ＰＲＯＴＥＭ ６７Ｄ瞬变电磁仪在矿井水文勘探中的应用 庄建平 （安徽煤田物探测量队，安徽宿州２３４０００） 摘要：ＰＲＯＴＥＭ ６７Ｄ瞬变电磁仪是目前国内外瞬变电磁勘探中最先进的仪器系统，目前被广泛应用在煤田 水文勘探中，特别是在巨厚覆盖层下矿区水文地质勘探，取得了显著的地质效果，充分体现了该仪器发射功 率强、探测深度大、信噪比高的特点。文章介绍了ＰＲＯＴＥＭ ６７Ｄ瞬变电磁仪在煤矿水文勘探中的应用。 关键词：ＰＲＯＴＥＭ ６７Ｄ瞬变电磁仪；地球物理特征；勘探原理；瞬变电磁法；视电阻率断面图 中图分类号：Ｐ６３１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９－２３７４（２０１ １）１９—０１０７—０４ 一、勘探区概况 井田位于中原地区。本井田地表属于低山丘陵地 收感应二次场，该二次场是由地下良导地质体受激励 引起的涡流所产生的非稳电磁场，通过对观测到的随 时间变化的二次场信号的变化，就可以判断出地下地 层的电性变化及不均匀地质体的分布情况。 （二）地球物理特征 理论上讲，干燥的岩石的电阻率为无穷大，但实际 上岩石孔隙、裂隙总是含水的，并且随着岩石的湿度 或者含水饱和度的增加，电阻率急剧下降，即富水性 的不均匀程度在瞬变电磁图件上反映为电阻率的高低 变化；当岩层完整时其电阻率较高，受构造运动或地 下水作用的影响，部分地段岩层破碎或裂隙发育，破 区，地势起伏较大，山脉走向大致由西南向北东方向 延伸。勘探区内最高点位于井田北部，最高海拔标高 ＋６２９．５ｍ；最低点为井田西部边界，海拔标＋４０５．００ｍ， 相对高差２２４．５０ｍ。 矿区地层区划归属华北地层区豫西地层分区陕渑小 区，勘探区内地层由老至新依次为奥陶系、石炭系、 二叠系、三叠系、第四系。 井田含煤地层为华北型石炭二叠系地层，含煤地层 总厚度４２０ｍ左右。 （一）含水层 １．奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层。 ２．太原组灰岩岩溶裂隙承压含水层。 ３．山西组砂岩孔隙裂隙承压含水层。 碎程度及其含水的饱和度越大（砂岩、灰岩富水性增 强），岩石的导电性会显著增强，地层电阻率明会显 降低，断面图上会有明显的低带反映。 测区地层电性特征：本区内二叠系地层电阻率在 ４．上、下石盒子组砂岩孔隙裂隙承压含水层。 （二）隔水层 第一隔水层为本溪组铝土质泥岩或铝土岩。 第二隔水层为二 煤层底板至Ｌ 灰岩之间的砂质泥 岩、泥岩等，一般厚１０ｍ左右。 第三隔水层以山西组顶界以上之紫色泥岩、砂质泥 岩等组成，总厚度一般为３０ｍ左右。 ２０￣２０００ Ｑ・ｍ之间，一般在ｌ０００ Ｑ・ｍ以下；石炭系 地层电阻率变化较大，在１０００￣５０００Ｑ・ｉｎ之间，一般 在２０００ Ｑ・ｍ以上；奥陶系灰岩视电阻率较高，一般在 ２５００ Ｑ・ｍ以上 三、瞬变电磁法简介 瞬变电磁法属于时间域电磁感应法，它利用不接地 回线或接地线源向地下发送一次脉冲场，在一次脉冲 场间歇期间利用回线或电偶极接收感应二次场，该二 次场是由地下良导地质体受激励引起的涡流所产生的 非稳电磁场。 二、电法勘探的原理 （一）电法勘探的原理及前提条件 不同的岩层具有不同的电阻率，电法勘探就是通过 测定地下不同地点不同深度的电阻率的差异来达到寻 找目标地质体的目的。瞬变电磁法属于时间域电磁感 １．由于观测纯二次场，自动消除了频域方法中的 主要噪声源——装置耦合噪声，噪声主要来自天电及 人文电磁干扰。 ２．