郭 源

(中煤平朔集團有限公司地質(zhì)測量中心,山西 朔州 036000)

地空電磁探測是利用飛機平臺搭載電磁勘探設備的地球物理勘查技術。由于該方法采用飛行平臺作為搭載裝置,無需地面人員接近勘查作業(yè)區(qū),特別適合高山、沙漠、湖泊沼澤、森林覆蓋等地形復雜地區(qū)。國外航空電磁勘查自20世紀50年代開始發(fā)展,目前已形成時間域和頻率域、主動源和被動源、固定翼和直升機吊艙平臺的系列航空電磁勘查系統(tǒng)。應用領域由傳統(tǒng)的金屬礦產(chǎn)和油氣資源勘查,發(fā)展到包括環(huán)境工程、地下水和地熱資源、海洋地形調(diào)查、極地研究等應用領域。國內(nèi)20世紀70年代曾發(fā)展過航空電磁系統(tǒng),曾研制出了固定翼頻率域和時間域航空電磁系統(tǒng)。90年代由于地質(zhì)行業(yè)蕭條,航空電磁系統(tǒng)的開發(fā)基本處于停滯狀態(tài)。隨著國家經(jīng)濟高速發(fā)展,對復雜地形區(qū)域大深度探測需求的不斷增加,最近10年內(nèi),地空電磁方法逐步得到發(fā)展。然而,國內(nèi)外學者對地空電磁探測的理論研究和應用主要集中在時間域地空電磁探測方法,頻率域電磁測量方法的研究較少。近幾年,李世平等[1]在露天礦地下水勘察中,對地、空協(xié)同時頻域電磁法稍有研究。

核磁共振技術已經(jīng)廣泛應用于對地下水資源勘探以及對災害水調(diào)查評估工程中。早在20世紀,國外已經(jīng)申請了核磁共振的相關專利,并初步實現(xiàn)了對野外實測數(shù)據(jù)的計算。21世紀初期,國外進行了基于核磁共振原理的地下水探測方法直接得到含水體含水率大小、孔隙度以及滲透性等信息的計算研究。國內(nèi)對核磁共振法探測地下水的研究起步較晚,主要是潘玉玲等[2]對核磁共振技術進行了應用和推廣,林君等[3]研制了國內(nèi)自主知識產(chǎn)權的JLMRS型核磁共振地下水探測儀,在全國范圍內(nèi)得到了廣泛應用。然而,國內(nèi)核磁共振技術計算方法的研究還相對較少,蔣川東等[4]在國內(nèi)率先研究了二維陣列線圈磁共振地下水探測正演理論,并提出了陣列式線圈的工作模式,但計算方法的研究相比國外仍然有較大差距。近幾年,國內(nèi)科研院所對橫向約束理論和分塊計算方法進行研究,研究了核磁共振技術計算新方法,完成擬二維分塊式計算方法的原理研究,彌補了國內(nèi)在計算方法上的不足。

隨著經(jīng)濟的快速增長,對復雜地形區(qū)域大深度探測需求的不斷增加,以及地層富水對煤炭生產(chǎn)安全的危害。為落實有關防治水規(guī)定,切實實現(xiàn)露天礦規(guī)劃采剝區(qū)水害的探查、預防與治理?；谘芯繀^(qū)地理地質(zhì)條件,在工作區(qū)域高壓電線、露天大型裝備強干擾、礦區(qū)復雜地形、高背景電阻率等特殊情況下,研究地空電磁-核磁聯(lián)測探測效果以及實用性,為露天礦含水區(qū)探測提供一種新型快速探測方法。經(jīng)過綜合分析以及對采集數(shù)據(jù)的反演,可獲取相關水文地質(zhì)信息,對煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)具有重要的指導意義和實用價值,經(jīng)濟效益巨大,社會效益顯著。

