瞬變電磁勘探中地形改正技術的研究*

劉 江，許德才，王一凡

(1.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710005；2.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

我國是煤礦水文地質條件最為復雜的地區之一，煤礦水害是僅次于瓦斯災害的第二大煤礦災害性事件。瞬變電磁法勘探對地下水體和煤礦采空區反映靈敏，但由于復雜多變的地質、物性等條件的限制和電法解釋的多解性，影響了電法解釋的精度和可靠性，已不能滿足新形勢的要求。地形影響是瞬變電磁法解釋的難題，理論上可以通過角域校正、比值法等辦法對較簡單的地形起伏變化作校正，但在生產中應用時，野外和室內計算工作十分繁雜，校正效果也不甚理想。為了更好地消除地形變化等干擾因素對資料解釋的影響，提高瞬變電磁勘探的精度，為用戶提供較精確的地質資料，成為一個重要的研究方向。近年來，項目組就側重研究了瞬變電磁勘探中克服地形影響的途徑和方法。

1 地形因素在瞬變電磁資料中的影響

地形對瞬變電磁響應的影響可分為兩大因素：幾何因素、物理因素。幾何因素是指由于地形起伏致發射線框及接收回線(或探頭)與水平面呈角度斜交；物理因素即導電圍巖以及覆蓋層因地形起伏引起響應的改變。目前在野外觀測中，操作人員會盡量保持接收線圈水平面或采用適合的裝置形式以避免幾何因素對瞬變電磁地電響應的影響。在煤田TEM勘探中，由于煤系地層沉積序列穩定，地形變化主要是由于地表風化剝蝕或水體沖刷所致，故在橫向上導電性相對均一。而由于物理因素的影響，瞬變電磁點、線、面解釋圖件反映的異常往往位于地表的凹陷或抬升位置，與地層情況相悖。

1.1 地形因素在單點曲線中的特征

圖1 ρτ-hτ曲線

從圖1可知，1160號測點地表標高為1 459 m，280號測點地表標高為1 335 m，兩點標高差124 m。而曲線在同一標高的水平面(煤系地層)上1160號測點的視電阻也高于280號測點，具有一定的對應性。

1.2 地形因素在剖面上的特征

地形影響在剖面圖上的反映表現為：視電阻率等值線與地形線形態相似，造成“逢山必高”現象，對應于一維曲線特征分析中所說的抬升曲線形式，如圖2所示。

圖2 視電阻率(ρτ)斷面圖

1.3 地形因素在平面上的特征

從圖3可以看到目標層對應深度上的視電阻率的高低與地形對應關系較好。從地形地勢圖看測區西北部的地形標高為全區最高，而煤層頂板視電阻率等值線平面圖的高阻異常條帶也主要分布在測區的西北部，與地形標高相符，但與礦區地質情況相悖。

圖3 視電阻率與地形關系

2 二次電位切線斜率法的可行性

2.1 歸一化二次電壓與視電阻率的低阻異常關系

瞬變電磁法測量時，接收線圈所觀測的感應電壓V2(t)與作用磁場的關系為：

V2(t)=-SRNdB(t)/dt

SR和N分別為接收線圈的有效面積和匝數，因此磁感應強度B(t)的時間導數與V2成正比關系，故接收線圈所觀測到的二次場V2(t)與dB(t)/dt的波形是一致的，如圖4所示。

圖4 磁感應強度與時間的關系

圖4說明良導體比一般導體的dB(t)/dt或V2(t)衰減較慢，曲線斜率值較小。在瞬變電磁測深測量中，時間道與探測深度是成正相關的，故二次電位衰減曲線(V2～H)與V2～(t)的形態也是相似的。因此，在地下某一時間道對應的探測深度上，曲線(V2～H)的斜率K越小，則該深度上視電阻率越低。在某一地質層位上，斜率K的低值異常與視電阻率的低阻異常相對應。

2.2 有限元法分析

根據有限元法原理，在“煙圈”效應影響范圍內，可將地下半空間的地質體劃分成許多小“環帶”，各“環帶”單元感應電位值疊加運算后，則可得到該測點的總二次電位值，即為接收回線在某一時間道觀測到的二次電位值。

在一個測區進行瞬變電磁測量時，在某一時間道對應的探測深度上的二次電位值V2真，可以用地質體產生的電位差V2巖和由地形影響產生的電位差(干擾電位差)V2擾疊加形成。

可以分析切線斜率K僅與測點下地質體產生的電位差V2巖相關，而與地形影響產生的電位差(干擾電位差)無關。

3 二次電位切線斜率法在地形改正中的地質效果

3.1 一維曲線特征分析

該測點位于鉆孔附近，鉆孔揭露第四系厚7.51 m，3#煤埋深594.31 m，15#煤埋深719.08 m，奧灰頂界面埋深約738.78 m。從圖5中可以看出瞬變電磁對于煤系地層中主要電性層位均有較明顯的分層標志，實測曲線9～12 ms段曲線下降較緩，對應于轉換曲線中段538～570 m明顯的低阻層，是3#煤上覆泥、砂巖互層的電性反映；698～786 m處上升幅度較緩平臺為15#煤與本溪組泥巖的電性反映；尾部上升斜率明顯增大，說明已穿透煤系地層，進入下伏奧灰巖地層，特征與地質資料吻合。

圖5 某測點的實測及轉換曲線

3.2 二維視電阻率斷面特征分析

從圖6可以看出，視電阻率變化特征在縱向上呈現的是由煤系地層的較低阻至奧灰的高阻地層；在橫向上視電阻率基本呈水平層狀，反映了地層層狀分布的特點，局部地段出現高角度的低阻梯度帶結構及高阻和低阻等值線繞曲特征，分析為X131、X132陷落柱及其所形成的裂隙帶富含水所致，與三維地震資料結果一致。

圖6 地形改正后的視電阻率(上)及地質解釋斷面圖(下)

3.3 平面成果

圖7 某深度視電阻率等值線平面圖(左)和頂板砂巖含水異常平面圖(右)

由圖7易知，平面上整體電性平穩，大部等值線顏色基本趨近，可見本區原始數據地形校正效果顯著，結合水文地質和鉆孔資料分析，圈定了低阻異常區；并將異常放在煤層底板構造圖上，由于切線法為比值處理，對數據干擾有一定的壓制效果，圈定的富水異常主要集中在測區的向斜軸部，同時也位于測區內主要構造背斜的兩翼，與礦井地質資料吻合。

4 結語

在瞬變電磁法勘探工作中，運用二次電位衰減曲線的切線斜率代替視電阻率參數進行資料處理和解釋，基本消除地形變化等干擾因素對解釋的影響，地質效果顯著，使得資料處理結果與實際地層更相符，一定程度上解決了水文地質的精細勘探問題，可為礦區的水害防治提供技術支持，為煤礦防治水提供了水文物探依據。