EH-4电磁成像系统在采煤沉陷区寻找地下水的应用

2014-04-01陈正华姚光华

中国矿业 2014年11期

陈正华,姚光华，

(1.外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室(重庆地质矿产研究院)，重庆 400042；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室重庆研究中心，重庆 400042；3.国土资源部野外科学观测研究基地矿山地质环境——重庆南桐野外基地，重庆 400042)

EH-4电磁成像系统(简称EH-4)是目前国内外较为先进的电磁勘探系统之一。它是CSAMT和MT的结合体，实现了天然信号源与人工信号源的采集和处理，能观测到离地表以下3000m内的地质断面的电性变化信息，基于对断面电性信息的分析研究，可以应用于地下水研究[1]、矿产[2]与地热勘察[3-4]，以及工程地质调查[5]等。EH-4具有探测深度大、设备轻、速度快、费用低、精度较高等特点，由于小巧和便于携带，广泛应用在地形比较复杂或环境比较恶劣的地区[6]。

南桐煤矿是西南岩溶山区最早开发的老矿之一，至今有70余年的开采历史，长期的煤矿开发形成了大面积的采沉区，引发的水资源和水环境问题十分突出，具有典型性。笔者以重庆南桐煤矿为主要研究对象，进行了地表水入渗特征研究、含水层破坏模式研究以及采沉区寻找地下水资源研究[7-9]，基于以上研究背景，本文运用EH-4电磁成像系统探寻采沉区富水区域，根据测线解译结果分析覆岩的破坏特征，结合理论分析和钻孔验证，论证研究区适宜取水地段，以期为岩溶山区采煤沉陷区地下水资源保障提供思路。

1 EH-4电磁测深测量技术

EH-4电磁成像系统是利用宇宙中的太阳风、雷电等入射到地球上的天然电磁场信号作为激发场源，又称一次场，该一次场是平面电磁波，垂直入射到大地介质中，由电磁场理论可知，大地介质中将会产生感应电磁场，此感应电磁场与一次场是同频率的，引入波阻抗Z(式(1))。在均匀大地和水平层状大地情况下，波阻抗是电场E和磁场H的水平分量的比值，见式(2)、式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：f是频率(Hz)，ρ是视电阻率(Ω·M)，E是电场强度(mv/km)，H是磁场强度(nT)，φE是电场相位(mrad)，φH是磁场相位(mrad)。必须提出的是，此时的E与H，应理解为一次场和感应场的空间张量叠加后的综合场，简称总场。在电磁理论中，把电磁场(E、H)在大地中传播时，其振幅衰减到初始值1/e时的深度，定义为穿透深度或趋肤深度(δ，式(4))。电磁波能量衰减到原来的50%时的传播深度定义为勘探深度(H，式(5))。

(4)

(5)

由式(4)和式(5)式可知，趋肤深度(δ)或勘探深度(H)都将随视电阻率(ρ)和频率(f)变化，测量是在和地下研究深度相对应的频带上进行的。一般来说，频率较高的数据反映浅部的电性特征，频率较低的数据反映较深的地层特征。因此，在一个宽频带上观测电场和磁场信息，并由此计算出视电阻率和相位，可确定出大地的地电特征和地下构造。

2 实例分析

2.1 数据采集

本研究采用20世纪90年代由美国EMI公司和Geometrics公司联合推出的EH-4电磁成像系统，野外数据采集采用单点测深的方法，鉴于该系统通常采用天然场源，只有在天然场信号很弱或者根本没有信号的频点上，才使用人工场源，用以改进数据质量，提高数据信噪比。根据测点的实际的情况，本次仅对信号较弱的测点进行了人工场源的发射，标准人工场源发射天线频率从800Hz到64KHz，从发射天线的频率范围可以看出，采用人工场源发射仅是加强浅部的数据信号，采用高频探头。点距主要在20m左右。

2.2 数据处理

野外采集的时间序列在进行预处理后，进行FFT变换，获得电场和磁场虚、实分量和相位数据。进行一维BOSTICK反演，将频率变换为深度；在一维反演的基础上，用国外二维成像软件进行快速自动二维电磁成像。为提高分辨率，同时，选择较小的像素，使反演数据得到加密，从而突出相对弱低阻异常。对反演得到的数据在XZ平面上进行Kringing网格化，X轴和Y轴采用各向异性的方法进行半径搜索。从而满足电性各向异性的实际情况。

