全息電磁勘探法在徐州礦集塌陷區勘測應用

［關鍵詞］全息電磁勘探法；徐州礦集塌陷區；勘測

徐州煤礦礦集區整體為黃泛沖積平原，地面平坦，幾乎無起伏，未見滑坡、崩塌、泥石流等常規地質災害或不良地質作用，主要存在的地質環境為近幾十年來幾大礦區因地下煤層開采形成的規模大小不一的采空區，在地表產生了移動變形和塌陷，通過全息電磁勘探方法，對礦集塌陷區的深部進行勘測。

1. 全息電磁勘探方法原理

全息電磁勘探是一種全新的電磁勘探新技術，該方法將電磁感應測深原理與幾何測深原理有機融合，開展全區域測量[1]。采用差分積分混合激勵模式[2]，全面獲取地下目標體三維信息，同步采集直流電阻率、激發極化信息、時間域信息、頻率域信息、天然場源信息、人工場源信息，同步接收電磁場三分量及電磁場梯度三分量。提高電磁勘探分辨率，避免了場源效應和陰影效應的影響[3]。

2. 測點布設

本次全息電磁勘探工作區位于徐州煤礦礦集區夾河煤礦北部，夾河煤礦前期做過重力工作，重力工區與本次全息電磁工區部分重疊。本次在工作區內先后實施了掃面測量和精細測量兩個階段的全息電磁勘探工作，進行基本地質結構調查時（掃面測量）的測量范圍為3 km×3 km，發射源點5個，接收點64個，測點東西向和南北向均為間距400 m；進行精細地質結構調查（加密測量）的測量范圍為1.5 km×1.5 km，發射源點5個，接收點64個，測點東西向和南北向均為間距200 m，點位分布示意圖見圖1。

3. 發射場源布置

廣域全息電磁勘探發射系統的發射功率為30～50千瓦，由3個模塊組成，發射頻率范圍為0.1～1000 Hz。本次掃面測量和精細測量均布設了5個有效發射場源，兩次測量發射場源位置不變，布置如圖2所示。根據已有資料分析，本次調查目標體在1200 m以淺，為保證探測的深度和精度，設計頻率0.1～1000 Hz，供電電極AB長度200 m。

發射電極選擇在土壤潮濕地段埋設，采用不銹鋼釬并聯后打入挖好的弧形坑，澆注鹽水和埋設多塊鋁板經測量最大接地電阻為61Ω，最小供電流為3.5A，保證了發射場的穩定性。

4. 采集站布設和數據采集

接收系統由64個獨立的采集站組成，采集站之間以及采集站與發射系統之間用GPS同步，每個采集站有3個通道（2E+1H），采集站布設如圖3所示，采集站放置在O點位置，不銹鋼釬電極分別布設在點M1、N1、M2、N2，M1N1=40 m，接入采集站1通道，采集M2N2=40 m，接入采集站2通道。

三維反演計算中，反演與正演采用同一套網格，對歸一化電場數據進行反演，背景電場與反演初始模型均為100Ωm的均勻半空間模型，正則化因子為3，共軛梯度求解高斯-牛頓迭代方程組中最大循環次數為8次，每次迭代中模型電導率修改上限為10～0.3，當修改值為負時用零代替。

5. 數據處理

5.1數據采集的去噪處理

野外采集到的信號存在工業噪聲干擾以及采用不銹鋼釬電極產生極化電流造成的噪聲干擾，因此，需對采集的原始信號進行去噪聲處理[4]。

5.2數值模擬與反演成像

由一維介質和二維介質研究結果可以發現，相比磁場，電場分量對異常體敏感度更高。基于此，展示電場分量Ex 和Ey（地表Ez 為零），為了便于我們對觀測數據中異常響應的分析，對電場分量取平方根，然后進行歸一化處理（單獨的電場分量和磁場分量存在零值線，由于地表電場不為零，但是Ez分量為零，所以Ex和Ey的合成電場必不為零）。

定義歸一化電場響應函數：

式中，Ex和Ey為正演計算的地表場值分量（測線位于地表），Ex0和Ey0是層狀模型的解析解，Re表示取實部，為歸一化響應函數。

設計了如圖4 所示的帶地形三維電阻率模型，圖中（a）為地形三維展示圖，（b）為z=-30m電阻率平面圖，（c）為電阻率xz剖面圖，（d）為電阻率zy剖面圖。

三維反演計算中，反演與正演采用同一套網格，對歸一化電場數據進行反演，背景電場與反演初始模型均為100Ωm的均勻半空間模型，正則化因子為3，共軛梯度求解高斯-牛頓迭代方程組中最大循環次數為8次，每次迭代中模型電導率修改上限為10～0.3，當修改值為負時用零代替。

