瞬变电磁法在煤田含水层普查中的应用

李宇刚

(陕西省一三一煤田地质有限公司，陕西 韩城 715400)

0 引言

陕西能源赵石畔煤电一体化项目位于国家规划的榆横矿区南区横山县雷龙湾镇境内。井田地处毛乌素沙漠东南缘与陕北黄土高原接壤地带，地表基本被第四系松散沉积物所覆盖，沿无定河及井田内主要沟谷中有白垩系洛河砂岩零星出露。井田位于鄂尔多斯盆地之次级构造单元陕北斜坡中南部，地质构造简单，本区总体构造形态为一NWW向倾斜的单斜层，倾角小于1°，局部发育宽缓的波状起伏，区内无岩浆活动痕迹。井田水文地质条件特征是风积沙广厚分布，地表水不甚发育。根据地下水的埋藏条件，含水层的富、透水性及充水空间的性质，区内地下水可分为松散沉积层孔隙水、基岩裂隙孔隙潜水和基岩裂隙承压水3种类型。

为了探查区域内3号煤上覆各主要含水层的富水性及其在平面和垂向上的变化情况，以及白垩系洛河组富水区的具体分布范围及富水性变化规律，需对赵石畔煤矿首采盘区地面进行瞬变电磁勘探工作。

1 数据采集与分析

1.1 仪器设备与参数

瞬变电磁法探测试验施工使用的仪器为中国地质大学(武汉)高科资源探测仪器研究所生产的CUGTEM-8型资源勘查型瞬变电磁仪。该仪器对高、低阻异常体反应特别灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高，具有施工快捷、效率高等优点。瞬变电磁仪系统可以通过加大发射功率的方法增强二次场，提高信噪比，加深勘探深度[1-3]；通过多次脉冲激发场的重复测量叠加和空间域多次覆盖技术的应用提高信噪比，可应用于各种工作复杂、噪声干扰大的施工环境[4-6]，最大有效勘探深度能达到1 000 m。

1.2 试验工作

1.2.1 试验目的

试验工作的主要目的是了解勘探区的地电条件、施工条件、干扰背景以及勘探区的地球物理特征等，通过试验工作的有效性，以便选择最佳工作方法和装置参数；试验点选择在已知的钻孔附近具有代表性的地段进行。工作参数及工作装置选择是否合理将直接影响到观测的结果，不合适的工作参数可能会费工费时而观测到的数据质量很差，直接影响资料的解释甚至影响地质任务的完成，通过试验选择合理的工作参数是进行外业采集的前提[7-10]。

1.2.2 试验内容

根据设计要求，本次试验内容主要是检验仪器的稳定性、一致性、确定区内最佳的施工参数。探测效果推断方面，对试验数据做初步的正反演算推断，结合实际地质资料，推断探测效果并做必要的参数调整，确保所选取的施工参数能够满足最大的探测深度要求和对目标层、目标体的分辨率。

1.2.3 试验地点选择

根据已知地质资料与地形地物条件，选择勘探区内具有代表性的地段完成试验，选择J3井检孔附近。这主要是由于该处地形含沟壑、山包，基本代表了整个勘探区的地形特征，且J3为井筒检查孔，有已知地质资料可参考。

1.3 探测效果分析

本次瞬变电磁法设计测线205条，其中坐标点16 469个，含基本瞬变点13 916个，加密点2 553个；检查点660个，试验点50个，总计物理点17 179个。不同岩层具有不同的导电性，一般泥岩、粉砂岩、中粗砂岩、砾石层、煤层的电阻率值依次增高。煤系地层有层状分布特点，在横向上导电性相对均一，纵向上视电阻率的变化规律基本一致。在致密完整的情况下，岩层电阻率相对较高，如果岩层中有充水裂隙等构造存在，或受断层切割，破碎带含水、导水时，由于水体良好的导电性，使该岩层与围岩产生明显的电性差异。试验线选择在位于井检孔J3附近，总长100 m，共11个测点，试验线如图1所示。可以看出，在标高1 100～1 200 m视电阻率较高，阻值为100～160 Ω·m；在标高1 000～1 100 m视电阻率较低，阻值为0～80 Ω·m；在标高900～1 000 m视电阻率较高，阻值为100～160 Ω·m；在标高800～900 m视电阻率逐渐增大，阻值为120～200 Ω·m；在标高700～800 m视电阻率逐渐增大，阻值为160～260 Ω·m。

图1 试验线成果Fig.1 Test line results

结合J3钻孔资料可知，标高1 156 m以上为地表松散层，地表松散层富水性弱，电阻率一般呈现高阻。标高1 026～1 156 m为洛河组，洛河组为强含水层，视电阻率较低。894～1 026 m为安定组，安定组富水性弱，视电阻率一般呈现高阻，797～894 m为直罗组，直罗组为弱富水层，视电阻率呈现高阻，719～797 m为延安组，延安组为弱富水层，电阻率呈现高阻。