1 探測范圍及方法

1.1 探測范圍

本次探測工作區(qū)域如圖1所示。圖中黑粗單線部分為地空方法中地面布設的發(fā)射源位置,電極A與電極B,發(fā)射導線長度為1.7 km;黑色線框區(qū)域為實際測量區(qū)域,由1、2、3、4四個頂點確定,具體坐標不做表述。測量區(qū)域東西長約900 m,南北寬約1 000 m,總面積約0.9 km2。

圖1 測區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the survey area

針對含水區(qū)對煤炭生產(chǎn)安全的危害,驗證地空電磁-核磁共振聯(lián)測探測方法,在該區(qū)域的探測效果和適用性,重點驗證在工作區(qū)域高壓線、露天大型采掘裝備強干擾、礦區(qū)復雜地形、高背景電阻率等特殊情況下,地空電磁-核磁共振聯(lián)測探測方法對含水層的分辨的能力和效果。

1.2 探測方法及原理

地空電磁-核磁共振聯(lián)測方法,通過電阻率參數(shù)粗略但快速地圈定地下采空區(qū)的整體范圍,通過磁場信號的幅值和衰減變化參數(shù),直接反映地下含水情況,從而圈定地下含水區(qū)。

1.2.1地空電磁探測工作原理

地面和空中的電磁探測工作原理如圖2所示。該系統(tǒng)以超大功率的電性源發(fā)射作為激勵場源,頻率可根據(jù)需要調(diào)整,可有效激發(fā)深部異常體,從而垂向探測含水層;利用發(fā)射電極深部接地技術、接地耦合匹配技術,達到極低的接地電阻,實現(xiàn)超大電流發(fā)射,增強接收信號;利用雙源多頻偽隨機波實現(xiàn)時頻同時發(fā)射,以及多個應用頻點的一次全覆蓋。將接收系統(tǒng)吊載在無人飛行器上,通過控制飛行速度和飛行測線,可以實現(xiàn)密集頻點測量?？罩袦y量方式可實現(xiàn)復雜地形區(qū)域等人力難以進入的區(qū)域的測量,受地形影響小,勘探效率更高,與地面相比勘探分辨率更高等優(yōu)點。

圖2 地面和空中電磁探測工作原理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圖3所示。向鋪在地面上的線圈(發(fā)射線圈)中供入頻率為拉摩爾頻率的交變電流,在地中交變電流形成的交變磁場激發(fā)下,使地下水中氫核形成宏觀磁矩。這一宏觀磁矩在地磁場中產(chǎn)生旋進運動,其旋進頻率為氫核所特有。在切斷電流脈沖后,用同一線圈(接收線圈)拾取由不同激發(fā)脈沖矩激發(fā)產(chǎn)生的信號,該信號呈指數(shù)規(guī)律衰減,信號的強弱或衰減快慢直接與水中質(zhì)子的數(shù)量有關,即該信號的幅值與所探測空間內(nèi)自由水含量成正比。因此,構成了一種直接探測地下水信息的技術,形成了地面核磁共振探測地下水信息的方法。

利用順磁氫質(zhì)子可以產(chǎn)生核磁共振松弛現(xiàn)象的原理,對于地下介質(zhì)中主要出現(xiàn)在水分子中的氫離子,只要檢測到磁共振信號就可以證明檢測點地下水的存在[5-10]。通過核磁共振響應與反演軟件進行配合,可以迅速得到被測工區(qū)的地下水層深度、含水量以及滲透率等地下水文信息,通過水文參數(shù)確定含水采區(qū),同時可評估地下0～100 m深度的地質(zhì)水文信息。

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

2 探測方案、裝備與施工情況

2.1 地空電磁探測方案

采用地空電磁探測方法,在選定的探測區(qū)域開展全面探測。如圖4所示,在測區(qū)分為北部區(qū)域、中部區(qū)域A組、中部區(qū)域B組和南部區(qū)域4個部分,測區(qū)內(nèi)測線以東西方向平行布設,設計測線50條,實際飛行測線46條,獲取有效數(shù)據(jù)測線30條,長度為30 km。

