高　瑜　牟新偉

(山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)研究中心，山東 濟(jì)南　250061)

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瞬變電磁法對(duì)多層富水層的探測(cè)能力

高瑜牟新偉

(山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)研究中心，山東 濟(jì)南250061)

通過(guò)設(shè)計(jì)不同地電模型進(jìn)行正演計(jì)算，針對(duì)多層富水層的設(shè)置，分析了各種地層條件下視電阻率及其導(dǎo)數(shù)的曲線特征，并結(jié)合工程案例，驗(yàn)證了瞬變電磁法對(duì)多層富水層的探測(cè)能力，為礦山防治水工作提供了參考。

瞬變電磁，多層富水層，探測(cè)能力，一維正演

0　引言

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method，簡(jiǎn)稱TEM)作為一種新興地球物理勘探手段，具有探測(cè)深度大、橫向分辨率高、低阻響應(yīng)靈敏、抗干擾能力強(qiáng)及工作效率高等傳統(tǒng)勘探方法所不具備的優(yōu)勢(shì)[1]，并且更適用于高阻圍巖中含水充泥斷層裂隙的探測(cè)[2-5]。然而，該勘探技術(shù)在工程應(yīng)用中也存在一些棘手問(wèn)題，其中最為突出的是沿探測(cè)深度方向上多層低阻異常的有效性探測(cè)問(wèn)題。如果處理不好這個(gè)問(wèn)題，勢(shì)必會(huì)給數(shù)據(jù)處理和解釋造成一定誤差和多解性，一定程度上也限制了瞬變電磁的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)不同地電模型進(jìn)行正演計(jì)算，針對(duì)多層富水層的設(shè)置，分析比較了各種地層條件下視電阻率及其導(dǎo)數(shù)的曲線特征，初步探討了瞬變電磁法對(duì)多層富水層的探測(cè)能力，為今后進(jìn)一步研究提供了一定借鑒意義。

1　TEM探測(cè)能力理論分析

1.1正演基本原理

利用標(biāo)量赫茲位與電磁場(chǎng)分量E,H,B,D的關(guān)系，便可得到頻率域中電磁場(chǎng)分量的表達(dá)式:

經(jīng)傅里葉變換把頻率域轉(zhuǎn)換為時(shí)間域電磁場(chǎng)表達(dá)式，從而得到各項(xiàng)同性水平層狀地表上，由階躍電流激勵(lì)在中心點(diǎn)接收的瞬變響應(yīng)，有如下兩式[6，7]：

最后根據(jù)視電阻率定義[8]，得到晚期視電阻率表達(dá)式：

1.2正演模擬分析

本文設(shè)計(jì)了以1層富水層、2層富水層及3層富水層為例的一維正演模型，地電模型參數(shù)見(jiàn)表1。發(fā)射線圈總面積為(60×60)m2，在發(fā)射線圈中通入電流I=3 A，接收線圈總面積為4 000 m2，關(guān)斷時(shí)間取為0，在設(shè)置好以上參數(shù)后，通過(guò)一維正演程序，可以得到相應(yīng)地電模型的視電阻率曲線(見(jiàn)圖1～圖3)。

表1　一維正演地電模型參數(shù)

富水層在視電阻率曲線中的響應(yīng)特征見(jiàn)表2。

表2　富水層在視電阻率曲線中的響應(yīng)特征

2　應(yīng)用實(shí)例

2.1地質(zhì)與地球物理概況

測(cè)區(qū)屬于郁江向斜東翼中泥盆統(tǒng)東崗嶺階(D2d)灰?guī)r區(qū)，整體為一單斜構(gòu)造，形態(tài)單一，巖層傾向158°～180°，傾角12°～18°。該區(qū)地面標(biāo)高一般為27 m～31 m，采坑底最低標(biāo)高-5 m。測(cè)區(qū)所在地地表水系較發(fā)育，該區(qū)三面環(huán)河，南面為潯江，河寬水深，流量大，東面為秦川河(潯江支流)，北面為無(wú)名河(秦川河支流)。

測(cè)區(qū)由兩個(gè)相鄰采區(qū)組成，東側(cè)為一區(qū)采場(chǎng)，西側(cè)為二區(qū)采場(chǎng)。目前兩采場(chǎng)部分區(qū)域已開采至-5 m，并已停止向下開采。礦山在開采到-5 m臺(tái)段后，礦坑出現(xiàn)較大涌水，礦坑周圍出現(xiàn)巖溶塌陷。

由以往地質(zhì)調(diào)查工作可知，一、二區(qū)采場(chǎng)礦坑?xùn)|面有4條巖溶地下水強(qiáng)徑流帶，南面有5條巖溶地下水強(qiáng)徑流帶。該區(qū)域地下水位較淺，因而下伏的含導(dǎo)水通道應(yīng)為充水或充泥特性，屬于低電阻率特征。測(cè)區(qū)及周邊的巖性較為單一，主要是灰?guī)r，部分存在方解石充填情況。由此可見(jiàn)，該測(cè)區(qū)具備應(yīng)用瞬變電磁法來(lái)查明已推斷徑流帶準(zhǔn)確位置的地球物理前提(見(jiàn)表3)。