2 瞬变电磁勘探成果

2.1 成果解释

一般情况下，当正常地层中含水时，其电阻率值较不含水时偏低，含水性越强，其电阻率值越低。瞬变电磁法勘探用于解释的参数即是与电阻率密切相关的视电阻率，该物性基本上可以反映地层的电性变化情况。依据本次瞬变电磁法勘探工作的地质任务和目的，绘制了所有测线的视电阻率断面图，标高1 050 m(洛河组)、950 m(安定组)、850 m(直罗组)730 m(3号煤层)等深度视电阻率切片图以及瞬变电磁视电阻率切片对比图，各等值线图的色标均统一调整，以突出高、低视电阻率异常区域。视电阻率颜色色标使用蓝色、青色、绿色、黄色、红色表示由低阻到高阻进行标注。在对异常区的推断解释中，采用断面图与切片图相结合、物探成果与地质成果相结合的方法。

2.2 视电阻率断面图综合分析

本次瞬变电磁勘探工作共完成测线205条，经资料处理和解释的反演获得断面图205幅，下面对本次完成的部分具有代表性的断面图予以解释。

2.2.1 112线瞬变电磁视电阻率断面

从图2可以看出，整个剖面视电阻率在横向上变化不大，在纵向上从高到低基本呈现高—低—高趋势，在标高1 100 m以上基本呈现高阻，阻值为120～180 Ω·m，标高1 000～1 100 m呈现低阻，阻值为0～80 Ω·m，标高700～1 000 m呈现高阻，阻值为100～260 Ω·m，且从上到下视电阻率逐渐增高。结合地质资料可知，测区内地层较稳定，地表为松散层，视电阻率较高，标高1 000～1 100 m为洛河组，富水性较强，视电阻率较低，标高1 000 m以下从浅到深依次为安定组、直罗组、延安组，富水性弱，视电阻率较高且从上到下逐渐增高。

图2 112线瞬变电磁视电阻率断面Fig.2 Section of transient electromagnetic apparent resistivity of line 112

2.2.2 140线瞬变电磁视电阻率断面

从图3可以看出，整个剖面视电阻率在横向上变化不大，在纵向上从高到低基本呈现高—低—高趋势，在标高1 100 m以上基本呈现高阻，阻值为100～180 Ω·m，标高1 000～1 100 m呈现低阻，阻值为0～80 Ω·m，标高700～1 000 m呈现高阻，阻值为100～280 Ω·m，且从上到下视电阻率逐渐增高。结合地质资料可知，测区内地层较稳定，地表为松散层，视电阻率较高，标高1 000～1 100 m为洛河组，富水性较强，视电阻率较低，标高1 000 m以下从浅到深依次为安定组、直罗组、延安组，富水性弱，视电阻率较高且从上到下逐渐增高。

图3 140线瞬变电磁视电阻率断面Fig.3 Section of transient electromagnetic apparent resistivity of line 140

2.2.3 164线瞬变电磁视电阻率断面

从图4可以看出，整个剖面视电阻率在横向上变化不大，在纵向上从高到低基本呈现高—低—高趋势，在标高1 100 m以上基本呈现高阻，阻值为100～160 Ω·m，标高1 000～1 100 m呈现低阻，阻值为0～80 Ω·m，且在横向上从小到大阻值逐渐增高，标高700～1 000 m呈现高阻，阻值为100～240 Ω·m，且从上到下视电阻率逐渐增高。结合地质资料可知，测区内地层较稳定，地表为松散层，视电阻率较高，标高1 000～1 100 m为洛河组，富水性较强，视电阻率较低，标高1 000 m以下从浅到深依次为安定组、直罗组、延安组，富水性弱，视电阻率较高且从上到下逐渐增高。

图4 164线瞬变电磁视电阻率断面Fig.4 Section of transient electromagnetic apparent resistivity of line 164

2.3 平面切片图分析

2.3.1 1 050 m等深度视电阻率切片

从图5可以看出，在标高1 050 m处，全区视电阻率基本呈现低阻，从左下方到右上方视电阻率逐渐增高。左下方视电阻率较低，阻值为0～60 Ω·m，右下方视电阻率相对较高，阻值为0～80 Ω·m，中部视电阻率逐渐增高，阻值为60～100 Ω·m，上部视电阻率相对最高，阻值为100～120 Ω·m。在右下方存在两处相对低阻区SP1、SP2，分别位于112～115线，420～520号点；112～142线，528～564号点，面积分别约为0.4 km2、0.04 km2。结合地质资料可知，标高1 050 m基本处于洛河组内，洛河组砂岩富水性强，视电阻率较低，其厚度由东北部向西南方向逐渐增厚，平均厚度为79.67 m。含水层为发育大型交错层理的中细粒长石砂岩，质地疏松，孔隙度大，补给条件优越，地下水的赋存条件好，因此，推断勘探区内由东北到西南洛河组砂岩富水性逐渐增强，两处相对低阻区推断是由于洛河组裂隙水富集所致。

