瞬變電磁法在煤田含水層普查中的應用

李宇剛

(陜西省一三一煤田地質有限公司，陜西 韓城 715400)

0 引言

陜西能源趙石畔煤電一體化項目位于國家規劃的榆橫礦區南區橫山縣雷龍灣鎮境內。井田地處毛烏素沙漠東南緣與陜北黃土高原接壤地帶，地表基本被第四系松散沉積物所覆蓋，沿無定河及井田內主要溝谷中有白堊系洛河砂巖零星出露。井田位于鄂爾多斯盆地之次級構造單元陜北斜坡中南部，地質構造簡單，本區總體構造形態為一NWW向傾斜的單斜層，傾角小于1°，局部發育寬緩的波狀起伏，區內無巖漿活動痕跡。井田水文地質條件特征是風積沙廣厚分布，地表水不甚發育。根據地下水的埋藏條件，含水層的富、透水性及充水空間的性質，區內地下水可分為松散沉積層孔隙水、基巖裂隙孔隙潛水和基巖裂隙承壓水3種類型。

為了探查區域內3號煤上覆各主要含水層的富水性及其在平面和垂向上的變化情況，以及白堊系洛河組富水區的具體分布范圍及富水性變化規律，需對趙石畔煤礦首采盤區地面進行瞬變電磁勘探工作。

1 數據采集與分析

1.1 儀器設備與參數

瞬變電磁法探測試驗施工使用的儀器為中國地質大學(武漢)高科資源探測儀器研究所生產的CUGTEM-8型資源勘查型瞬變電磁儀。該儀器對高、低阻異常體反應特別靈敏、體積效應小、縱橫向分辨率高，具有施工快捷、效率高等優點。瞬變電磁儀系統可以通過加大發射功率的方法增強二次場，提高信噪比，加深勘探深度[1-3]；通過多次脈沖激發場的重復測量疊加和空間域多次覆蓋技術的應用提高信噪比，可應用于各種工作復雜、噪聲干擾大的施工環境[4-6]，最大有效勘探深度能達到1 000 m。

1.2 試驗工作

1.2.1 試驗目的

試驗工作的主要目的是了解勘探區的地電條件、施工條件、干擾背景以及勘探區的地球物理特征等，通過試驗工作的有效性，以便選擇最佳工作方法和裝置參數；試驗點選擇在已知的鉆孔附近具有代表性的地段進行。工作參數及工作裝置選擇是否合理將直接影響到觀測的結果，不合適的工作參數可能會費工費時而觀測到的數據質量很差，直接影響資料的解釋甚至影響地質任務的完成，通過試驗選擇合理的工作參數是進行外業采集的前提[7-10]。

1.2.2 試驗內容

根據設計要求，本次試驗內容主要是檢驗儀器的穩定性、一致性、確定區內最佳的施工參數。探測效果推斷方面，對試驗數據做初步的正反演算推斷，結合實際地質資料，推斷探測效果并做必要的參數調整，確保所選取的施工參數能夠滿足最大的探測深度要求和對目標層、目標體的分辨率。

1.2.3 試驗地點選擇

根據已知地質資料與地形地物條件，選擇勘探區內具有代表性的地段完成試驗，選擇J3井檢孔附近。這主要是由于該處地形含溝壑、山包，基本代表了整個勘探區的地形特征，且J3為井筒檢查孔，有已知地質資料可參考。

1.3 探測效果分析

本次瞬變電磁法設計測線205條，其中坐標點16 469個，含基本瞬變點13 916個，加密點2 553個；檢查點660個，試驗點50個，總計物理點17 179個。不同巖層具有不同的導電性，一般泥巖、粉砂巖、中粗砂巖、礫石層、煤層的電阻率值依次增高。煤系地層有層狀分布特點，在橫向上導電性相對均一，縱向上視電阻率的變化規律基本一致。在致密完整的情況下，巖層電阻率相對較高，如果巖層中有充水裂隙等構造存在，或受斷層切割，破碎帶含水、導水時，由于水體良好的導電性，使該巖層與圍巖產生明顯的電性差異。試驗線選擇在位于井檢孔J3附近，總長100 m，共11個測點，試驗線如圖1所示。可以看出，在標高1 100～1 200 m視電阻率較高，阻值為100～160 Ω·m；在標高1 000～1 100 m視電阻率較低，阻值為0～80 Ω·m；在標高900～1 000 m視電阻率較高，阻值為100～160 Ω·m；在標高800～900 m視電阻率逐漸增大，阻值為120～200 Ω·m；在標高700～800 m視電阻率逐漸增大，阻值為160～260 Ω·m。

圖1 試驗線成果Fig.1 Test line results

結合J3鉆孔資料可知，標高1 156 m以上為地表松散層，地表松散層富水性弱，電阻率一般呈現高阻。標高1 026～1 156 m為洛河組，洛河組為強含水層，視電阻率較低。894～1 026 m為安定組，安定組富水性弱，視電阻率一般呈現高阻，797～894 m為直羅組，直羅組為弱富水層，視電阻率呈現高阻，719～797 m為延安組，延安組為弱富水層，電阻率呈現高阻。

