瞬變電磁勘探在新疆火燒區含水性探測中的應用

摘要：采用瞬變電磁勘探方法探測新疆煤炭火燒區含水性，在瞬變電磁法勘探常規電阻率計算的基礎上，利用大定源回線優化反演技術，結合測井、鉆探及地質資料形成三維數據體，并利用自主開發的三維可視化軟件進行資料解釋，經鉆探驗證效果良好。

關鍵詞：瞬變電磁;優化反演;火燒區

新疆地區煤炭資源豐富，但煤層火燒區分布亦廣泛，對煤層破壞及開采影響巨大，煤層火燒后往往形成較大的裂隙，使得煤層頂底板地層導水性加強，在大氣降水以及周邊河流的補給下，容易形成較大的水區，直接威脅井下安全，因此，針對火燒區特別是富水區的探測顯得尤為重要，本文主要探討采用瞬變電磁（TEM）反演技術對火燒區含水性精細化探測的應用效果。

1 研究區地質、地球物理特征

本次課題組選擇新疆準南煤田某礦作為研究區，該區內主要分布侏羅系下統八道灣組（J1b），為該區主要含煤地層，由下而上沉積環境呈現出不同的相變模式，底部主要為湖泊—沼澤相沉積，向上逐漸伴有河流相的含煤粗粒碎屑巖建造，巖性主要以灰—灰黑色泥巖、泥質粉砂巖、細砂巖、礫巖和煤層組成，夾少量厚層狀中、粗砂巖，地層總厚為699—1379.42米。含大于0.30米的煤層35層，編號煤層為2l層，煤層平均總厚79.21來，按地層平均厚1045.61米計。含煤系數為7.6%。該組地層與下伏三疊系上統郝家溝組（T3h）呈平行不整合接觸，與上覆三工河組（J1s）為整合接觸。

根據以往物探及測井資料可知，該區地層電阻率在10～ 102.5Ω·m，其中以地表較為干燥的第四系覆蓋層電阻率最高，達102.5Ω·m，以含水火燒區最最低約10Ω·m。而黑色泥巖以及泥質粉砂巖亦為低阻反應，以往電磁法勘探手段難以區分，往往根據電阻率繞曲及低阻圈閉并結合解釋人員經驗進行劃分含水區邊界，人為因素大，因此需要在資料解釋階段引入約束反演，提高資料解釋的精細度。

2 工作方法及技術

瞬變電磁法（Transient electromagnetic method，TEM）屬時間域電磁測深法，又稱“純異常場法”，它是利用階躍波形電磁脈沖激發，利用不接地回線向地下發射一次場，在一次場的間歇期間（斷電后），測量由地下介質產生的感應二次場隨時間的變化來達到尋找各種地質目標體的一種引人注目的地球物理勘探方法。該方法對低阻反映靈敏、分層明顯，是自八十年代在國內煤礦采空區探測、防治水等方面廣泛應用并在近幾年取得長足發展的煤礦物探新技術。

瞬變電磁法的工作原理是：在地表敷設不接地線框或接地電極，輸入階躍電流，當回線中電流突然斷開時，在下半空間就要激勵起感應渦流以維持斷開電流前已存在的磁場，并且此渦流場隨時間以等效渦流環的形式向下傳播、向外擴展，利用不接地線圈、接地電極或地面中心探頭觀測此二次渦流磁場或電場的變化情況，用以研究淺層至中深層的地電結構。由于是在沒有一次場背景的情形下觀測純二次場異常，因而異常更直接、探測效果更明顯、原始數據的保真度更高。（其工作原理見右圖）。

為了后期反演工作及三維解釋的需要，本次試驗采集按照40×40m的規則網度采集，采用大定源回線參數，共完成了5777點的原始資料采集。

資料處理方法

3.1預處理

對經過驗收的原始資料進行濾波、排序等基礎處理，為進一步的計算和處理工作做好準備。

瞬變電磁法觀測數據是各測點各個延時（時窗）的瞬變感應電壓，同一個測點不同延時（時窗）的感應電壓不僅與某個深度的地層電阻率具有一定的相關性，而且和該深度上覆地層電阻率相關。

二次場歸一化感應電壓由于信號小，易受各種人文電磁、地表因素干擾，因此去除非地層電性產生的感應電壓是瞬變電磁處理的首要目標。采用了直接的畸變數據剔除和非線性濾波兩種方法。

瞬變電磁場法對于地表條件的適應性是比較強的，資料處理主要是針對電磁干擾的。對一些干擾大的測點先做單點平滑，然后再通過剖面圖視電阻率等值線的形態進行分辨。一般來說，孤立的、非常密集的封閉圈往往不是真正的地質異常，需將其再次平滑。

