浅谈瞬变电磁法在水文地质勘探中的应用

董俊领

摘 要：瞬变电磁法具有诸多优点，在现代水文地质勘探中应用很广泛。本文首先介绍了瞬变电磁探测基本原理及技术方法，然后阐述了瞬变电磁法在水文地质勘探中的应用。

关键词：水文地质；瞬变电磁法；应用

中图分类号： P345 文献标识码： A 文章编号：

现实中，运用瞬变电磁法在水文地质勘探中起到的作用非常重要,并且其勘查的结果是可行而且有效的。这种方法勘查的深度相对比较大,分辨能力也非常强,受到地形影响比较小,工作效率也能够得到充分的保证,能为水文地质勘探提供非常有参考意义的调查线索。在某些工程建设之中,需要对一定深度的水文地质结构进行详细的勘查,了解其是否存在地下暗河,以确保工程的安全性和稳定性。运用瞬变电磁法能够较好的解决这一问题。但是,由于地下暗河的勘查工作具有比较强的复杂性,而物探资料也具有多解性,这就需要我们从不同的角度来对异常情况进行综合解释分析,以提高勘查工作的准确性。同时,这一方法与其他的方法对比分析的结果表明,运用CUGTEM-2001型的瞬变电磁仪进行勘查还存在两个方面的问题需要解决,其一是勘查的成果对于浅部底层信息的压制范围相对偏大;其二是勘查结果的交流视电阻率值普遍存在偏低的情况。

1瞬变电磁探测基本原理及技术方法

水文地质勘查指的是调查、研究并解决各类建筑工程以及人类活动中涉及到的各种地质问题的科学。水文地质勘察的目的是为了查明各种工程地区的地质条件,客观评价工程地区内的各种地质问题,预测建筑工程过程中可能出现的地质条件的变化以及对建筑工程的影响,选择最优的施工地点,并对针对施工地区的不良地质问题提供解决方案,确保建筑工程的顺利施工以及正常使用。工程地质研究的主要内容有确定岩土成分、物理化学与力学性质、组织结构以及对建筑工程稳定性等方面可能造成的影响,对岩土进行工程地质分类,在此基础上改善岩土的建筑性能。在过去的工程勘察工作当中,很多方法都没有结合施工需要以及基础设计综合评价地下水对岩土工程的具体影响甚至危害。而目前经常运用的是时间域瞬变电磁法。

瞬变电磁法是一种利用不接地回线湖综合接地线源向地下发送一次脉冲磁场,然后地下的导电地质在脉冲磁场的激发之下,感应出涡流,并且根据涡流的大小来判别地质体的导电程度,从而在空间形成二次瞬变磁场。第一次脉冲磁场随着脉冲电流的关断而会出现崩溃,但是第二次瞬变磁场却不会立即消失,而会有一个衰减的过程,这个衰减的过程是按照时间指数的规律递变的。因此,根据第二次涡流场能够对导电体的规模、产状以及电性进行判别,从而解释地下介质的电性结构,帮助了解地质结构。

基于这一原理,能够较好的完成使用频率域方法无法实现的重叠装置工作,实现域探测的地质体的最佳耦合,而且能够得到异常幅度相对较大,形态简单并且受到旁侧的影响相对较小的探测结果,能够满足各种地质勘查的需要。虽然TEM的方法各样,但是其基本原理都是一致的,即基于导电介质的阶跃变化的激励磁场激化作用之下引发的涡流场的问题。

2 瞬变电磁探测施工

2.1 施工仪器施工中采用 TEM-47(增强型)瞬变电磁仪，仪器探测精度高，盲区小，抗干扰能力强装置主要参数为:接收机 PROTEM－RECEIVER，时间门 20/30，信号分辨率 24 位，包括1个符号位，系统分辨率29位。发射机TEM-47，基本频率30，15,285Hz。

2.2 施工方法。采用 TEM 法进行观测。TEM 法观测的是二次场，因此对低阻异常体特别灵敏，是探测含水层及其富水性、构造及其含水情况的主要手段。1102 改造工作面瞬变电磁勘探采用偶极布置方式，偶极工作方式布置的优点是精度高，利于运输巷道条件下的作业。1102 工作面瞬变电磁勘探工程施工测线 6 条，即回风巷底板垂探线，测线长330m，点距 10m，实测物理点 34 个;回风巷帮内 450 俯探线，测线长330m，点距 10m，实测物理点 34 个;运输巷底板垂探线，测线长 340m，点距 10m，实测物理点 35 个;运输巷内帮 450 俯探线，测线长340m，点距 10m，实测物理点35个;切眼底板垂探线，测线长60m，点距10m，实测物理点7个;切眼内帮 450 俯探线，测线长60m，点距10m，实测物理点7个实测施工共完成测线长 1460m，物理点 152 个。