2 瞬變電磁勘探成果

2.1 成果解釋

一般情況下，當正常地層中含水時，其電阻率值較不含水時偏低，含水性越強，其電阻率值越低。瞬變電磁法勘探用于解釋的參數即是與電阻率密切相關的視電阻率，該物性基本上可以反映地層的電性變化情況。依據本次瞬變電磁法勘探工作的地質任務和目的，繪制了所有測線的視電阻率斷面圖，標高1 050 m(洛河組)、950 m(安定組)、850 m(直羅組)730 m(3號煤層)等深度視電阻率切片圖以及瞬變電磁視電阻率切片對比圖，各等值線圖的色標均統一調整，以突出高、低視電阻率異常區域。視電阻率顏色色標使用藍色、青色、綠色、黃色、紅色表示由低阻到高阻進行標注。在對異常區的推斷解釋中，采用斷面圖與切片圖相結合、物探成果與地質成果相結合的方法。

2.2 視電阻率斷面圖綜合分析

本次瞬變電磁勘探工作共完成測線205條，經資料處理和解釋的反演獲得斷面圖205幅，下面對本次完成的部分具有代表性的斷面圖予以解釋。

2.2.1 112線瞬變電磁視電阻率斷面

從圖2可以看出，整個剖面視電阻率在橫向上變化不大，在縱向上從高到低基本呈現高—低—高趨勢，在標高1 100 m以上基本呈現高阻，阻值為120～180 Ω·m，標高1 000～1 100 m呈現低阻，阻值為0～80 Ω·m，標高700～1 000 m呈現高阻，阻值為100～260 Ω·m，且從上到下視電阻率逐漸增高。結合地質資料可知，測區內地層較穩定，地表為松散層，視電阻率較高，標高1 000～1 100 m為洛河組，富水性較強，視電阻率較低，標高1 000 m以下從淺到深依次為安定組、直羅組、延安組，富水性弱，視電阻率較高且從上到下逐漸增高。

圖2 112線瞬變電磁視電阻率斷面Fig.2 Section of transient electromagnetic apparent resistivity of line 112

2.2.2 140線瞬變電磁視電阻率斷面

從圖3可以看出，整個剖面視電阻率在橫向上變化不大，在縱向上從高到低基本呈現高—低—高趨勢，在標高1 100 m以上基本呈現高阻，阻值為100～180 Ω·m，標高1 000～1 100 m呈現低阻，阻值為0～80 Ω·m，標高700～1 000 m呈現高阻，阻值為100～280 Ω·m，且從上到下視電阻率逐漸增高。結合地質資料可知，測區內地層較穩定，地表為松散層，視電阻率較高，標高1 000～1 100 m為洛河組，富水性較強，視電阻率較低，標高1 000 m以下從淺到深依次為安定組、直羅組、延安組，富水性弱，視電阻率較高且從上到下逐漸增高。

圖3 140線瞬變電磁視電阻率斷面Fig.3 Section of transient electromagnetic apparent resistivity of line 140

2.2.3 164線瞬變電磁視電阻率斷面

從圖4可以看出，整個剖面視電阻率在橫向上變化不大，在縱向上從高到低基本呈現高—低—高趨勢，在標高1 100 m以上基本呈現高阻，阻值為100～160 Ω·m，標高1 000～1 100 m呈現低阻，阻值為0～80 Ω·m，且在橫向上從小到大阻值逐漸增高，標高700～1 000 m呈現高阻，阻值為100～240 Ω·m，且從上到下視電阻率逐漸增高。結合地質資料可知，測區內地層較穩定，地表為松散層，視電阻率較高，標高1 000～1 100 m為洛河組，富水性較強，視電阻率較低，標高1 000 m以下從淺到深依次為安定組、直羅組、延安組，富水性弱，視電阻率較高且從上到下逐漸增高。

圖4 164線瞬變電磁視電阻率斷面Fig.4 Section of transient electromagnetic apparent resistivity of line 164

2.3 平面切片圖分析

2.3.1 1 050 m等深度視電阻率切片

從圖5可以看出，在標高1 050 m處，全區視電阻率基本呈現低阻，從左下方到右上方視電阻率逐漸增高。左下方視電阻率較低，阻值為0～60 Ω·m，右下方視電阻率相對較高，阻值為0～80 Ω·m，中部視電阻率逐漸增高，阻值為60～100 Ω·m，上部視電阻率相對最高，阻值為100～120 Ω·m。在右下方存在兩處相對低阻區SP1、SP2，分別位于112～115線，420～520號點；112～142線，528～564號點，面積分別約為0.4 km2、0.04 km2。結合地質資料可知，標高1 050 m基本處于洛河組內，洛河組砂巖富水性強，視電阻率較低，其厚度由東北部向西南方向逐漸增厚，平均厚度為79.67 m。含水層為發育大型交錯層理的中細粒長石砂巖，質地疏松，孔隙度大，補給條件優越，地下水的賦存條件好，因此，推斷勘探區內由東北到西南洛河組砂巖富水性逐漸增強，兩處相對低阻區推斷是由于洛河組裂隙水富集所致。