當然，平滑的基礎是受電磁干擾的瞬變實測衰減曲線仍保持了形態上的完整。為此，當干擾很大時除加大供電電流外（180-200A），每個測點上的重復觀測次數多達7-8次直到獲得較為理想的曲線為止。

3.2視電阻率計算

盡管感應電壓高對應電阻率低，但不同時間的瞬變電磁二次場感應電壓跨躍了5、6個數量級（甚至更大），而且不直觀。將歸一化瞬變感應電壓換算成視電阻率、視縱向電導、視深度等直觀參數是瞬變電磁數據處理不可缺少的，也是最基礎的，它符合深度多少米電阻率多少的常規解釋要求。幾種主要參數計算公式如下

-------------------------晚期視電阻率

式中μ0=4π×107，M為發射磁矩M=I·L2，t為時窗時間，q為接收線圈的有效面積，VZ是感應電壓

-----------------------縱向電導

------------------視深度

上述視電阻率、視深度是處理應得到的基本參數，根據資料的實際情況應進行濾波、優化反演等處理。

3.2 TEM大定源回線優化反演

建立如下目標函數ψ的模型，

式中，，d是數據向量，m是模型向量，是正演模擬函數，e是殘差向量。其中的分量為（歸一化感應電動勢，單位）;為地電模型的電阻率向量，可令為模型單元個數，且每一為取對數后的電阻率值（即）。正則化參數λ是一個正數。正定矩陣V起殘差向量e之協方差的作用，其是數據誤差的一種度量。ψ的第二項是為了獲得穩定的解而對地電模型的一種約束。本程序將矩陣L取為簡單的二階微分算子，即Lm近似為Δ（）。

非線性共軛梯度（NLCG）直接求解最小二乘的極小化問題，突破了

線性化迭代反演的框架。非線性共軛梯度的模型序列由一系列的一元極小化或沿著計算的搜索方向的線性搜索所確定，

搜索方向是對線性共軛梯度的近似，其迭代格式為，

式中，。

成果解釋

通過上述資料處理及優化反演，形成一個以40×40m為單元網格的三維數據體，并采用課題組自主開發的三維可視化解釋軟件，對該數據體按照解釋資料形成剖面、水平切片以及聯井剖面等，進行資料的最終解釋，三維可視化效果如下圖2，三維可視化效果圖。資料解釋過程中，采用該可視化軟件可以根據需要疊加上已知的地質、鉆孔、測井數據，形成地質、鉆探、測井、瞬變電磁一體化的三維數據體，可對地下地質體完成初步的三維定位和顯示，更好的提高解釋精度及直觀效果，極大的提高了解釋效率。

本課題的研究區域內煤層較厚，各層煤都有燃燒，煤層的頂、底板比較破碎，火區地面塌陷嚴重。所以空區基本都有冒落現象，視電阻率剖面上的相對高阻對應著老窯和燃燒后形成的空區或者是這些區域冒落后形成的松散破碎帶。相對低阻對應著火燒區含水體、老窯積水區、煤層燃燒區。在對異常體進行解釋的時候，要在充分利用已知的地形地質資料的前提下，除視電阻率值的高低外，在判斷異常方面還要考慮視電阻率等值線的形態、地形、地表電性不均勻程度、觀測點原始數據質量等因素。

當然，實際的解釋過程還是遵循有已知到未知，有剖面到平面的過程。其中下圖3即為對驗證鉆孔部分局部放大的剖面顯示。從圖上可見，在標高500至900m，圖形左側小出現大面積低電阻率區，物探推測為火燒區含水體，與后期鉆探驗證情況完全吻合。

5.結論及建議

通過本次優化反演形成的瞬變電磁數據在低背景電阻率區域探測水區效果較好，能夠在低電阻率的砂泥巖區見到較為明顯的含水區邊界，并經后期鉆探驗證，準確率較高;采用三維切片的方式使得解釋過程更為直觀、高效;反演過程中較好的利用了地質模型和綜合測井資料，使得反演成果更為接近真實地質情況，有效的解決了瞬變電磁深度誤差較大的問題。

由于本研究區后期發現淺部有大量的老窯采空區存在，在瞬變電磁資料上反應不明顯，可見基于大定源回線的反演技術針對淺部（深度小于100m）低阻體探測存在一定的缺陷，使用過程中應結合淺層具體情況采用其他的方法進行補充。

參考文獻：

[1]李貅，瞬變電磁測深的理論與應用，陜西科學技術出版社，2002。

作者簡介：

苗圃（1967—）高級工程師，中國地質大學工程碩士學位，1990年工作，先后從事新疆煤田滅火處技術科科長、副總工程師、新疆煤炭科學研究所所長等工作。