3 资料处理及数据分析

瞬变电磁法观测所得数据是各测点的瞬变感应电压，需换算成视电阻率、视深度等参数，才能对资料进行解释。资料处理主要步骤为滤波、关段时间校正、圆滑、视电阻率的计算、时深转换、反演、地形校正、绘制参数图件。数据转换后，根据视电阻率值生成视电阻率断面图和水文成果平面图，依据图件中地层相对高、低阻电性分布情况，结合实际勘探区的水文地质资料，得到勘探区内岩层赋水性的立体分布信息，判断出某区域、富水性及富水层位。根据探测结果可知，切眼内外无异常区，此次瞬变电磁勘探数据显示1102工作面煤层底板存在低阻异常区1处，即走向上1102工作面向里 30～70m 范围，上下呈条带状分布，影响深度范围在40m 以下，结合 1102 工作面综合柱状图分析，该水源为灰岩水，灰岩层厚约 5m。由于灰岩水具有初始水量大、补给量较小、易于疏干的特点，不会给矿井带来较大的水害影响，但该灰岩距奥陶系灰岩的垂距在 17～20m，奥陶系灰岩水极有可能通过断层裂隙，向上有一定的导升，因此是该面防治水工作的重点。

(1)原始数据整理。首先要对采集到的数据进行格式转换、两次优选、滤波,消除噪声,对资料进行去伪存真。

(2)时深转换。瞬变电磁仪器在井下观测到的是二次场电位随时间的变化,为便于对资料的认识,需要将这些数据变换成电阻率随深度的变化,即进行一维层状反演处理。

(3)绘制视电阻率断面等值线图。①从时深转换后的数据中选出每个测点的数据,绘制各测点的视电阻率单曲线图,分析每个测点的视电阻率单曲线类型;②绘制各测线的视电阻率断面图,即沿每条测线电性随深度的变化情况;③结合已知地质资料分析测区内主要地层、地质构造,将电性异常转换成地质异常。

4资料解释

资料解释是根据编绘的视电阻率断面等值线图,结合地层相对视电阻率高、低阻电性分布情况,测区水文地质资料,判断探测范围内岩层的赋、导水性及其分布情况等。根据岩石电阻率实验室测试结果可知,灰岩、粉砂岩、细砂岩与中砂岩间存在一定的电性差异,砂岩与煤层、泥岩间的电性差异明显。不同岩性地层电阻率大小关系大致为:泥岩<泥质粉砂岩<细砂岩<粗砂岩<煤层<灰岩。本次工作区域围岩的岩性以泥岩为主,根据上述关系可知,泥岩电阻率值较低,会使探测结果整体电阻率值较低。这与实际探测结果一致。通常情况下在探测的目的地层是高阻砂岩或高阻石灰岩地层,其视电阻率断面等值线图反映为在高阻背景值上出现低阻异常,该低阻异常一般为地层破碎,多为裂隙或岩溶裂隙发育所形成的赋水异常。该低阻异常越低,即电性差异越大,往往赋水性较强。

4 治理措施

通过物探手段后，首先圈画出底板某区域，然后制订有效治水措施。一般来说，疏水开采是有条件的，对于含水丰富、补给条件好、水压高的承压含水层，就不宜采用疏降方法;同时，对于某些含水层可以疏降，但疏降规模受矿井排水能力的限制，因此采取疏降方法时应考虑条件是否允许。结合实际来看，1102 工作面标高在+105m 以上，回风大巷标高为+75m，两巷间距离为 60m，排水设施齐全，有利于底板水的疏放，因此可采用疏水降压的方法治理水害在1102 工作面布置了疏放钻孔，后期对该面回采期间的出水量进行观测，出水量约 1m3/h，回采过程中已不受水害威胁

5.结语

瞬变电磁法应用于较为复杂的地质环境， 受外界干扰较大的情况下， 其他勘探方法无法进行 ， 采用瞬变电磁法可以得到更加切合实际的测量结果。在以后的工作中可以进一步开展三维正、 反演理论方法的研究， 提高数据采集与处理系统的分辨率，同时对三维成像技术进行研究与开发。 由于瞬变电磁发射线圈与接收线圈所产生的互感及各自产生的自感， 这些信号与电磁响应信号叠加 ， 造成系统信噪比下降， 所以增大瞬变电磁法的探测能力， 以进一步为水文地质勘探工作服务。

参考文献：

[1]薛国强,李貅,底青云. 瞬变电磁法理论与应用研究进展[J].地球物理学进展, 2007,(04)。

[2]张保祥,刘春华,李勇. 瞬变电磁法在工程质量探测中的应用。

[3]尹尚先.唐山矿 Y257 探巷超前探测研究报告，华北科技学院。

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