基于可控源音頻大地電磁法的富水性研究

周 耀，唐維峰，魏勇

(1．河南省地球物理空間信息研究院；2．河南省地下工程探測(cè)信息工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450000)

在煤礦開采和礦井的掘進(jìn)過程中，地下斷層、斷裂破碎帶等在地表雨水下滲以及地下水的填灌下極易造成大量地下水涌入坑道，造成淹井、煤層頂板塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，不僅會(huì)給煤礦帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，而且極大地威脅煤礦工作人員的生命安全[1]。及時(shí)而準(zhǔn)確的探明煤礦富水異常區(qū)域，能夠有效避免災(zāi)害性突水，更好的提出煤礦開采防治水方案，從而保證煤礦產(chǎn)區(qū)的生命財(cái)產(chǎn)安全。

本次勘探區(qū)位于中朝淮地臺(tái)南緣，魯西隆起南部。研究區(qū)內(nèi)所見地層由老到新依次為奧陶系、石炭系本溪組、太原組、二疊系山西組、上下石盒子組及第四系。研究區(qū)的斷裂和斷層較為發(fā)育，主干斷裂有延展長(zhǎng)、落差大等特點(diǎn)。而研究區(qū)內(nèi)的19條斷層中，僅有2條落差小于30m。水文地質(zhì)方面，研究區(qū)位于淮北平原水文地質(zhì)單元區(qū)，地下水類型可劃分為新生界松散巖類含(隔)水層組、二疊系碎屑巖類含(隔)水巖組、石炭系灰?guī)r巖溶含水巖組及細(xì)碎屑巖(隔)水巖組以及奧陶系碳酸鹽巖巖溶含水巖組4個(gè)含(隔)水層組。其中，間接充水水源為第四系松散層三含或四含砂層水，富水性不等。而且該層直接覆蓋于煤層之上，在斷層裂隙發(fā)育的區(qū)域可能會(huì)發(fā)生涌水或出水，是影響生產(chǎn)及安全的主要因素之一。同時(shí)，太原組灰?guī)r水可能會(huì)通過導(dǎo)水裂隙進(jìn)入礦井，影響礦井的生產(chǎn)及安全。最后，在研究區(qū)東部及南部由于落差較大的邊界斷層存在，煤系地層可能與奧陶系灰?guī)r地層對(duì)接，而奧陶系灰?guī)r水往往通過導(dǎo)水?dāng)鄬雍拖萋渲蔀榈V井水害的根源。研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件較為特殊，目的地層深淺范圍較大，需要可以采集低頻信號(hào)，以滿足研究區(qū)內(nèi)勘探深度要求，同時(shí)亦可兼顧深淺變化較大的要求。

1 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是在大地電磁法(MT)的基礎(chǔ)上，針對(duì)解決大地電磁法場(chǎng)源的隨機(jī)性強(qiáng)和信號(hào)微弱而發(fā)展成的一種人工場(chǎng)源電磁測(cè)深方法。該方法由于使用了人工信號(hào)源，與大地電磁法(MT)相比，能夠壓制干擾，采集到高品質(zhì)的數(shù)據(jù)；該方法具有勘探深度大、快速高效、橫向分辨力高等優(yōu)點(diǎn)[2]。近十年是CSAMT測(cè)量事業(yè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期，除了方法理論更加成熟，儀器設(shè)備也更先進(jìn)，數(shù)據(jù)處理和反演技術(shù)更加完善，同時(shí)，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展，在深部構(gòu)造、油氣探查、地?zé)帷⒚禾锾綔y(cè)、固體礦產(chǎn)深部找礦、水文、工程、環(huán)境地質(zhì)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，取得了豐碩的成果[3]。

2 基于可控源音頻大地電磁法的富水性研究

2.1 單點(diǎn)分析

為了更加有效的利用現(xiàn)有的鉆孔資料，本次研究在典型的鉆孔附近進(jìn)行了單點(diǎn)視電阻率分析。在單點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果中(以10-1鉆孔為例)，視電阻率曲線整體呈現(xiàn)A型曲線，見圖1。

圖1 視電阻率單值曲線

通過對(duì)比鉆孔資料分析，結(jié)果表明：第四系底部視電阻率值最低，隨著深度增加視電阻率緩慢上升。在進(jìn)入二疊系下石盒子組，視電阻率等值線逐漸平滑，下部穿透梁花園滑脫斷層破碎帶后，視電阻率上升趨勢(shì)明顯，見表1。

表1 10-1鉆孔視電阻率電性對(duì)比(鉆孔編號(hào)10-1)

隨后，對(duì)于研究區(qū)內(nèi)其他7個(gè)鉆孔也做了相應(yīng)的測(cè)量分析，分析結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)的各層位視電阻率相近。以第四系底部的視電阻率為例，無論是最大值或最小值，其相差都在10Ω·m以內(nèi)，見圖2。

