霍軍鵬

(陜西陜北礦業(yè)韓家灣煤炭有限公司，陜西 神木 719315)

0 引言

瞬變電磁法勘探在一定程度上會(huì)受到地形影響，一般在地表?xiàng)l件較為平坦的情況下，瞬變電磁法勘探數(shù)據(jù)質(zhì)量較高；而當(dāng)?shù)乇項(xiàng)l件較差，地面瞬變電磁資料受地形因素影響時(shí)，采集的數(shù)據(jù)將受到影響，如果不進(jìn)行有效的地形校正，而直接進(jìn)行分析解釋，往往會(huì)影響解釋結(jié)果[1-3]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在帶地形的瞬變電磁方面有所研究，但相關(guān)文獻(xiàn)在理論方面研究較少。2006年肖懷宇[4]在帶地形的瞬變電磁數(shù)值模擬，只考慮了地形起伏時(shí)介質(zhì)的厚度變化對(duì)瞬變電磁相應(yīng)特征的影響，未研究地形起伏造成發(fā)射激勵(lì)源(一次場(chǎng))“畸變”的影響，再者研究的地電模型也較為簡(jiǎn)單。2009年解海軍[5]也提到瞬變電磁地形影響，采用比值法得到校正系數(shù)，對(duì)地形復(fù)雜地區(qū)的瞬變電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)校正，但未對(duì)地形影響下的場(chǎng)的相應(yīng)特征進(jìn)行理論性研究。近年來(lái)，地形影響下的瞬變電磁文獻(xiàn)也有，但多是根據(jù)地形影響下造成的畸變特征采用比值法進(jìn)行校正，筆者也嘗試過(guò)，但效果并不理想。

瞬變電磁法勘探野外施工采用回線源裝置較多[6-8]，文中在回線源的基礎(chǔ)上，從瞬變電磁一次場(chǎng)入手，研究?jī)A斜地形對(duì)回線源瞬變電磁響應(yīng)的影響特征，并在此基礎(chǔ)上提出了傾斜地形影響校正算法——電阻率偏移歸位算法。通過(guò)存在傾斜地形影響的煤礦采空區(qū)探測(cè)實(shí)例，證明校正方法有效。

1 磁場(chǎng)疊加理論

以畢奧-薩伐爾定律為基礎(chǔ)，該定律是法國(guó)物理學(xué)家畢奧·薩伐爾(Biot-Savart)通過(guò)研究分析電流元激發(fā)磁場(chǎng)的規(guī)律而得[9-10]，主要描述電流元在空間任意點(diǎn)(假設(shè)為P點(diǎn))處所激發(fā)的磁場(chǎng)，即假設(shè)有限長(zhǎng)度的導(dǎo)線(邊長(zhǎng)L)，并在其中供電流I，那么在其周圍任意點(diǎn)(P點(diǎn))產(chǎn)生的磁場(chǎng)為

(1)

若給瞬變電磁回線源通電，在空間中任意點(diǎn)P產(chǎn)生的磁場(chǎng)，即是4條邊在該空間任意P點(diǎn)所產(chǎn)生磁場(chǎng)的疊加，如圖1所示。

圖1 回線源在P點(diǎn)處產(chǎn)生磁場(chǎng)示意Fig.1 Magnetic field generated by loop source at point P

2 傾斜地形影響特征分析

圖2所示為傾角10°的傾斜地形模型，地表放瞬變電磁回線源，4條邊的邊長(zhǎng)均為100 m，內(nèi)供1A的電流，分別分析地表下部地層中-20 m、-50 m、-70 m、-100 m處的一次場(chǎng)的分布特征。測(cè)線過(guò)回線中心點(diǎn)，沿地形傾斜布置，并以中心點(diǎn)為中心，左側(cè)為負(fù)向，右側(cè)為正向。

對(duì)圖2中模型模擬計(jì)算垂直分量分布曲線圖如圖3所示，為過(guò)中心點(diǎn)垂直Z方向Hz分量。由圖可見，淺部的曲線形態(tài)變化較大，每條曲線的極大值均位于中心點(diǎn)偏右側(cè)，且隨著深度的增加，曲線有對(duì)稱分布的趨勢(shì)，可見地形影響主要集中在淺部；另外，磁場(chǎng)的極大值向下半回線框區(qū)域偏移。綜上可知，隨著深度增加，Hz分量磁場(chǎng)整體表現(xiàn)為隨深度的增加呈依次衰減的趨勢(shì)，且畸變程度逐漸減弱，即早期信號(hào)受地形影響嚴(yán)重，隨著時(shí)間的增大，影響程度逐漸降低，具有明顯的時(shí)間相關(guān)性。