圖5 1 050 m等深度視電阻率切片Fig.5 Slice of 1 050 m equal depth apparent resistivity

2.3.2 950 m、850 m等深度視電阻率切片

從圖6可以看出，在標高950 m，全區視電阻率變化均勻，基本呈現高阻，阻值為120～280 Ω·m，結合地質資料可知，標高950 m基本處于安定組，安定組下部巖性主要為淺紫紅色、灰綠色中厚層狀中細粒長石砂巖，發育水平層理。上部為紫、暗紫紅色泥巖、粉砂質泥巖夾紫紅色粉砂巖、中-細粒長石砂巖韻律層，富水性弱，一般視電阻率較高，為良好的隔水層。在標高850 m，全區視電阻率基本呈現高阻且變化均勻，阻值為100～200 Ω·m，結合地質資料可知，標高850 m基本處于直羅組，巖性以灰白-淺灰白色中(細)粒砂巖和淺灰綠色粉砂巖、泥巖為主，直羅組為弱富水層，視電阻率一般較高。

圖6 950 m、850 m等深度視電阻率切片Fig.6 Slice of 950 m and 850 m equal depth apparent resistivity

2.3.3 730 m等深度視電阻率切片

從圖7可以看出，在標高730 m，全區視電阻率基本呈現高阻，阻值為120～240 Ω·m，該圖在208～224線，400～428號點存在一處相對低阻區SP1，面積約為0.06 km2。結合地質資料可知，勘探區范圍內，標高730 m處為3號煤，3號煤層為主要可采煤層，其頂板直接充水含水層為冒落帶內的延安組第四段底砂巖(真武洞砂巖)，間接充水含水層為導水裂縫帶內直羅組底砂巖(七里鎮砂巖)，延安組、直羅組皆為弱富水層，視電阻率較高。因此，推斷其低阻異常是由于延安組砂巖裂隙水富集所致。

圖7 730 m等深度視電阻率切片Fig.7 Slice of 730 m equal depth apparent resistivity

2.4 切片對比圖綜合分析

為了說明勘探內3號煤上覆各主要含水層相互間的水力聯系，對標高1 050 m(洛河組)、950 m(安定組)、850 m(直羅組)、730 m(3號煤層)進行對比分析，如圖8所示。可以看出，在標高1 050 m，全區視電阻率基本呈現低阻，從西南方到東北方視電阻率逐漸增高，東南方視電阻率較低，阻值為0～40 Ω·m，西南方視電阻率相對較高，阻值為40～80 Ω·m，中部視電阻率逐漸增高，阻值為60～100 Ω·m，東北部視電阻率相對最高，阻值為80～100 Ω·m；在標高950 m，全區視電阻率變化均勻，基本呈現高阻，阻值為120～280 Ω·m；在標高850 m，全區視電阻率基本呈現高阻，阻值為100～200 Ω·m；在標高730 m，全區視電阻率基本呈現高阻，阻值為120～240 Ω·m。

圖8 瞬變電磁視電阻率切片對比Fig.8 Comparison of transient electromagnetic apparent resistivity slices

結合地質資料可知，標高1 050 m基本處于洛河組內，洛河組砂巖富水性強，視電阻率較低，其厚度由東北部向西南方逐漸增厚，平均厚度79.67 m。含水層為發育大型交錯層理的中細粒長石砂巖，質地疏松，孔隙度大，補給條件優越，地下水的賦存條件好；標高950 m基本處于安定組，安定組下部巖性主要為淺紫紅色、灰綠色中厚層狀中細粒長石砂巖，發育水平層理。上部為紫、暗紫紅色泥巖、粉砂質泥巖夾紫紅色粉砂巖、中-細粒長石砂巖韻律層，富水性弱，一般視電阻率較高，為良好的隔水層；標高850 m基本處于直羅組，巖性以灰白-淺灰白色中(細)粒砂巖和淺灰綠色粉砂巖、泥巖為主，直羅組為弱富水層，視電阻率一般較高；標高730 m處為3號煤，3號煤層為主要可采煤層，其頂板直接充水含水層為冒落帶內的延安組，間接充水含水層為導水裂隙帶內直羅組，延安組、直羅組皆為弱富水層，視電阻率較高，由此可以推斷洛河組裂隙水與下部直羅組延安組并未導通，對下部含水層影響不大。

3 結論

(1)通過本次工作確定區域內3號煤上覆各主要含水層有洛河組、安定組、直羅組，其中洛河組富水性較強，安定組和直羅組富水性較弱。

(2)結合平面切片圖及切片對比圖推斷，3號煤上覆地層洛河組裂隙水與下部直羅組延安組并未導通，對下部含水層影響不大。

(3)結合后期水文鉆孔資料驗證，本次施工所得結論較為準確，基本完成了本次勘探任務，可以為礦方進行下一步工作提供參考。通過本次工作證明，瞬變電磁法在煤田含水層普查的作用是明顯的、可靠的。