圖2 研究區(qū)內(nèi)第四系地板視電阻率對(duì)比

2.2 順層切片特征分析

結(jié)合7號(hào)、8號(hào)煤層等高線數(shù)據(jù)，本次研究繪制了7號(hào)、8號(hào)煤層頂板上30m、10m以及底板和底板下10m、30m、50m、70m的視電阻率切片。以繪制7號(hào)煤層視電阻率切片為例，將切片分為兩組進(jìn)行討論。第一組為煤層頂板上30m、10m以及底板和底板下10m的切片所組成，此區(qū)域富水異常主要和斷層有關(guān)，見圖3。圖中用白色橢圓標(biāo)記的區(qū)域?yàn)榈鸵曤娮杪十惓^(qū)域。在7號(hào)煤層視電阻率切片區(qū)域內(nèi)的西部，煤層露頭和經(jīng)過該區(qū)域內(nèi)的F16斷層下盤，視電阻率明顯較低。其原因可能是煤層露頭與下覆第四系地層存在直接接觸以及與第四系底部含水層產(chǎn)生直接的水力聯(lián)系，從而對(duì)煤層區(qū)域的底板有直接的補(bǔ)給作用，從而造成了富水異常。該區(qū)域的北部，除F1+2逆斷層上盤存在非常明顯的視電阻率異常外，其他區(qū)域異常不明顯。

圖3 7號(hào)煤層頂?shù)装逡曤娮杪薯槍忧衅?A)

第二組為7號(hào)煤層底板下30m、50m以及70m切片組成，此區(qū)域富水異常主要和巖性有關(guān)，見圖4。該系列切片所經(jīng)過的區(qū)域主要巖性為奧陶系灰?guī)r，整體視電阻率呈現(xiàn)中低阻，部分與梁花園滑脫斷層相接區(qū)域呈現(xiàn)中高阻，北部風(fēng)氧化帶下部呈現(xiàn)低阻。

圖4 7號(hào)煤層頂?shù)装逡曤娮杪薯槍忧衅?B)

2.3 視電阻率斷面分析

本次研究工作在研究區(qū)內(nèi)共鋪設(shè)了38條測(cè)線，結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料，完成各地層在視電阻率斷面圖上進(jìn)行標(biāo)定工作，以便于更好地對(duì)各測(cè)線進(jìn)行視電阻率斷面特征分析。

以第25條測(cè)線的視電阻率斷面為例，從縱向上看，視電阻率隨深度增加而逐漸變大，各地層層狀明顯。從橫向上看，由西向東方向上，相同深度的視電阻率隨著測(cè)量點(diǎn)號(hào)的增大呈現(xiàn)逐漸減小，同一地層視電阻率隨點(diǎn)號(hào)的增大視電阻率呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)。7號(hào)煤層和10號(hào)煤層區(qū)域存在幾處較為明顯的視電阻率等值凹陷區(qū)域，分別用白色實(shí)線橢圓和白色虛線橢圓標(biāo)出，見圖5。

圖5 第25測(cè)線視電阻率斷面

在360～400測(cè)量點(diǎn)的-100m標(biāo)高附近，10號(hào)煤層視電阻率明顯較低，導(dǎo)致該異常的原因是距離煤層露頭區(qū)域較近，與上覆第四系地層可能存在水力聯(lián)系。在480點(diǎn)～520點(diǎn)-400m標(biāo)高附近，位于F16斷層上盤的10號(hào)煤層底板等值線附近視電阻率等值線有明顯凹陷，推斷原因?yàn)镕16斷層上盤的10號(hào)煤層通過F16斷層與下盤灰?guī)r相接觸，導(dǎo)致上下盤直接存在水力聯(lián)系。在640～760測(cè)量點(diǎn)之間，7號(hào)煤層底板-500m標(biāo)高附近視電阻率等值線存在明顯異常區(qū)域，為底板存在異常區(qū)域。在680～800測(cè)量點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)，10號(hào)煤層底板-600m標(biāo)高附近視電阻率等值線存在明顯凹陷，為10號(hào)煤層富水異常區(qū)。在840～1 000測(cè)量點(diǎn)之間-500m～-700m標(biāo)高，視電阻率等值線凹陷異常明顯，根據(jù)地質(zhì)資料，此處應(yīng)為梁花園滑脫斷層作用區(qū)域，綜合分析為破碎異常區(qū)。

2.4 綜合分析

通過順層切片以及視電阻率斷面分析，結(jié)合單點(diǎn)測(cè)量、研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)、鉆孔資料可以看出，當(dāng)斷層兩盤為脆性可溶性巖石時(shí)，斷裂以及在其影響下，裂隙發(fā)育，而且具有良好的透水性；當(dāng)斷裂兩盤為脆性不可溶性巖石時(shí)，斷層兩側(cè)往往發(fā)育有張性較好的裂隙，具有較好的透水性；當(dāng)斷層兩盤為柔性巖石時(shí)，斷層破碎帶多被低滲透性的泥質(zhì)成分充填，孔隙、裂隙率低，斷層面閉合，一般不導(dǎo)水或?qū)詷O弱。

3 結(jié)論

①斷層的錯(cuò)斷與滑動(dòng)，導(dǎo)致巖層裂隙增大，同時(shí)滑動(dòng)斷層與第四系地層直接接觸有利于地表水和地下水對(duì)下賦地層進(jìn)行補(bǔ)給，形成低視電阻率富水異常區(qū)。②奧陶系上部灰?guī)r受到滑脫斷層的影響，富水異常明顯。而太原組灰?guī)r，除斷層影響外，相對(duì)穩(wěn)定。 ③研究區(qū)內(nèi)的斷層可成為地表水下滲以及地下水流動(dòng)的通道，在由斷層造成的巖層破碎帶極易形成低視電阻率富水異常區(qū)。所以，斷層是研究區(qū)內(nèi)富水異常形成的主控因素。 ④利用可控源音頻大地電磁法，結(jié)合鉆孔資料進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，進(jìn)而約束順層切片和視電阻率斷面的特征分析，效果良好，為煤礦富水性研究提供了一種新的勘探思路。