圖2 傾斜地形及瞬變電磁回線源模擬示意Fig.2 Simulation of inclined terrain and transient electromagnetic loop source

圖3 傾斜地形回線源過(guò)中心點(diǎn)不同深度垂直分量磁場(chǎng)分布曲線Fig.3 Distribution of vertical component magnetic field at different depths of inclined terrain loop source

傾斜地形影響下瞬變電磁回線源一次場(chǎng)垂直分量(Hz分量)在深度截面中的情況如圖4所示，圖中等值線為一次場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線。由圖可見，極大值位于回線內(nèi)偏右處，即偏向回線源邊線較低一側(cè)，此特征在-20 m深的截面圖中尤其明顯，隨深度增加，曲線分布逐漸向均勻變化，表明回線源內(nèi)部磁場(chǎng)逐漸變得相對(duì)均勻，截面內(nèi)的極大值也逐漸向中心靠近。與圖3中單支曲線表現(xiàn)的結(jié)果形式一致，即地形影響對(duì)早期數(shù)據(jù)影響較大。

3 地形影響分析與校正方法

對(duì)地面瞬變電磁勘探而言，發(fā)射回線源與接收設(shè)備都在地表，當(dāng)?shù)匦尾黄綍r(shí)，不同位置的測(cè)點(diǎn)之間存有高程差異，使探測(cè)方法的激發(fā)場(chǎng)和所接收的二次場(chǎng)因地形影響存在路徑差異，如果直接按照經(jīng)驗(yàn)公式統(tǒng)一計(jì)算，那么電阻率和深度都會(huì)包含這種差異，從而在探測(cè)結(jié)果中表現(xiàn)出地形的影響，地形越復(fù)雜，影響越嚴(yán)重，根據(jù)前述研究，早期信號(hào)受影響程度大于晚期。由磁場(chǎng)強(qiáng)度與距離的關(guān)系可知，標(biāo)高相對(duì)低的測(cè)點(diǎn)接收的磁場(chǎng)強(qiáng)，標(biāo)高相對(duì)高的測(cè)點(diǎn)接收的磁場(chǎng)相對(duì)弱。在早期，地下渦流場(chǎng)深度較淺，兩測(cè)點(diǎn)之間的高度差占其與渦流場(chǎng)距離的比例高；在晚期，由于渦流場(chǎng)本身較遠(yuǎn)，兩測(cè)點(diǎn)之間的高度差占比較小。因此，地形影響在早期較明顯，而晚期相對(duì)減弱，且該地形影響直接導(dǎo)致反演結(jié)果出現(xiàn)誤差，如圖5(a)所示，反演電阻率斷面橫向展布趨勢(shì)與地形有鏡像特征，可見地形影響的嚴(yán)重性。

圖4 傾斜地形回線源不同深度橫截面一次場(chǎng)Hz分量分布Fig.4 Distribution of Hz component of primary field in different depth of inclined terrain loop source

針對(duì)二次磁場(chǎng)傳播距離的影響，提出電阻率偏移歸位算法。對(duì)不同高度的2個(gè)測(cè)點(diǎn)，在同一時(shí)刻，渦流場(chǎng)是固定的，反映相同深度地層的電阻率信息，由于地層橫向上具有緩變特性，因此其時(shí)間-電阻率曲線規(guī)律應(yīng)一致。選定不同高度2個(gè)測(cè)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，計(jì)算其深度-視電阻率曲線，比較煤層標(biāo)高處的電阻率值，其理論值應(yīng)大致相同，如不同則為地形影響。將其中一個(gè)測(cè)點(diǎn)選定為基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)其余測(cè)點(diǎn)在煤層深度的電阻率進(jìn)行校正歸一，即實(shí)現(xiàn)了地形校正，校正效果如圖5(b)(經(jīng)校正后的電阻率斷面圖)所示，其電阻率橫向近水平成層性特征明顯，基本上恢復(fù)了地層橫向電性近水平的分布特征，校正效果較好。

4 探測(cè)實(shí)例

4.1 探測(cè)區(qū)概況

探測(cè)區(qū)位于陜北黃土高原北緣某煤礦整合區(qū)西南部，地貌單元屬典型的黃土梁峁區(qū)，地表多被第四系松散沉積物所覆蓋，較大溝谷中出露基巖。區(qū)內(nèi)因沖溝影響，地形起伏較大，多條測(cè)線沿溝谷一側(cè)的梁峁傾斜方向布置，形成了與本文前述傾斜地形相關(guān)的勘探條件。

