地空電磁-核磁共振聯測方法在地層富水性探測中的應用與研究

郭 源

(中煤平朔集團有限公司地質測量中心,山西 朔州 036000)

地空電磁探測是利用飛機平臺搭載電磁勘探設備的地球物理勘查技術。由于該方法采用飛行平臺作為搭載裝置,無需地面人員接近勘查作業區,特別適合高山、沙漠、湖泊沼澤、森林覆蓋等地形復雜地區。國外航空電磁勘查自20世紀50年代開始發展,目前已形成時間域和頻率域、主動源和被動源、固定翼和直升機吊艙平臺的系列航空電磁勘查系統。應用領域由傳統的金屬礦產和油氣資源勘查,發展到包括環境工程、地下水和地熱資源、海洋地形調查、極地研究等應用領域。國內20世紀70年代曾發展過航空電磁系統,曾研制出了固定翼頻率域和時間域航空電磁系統。90年代由于地質行業蕭條,航空電磁系統的開發基本處于停滯狀態。隨著國家經濟高速發展,對復雜地形區域大深度探測需求的不斷增加,最近10年內,地空電磁方法逐步得到發展。然而,國內外學者對地空電磁探測的理論研究和應用主要集中在時間域地空電磁探測方法,頻率域電磁測量方法的研究較少。近幾年,李世平等[1]在露天礦地下水勘察中,對地、空協同時頻域電磁法稍有研究。

核磁共振技術已經廣泛應用于對地下水資源勘探以及對災害水調查評估工程中。早在20世紀,國外已經申請了核磁共振的相關專利,并初步實現了對野外實測數據的計算。21世紀初期,國外進行了基于核磁共振原理的地下水探測方法直接得到含水體含水率大小、孔隙度以及滲透性等信息的計算研究。國內對核磁共振法探測地下水的研究起步較晚,主要是潘玉玲等[2]對核磁共振技術進行了應用和推廣,林君等[3]研制了國內自主知識產權的JLMRS型核磁共振地下水探測儀,在全國范圍內得到了廣泛應用。然而,國內核磁共振技術計算方法的研究還相對較少,蔣川東等[4]在國內率先研究了二維陣列線圈磁共振地下水探測正演理論,并提出了陣列式線圈的工作模式,但計算方法的研究相比國外仍然有較大差距。近幾年,國內科研院所對橫向約束理論和分塊計算方法進行研究,研究了核磁共振技術計算新方法,完成擬二維分塊式計算方法的原理研究,彌補了國內在計算方法上的不足。

隨著經濟的快速增長,對復雜地形區域大深度探測需求的不斷增加,以及地層富水對煤炭生產安全的危害。為落實有關防治水規定,切實實現露天礦規劃采剝區水害的探查、預防與治理。基于研究區地理地質條件,在工作區域高壓電線、露天大型裝備強干擾、礦區復雜地形、高背景電阻率等特殊情況下,研究地空電磁-核磁聯測探測效果以及實用性,為露天礦含水區探測提供一種新型快速探測方法。經過綜合分析以及對采集數據的反演,可獲取相關水文地質信息,對煤礦企業的安全生產具有重要的指導意義和實用價值,經濟效益巨大,社會效益顯著。

1 探測范圍及方法

1.1 探測范圍

本次探測工作區域如圖1所示。圖中黑粗單線部分為地空方法中地面布設的發射源位置,電極A與電極B,發射導線長度為1.7 km;黑色線框區域為實際測量區域,由1、2、3、4四個頂點確定,具體坐標不做表述。測量區域東西長約900 m,南北寬約1 000 m,總面積約0.9 km2。

圖1 測區位置示意圖Fig.1 Location of the survey area

針對含水區對煤炭生產安全的危害,驗證地空電磁-核磁共振聯測探測方法,在該區域的探測效果和適用性,重點驗證在工作區域高壓線、露天大型采掘裝備強干擾、礦區復雜地形、高背景電阻率等特殊情況下,地空電磁-核磁共振聯測探測方法對含水層的分辨的能力和效果。