表3　礦區(qū)巖石等電阻率范圍參考表

2.2應(yīng)用效果分析

本文僅以一區(qū)采場(chǎng)東部地質(zhì)推斷的巖溶地下水徑流帶為例，來(lái)說(shuō)明瞬變電磁法應(yīng)用于露天礦山地下多層涌水通道探測(cè)的地質(zhì)效果。

由圖4可知：經(jīng)處理切除淺地表的“盲區(qū)”數(shù)據(jù)后，該成果圖顯示出該測(cè)區(qū)地下水徑流帶的空間分布特征。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘分析，可知：淺地表由于受充沛的大氣降水以及植物根系儲(chǔ)水等因素影響，使得淺地表含水率較高，整體呈中低阻水平。

從圖4整體上看，深度40 m以內(nèi)，地電信息復(fù)雜多樣，是瞬變電磁重點(diǎn)解釋區(qū)域；深度40 m以下范圍，視電阻率分布均勻且整體呈高阻，推斷該層位為完整性較好的灰?guī)r。

對(duì)于深度40 m以內(nèi)的范圍，地電斷面主要分布有兩處低阻異常區(qū)。第一處異常區(qū)大體分布在深度8 m～18 m的范圍內(nèi)，低阻異常主要呈水平帶狀分布，視電阻率普遍小于200 Ω·m，推斷該深度范圍地層結(jié)構(gòu)較破碎，發(fā)育貫通性較好的溶隙裂隙等導(dǎo)水儲(chǔ)水構(gòu)造。深度25 m～30 m范圍為另一處低阻異常區(qū)，該層位分布三處異常點(diǎn)，分別處于該深度層位的3 m，12 m及20 m～40 m的測(cè)線位置，尤其以第三處異常點(diǎn)空間分布最為明顯，推斷前兩處異常點(diǎn)發(fā)育溶隙裂隙的導(dǎo)水儲(chǔ)水構(gòu)造，第三處異常點(diǎn)發(fā)育成熟的導(dǎo)水溶腔構(gòu)造。此外，與地電斷面上下兩處異常區(qū)相比，介于上述兩處異常區(qū)之間地層視電阻率較高，形成上下兩層地下水徑流帶的隔水構(gòu)造。

為驗(yàn)證瞬變電磁探測(cè)效果，在圖4所示位置進(jìn)行鉆孔取芯驗(yàn)

證。由鉆孔資料可知，深度3.8 m～4.8 m處探明紅粘土充填的溶洞，深度4.8 m～14.6 m處為泥灰?guī)r與破碎灰?guī)r膠結(jié)，受大氣降水的地表入滲補(bǔ)給影響，該層位含水率較高，呈低阻，對(duì)應(yīng)圖4中的第1層低阻異常；深度27.3 m～28.4 m處探明完整性極差的灰?guī)r，且存在溶蝕現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)圖4中的第2層低阻異常。以上2層低阻異常深度位置與瞬變電磁測(cè)線所測(cè)得的低阻異常深度位置基本吻合。

綜上所述，瞬變電磁測(cè)線探測(cè)成果分析結(jié)論與鉆探驗(yàn)證資料之間存在較高一致性，充分說(shuō)明了瞬變電磁法應(yīng)用于2層富水層的探測(cè)具有顯著的地質(zhì)效果。

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析一維地電模型正演模擬得到的視電阻率曲線特征，對(duì)瞬變電磁法探測(cè)多層富水層的能力進(jìn)行了初步探討：

由表2可見(jiàn)：理論上，瞬變電磁法對(duì)于1層富水層的探測(cè)，完全具備探測(cè)能力；對(duì)于2層富水層的探測(cè)，需要合理設(shè)置采集參數(shù)，才能取得良好的探測(cè)效果；但對(duì)于3層及3層以上的情況，上部2層富水層的屏蔽影響較嚴(yán)重，利用瞬變電磁法開展探測(cè)工作較為困難。

實(shí)際應(yīng)用中，瞬變電磁法以點(diǎn)測(cè)方式來(lái)開展探測(cè)工作，對(duì)于每一測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，瞬變電磁法在探測(cè)深度方向上至多能識(shí)別出2層富水層，同時(shí)，由于每一測(cè)點(diǎn)位置所測(cè)得的富水層深度位置差異以及瞬變電磁場(chǎng)自身性質(zhì)(即“環(huán)形電流”以一定角度向下向外擴(kuò)散傳播[9])，使最終得到的視電阻率斷面圖出現(xiàn)多于兩層低阻異常的測(cè)點(diǎn)位置。認(rèn)清這一點(diǎn)，對(duì)于今后瞬變電磁法數(shù)據(jù)解釋工作有一定的指導(dǎo)作用。

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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，在讀碩士；牟新偉(1991- )，男，在讀碩士

P631.325

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