时域方法对于导电围岩和导电覆盖层的分辨能 ２０＇１ １．应法，它利用不接地回线或接地线源向地下发送一次 脉冲场，在一次脉冲场间歇期间利用回线或电偶极接 ０７ ｏ中闯高新技术金业１０７ 力优于频域方法，并且测量方法技术既快又简单，更 适合勘探工作的需要。 ３．在高阻围岩条件下，没有地形引起的假异常。 ４．所得到异常的幅度大、形态简单及受旁侧影响 小，提高了对地质体的横向分辨能力。 四、仪器 此次瞬变电磁勘探使用加拿大产ＰＲＯＴＥＭ ６７Ｄ瞬变 电磁勘探仪，它是目前国内外瞬变电磁勘探中最先进 的仪器系统，主要性能参数为： 发射频率： ２５、６．２５、２．５Ｈｚ 最大供电电流 ２５Ａ 积分时间０．２５～１２０ｓ 采样道数 ２０／３０ 同步方式 石英钟同步／参考线同步 动态范围 ２９ ｂｉｔｓ（１７５ｄｂ） 输出电压 １８￣１５０Ｖ连续可调 五、试验工作及结论 根据测区目的层的最大埋深度约６５０米，发射线框 采用６４０ｍ×６００ｍ；发射频率使用６．２５Ｈｚ；采样道数３Ｏ 道，供电电流１４Ａ以上，同步方式采用石英钟同步，接 收线圈采用三分量线圈（有效面积２００ｍ。）。 ＴＩＭＥ（￣ｅ￣） 图１电压衰减曲线图 图１是本次２８００线６２０号点的实测电压衰减曲线， ２８００线６２０号点位于测区东部。选择的工作参数为： 供电电流１６Ａ，积分时间３０ｓ，增益２５倍。图中坐标横 轴和纵轴分别为时间和电压，从上图曲线中可以看出 该点的电压衰减曲线较为圆滑，其有效的延时最长达 ２７．９２ｍｓ。 图２为２８００线６２０号测点经圆滑反演得到的视电阻 率曲线，曲线整体圆滑说明原始数据质量良好，３０ 道数据全部可靠。图中纵坐标表示视电阻率（单位 Ｑ・ｍ），横坐标表示深度（单位ｍ）。 经计算勘探深度达７００余米，视电阻率曲线为ＨＫＨ 形，与本区地层的电性特征大致相符。视电阻率值最低 处深度约为７０ｍ，对应为第四系底部基岩顶部风化面地 层；在７Ｏ～１６０ｍ深度曲线开始上升，对应为二叠系上部 地层；在１６０￣２５０ｍ深度曲线平稳下降，对应为二叠系 １０８ ｏ中阉高新蕊术企 ２０１ １．０７ 下部地层；曲线尾支上升为石炭、寒武系灰岩的反映。 Ｄｅｅｐｔｂ（ｍ） 图２瞬变电磁视电阻率曲线 对全部试验数据成图并进行对比分析，整体上曲线 反映与钻孔揭露资料相吻合，瞬变电磁勘探的视电阻 率曲线能够较好的反映地层的电性特征，深度达到勘 探目的层的需求。 六、数据处理 ‘ 瞬变电磁法观测数据是各测点各个时窗（测道） 的瞬变感应电压，需换算成视电阻率、视深度等参 数，才能对资料进行下一步解释。处理步骤主要分为 三步： １．滤波：消除干扰，对资料进行去伪存真。 ２．时深转换：本次资料处理主要采用美国 ＩＮＴＥＲＰＥＸ公司的ＴＥＭＩＸＸＬ ｖ４进行一维层状反演解释。 ３．绘制各种参数图件：首先从全区采集的数据中 选出每条测线的数据，绘制各测线视电阻率断面图，即 沿每条测线电性随深度的变化情况；然后，依据地质勘 探、钻探、三维地震勘探等已知地质成果，提取目的层 的埋深，据此深度地层电阻率，绘制顺层切片图。 经上述处理得到视电阻率、视深度等基本参数，根 据资料的实际情况还需选择适当的参数，反复进行滤 波、一维层状模型的正、反演等处理，直至获得合适 的解释数据。 七、富水区的确定过程和划分原则 瞬变电磁资料的处理和解释工作往往是同时进行 的，它们之间存在一种从实践到认识的提高过程。 在视电阻率断面图和顺层视电阻率切片图上，富 水异常区表现为相对的低阻异常特征；裂隙、断层等 构造较为发育的地段，富水性相对越强，其附近地段 视电阻率值也相对越小。