图5 1 050 m等深度视电阻率切片Fig.5 Slice of 1 050 m equal depth apparent resistivity

2.3.2 950 m、850 m等深度视电阻率切片

从图6可以看出，在标高950 m，全区视电阻率变化均匀，基本呈现高阻，阻值为120～280 Ω·m，结合地质资料可知，标高950 m基本处于安定组，安定组下部岩性主要为浅紫红色、灰绿色中厚层状中细粒长石砂岩，发育水平层理。上部为紫、暗紫红色泥岩、粉砂质泥岩夹紫红色粉砂岩、中-细粒长石砂岩韵律层，富水性弱，一般视电阻率较高，为良好的隔水层。在标高850 m，全区视电阻率基本呈现高阻且变化均匀，阻值为100～200 Ω·m，结合地质资料可知，标高850 m基本处于直罗组，岩性以灰白-浅灰白色中(细)粒砂岩和浅灰绿色粉砂岩、泥岩为主，直罗组为弱富水层，视电阻率一般较高。

图6 950 m、850 m等深度视电阻率切片Fig.6 Slice of 950 m and 850 m equal depth apparent resistivity

2.3.3 730 m等深度视电阻率切片

从图7可以看出，在标高730 m，全区视电阻率基本呈现高阻，阻值为120～240 Ω·m，该图在208～224线，400～428号点存在一处相对低阻区SP1，面积约为0.06 km2。结合地质资料可知，勘探区范围内，标高730 m处为3号煤，3号煤层为主要可采煤层，其顶板直接充水含水层为冒落带内的延安组第四段底砂岩(真武洞砂岩)，间接充水含水层为导水裂缝带内直罗组底砂岩(七里镇砂岩)，延安组、直罗组皆为弱富水层，视电阻率较高。因此，推断其低阻异常是由于延安组砂岩裂隙水富集所致。

图7 730 m等深度视电阻率切片Fig.7 Slice of 730 m equal depth apparent resistivity

2.4 切片对比图综合分析

为了说明勘探内3号煤上覆各主要含水层相互间的水力联系，对标高1 050 m(洛河组)、950 m(安定组)、850 m(直罗组)、730 m(3号煤层)进行对比分析，如图8所示。可以看出，在标高1 050 m，全区视电阻率基本呈现低阻，从西南方到东北方视电阻率逐渐增高，东南方视电阻率较低，阻值为0～40 Ω·m，西南方视电阻率相对较高，阻值为40～80 Ω·m，中部视电阻率逐渐增高，阻值为60～100 Ω·m，东北部视电阻率相对最高，阻值为80～100 Ω·m；在标高950 m，全区视电阻率变化均匀，基本呈现高阻，阻值为120～280 Ω·m；在标高850 m，全区视电阻率基本呈现高阻，阻值为100～200 Ω·m；在标高730 m，全区视电阻率基本呈现高阻，阻值为120～240 Ω·m。

图8 瞬变电磁视电阻率切片对比Fig.8 Comparison of transient electromagnetic apparent resistivity slices

结合地质资料可知，标高1 050 m基本处于洛河组内，洛河组砂岩富水性强，视电阻率较低，其厚度由东北部向西南方逐渐增厚，平均厚度79.67 m。含水层为发育大型交错层理的中细粒长石砂岩，质地疏松，孔隙度大，补给条件优越，地下水的赋存条件好；标高950 m基本处于安定组，安定组下部岩性主要为浅紫红色、灰绿色中厚层状中细粒长石砂岩，发育水平层理。上部为紫、暗紫红色泥岩、粉砂质泥岩夹紫红色粉砂岩、中-细粒长石砂岩韵律层，富水性弱，一般视电阻率较高，为良好的隔水层；标高850 m基本处于直罗组，岩性以灰白-浅灰白色中(细)粒砂岩和浅灰绿色粉砂岩、泥岩为主，直罗组为弱富水层，视电阻率一般较高；标高730 m处为3号煤，3号煤层为主要可采煤层，其顶板直接充水含水层为冒落带内的延安组，间接充水含水层为导水裂隙带内直罗组，延安组、直罗组皆为弱富水层，视电阻率较高，由此可以推断洛河组裂隙水与下部直罗组延安组并未导通，对下部含水层影响不大。

3 结论

(1)通过本次工作确定区域内3号煤上覆各主要含水层有洛河组、安定组、直罗组，其中洛河组富水性较强，安定组和直罗组富水性较弱。

(2)结合平面切片图及切片对比图推断，3号煤上覆地层洛河组裂隙水与下部直罗组延安组并未导通，对下部含水层影响不大。

(3)结合后期水文钻孔资料验证，本次施工所得结论较为准确，基本完成了本次勘探任务，可以为矿方进行下一步工作提供参考。通过本次工作证明，瞬变电磁法在煤田含水层普查的作用是明显的、可靠的。