瞬变电磁法在某地区找地下水的应用

2015-10-31肖新星

建材与装饰 2015年11期

关键词：白云岩电阻率裂隙

肖新星

（湖南省有色地质勘查局二四七队　湖南　长沙　410000）

瞬变电磁法在某地区找地下水的应用

肖新星

（湖南省有色地质勘查局二四七队湖南长沙410000）

作为地球物理科学研究应用中一种很有前景的物探方法，瞬变电磁法利用其独特的优势，在覆盖层厚度探测及分层，基岩划分，探测地下裂隙、基底断裂、破碎带，沙漠干旱地区找水，地下空洞（煤矿采空区）探测等领域都有成功的案例。本文结合具体工程案例，重点就瞬变电磁法在某地区找地下水的应用进行了研究。

瞬变电磁法；地区找地；应用分析

引言

瞬变电磁法以其直接观测纯二次场，没有一次场的影响，具有对类似低阻的含水导水地质构造反映灵敏、横向分辨率较高（深度超过400m，横向宽度十几米的导水构造可以分辨）、受地形影响小、工作效率高等特点，能快速准确地完成煤矿突水构造的定位探测，能为煤矿突水淹井事故的抢险救灾节约勘探时间。但是，瞬变电磁法资料高精度处理仍然是个难点，尤其是在高精度反演解释方法、高强度干扰信号的处理、地形影响的校正等方面需要研究，对指导数据采集方法的改进、资料综合解释方法精度的提高以及该技术的应用范围均有一定促进作用。

1　瞬变电磁法方法技术

作为是一种阵列勘探方法，高密度电法的原理与普通电阻率法相似，它集中了电剖面法和电测深法，一次性完成电极布置，选用多种电极排列方式进行测量，采集实现了野外数据的自动化或半自动化作业。瞬变电磁法是利用不接地或接地线源向地下发送一次场，在一次场的间歇期间，测量由地质体产生的感应电磁场随时间的变化。瞬变电磁法基本工作原理是∶利用通有一次电流的脉冲激励回线线圈或接地长导线，这样会在整个空间内建立起电磁场，在电磁场稳定建立后快速关断供电电源，为了维系空间中的场不能马上消失，这样将在导电地层中感应出感应涡流，而感应涡流在导电媒质中的传播规律服从扩散方程，它逐步由地表处向地层深部扩散，其分布范围也逐步扩大，并在地层中及上半空间产生感应二次场，该二次场随时间的延长将逐渐衰减消失。在实际应用中，观测的是在一次场脉冲间歇中，测量二次电场和磁场随时间的衰减，而二次场中则包含有丰富的地下电阻率等信息。其原理如图1所示。瞬变电磁法特点∶①观测断电后的纯二次场，克服了复杂的一次场补偿问题，受地形影响小。③单脉冲激发就可得到多信息的整条瞬变电场衰减曲线，通过加大发射功率和多次叠加，可大幅度地提高信噪比，加大勘探深度。③采用不接地回线装置，适宜于各种地理环境下的野外工作。④由于瞬变电磁法的探测深度取决于大地电阻率和仪器的采样时间和功率，可通过调节发送功率、仪器采样时间，方便地控制探测范围。⑤采用不同的装置形式，可以相应地提高横向、纵向分辨能力。⑥对发送回线的形状、方位和点位要求不严，测地工作简单，可通过流水作业达到极高的工作效率。⑦在高阻围岩地区，不会产生地形起伏的假异常。⑧利用该方法的测量系统，可实施地面、空中、地下、水上、井中或坑道电磁法探测。⑨剖面测量与测深工作同时完成，提供了更多有用信息，减少了多解性。

图1　瞬变电磁工作原理

根据二次场的衰减曲线特征，就可以判定地下不同深度地质体的电性特征及规模大小等。由于该方法是观测纯二次场，消除了由一次场所产生的装置耦合噪音，具有体积效应小、横向分辨率高、探测深度深、对低阻反映灵敏、与探测地质体有最佳耦合、受旁侧地质体影响小等优点。目前，瞬变电磁法已被广泛应用于矿产勘探、工程勘探、地下水与地热调查、采空区及导水裂隙带探测、环境灾害地质调查等诸多领域。在瞬变电磁法中常用的工作装置有重叠回线、中心回线、偶极和大回线源装置。以下实例中野外数据采集工作均选用大回线源装置，使用仪器为加拿大产V8电法工作站。资料数据处理方面具备功能齐全的正反演解释软件。

