瞬变电磁法勘探在黄土塬区煤层富水异常区探测中的应用

高小伟

【摘 要】本文在叙述红柳林矿地质概况的基础上，结合测井资料分析了矿井范围内各地层的物性参数；通过实例指出了瞬变电磁法探测数据处理的关键技术----地形校正与干扰波校正技术；阐述了瞬变电磁法资料解释的基本原则。事实证明，在黄土塬区应用瞬变电磁法勘探技术查找煤层富水异常区是可行的。

【关键词】瞬变电磁法；黄土塬；富水异常区

中图分类号： P631.325；P631.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）21-0230-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.106

【Abstract】On the basis of describing the geological situation of hongliulin mine and combining with logging data， this paper analyzes the physical parameters of various strata in the mine area.Through examples，the key technologies of transient electromagnetic detection data processing-terrain correction and interference wave correction are pointed out. The basic principles of transient electromagnetic method data interpretation are expounded.Facts have proved that it is feasible to use transient magnetic exploration technology to find water-rich abnormal areas of coal seam in loess tableland area.

【Key words】Transient electromagnetic method；Loess tableland；Water-rich anomaly area

1 概況

1.1 勘探区地形地貌

红柳林矿位于陕北黄土高原与毛乌素沙漠的过渡地带，区内地貌类型可分为波状沙丘滩地区、河谷区、黄土丘陵沟壑区。植被覆盖良好，主要以沙柳、沙蒿、柠条、沙打旺等植物为主，总体地势西北高，东南低。最高处标高1333.50m，最低处标高1090.00m左右。

1.2 勘探区地质概况

1.2.1 地层

井田基本被第四系覆盖，仅在北部、南部的沟谷中有基岩出露。井田地层由老至新依次为三叠系上统永坪组，侏罗系下统富县组、中统延安组、直罗组，新近系上新统保德组、第四系中更新统离石组、上更新统萨拉乌素组、全新统风积沙及冲积层。

1.2.2 煤层

延安组为含煤地层，自下而上分为五个含煤段，每段含1个煤组，编号为2-2、3-1、4-2、4-3、4-4、5-2的煤层为可采煤层，区内延安组厚度变化在35.60m–255.73m，平均159.92m。煤层平均总厚24.79m，含煤系数15.5%。

1.2.3 基于测井曲线的地层物性特征分析

5-3号煤、5-2号煤均呈高电阻率、低密度、低伽马、高声波时差的典型组合特征，但5-3号煤比5-2号煤电阻率值小。5-2煤层侧向电阻率曲线中高异常，幅值164～631Ω.m，形态为多齿状；密度曲线低值大异常，约1.39～1.42g/cm3，形态为锯齿边箱状；自然伽玛曲线低异常，3～17API，形态为箱型；自然电位曲线负异常，-50～-7mV，形态为钟形。

4-4、4-3、4-2号煤在自然伽马、密度曲线上区别不大，均为低自然伽马（4-20API）；低密度（1.35～1.47g/cm3）。电阻率曲线区别明显，虽都为高异常值，但从下而上电阻率幅值增高：4-2号煤电阻率高异常幅值最大，呈丛状高峰异常；4-3号煤、4-4号煤电阻率曲线多呈指状。

延安组粉砂岩、砂质泥岩曲线异常特征为电阻率逐渐变低，密度、自然伽玛逐渐变高，自然电位逐渐接近零。从曲线形态看沉积旋回为明显的正粒序特征。

延安组中、细粒砂岩，视电阻率曲线异常明显鼓起，自然伽玛曲线异常凹下去，自然电位为明显的负异常。

直罗组物性特征：电阻率呈现高幅值，自然伽马低幅值，与上覆保德组及下部延安组地层曲线反映呈明显的台阶状，自然电位曲线明显负异常，密度曲线幅值呈现中、高值，直罗组砂岩部分由于风化，相比同岩性砂岩相比密度幅值有所降低，与其孔隙度有很大关系。

保德组物性特征：低电阻率25Ω·M左右，因该层中常含有钙质结核而曲线出现齿状波动；自然伽玛曲线平滑，其值平均40API左右；密度值平均约2.30g/cm3，曲线变化较小；自然电位曲线平直光滑偶有起伏，其值约-50mv左右。