該煤礦整合前以長(zhǎng)壁式采煤方式為主，主采3-3號(hào)煤層，也形成了大量的采空區(qū)，但絕大部分無(wú)詳細(xì)資料可循，影響整合后礦井工作面設(shè)計(jì)與工作安全，需要探測(cè)。

圖5 地形校正前后電阻率斷面對(duì)比Fig.5 Comparison of resistivity before and after topographic correction

4.2 地球物理特征

區(qū)內(nèi)鉆孔揭露沉積地層由老至新為：第四系；新近系；侏羅系中、下統(tǒng)；三疊系上統(tǒng)。據(jù)本地區(qū)相關(guān)測(cè)井曲線，第四系及新近系電阻率曲線近平直，其中第四系地層電阻率值一般在50～80 Ω·m左右；侏羅系中統(tǒng)一般為安定組、直羅組和延安組，上部安定組、直羅組主要成分多以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，與長(zhǎng)石石英砂巖，細(xì)中粒砂巖與粉砂巖互層，主要呈偏低阻反映，電阻率值一般在70～120 Ω·m左右；向下延安組主要成分為中細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖、鈣質(zhì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖等，一般含多層煤層，致密的砂巖層及煤層屬導(dǎo)電性較差的高阻層，電阻率值一般大于150 Ω·m，煤層電阻率更高。侏羅系下統(tǒng)富縣組巖性多以泥巖為主，夾含礫中粒、粗粒砂巖及薄層粉砂巖，其下部的三疊系多為較厚的層狀細(xì)中粒長(zhǎng)石石英砂巖，含大量綠泥石，局部含石英礫、灰綠色泥質(zhì)包體及黃鐵礦結(jié)核等，與上部侏羅系含煤地層相比，其電性呈低阻反映。地層沉積層序清晰，電性較均勻，縱向上由淺至深呈現(xiàn)“低阻→高阻→低阻”的趨勢(shì)，當(dāng)存在不積水采空區(qū)時(shí)，采空區(qū)的空腔將呈高阻反映，其電性值應(yīng)高于圍巖。

4.3 探測(cè)效果分析

對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算和電阻率偏移校正，校正后電阻率繪制斷面如圖6所示，圖6(a)為6線電阻率斷面圖，圖6(b)為11線電阻率斷面圖。圖中橫坐標(biāo)下部為橫向距離，上部為地表點(diǎn)號(hào)，可見地形為傾斜地形；斷面圖縱向?yàn)楦叱?；圖中黑色虛線為主采煤層；藍(lán)色、青色填充低阻區(qū)域，紅色、白色填充高阻區(qū)域，其余為電阻率由低到高的過(guò)渡顏色，具體見右側(cè)顏色比例標(biāo)尺。

圖6 傾斜地形影響下瞬變電磁探測(cè)校正后成果Fig.6 The corrected result of TEM detection under the influence of inclined terrain

由圖6所示，縱向上電阻率由淺至深整體呈“低阻→高阻→低阻”的變化趨勢(shì)，與前述本測(cè)區(qū)的地球物理特征吻合，表明探測(cè)結(jié)果反映了地層電性的分布規(guī)律。經(jīng)采用本文傾斜地形影響校正方法，對(duì)電阻率斷面圖進(jìn)行校正后，回歸了煤系沉積地層應(yīng)有的橫向均一性，消除了傾斜地層的影響，根據(jù)斷面圖中高阻特征區(qū)域推斷的采空區(qū)，經(jīng)后期鉆探驗(yàn)證確為不積水采空區(qū)，而且所揭露的采空區(qū)恰位于圖中煤層所示高程處，可見傾斜地形影響校正后使探測(cè)結(jié)果定位更準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

復(fù)雜地形在一定程度上對(duì)瞬變電磁勘探數(shù)據(jù)造成影響，通過(guò)模擬研究地形影響的特征，可以認(rèn)識(shí)其影響規(guī)律，并據(jù)此尋找校正方法以達(dá)到校正效果。本文通過(guò)對(duì)傾斜地形影響回線源瞬變電磁信號(hào)特征的研究，發(fā)現(xiàn)地形對(duì)早期信號(hào)的影響比較嚴(yán)重，隨著時(shí)間的推移，探測(cè)深度逐漸增大，地形影響也逐漸降低。這種傾斜地形的影響在反演電阻率結(jié)果中也表現(xiàn)明顯，在此基礎(chǔ)上提出的電阻率偏移歸位法可以實(shí)現(xiàn)受地形影響的反演電阻率的歸位，使其正確反映地層電性規(guī)律，將此用于煤礦采空區(qū)的勘探工程中，校正了采空區(qū)的賦存深度，且獲得了鉆探驗(yàn)證，因此該方法值得同類工程借鑒。