因此，在划分各个层位的富 水异常区时应遵循相对的原则，综合分析断面图和顺 层切片图中低阻异常的表现形态，来确定富水区的范 围，富水区的范围界限一般划分在视电阻率等值线的 变化带上。 八、测区视电阻率断面图分析 图３是４５２０线视电阻率断面图，该测线位于测区中 东部。图中纵坐标为高程，横坐标为测点号。图中黑 色实线分别表示：四。煤底板等高线、二 煤底板等高 线，红色斜线表示断层。图中红色～蓝色的过渡表示 视电阻率值由高～低的变化。 ＮＮＷ 图３ ４５２０线视电阻率断面图 从纵向上看，从浅到深其视电阻率值基本呈现由 高～低～中～低～高的电性特征。图中上部（＋２６０米 高程以上）为高阻表现，其值从１２０Ｑ・ｍ￣１］６０Ｑ・ｍ， —■■■■——嘲瓣 ■叠—ＩＩ■ 从上到下呈逐渐减小的趋势，反映了新生界地层的电 性变化。图中浅部（＋２６０～＋ｌＯ０米高程）为低阻表 现，其值从６０Ｑ・ｍ￣ｌＪ２０Ｑ・ｍ，为三叠系砂泥岩地层 的反映。中上部（高程＋１Ｏ０￣－２００米之间）为中阻表 现，其值从８０Ｑ・ｍ到１５０Ｑ・ｍ呈现逐渐增加趋势，为 二叠系上部地层的反映。中下部（高程－２００－－－５００米 之间）为低阻表现，其值从４０Ｑ・ｍ到１００Ｑ・ｍ之间， 为二叠系下部地层的反映。下部（高程一５００米以下） 为高阻表现，电阻率值一般都高于１００ Ｑ・ｍ，呈逐渐 升高趋势，为石炭系和寒武系地层的反映。 从横向上看：中部视电阻率等值线明显呈波浪起 伏的形态，并有向大号点倾斜的态势，反映了测线下 方煤系地层及基底的构造形态。在测线的７８０－－１０６０号 点之间煤层上下的等值线明显向下弯曲变形（图中蓝 色虚线圈定区域），与三维地震解释的Ｆ２３断层位置相 符，该区域可能存在富水区。在测线的１３００～１３８０号 点之间和２５００－—■■■■ｌ＿＿鬻赫 ■■＿－２７８０号点之间（图中红色虚线圈定区 ●—■■■●■■■ ％琴 ＆目■■■Ｉ 域），在煤层附近及煤层下存在等值线凹陷区，呈现 相对低阻区，推测该处为富水异常区。在３１８０－－３３４０ 号点之间（图中蓝色虚线圈定区域）在煤层附近也有 一个低阻凹陷区，该处位于周庄正断层附近，可能受 断层影响，相对富水。 图４是本测区瞬变电磁１５２０线视电阻率断面图，该 测线位于测区西部。在纵向上的电性反映与４５２０线相 近。从横向上看，测线的１２６０～１６２０号测点之间，标 高在一７００－－－２００之间（图中蓝色虚线圈定区域），视 电阻率值较低，对照三维地震勘探成果，该区域位于 Ｆ２０ｌ断层附近，为断层影响而形成的富水区。测线的 ２５８０￣２９００号测点之间，标高在一９００～一７００之间（图 中红色虚线圈定区域），有低阻反映，推测为石炭系 灰岩岩溶裂隙含水带的反映。 图４ １５２０线视电阻率断面图 为更好的分析测区内地层的电性特征，做了沿测点的 横切断面图，图５为选取测区１６６０点所作的横切断面图。 图５ １６６０点横切视电阻率断面图 图中纵坐标为高程，横坐标为测线号。该测点位于 测区中部偏南。从纵向上看，从浅到深其视电阻率值 基本呈现由高～低～中～低～高的电性特征，与顺测 线的断面图纵向电性特征相似。横向上看，电性层位 分界较为明显，且各个电性层位在深度上起伏变化不 大，这与地层的走向特征相一致。 图中ｌ１６Ｏ～１６４０点之间电阻率从上至下均较低， 推测该处受断层影响。在２ １２０～２６００点之间，标高 在一２０Ｏ～一６００之间，电阻率值较低，该处可能存在富 水异常区。