离石组物性特征：电阻率值低曲线平直，比下伏地层曲线更平直而光滑。自然电位与下伏地层区别不大；自然伽玛曲线幅值低平，平均约50API；密度平均值约2.20g/cm3，曲线形态与下伏地层相似。

萨拉乌素组物性特征：电阻率中低40～60Ω·M；自然电位小负异常，与电阻率组成薄箱状；密度反映似黄土；自然伽玛低异常，约60API。

2 瞬变电磁法地球物理特征

本次瞬变电磁法探测区域内所涉及的地层地质构造简单，地层沉积相对稳定，岩层物性特征比较明显，主要由粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩及泥岩组成。砂岩的电阻率为中高值反映，粗粒砂岩及中粒砂岩为最高，细粒砂岩居中，粉砂岩、砂质泥岩及泥岩为低阻反映。总结由浅至深地层电性变化规律应为：浅部局部有全新统风积沙集聚区呈高阻电性特征，下部土层呈低阻电性特征；向下至延安组砂岩地层，上部岩层风化后，空洞裂隙发育，岩石风化破碎后，因风化岩层中水份增多，泥质含量增高，电阻率幅值随之降低，风化程度愈高，电阻率幅值愈低，向下部含煤地层电性呈增大的趋势特征，砂岩地层中的煤层一般呈稳定的较高阻特征；至含煤地层下部富县组、延长组等稳定砂岩地层，电性值较含煤地层降低。

综上，当地层沉积层序稳定，不含局部地质构造、烧变岩区、含水区时，地层电性呈稳定的“高——低——高——低”趋势特征；当地表无风积砂时，或会呈“低——高——低”的趋势特征；相反，当地层中存在这些特殊地质体和含水区时，地层电性将会发生明显的变化，如采集的视电阻率等值线发生扭曲变形、圈闭等。这种明显的地层和局部地质体的电性差异，为以导电性差异为应用前提的地面瞬变电磁法的实施提供了良好的地球物理基础。

3 测点布置

测网密度为40m×20m，即线距40m点距20m。1-2煤层探测区面积较小，测线、测点单独编号，测线共31条；2-2、3-1和4-2三个煤层的探测区和额外增加区域测线、测点采用统一设计和标示。因测区形状限制，每条测线上的测点个数不尽相同，经统计，坐标点总数为45711个，编号由0开始，至最大525。复测检查点应为坐标点的3%～5%。对2300个复测点进行统计，复测总均方相对误差平均在±8.36%范围内，没有超出复测允许的±15%的范围。

4 资料处理与解释

4.1 资料处理

4.1.1 视电阻率转换计算

TEM野外采集的数据为感应电动势。横坐标为算术坐标，表示观测二次场的时间；纵坐标为对数坐标，表示归一化感应电动势。一般须将感应电动势转换为视电阻率。从感应电动势的衰减曲线中很难看出地电断面结构，为此，需将感应电动势转换为视电阻率，并用转换出来的视电阻率生成拟断面图。

4.1.2 时间道断面图绘制

在时间道断面图中，可以直观的看到随时间的变化数据点的分布情况，从而可以分析探测目的层的控制点数量，掌握可靠信息的时间分布特性，为资料的进一步处理分析奠定基础。如图1所示，为171线的时间道断面图。由图可知随着时间的增加，视电阻率值由浅至深呈现近“高——低——高——低”的变化特征，时间道断面图较好的反映了地层电性特征。浅部高阻层与地表松散砂层有对应关系，下部相对低阻层与新近系地层或风化岩地层有对应关系，再向下相对高的层位与含煤地层相对应，深部低阻层位则为含煤地层下部砂岩地层的反映，这种变化特征与地球物理特征分析和试验结果一致。在資料处理与分析过程中，将时间道断面与深度断面相结合，有利于对数据进行深度剖析。

4.1.3 时间道断面图绘制电磁干扰校正

2-2煤测区西部边界附近有高压线路由南向北穿过矿区，在测区西南部0线0点附近进入，35线39～42点附近出；测区北部169线201～202点附近进入，178线210～214点附近出。对其附近测点的数据质量造成不同程度的影响。为提高资料解释的准确度和可靠性，本次采取了相关方法，对电磁干扰进行了校正，尽可能还原真实的地电信息，减少假异常。