1.2 探測方法及原理

地空電磁-核磁共振聯測方法,通過電阻率參數粗略但快速地圈定地下采空區的整體范圍,通過磁場信號的幅值和衰減變化參數,直接反映地下含水情況,從而圈定地下含水區。

1.2.1地空電磁探測工作原理

地面和空中的電磁探測工作原理如圖2所示。該系統以超大功率的電性源發射作為激勵場源,頻率可根據需要調整,可有效激發深部異常體,從而垂向探測含水層;利用發射電極深部接地技術、接地耦合匹配技術,達到極低的接地電阻,實現超大電流發射,增強接收信號;利用雙源多頻偽隨機波實現時頻同時發射,以及多個應用頻點的一次全覆蓋。將接收系統吊載在無人飛行器上,通過控制飛行速度和飛行測線,可以實現密集頻點測量。空中測量方式可實現復雜地形區域等人力難以進入的區域的測量,受地形影響小,勘探效率更高,與地面相比勘探分辨率更高等優點。

圖2 地面和空中電磁探測工作原理Fig.2 Working principle of ground-air electromagnetic detection method

1.2.2地面核磁共振工作原理

核磁共振工作原理如圖3所示。向鋪在地面上的線圈(發射線圈)中供入頻率為拉摩爾頻率的交變電流,在地中交變電流形成的交變磁場激發下,使地下水中氫核形成宏觀磁矩。這一宏觀磁矩在地磁場中產生旋進運動,其旋進頻率為氫核所特有。在切斷電流脈沖后,用同一線圈(接收線圈)拾取由不同激發脈沖矩激發產生的信號,該信號呈指數規律衰減,信號的強弱或衰減快慢直接與水中質子的數量有關,即該信號的幅值與所探測空間內自由水含量成正比。因此,構成了一種直接探測地下水信息的技術,形成了地面核磁共振探測地下水信息的方法。

利用順磁氫質子可以產生核磁共振松弛現象的原理,對于地下介質中主要出現在水分子中的氫離子,只要檢測到磁共振信號就可以證明檢測點地下水的存在[5-10]。通過核磁共振響應與反演軟件進行配合,可以迅速得到被測工區的地下水層深度、含水量以及滲透率等地下水文信息,通過水文參數確定含水采區,同時可評估地下0～100 m深度的地質水文信息。

圖3 地面核磁共振工作原理Fig.3 Working principle of NMR detection method

2 探測方案、裝備與施工情況

2.1 地空電磁探測方案

采用地空電磁探測方法,在選定的探測區域開展全面探測。如圖4所示,在測區分為北部區域、中部區域A組、中部區域B組和南部區域4個部分,測區內測線以東西方向平行布設,設計測線50條,實際飛行測線46條,獲取有效數據測線30條,長度為30 km。

圖4 測區測線布排與區域分組示意圖Fig.4 Layout and grouping of survey areas and survey lines

地空電磁探測裝備由地面單元與空中單元組成,如圖5所示。地面單元以大功率發射裝備為主,空中單元以6旋翼無人機飛行平臺為主體,近地搭載接收線圈飛行。根據對深度的不同要求,經過多次試驗對比分析,確定采用適宜的參數。無人飛行平臺的航跡可按照要求任意設定,限于篇幅具體參數本人不做詳細介紹。

圖5 地空電磁探測系統Fig.5 Ground-air electromagnetic detection system

2.2 地面核磁共振探測方案

核磁共振探測裝備由發射裝置與接收裝置組成,如圖6所示。在地空電磁探測結果的基礎上,利用地面核磁共振技術進一步探測,對低阻區異常特性來源是否為地下水進行辨認。地面核磁共振探測共布置3個測點,布設于地空電磁探測方法確定的疑似異常區中,進行低阻異常富水特性驗證。

圖6 核磁共振探測儀器Fig.6 NMR detection equipment

3 數據處理與解釋

3.1 地空電磁探測成果解釋

數據采集結束后,對測量數據按測線進行了歸類整理、分析。根據視電阻率曲線繪制各測線的視電阻率擬斷面圖。最終,通過視電阻率圖中低阻分布區域,并結合實際的地形因素確定疑似含水區域。

本次試驗疑似含水區域的判定標準為多條測線共同反應低阻通道,特別是在地表淺部具有明顯的低阻特征與地表海拔高度相對較低區域重合的位置。本文選擇中部區域A組進行解釋,測線為L21～L28,如圖4所示。該組區域測線測量比較完整,在空間位置上相近。

