淺談瞬變電磁法在水文地質勘探中的應用

董俊領

摘 要：瞬變電磁法具有諸多優點，在現代水文地質勘探中應用很廣泛。本文首先介紹了瞬變電磁探測基本原理及技術方法，然后闡述了瞬變電磁法在水文地質勘探中的應用。

關鍵詞：水文地質；瞬變電磁法；應用

中圖分類號： P345 文獻標識碼： A 文章編號：

現實中，運用瞬變電磁法在水文地質勘探中起到的作用非常重要,并且其勘查的結果是可行而且有效的。這種方法勘查的深度相對比較大,分辨能力也非常強,受到地形影響比較小,工作效率也能夠得到充分的保證,能為水文地質勘探提供非常有參考意義的調查線索。在某些工程建設之中,需要對一定深度的水文地質結構進行詳細的勘查,了解其是否存在地下暗河,以確保工程的安全性和穩定性。運用瞬變電磁法能夠較好的解決這一問題。但是,由于地下暗河的勘查工作具有比較強的復雜性,而物探資料也具有多解性,這就需要我們從不同的角度來對異常情況進行綜合解釋分析,以提高勘查工作的準確性。同時,這一方法與其他的方法對比分析的結果表明,運用CUGTEM-2001型的瞬變電磁儀進行勘查還存在兩個方面的問題需要解決,其一是勘查的成果對于淺部底層信息的壓制范圍相對偏大;其二是勘查結果的交流視電阻率值普遍存在偏低的情況。

1瞬變電磁探測基本原理及技術方法

水文地質勘查指的是調查、研究并解決各類建筑工程以及人類活動中涉及到的各種地質問題的科學。水文地質勘察的目的是為了查明各種工程地區的地質條件,客觀評價工程地區內的各種地質問題,預測建筑工程過程中可能出現的地質條件的變化以及對建筑工程的影響,選擇最優的施工地點,并對針對施工地區的不良地質問題提供解決方案,確保建筑工程的順利施工以及正常使用。工程地質研究的主要內容有確定巖土成分、物理化學與力學性質、組織結構以及對建筑工程穩定性等方面可能造成的影響,對巖土進行工程地質分類,在此基礎上改善巖土的建筑性能。在過去的工程勘察工作當中,很多方法都沒有結合施工需要以及基礎設計綜合評價地下水對巖土工程的具體影響甚至危害。而目前經常運用的是時間域瞬變電磁法。

瞬變電磁法是一種利用不接地回線湖綜合接地線源向地下發送一次脈沖磁場,然后地下的導電地質在脈沖磁場的激發之下,感應出渦流,并且根據渦流的大小來判別地質體的導電程度,從而在空間形成二次瞬變磁場。第一次脈沖磁場隨著脈沖電流的關斷而會出現崩潰,但是第二次瞬變磁場卻不會立即消失,而會有一個衰減的過程,這個衰減的過程是按照時間指數的規律遞變的。因此,根據第二次渦流場能夠對導電體的規模、產狀以及電性進行判別,從而解釋地下介質的電性結構,幫助了解地質結構。

基于這一原理,能夠較好的完成使用頻率域方法無法實現的重疊裝置工作,實現域探測的地質體的最佳耦合,而且能夠得到異常幅度相對較大,形態簡單并且受到旁側的影響相對較小的探測結果,能夠滿足各種地質勘查的需要。雖然TEM的方法各樣,但是其基本原理都是一致的,即基于導電介質的階躍變化的激勵磁場激化作用之下引發的渦流場的問題。

2 瞬變電磁探測施工

2.1 施工儀器施工中采用 TEM-47(增強型)瞬變電磁儀，儀器探測精度高，盲區小，抗干擾能力強裝置主要參數為:接收機 PROTEM－RECEIVER，時間門 20/30，信號分辨率 24 位，包括1個符號位，系統分辨率29位。發射機TEM-47，基本頻率30，15,285Hz。

2.2 施工方法。采用 TEM 法進行觀測。TEM 法觀測的是二次場，因此對低阻異常體特別靈敏，是探測含水層及其富水性、構造及其含水情況的主要手段。1102 改造工作面瞬變電磁勘探采用偶極布置方式，偶極工作方式布置的優點是精度高，利于運輸巷道條件下的作業。1102 工作面瞬變電磁勘探工程施工測線 6 條，即回風巷底板垂探線，測線長330m，點距 10m，實測物理點 34 個;回風巷幫內 450 俯探線，測線長330m，點距 10m，實測物理點 34 個;運輸巷底板垂探線，測線長 340m，點距 10m，實測物理點 35 個;運輸巷內幫 450 俯探線，測線長340m，點距 10m，實測物理點35個;切眼底板垂探線，測線長60m，點距10m，實測物理點7個;切眼內幫 450 俯探線，測線長60m，點距10m，實測物理點7個實測施工共完成測線長 1460m，物理點 152 個。

