瞬變電磁法對多層富水層的探測能力

高　瑜　牟新偉

(山東大學巖土與結構研究中心，山東 濟南　250061)

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瞬變電磁法對多層富水層的探測能力

高瑜牟新偉

(山東大學巖土與結構研究中心，山東 濟南250061)

通過設計不同地電模型進行正演計算，針對多層富水層的設置，分析了各種地層條件下視電阻率及其導數的曲線特征，并結合工程案例，驗證了瞬變電磁法對多層富水層的探測能力，為礦山防治水工作提供了參考。

瞬變電磁，多層富水層，探測能力，一維正演

0　引言

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM)作為一種新興地球物理勘探手段，具有探測深度大、橫向分辨率高、低阻響應靈敏、抗干擾能力強及工作效率高等傳統勘探方法所不具備的優勢[1]，并且更適用于高阻圍巖中含水充泥斷層裂隙的探測[2-5]。然而，該勘探技術在工程應用中也存在一些棘手問題，其中最為突出的是沿探測深度方向上多層低阻異常的有效性探測問題。如果處理不好這個問題，勢必會給數據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一步推廣應用。

本文通過設計不同地電模型進行正演計算，針對多層富水層的設置，分析比較了各種地層條件下視電阻率及其導數的曲線特征，初步探討了瞬變電磁法對多層富水層的探測能力，為今后進一步研究提供了一定借鑒意義。

1　TEM探測能力理論分析

1.1正演基本原理

利用標量赫茲位與電磁場分量E,H,B,D的關系，便可得到頻率域中電磁場分量的表達式:

經傅里葉變換把頻率域轉換為時間域電磁場表達式，從而得到各項同性水平層狀地表上，由階躍電流激勵在中心點接收的瞬變響應，有如下兩式[6，7]：

最后根據視電阻率定義[8]，得到晚期視電阻率表達式：

1.2正演模擬分析

本文設計了以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，地電模型參數見表1。發射線圈總面積為(60×60)m2，在發射線圈中通入電流I=3 A，接收線圈總面積為4 000 m2，關斷時間取為0，在設置好以上參數后，通過一維正演程序，可以得到相應地電模型的視電阻率曲線(見圖1～圖3)。

表1　一維正演地電模型參數

富水層在視電阻率曲線中的響應特征見表2。

表2　富水層在視電阻率曲線中的響應特征

2　應用實例

2.1地質與地球物理概況

測區屬于郁江向斜東翼中泥盆統東崗嶺階(D2d)灰巖區，整體為一單斜構造，形態單一，巖層傾向158°～180°，傾角12°～18°。該區地面標高一般為27 m～31 m，采坑底最低標高-5 m。測區所在地地表水系較發育，該區三面環河，南面為潯江，河寬水深，流量大，東面為秦川河(潯江支流)，北面為無名河(秦川河支流)。

測區由兩個相鄰采區組成，東側為一區采場，西側為二區采場。目前兩采場部分區域已開采至-5 m，并已停止向下開采。礦山在開采到-5 m臺段后，礦坑出現較大涌水，礦坑周圍出現巖溶塌陷。

由以往地質調查工作可知，一、二區采場礦坑東面有4條巖溶地下水強徑流帶，南面有5條巖溶地下水強徑流帶。該區域地下水位較淺，因而下伏的含導水通道應為充水或充泥特性，屬于低電阻率特征。測區及周邊的巖性較為單一，主要是灰巖，部分存在方解石充填情況。由此可見，該測區具備應用瞬變電磁法來查明已推斷徑流帶準確位置的地球物理前提(見表3)。

表3　礦區巖石等電阻率范圍參考表

2.2應用效果分析

本文僅以一區采場東部地質推斷的巖溶地下水徑流帶為例，來說明瞬變電磁法應用于露天礦山地下多層涌水通道探測的地質效果。

由圖4可知：經處理切除淺地表的“盲區”數據后，該成果圖顯示出該測區地下水徑流帶的空間分布特征。經現場踏勘分析，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，地電信息復雜多樣，是瞬變電磁重點解釋區域；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巖。

對于深度40 m以內的范圍，地電斷面主要分布有兩處低阻異常區。第一處異常區大體分布在深度8 m～18 m的范圍內，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構較破碎，發育貫通性較好的溶隙裂隙等導水儲水構造。深度25 m～30 m范圍為另一處低阻異常區，該層位分布三處異常點，分別處于該深度層位的3 m，12 m及20 m～40 m的測線位置，尤其以第三處異常點空間分布最為明顯，推斷前兩處異常點發育溶隙裂隙的導水儲水構造，第三處異常點發育成熟的導水溶腔構造。此外，與地電斷面上下兩處異常區相比，介于上述兩處異常區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造。

為驗證瞬變電磁探測效果，在圖4所示位置進行鉆孔取芯驗

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處為泥灰巖與破碎灰巖膠結，受大氣降水的地表入滲補給影響，該層位含水率較高，呈低阻，對應圖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巖，且存在溶蝕現象，對應圖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線所測得的低阻異常深度位置基本吻合。

綜上所述，瞬變電磁測線探測成果分析結論與鉆探驗證資料之間存在較高一致性，充分說明了瞬變電磁法應用于2層富水層的探測具有顯著的地質效果。

3　結語

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

由表2可見：理論上，瞬變電磁法對于1層富水層的探測，完全具備探測能力；對于2層富水層的探測，需要合理設置采集參數，才能取得良好的探測效果；但對于3層及3層以上的情況，上部2層富水層的屏蔽影響較嚴重，利用瞬變電磁法開展探測工作較為困難。

實際應用中，瞬變電磁法以點測方式來開展探測工作，對于每一測點來說，瞬變電磁法在探測深度方向上至多能識別出2層富水層，同時，由于每一測點位置所測得的富水層深度位置差異以及瞬變電磁場自身性質(即“環形電流”以一定角度向下向外擴散傳播[9])，使最終得到的視電阻率斷面圖出現多于兩層低阻異常的測點位置。認清這一點，對于今后瞬變電磁法數據解釋工作有一定的指導作用。

[1]牛之璉.脈沖瞬變電磁法及其應用[M].長沙：中南工業大學出版社，1992.

[2]李貅，郭文波，李毓茂.瞬變電磁法在煤田礦井涌水通道勘察中的應用[J].西安工程學院學報，2000,22(3):35-38.

[3]劉樹才，劉志新，姜志海.瞬變電磁法在煤礦采區水文勘探中的應用[J].中國礦業大學學報，2005，34(4):414-417.

[4]伍卓鶴，李新寧，陳泉芳，等.瞬變電磁法在礦產勘查中的應用研究[J].華南地震，2007,27(3):26-43.

[5]李章波，陳露.復雜地形下瞬變電磁法探測多層采空區積水[J].四川地質學報，2015,35(3)：443-447.

[6]羅回國.瞬變電磁大定源回線一維正演模擬研究[D].北京：中國地質大學，2012.

[7]樸化榮.電磁測深法原理[M].北京:地質出版社，1990.

[8]李貅.瞬變電磁測深的理論與應用[M].西安:陜西科學技術出版社，2002.

[9]蔣邦遠.實用近區磁源瞬變電磁法勘探[M].北京：地質出版社，1998.

[10]米薩克 N.納比吉安.勘查地球物理電磁法(第一卷 理論)[M].趙經祥，譯.北京：地質出版社，1992.

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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