磁方法對積水區(qū)的探測取決于地下水采空區(qū)破壞程度及相應(yīng)的水文地質(zhì)條件，地球物理特征存在的差異性是探測查明成功的必要前提。

[1]楊振威，李賢慶，凌標燦，等.瞬變電磁法在探測工作面頂板賦水性中的應(yīng)用[J].中國煤炭地質(zhì)，2010，22（1）∶63～66.

[2]劉志新，劉樹才，于景邨.綜合礦井物探技術(shù)在探測陷落柱中的應(yīng)用[J].物探與化探，2008，32（2）∶212～215.

[3]馬兆峰.礦井瞬變電磁法在勘探陷落柱富水性中的應(yīng)用[J].煤，2010，19（2）∶21～23.

P641.7

A

1673-0038（2015）11-0129-02

∶2014-12-14

∶肖新星（1986-），男，助理工程師，本科，主要從事地球物理探測工作。