2.3 测线分析

自化工厂厂区到家属区东侧的高山布置一条EH-4电磁测深测线，共25个点(图1)。剖面上部50m以浅整体为低阻区域，比较平稳，往深部逐渐为高阻，在10～20点电阻率等值线不连续，表现为低阻。根据电阻率大小、等值线形态分为2个高阻异常、1个低阻异常、1个基底区域。

Ⅰ号异常，位于横坐标1～10点，深度范围-50～-350m，电阻率较大，最高可达20000Ω·M。根据实测和地质填图资料,该处大部分岩性为灰岩。因此，推断Ⅰ号异常为灰岩高阻区域，且溶蚀破碎不发育。

Ⅱ号异常，位于横坐标20～25点，深度范围-50～-400m，电阻率较大，最高可达20000Ω·M。根据野外露头情况，该处为裸露山体，大部分岩性为灰岩。因此，推断Ⅰ号异常为灰岩高阻区域，且溶蚀破碎不发育。

Ⅲ号区域，为整条测线400m以深的基底区域，电阻率较大，从等值线形态上看，该区域与Ⅰ、Ⅱ号异常有所关联，且被低阻异常“侵蚀”的趋势。

Ⅳ号异常，位于横坐标10～20点，深度范围-50～-430m，电阻率较小，最高不超过1500Ω·M。位于两个高阻异常之间，形态不规则，根据地质情况，上部为泥岩、灰岩互层，因此推测该区域经地表水长期渗透、溶蚀引起，为灰岩溶蚀强发育区，局部存在泥质充填的溶洞。该异常区域含水充分，且有向深部渗透的趋势。

3 研究区EH-4应用

3.1 EH-4测线解译含水区域

测线所处的地层剖面见图2，其中方框表示的是EH-4测线的范围，经过与图1对照比对，由于Ⅳ号异常区域含水充分，且有向深部渗透的趋势，这个地段预测是目前研究区重点找水区域。

3.2 理论分析含水区域

在煤层顶板开采时，无论应力分布还是变形在垂向和水平方向上都存在着固有的分区规律[10]，剖面上形成一定范围的拉伸区和压缩区(图3)，其中拉伸区位于外边缘区(煤柱上方近地表区域)，形成的裂缝成为地表水和降雨的入渗通道，同时，储水空间增大，地下水位将随着储水空间的增大而下降，地下水位下储水空间成为富水区域。具体到研究区中，物探剖面Ⅳ号异常区域正位于拉伸区，与理论分析的含水区域吻合。图1与图2对照，Ⅳ号异常区域主要位于T1j灰岩地层，属于坚硬岩层，由于拉伸区形成裂缝导通地下水，致使T1j灰岩地层采动影响范围内形成“统一含水体”，即Ⅳ号异常区域富水地带。

图1 EH-4剖面

图2 EH-4遥感解译剖面对应地层剖面

3.3 EH-4测线解译分析覆岩隔水层的破坏特征

图3 煤层覆岩拉伸压缩区分区(改编自参考文献[10])

物探剖面显示，Ⅲ号区域电阻率较Ⅳ号异常区域大，可以对上部低电阻率区域(Ⅳ号异常)地下水起到较好的支撑作用，T1f6-7层位的中、下段正处于Ⅲ号区域，主要为钙质泥岩，属于软岩，有较强的适应变形的能力，物探解译从侧面也说明T1f6-7层位中、下段遭受地下采煤的破坏影响有限，未遭到明显破坏；Ⅲ区域的左下角椭圆区域正好为现阶段煤层开采水平，体现出比四周高的电阻率，是因为开采破坏了上部岩层的完整性，空隙增大，而采煤疏放了空隙中地下水，故煤炭开采面四周的电阻率高于未破坏完整基岩，这与实际情况也是相符的。

3.4 钻孔验证理论分析含水区域

该物探剖面中布置ZK6做抽水试验验证富水区域(图2)。当ZK6钻进至孔深101m时，地层揭露到T1j3底部，在孔深80m以1.6m3/h的流量抽水，水位下降0.4m，由于水位下降有限，在孔深90m又以3.7m3/h的流量抽水，水位下降1.6m。继续钻进至T1j2地层内，终孔孔深120m时，在孔深74m处，以4.75m3/h的流量抽水，地下水水位下降2.20m。根据这三次抽水试验，计算平均渗透系数为0.93 m/d，出水量大且稳定，论证了Ⅳ号异常区域(即覆岩拉伸区)是研究区较好的取水地段(图3)，同时说明南桐采煤沉陷区在T1j地层的“统一含水体”找水的可行性。