以171线原始视电阻率拟断面图为例，高压线在171线的201～202号测点之间穿过，其对附近各测点数据的影响程度由图2（a）可见，视电阻率值出现突变，中晚期等值线出现扭曲变形，似杂乱无章；早期视电阻率值基本未受影响，等值线保持了应有的变化趋势。

对受电磁干扰影响数据的处理采用专用软件进行校正，使其回归应有的衰减规律，最大限度的还原其对地层电性的真实反映。如图2（b）为校正后的视电阻率拟断面图，由其等值线趋势可见，与未受电磁干扰数据变化规律一致，基本符合地层应有的电性分布规律，为后期的资料分析解释奠定了基础。

4.1.4 深度反演与层位标定

对预处理和各种校正处理后的数据，进行反演计算，反演的目的是确定探测控制的有效深度和视电阻率对各目的地层的反映情况，并根据确定的技术参数，完成“深度-视电阻率拟断面图”的绘制和目标层位平面数据的提取。

4.2 资料解释方法

测区内含煤地层分布均匀，电性差异偏小，而上覆地层存在大面积完整和局部缺失两种情况，因此会引起野外采集的数据，相同的时间道，相似的电性特征，反映的并不一定是同一地层或同一介质，因此在资料解释过程中对异常的认识应将空间和时间相结合。

4.2.1 异常划分方法

异常划分通常有两种途径来确定：一是根据探测区内已知电性及水文地质条件来定；二是在一个新的矿区，根据对实测曲线的数理统计分析计算得到。

4.2.2 异常解释方法

（1）人工解释与计算机解释相结合

以人工解释为基础、计算机为工具，由粗到细逐步进行。人工解释通过对主干剖面的解释，确定所对应的地质层位，勾绘地层总体赋存形态以及构造格局，为后期人机联作精细解释打下基础。

（2）断面与水平/顺层切片解释相结合

视电阻率—深度拟断面图是基础，从横、纵两个方向直观地反映地层的电性变化特征，可以提供层位划分、层位追踪、深度确定、异常圈定等方面的诸多信息，视电阻率—深度拟断面异常图是资料分析和成果表现的主要图件之一。如果把已知钻孔、断层、煤层和其它特征层的地质信息附加其上，即可构成综合推断解释成果的断面图。

视电阻率异常平面图反映某高程（层位）岩层的电性分布和变化特征，常用来分析和确定地质异常体的平面分布位置、规模范围、走向延伸等情况，形象地称之为水平切片，原则上可以提供任意高程的水平/顺层切片，视电阻率平面等值线异常图是资料分析和成果表现的主要图件。

（3）电性解释与综合地质分析相结合

由于受目前技术手段和技术水准的限制，所获得的各种原始信息及经过处理的探测成果数据等，均存在一定的局限性或片面性，特别是电磁法探测成果还存在一定的多解性。但从地质规律而言，这些数据信息均存在着一定的内在联系。在电磁法数据解释的基础上，对煤矿勘探和生产中所获取的钻探、巷探及采掘揭露的各种地质数据信息，采用多种方法（如数理统计、地质统计、数学模拟等）进行综合、集成分析和处理，结合电磁法解释成果，运用地质理论进行综合地质分析，去粗取精，去伪存真，从中提取有用的地质信息，得出符合地质规律的电磁探测结果，以提高成果的可靠性和精度。

5 地质成果

解释1-2煤层顶板发现低阻异常区4处，推断为基岩风化层含水；解释2-2煤层顶板低阻异常区14处，分别推断为基岩风化层含水和火烧区含水解释3-1煤层顶板低阻异常区10处；解释4-2煤层顶板低阻异常区8处。

6 结论

（1）对于黄土塬瞬变电磁法来说，合理的地形校正、干扰消除是取得理想成果的基础。

（2）综合应用物探成果、地质揭露资料综合解释是取得准确地质成果的关键步骤。

（3）黄土塬区瞬变电磁法勘探是可行的。