2　工区水文地质概况

某工区主要为白云岩分布区，地貌类型以峰林谷地为主，地形起伏变化较大；工区北东约3km为柳江自北往南流过，为当地最低侵蚀、排泄基面。工区地层岩性为石炭系中统大埔组（C2d）白云岩，浅灰、灰色厚层状块状-粉晶白云岩夹白云质灰岩；工区受南北向构造体系的共同影响，发育有柳江背斜及柳西向斜，受两者共同作用，区内断裂构造发育，岩石节理、裂隙以及溶洞等都较为发育。地下水主要赋存于裂隙、溶洞当中；区内谷地开阔、汇水面积大，且位于地下水排泄区，地下水位深约3～8m，富水性强；地下水补给源主要为西部、南部广大岩溶平原区，地下水往北东方向径流，向江河排泄。该地层主要为侏罗系地层，具体有延安组、直罗组及安定组。含煤比较丰富，岩性多为砂岩、泥岩和少量含铝质泥岩，富含化石。泥质含量较多及富水时电阻率很低，一般不大于10Ω·m，或者更低，煤质及其它岩性则电阻率较高，均在20～50Ω·m以上。

3　地球物理前提

通常情况下，正常、完整的地层相对稳定，各层位电性在纵向和横向上都有相对稳定的变化规律；而当地层区域内构造发育时，一般会因为层位相对错动造成周围一定范围内岩层裂隙发育，特别当构造、裂隙带中充水时，即相当于局部会出现明显的含水异常，这种局部低阻异常区域的存在将会打破地层在纵向和横向上的原有规律。在本次勘探工区中，由于受到构造影响，工作区内裂隙、溶洞较为发育，且位于地下水排泄区，富水性强，为本次瞬变电磁勘探工作提供了良好的地球物理前提。

4　物探成果

本次瞬变电磁法勘探工作共布设了16条剖面，由于资料过多，在此只抽取出其中一条G2剖面进行论述。本次数据整理采用仪器自带的Steminv软件进行数据处理和一维反演，图2和图3分别为其中一个测点的衰减曲线图和一维反演曲线图。从图2中可以看到，整条衰减曲线较为圆滑、连续，只是在曲线的尾支有3～4个“飞点”，在进行一维反演前将其剔除（图2下方4个数据点）；图3为该点一维反演的结果，地表电阻率值在几欧姆·米左右，曲线在25～30m深度范围存在一个低阻层，电阻率值最低约为几欧姆·米，往深部电阻率值呈现线性增大，到地表下100m左右有一拐点，再往深部电阻率持续上升达到几百欧姆·米。

图2　9号点衰减曲线

图3　9号点一维反演曲线

图4和图5为整条剖面的多道电压曲线图及一维反演断面等值线图，其中多测道电压剖面取其中的1～31道电压信号，电阻率数值采用对数数值绘制。从图4可以看出，整条测线电压曲线在中、早期道起伏变化较大，到了晚期之后曲线变得平滑，基本无起伏变化。说明了在中、浅部地层电性变化较大，深部地层电性变化相对平稳，反映了深部相对完整的白云岩、白云质灰岩。

图4　G2线多道电压剖面曲线

图5　G2线一维反演断面等值线

从图5可以看到，浅部0～-10m左右深度呈现相对中低阻特征，推断为杂填土、黏土层的反映；图中-10～-50m深度范围呈现相对中低-低电阻率特征，该深度地层主要为浅灰、灰色厚层状细晶白云岩，其中-15～-30m的低阻电性层推断为含水强风化白云岩的反映，再往深部地层电阻率逐渐升高，断面最深处电阻率值达到上千欧姆·米，反映了地层由强风化-弱风化-完整白云岩的地层过渡特征。

断面图中，39号测点在-60～-70m深度范围呈现一近直立稍往左倾的相对低阻异常带，异常曲线从-50m深度出现下凹，异常中心约位于-75m深度，电阻率值只有约12Ω·m，同样在剖面图中存在一明显的左高右低双峰异常，两者有着较好地对应。47～49测段范围电压曲线从早期到晚期都较为杂乱，反映了浅部地层可能较为破碎，深部地层存在局部不均匀体。从断面图中也可看到在-70～-80m深度也呈现一倒“Y”形的中低阻异常，异常曲线从-55m深度出现下凹，在47号测点、-75m深度和49号测点、-80m深度分别存在一个圈闭的局部低阻异常，推断该处存在两个溶洞，由上部岩层破碎严重导致水沿裂隙填充溶洞所形成。断面其余深部地层电阻率相对较高，横向等值线较为连续，存在裂隙、溶洞的可能性很小。

图6为该条剖面上的一个钻孔资料，位于测线中的49号点旁边，钻孔图中可以看到，0～-10m左右为黏性土，-10～-100m为浅灰色、灰色厚层状细晶白云岩，溶洞、裂隙发育，其中-55～-60m和-80～-90m破碎较为严重，裂隙较为发育，整体而言与本次瞬变电磁法取得的成果都有着较好的对应，证明了该方法在工程勘查找水工作中是有效的。