在２７６０￣３２４０点之间，标高在一２Ｏ０～一５００ 之间，电阻率值较低，形成一个垂向的低阻区域，推 测该处受ＤＦ１３断层影响而富水。 九、顺层视电阻率切片图分析 测区内主要可采煤层为：五。煤、四。煤、二 煤和 一 煤，为分析测区内主要可采煤层顶板的赋水性，根据 钻孔资料和三维地震解释出的五。煤底板、四。煤底板、 二、煤底板和一 煤底板成果，结合地层综合柱状图，对 全区顺五。煤底板上方１Ｏ米、四。煤底板上方ｌ０米、二 煤 底板上方１０米、一 煤底板上方１０米作顺层切片。 根据测区内已知地质资料和以往工作经验，测区 内主要含水层有：石炭系上、下部灰岩含水层和寒武 系上部灰岩含水层。为查明测区内主要含水层富水区 分布范围，根据钻孔资料和三维地震解释出的地层信 息，石炭系上部灰岩距二 煤和一。煤较近，为二 煤底板 主要含水层，采用一 煤顶顺层切片图来分析；石炭系 下部灰岩为一。煤的间接底板，采用一 煤底板下３５ｍ做 顺层切片图来分析；寒武系上部灰岩采用一 煤底板下 ２０１ １ ｏ７ ｏ中阖高新技术硷 １０９ ７５ｍ做顺层切片图来分析。 图６五 煤顶板顺层视电阻率切片图 图６是五。煤顶板砂岩顺层视电阻率切片图，该图 反映五。煤顶板砂岩含水程度。从图上可以看出本测区 的低阻异常区分布范围，图中部有一明显的低阻条带 状区，范围较大。图中左侧下部有一低阻区（图中蓝 ｂ Ｂ 《 色虚线圈定区域），该处异常明显，推测为富水异常 区的真实反映；图中下侧有一大片低阻区，其中有两 块低阻区（图中红色虚线圈定区域）视电阻率值相对 较低，异常反应较强，推测该处受断层影响，富水性 较强，为富水异常区的真实反映。图中中部有两个低 阻异常区，其中一个视电阻率值相对较低（图中红色 虚线圈定区域），异常反应较强，推测该处富水性较 强；另一个低阻异常区（图中蓝色虚线圈定区域）， 异常反应明显，推测该处富水；两处为富水异常区的 真实反映。图中上侧有一大片低阻区（图中蓝色虚线 圈定区域），异常反应明显，推测该处富水。图中右 侧有一低阻区（图中蓝色虚线圈定区域），异常反应 明显，推测该处富水。 从上图低阻异常区分布可以看出五。煤顶板砂岩富 水异常区的分布规律：测区西部和东部富水区较少且 范围较小，测区南部、中部和北部富水区较多而且范 围较大。测区南部、中部和北部的富水区在纵向上富 水区呈条带状分布，推测富水区间水力联系较强。五 煤项板砂岩富水异常区与五。煤顶板砂岩厚度有关，同 １ １Ｏ ｏ中圈高新娥书企啦２０１ １．０７ 时与五。煤顶板砂岩埋藏深度也有一定关系。图７是二 煤顶板顺层视电阻率切片图，该图反映了二。煤顶板 砂岩电性特征，从图中可以看出测区二 煤顶板砂岩的 低阻异常区主要分布在测区中部和西南部，图中红色 虚线圈定区域。在测区东部和北部也有少量低阻异常 区，图中蓝色虚线圈定区域。 图７二 煤顶板顺层视电阻率切片图 以上瞬变电磁勘探成果经矿方验证，大多吻合较 好，为矿井安全生产提供了较为详实的资料。 十、结语 通过今年来对瞬变电磁法应用于于煤矿防治水的 实践可以看出，与其他电法勘探相比，具有独特的 优点： （１）由于观测纯二次场，自动消除了频域方法 中的主要噪声源——装置耦合噪声，噪声主要来自天 电及人文电磁干扰。（２）时域方法对于导电围岩和导 电覆盖层的分辨能力优于频域方法，并且测量方法技 术既快又简单，更适合勘探工作的需要。 （３）在高阻 围岩条件下，没有地形引起的假异常。 （４）所得到异 常的幅度大、形态简单及受旁侧影响小，提高了对地 质体的横向分辨能力。ｏ （责任编辑：赵秀娟）