3 資料處理及數據分析

瞬變電磁法觀測所得數據是各測點的瞬變感應電壓，需換算成視電阻率、視深度等參數，才能對資料進行解釋。資料處理主要步驟為濾波、關段時間校正、圓滑、視電阻率的計算、時深轉換、反演、地形校正、繪制參數圖件。數據轉換后，根據視電阻率值生成視電阻率斷面圖和水文成果平面圖，依據圖件中地層相對高、低阻電性分布情況，結合實際勘探區的水文地質資料，得到勘探區內巖層賦水性的立體分布信息，判斷出某區域、富水性及富水層位。根據探測結果可知，切眼內外無異常區，此次瞬變電磁勘探數據顯示1102工作面煤層底板存在低阻異常區1處，即走向上1102工作面向里 30～70m 范圍，上下呈條帶狀分布，影響深度范圍在40m 以下，結合 1102 工作面綜合柱狀圖分析，該水源為灰巖水，灰巖層厚約 5m。由于灰巖水具有初始水量大、補給量較小、易于疏干的特點，不會給礦井帶來較大的水害影響，但該灰巖距奧陶系灰巖的垂距在 17～20m，奧陶系灰巖水極有可能通過斷層裂隙，向上有一定的導升，因此是該面防治水工作的重點。

(1)原始數據整理。首先要對采集到的數據進行格式轉換、兩次優選、濾波,消除噪聲,對資料進行去偽存真。

(2)時深轉換。瞬變電磁儀器在井下觀測到的是二次場電位隨時間的變化,為便于對資料的認識,需要將這些數據變換成電阻率隨深度的變化,即進行一維層狀反演處理。

(3)繪制視電阻率斷面等值線圖。①從時深轉換后的數據中選出每個測點的數據,繪制各測點的視電阻率單曲線圖,分析每個測點的視電阻率單曲線類型;②繪制各測線的視電阻率斷面圖,即沿每條測線電性隨深度的變化情況;③結合已知地質資料分析測區內主要地層、地質構造,將電性異常轉換成地質異常。

4資料解釋

資料解釋是根據編繪的視電阻率斷面等值線圖,結合地層相對視電阻率高、低阻電性分布情況,測區水文地質資料,判斷探測范圍內巖層的賦、導水性及其分布情況等。根據巖石電阻率實驗室測試結果可知,灰巖、粉砂巖、細砂巖與中砂巖間存在一定的電性差異,砂巖與煤層、泥巖間的電性差異明顯。不同巖性地層電阻率大小關系大致為:泥巖<泥質粉砂巖<細砂巖<粗砂巖<煤層<灰巖。本次工作區域圍巖的巖性以泥巖為主,根據上述關系可知,泥巖電阻率值較低,會使探測結果整體電阻率值較低。這與實際探測結果一致。通常情況下在探測的目的地層是高阻砂巖或高阻石灰巖地層,其視電阻率斷面等值線圖反映為在高阻背景值上出現低阻異常,該低阻異常一般為地層破碎,多為裂隙或巖溶裂隙發育所形成的賦水異常。該低阻異常越低,即電性差異越大,往往賦水性較強。

4 治理措施

通過物探手段后，首先圈畫出底板某區域，然后制訂有效治水措施。一般來說，疏水開采是有條件的，對于含水豐富、補給條件好、水壓高的承壓含水層，就不宜采用疏降方法;同時，對于某些含水層可以疏降，但疏降規模受礦井排水能力的限制，因此采取疏降方法時應考慮條件是否允許。結合實際來看，1102 工作面標高在+105m 以上，回風大巷標高為+75m，兩巷間距離為 60m，排水設施齊全，有利于底板水的疏放，因此可采用疏水降壓的方法治理水害在1102 工作面布置了疏放鉆孔，后期對該面回采期間的出水量進行觀測，出水量約 1m3/h，回采過程中已不受水害威脅

5.結語

瞬變電磁法應用于較為復雜的地質環境， 受外界干擾較大的情況下， 其他勘探方法無法進行 ， 采用瞬變電磁法可以得到更加切合實際的測量結果。在以后的工作中可以進一步開展三維正、 反演理論方法的研究， 提高數據采集與處理系統的分辨率，同時對三維成像技術進行研究與開發。 由于瞬變電磁發射線圈與接收線圈所產生的互感及各自產生的自感， 這些信號與電磁響應信號疊加 ， 造成系統信噪比下降， 所以增大瞬變電磁法的探測能力， 以進一步為水文地質勘探工作服務。

參考文獻：

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