圖4 測區(qū)測線布排與區(qū)域分組示意圖Fig.4 Layout and grouping of survey areas and survey lines

地空電磁探測裝備由地面單元與空中單元組成,如圖5所示。地面單元以大功率發(fā)射裝備為主,空中單元以6旋翼無人機飛行平臺為主體,近地搭載接收線圈飛行。根據(jù)對深度的不同要求,經(jīng)過多次試驗對比分析,確定采用適宜的參數(shù)。無人飛行平臺的航跡可按照要求任意設定,限于篇幅具體參數(shù)本人不做詳細介紹。

圖5 地空電磁探測系統(tǒng)Fig.5 Ground-air electromagnetic detection system

2.2 地面核磁共振探測方案

核磁共振探測裝備由發(fā)射裝置與接收裝置組成,如圖6所示。在地空電磁探測結(jié)果的基礎上,利用地面核磁共振技術進一步探測,對低阻區(qū)異常特性來源是否為地下水進行辨認。地面核磁共振探測共布置3個測點,布設于地空電磁探測方法確定的疑似異常區(qū)中,進行低阻異常富水特性驗證。

圖6 核磁共振探測儀器Fig.6 NMR detection equipment

3 數(shù)據(jù)處理與解釋

3.1 地空電磁探測成果解釋

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,對測量數(shù)據(jù)按測線進行了歸類整理、分析。根據(jù)視電阻率曲線繪制各測線的視電阻率擬斷面圖。最終,通過視電阻率圖中低阻分布區(qū)域,并結(jié)合實際的地形因素確定疑似含水區(qū)域。

本次試驗疑似含水區(qū)域的判定標準為多條測線共同反應低阻通道,特別是在地表淺部具有明顯的低阻特征與地表海拔高度相對較低區(qū)域重合的位置。本文選擇中部區(qū)域A組進行解釋,測線為L21～L28,如圖4所示。該組區(qū)域測線測量比較完整,在空間位置上相近。

中部區(qū)域A組測線的視電阻率成像如圖7所示。由于測區(qū)內(nèi)8條測線的位置平行且靠近,各條測線的視電阻率分布形態(tài)相似。在視深度0～170 m范圍內(nèi)均呈現(xiàn)為低阻分布,在大于170 m的深度中,電阻率較高。在高阻分布中,右側(cè)電阻率等值線線上凸起。整體上,高低阻呈層狀分布比較明見,高低阻分界面相對平整。對于中淺部低阻分布,測線右側(cè)呈現(xiàn)高低阻間隔分布,低阻分布由地表延伸至地下中等深度,其中L24、L25和L26測線的電阻率較低。在測線中間位置,低阻區(qū)域呈現(xiàn)大面積的連通分布,其中L25測線的電阻率值最低。在測線右側(cè),地表淺部區(qū)域呈現(xiàn)弱高阻分布,在中部則有相互連通的低阻分布,并且這種分布在各條測線上均有顯示,在電阻率分布上表現(xiàn)為含水特征。

圖7 L21-L28測線視電阻率成像Fig.7 Apparent resistivity imaging of L21-L28

將各條測線的視電阻率反演結(jié)果與實際的地形情況相結(jié)合,推測中部區(qū)域A組的疑似含水情況如圖8所示。雖然各條測線的中部區(qū)域均表現(xiàn)出低阻特征,但是其在地形上分布與緩坡地形,因此推測中部區(qū)域為疑似滲(聚)水區(qū)域。對于測線右側(cè)形狀對應于低洼區(qū)域,推測該區(qū)域為疑似含水區(qū),結(jié)合地表地貌特征,確定疑似含水點9。

3.2 地空反演解釋總結(jié)