每次反演迭代時間約1 分鐘，反演初始擬合誤差（RMS）為6.005%，迭代計算6 次，最終擬合誤差為0.7149%，反演結果如圖5 所示，圖中（a）為z=-20 m 平面圖，圖（b）為z=-60 m平面圖，圖（c）為zx剖面圖，圖（d）為zy剖面圖。

6. 全息電磁勘探地質解譯成果

6.1剖面成果

東西向綜合剖面1，經過收集鉆孔19-7。

由圖6可知，鉆孔19-7在本剖面靠東邊界大約400 m處，可作為分層標定。本剖面視電阻率深度方向上可分為3 層，第1 層為淺表低阻層，視電阻率0～20 Ωm，厚度約100 m，分布均勻，為第四系淺表的反映，如圖所示第一條紅線為第四系與石千峰組分界面，在地下100 m 深度左右；第2層為次高阻層，由于本剖面靠近工區南邊界，邊界效應影響產生的高阻異常影響未完全消除，本層的視電阻率比實際偏高，實際視電阻率變化范圍為20～250 Ωm，為二疊系砂巖頁巖的反映，視電阻率變化規律可以看出地層由西到東埋深逐漸減少，與本區地層傾向北西一致；第3層為低阻層，視電阻率變化范圍為10～40 Ωm，為含煤地層以及采空區塌陷裂隙充水的反映，由鉆孔19-7可以得知含煤層深度在-680 m～-880 m，結合視電阻率分布規律，含煤地層及采空區頂部埋深由東至西為-550 m加大到-1150 m，平均厚度約為200 m。

6.2平面綜合成果

根據已知地質及剖面電性資料分析工作區煤層深度在-750～-1250 m，本次得到了-1000 m的綜合平面圖，以反映采空區橫向分布范圍（見圖7）。由于邊界效應影響，致使靠近邊界視電阻率失真，對異常解釋帶來干擾，紅框內為有效勘探范圍，對紅框內進行分析解釋。

由圖7可知，-1000 m深度綜合平面圖有2個低阻區，分別在工區的東南部和西北部。由前期收集三維重力疊合圖8可知，工區東南部為重力圈定的沉陷區，與本次全息電磁結果一致，推測本區東南部低阻區為采煤塌陷區，西北部低阻區由于未能收集到資料，推測可能由含水低阻體或者斷層裂隙引起。

7. 成果及建議

7.1主要成果

（1）本項目為全國首次實現了64個采集站128道同步接收、5個場源每個場源8種激發模態激發的全息電磁勘探試驗，并進行了三維反演。

（2）開展了保幅保真的去噪方法研究，提高了數據采集質量的可靠度。針對50 Hz的工業噪聲，提出了頻率域擬合法去噪技術，針對極化電流產生的噪聲干擾提出了時間域擬合法去噪技術。50Hz的工業噪聲和電極極化電流噪聲均獲得消除。

（3）相比傳統可控源方法有著更高的縱向分辨率。本次勘探采用了差分模態激勵，該技術具有聚焦能量，促使地質體產生異常的范圍和異常的幅度增大，提高了方法的縱向分辨率（圖9）。

7.2建議

（1）由于同臺儀器相同頻率多次采集數據不能有效疊加，二次衰減曲線不能疊加，單次數據難以提取極化率信息，本次測量結果未能提供極化率、電場分量等信息。

（2）三維反演邊界效應導致邊界處反演結果失真，建議以后工作要考慮擴邊。本次測量成果在3 km×3 km的測區內中部區域結果較好揭示了沉降區的范圍和特征，與之對應的周邊地區因邊界效應影響與已知資料對應不理想。

（3）本次將全息電磁勘探技術運用到煤礦采空區的地下地質結構調查，獲取的數據僅有地下空間視電阻率的分布，可供反演的維度尚顯不足，且結果解譯以宏觀定性為主，體積效應不明顯，尚不能建立地下低阻異常區與地面塌陷隨時間的變化量、變化速度之間的直接關系且對于微小地質體的變異特征未能識別，其成果與其他技術方法反映的定性及定量地面塌陷無法直接相互驗證，但可建立起統計意義上的相關性。