中部區域A組測線的視電阻率成像如圖7所示。由于測區內8條測線的位置平行且靠近,各條測線的視電阻率分布形態相似。在視深度0～170 m范圍內均呈現為低阻分布,在大于170 m的深度中,電阻率較高。在高阻分布中,右側電阻率等值線線上凸起。整體上,高低阻呈層狀分布比較明見,高低阻分界面相對平整。對于中淺部低阻分布,測線右側呈現高低阻間隔分布,低阻分布由地表延伸至地下中等深度,其中L24、L25和L26測線的電阻率較低。在測線中間位置,低阻區域呈現大面積的連通分布,其中L25測線的電阻率值最低。在測線右側,地表淺部區域呈現弱高阻分布,在中部則有相互連通的低阻分布,并且這種分布在各條測線上均有顯示,在電阻率分布上表現為含水特征。

圖7 L21-L28測線視電阻率成像Fig.7 Apparent resistivity imaging of L21-L28

將各條測線的視電阻率反演結果與實際的地形情況相結合,推測中部區域A組的疑似含水情況如圖8所示。雖然各條測線的中部區域均表現出低阻特征,但是其在地形上分布與緩坡地形,因此推測中部區域為疑似滲(聚)水區域。對于測線右側形狀對應于低洼區域,推測該區域為疑似含水區,結合地表地貌特征,確定疑似含水點9。

3.2 地空反演解釋總結

結合測區北部區域、中部區域A組、中部區域B組和南部區域綜合反演解釋結果,可以獲得測區內部疑似含水區域總體分布情況,如圖9所示。其中,疑似含水區域1、疑似含水區域5和疑似含水區域6因地形低洼,電阻率值較低,其含水的可能性較大。疑似含水區4因為地處緩坡地形,其滲水的可能性較大,存水的可能性較弱。進一步融合地形和反演解釋結果,將疑似含水區進行融通,推測測區內可能的導水通道6條。其中,通道1和通道2為東西分布,通道3和通道4為南北走向,這4條通道構成主要通道,通道5和通道6為分支通道。在含水區內,結合實際地貌特征,確定疑似含水點18處。

圖8 中部區域A組疑似含水區Fig.8 Suspected water-bearing area of group A in central region

3.3 核磁共振探測方法成果解釋

探測得到的含水量情況如圖10所示,核磁共振方法1、2號點位于疑似含水區1中。從圖10(a)、(b)中分析可知,該異常區含水體主要為3個部分:淺層0～5 m內分布含水量約為5%～7%的薄含水層,15～25 m分布含水量約為13%～14%的含水層,深層85 m及以下分布含水量為14%～15%的較厚含水層。

圖10 核磁共振方法解釋結果Fig.10 Interpretation results of NMR method

核磁共振方法3號點位于疑似含水區5中,從圖10(c)分析可知,該異常區含水體主要為2個部分:淺層12～14 m內分布含水量約為4%的薄含水層,深層90 m及以下分布約為15%的較厚含水層。

3.4 鉆孔驗證、開采揭露、專項水文勘查項目驗證情況

在地空電磁、核磁共振方法探測確定的含水區域內,通過歷年生產補充勘探,在此區域內大量鉆孔涌水量較大,出現不同程度的涌水情況,進一步驗證了地空電磁-核磁共振探測方法圈定的富水區的較可靠性。

隨著采掘工程的進一步推進,礦坑東部、南部端幫區域出現較大面積的滲水情況,南部礦坑采掘至11煤底板坑下積水較多,影響礦方的正常生產。基于地空電磁-核磁共振探測的研究成果,礦方提前指定了排水計劃、排水管路,對坑下積水進行不間斷地排放,未對生產造成較大的影響。

考慮到安家嶺露天礦下一步采剝至馬關河區域將留設永久邊幫,對露天礦邊幫穩定性影響較大,嚴重影響礦井安全生產。因此在后期開展了專項水文地質勘查工作,進一步獲取含水層的相關水文地質參數。安家嶺礦馬關河區域水文勘查與研究物探與鉆探成果顯示,礦坑南部區域地層相對較富水,圈定了富水區與地空電磁-核磁共振探測一致的區域圈定的富水區基本一致,進一步驗證了地空電磁-核磁共振探測富水區的可靠性。

4 結論

地空電磁-核磁共振聯測方法,是物探領域地空一體化應用的新技術、新方法。研究結果表明,地空電磁技術能夠劃定富水區、導水通道及含水點,核磁共振技術能夠確定富水性,推斷含水層位置、含水量大小等,可評估地下0～100 m深度的不同層位薄厚含水層的含水量等地質水文信息,研究成果能夠有效指導地面水文鉆探工作,對邊坡穩定、生產安全等起到重要的指導作用,為制定防排水計劃及措施提供技術依據,為同類礦山提供了參考。