結(jié)合測區(qū)北部區(qū)域、中部區(qū)域A組、中部區(qū)域B組和南部區(qū)域綜合反演解釋結(jié)果,可以獲得測區(qū)內(nèi)部疑似含水區(qū)域總體分布情況,如圖9所示。其中,疑似含水區(qū)域1、疑似含水區(qū)域5和疑似含水區(qū)域6因地形低洼,電阻率值較低,其含水的可能性較大。疑似含水區(qū)4因為地處緩坡地形,其滲水的可能性較大,存水的可能性較弱。進一步融合地形和反演解釋結(jié)果,將疑似含水區(qū)進行融通,推測測區(qū)內(nèi)可能的導水通道6條。其中,通道1和通道2為東西分布,通道3和通道4為南北走向,這4條通道構成主要通道,通道5和通道6為分支通道。在含水區(qū)內(nèi),結(jié)合實際地貌特征,確定疑似含水點18處。

圖8 中部區(qū)域A組疑似含水區(qū)Fig.8 Suspected water-bearing area of group A in central region

3.3 核磁共振探測方法成果解釋

探測得到的含水量情況如圖10所示,核磁共振方法1、2號點位于疑似含水區(qū)1中。從圖10(a)、(b)中分析可知,該異常區(qū)含水體主要為3個部分:淺層0～5 m內(nèi)分布含水量約為5%～7%的薄含水層,15～25 m分布含水量約為13%～14%的含水層,深層85 m及以下分布含水量為14%～15%的較厚含水層。

圖10 核磁共振方法解釋結(jié)果Fig.10 Interpretation results of NMR method

核磁共振方法3號點位于疑似含水區(qū)5中,從圖10(c)分析可知,該異常區(qū)含水體主要為2個部分:淺層12～14 m內(nèi)分布含水量約為4%的薄含水層,深層90 m及以下分布約為15%的較厚含水層。

3.4 鉆孔驗證、開采揭露、專項水文勘查項目驗證情況

在地空電磁、核磁共振方法探測確定的含水區(qū)域內(nèi),通過歷年生產(chǎn)補充勘探,在此區(qū)域內(nèi)大量鉆孔涌水量較大,出現(xiàn)不同程度的涌水情況,進一步驗證了地空電磁-核磁共振探測方法圈定的富水區(qū)的較可靠性。

隨著采掘工程的進一步推進,礦坑東部、南部端幫區(qū)域出現(xiàn)較大面積的滲水情況,南部礦坑采掘至11煤底板坑下積水較多,影響礦方的正常生產(chǎn)?；诘乜针姶?核磁共振探測的研究成果,礦方提前指定了排水計劃、排水管路,對坑下積水進行不間斷地排放,未對生產(chǎn)造成較大的影響。

考慮到安家?guī)X露天礦下一步采剝至馬關河區(qū)域?qū)⒘粼O永久邊幫,對露天礦邊幫穩(wěn)定性影響較大,嚴重影響礦井安全生產(chǎn)。因此在后期開展了專項水文地質(zhì)勘查工作,進一步獲取含水層的相關水文地質(zhì)參數(shù)。安家?guī)X礦馬關河區(qū)域水文勘查與研究物探與鉆探成果顯示,礦坑南部區(qū)域地層相對較富水,圈定了富水區(qū)與地空電磁-核磁共振探測一致的區(qū)域圈定的富水區(qū)基本一致,進一步驗證了地空電磁-核磁共振探測富水區(qū)的可靠性。

4 結(jié)論

地空電磁-核磁共振聯(lián)測方法,是物探領域地空一體化應用的新技術、新方法。研究結(jié)果表明,地空電磁技術能夠劃定富水區(qū)、導水通道及含水點,核磁共振技術能夠確定富水性,推斷含水層位置、含水量大小等,可評估地下0～100 m深度的不同層位薄厚含水層的含水量等地質(zhì)水文信息,研究成果能夠有效指導地面水文鉆探工作,對邊坡穩(wěn)定、生產(chǎn)安全等起到重要的指導作用,為制定防排水計劃及措施提供技術依據(jù),為同類礦山提供了參考。