瞬变电磁大定源回线装置和多匝小线框重叠回线装置对比分析——以内蒙某煤矿水文物探为例

齐朝华，罗国平，刘镜竹

(中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750)

0 前言

为研究内蒙古某矿区内地质构造的富(导)水情况，评价煤系地层富水性，以便合理布置巷道及采掘工作面，确保安全、高效生产，经论证选择瞬变电磁法勘探开展这项工作。为保证数据采集质量，施工前在研究区钻孔59-11附近分别进行大定源回线装置和重叠回线装置试验，通过试验对比选择适合本研究区工作装置及施工参数。

1 理论依据

重叠回线装置和大定源回线装置瞬变电磁法属于时间域电磁感应法，它利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场，在一次脉冲场间歇期间接收感应二次场。不同的是，重叠回线装置接收二次场使用与发射回线重叠的另一个回线，每个测点同时移动发射、接收回线。大定源回线装置接收二次场一般使用专门磁探头，测点位于发射回线中心1/9面积范围内，一个发射回线内可布置多个测点。瞬变电磁二次场是由地下良导地质体受激励引起的涡流所产生的非稳电磁场，场的分布遵行法拉递电磁感应定律。瞬变电磁法具有下面几个特点：

①观测纯二次场，没有装置耦合噪声，噪声主要来自天电及人文电磁干扰；

②对导电围岩和导电覆盖层的分辨能力高，测量方法技术既快又简单；

③在高阻围岩条件下，没有地形引起的假异常。

均匀大地的瞬变电磁二次场响应可用“烟圈效应”(环流)等效，发育有含水地质体时的瞬变电磁二次场包括“环流”响应、“环流”向含水地质体汇集产生的集流响应、“环流”对含水地质体激发产生感应涡流的响应和“环流”对含水地质体产生的激发极化响应。不同的瞬变电磁装置的二次场中上述四种响应的占比不同，瞬变电磁异常特征也不同。重叠回线装置时集流响应和激发极化响应占比较大，含水地质体上二次场具有中间低两侧高的异常特征，甚至可以测量到负的瞬变电磁二次场；含水地质体上大定源回线装置的响应表现为感应电压高或边界附近的感应电压的急剧变化。

2 地层及地球物理特征

2.1 地层

研究区位于鄂尔多斯盆地，地层由老至新：三叠系上统延长组(T3y)、侏罗系中下统延安组(J1-2y)、侏罗系中统直罗组(J2z)、侏罗系中统安定组(J2a)、下白垩志丹群(K1zh)、第四系(Q)。侏罗系中下统延安组(J1-2y)为区内主要含煤地层，含2、3、4、5、6五个煤组，按其沉积旋回可划分三个岩段。下部为灰白、黄白、灰黑色粗砂岩和含砾粗砂岩，局部地段为砾岩。主要成分为石英、长石，泥质胶结及高岭土质胶结。中部为灰黄色，黄色厚层状砂岩，薄层粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩。上部为灰白色高岭土质胶结的细粉砂岩，局部相变为砂质黏土岩和黏土岩。

2.2 含水层

研究区含水层自上而下分为第四系(Q)松散层潜水含水层，富水性中等；白垩系下统志丹群(K1zh)孔隙潜水～承压水含水层，富水性弱～中等；侏罗系中统直罗组(J2z)碎屑岩类孔隙、裂隙承压水含水层，富水性弱；侏罗系中下统延安组(J1-2y)碎屑岩类孔隙、裂隙承压水含水层，富水性弱。侏罗系中下统延安组含水层为开采煤层的直接充水层，对煤层开采的影响大。

2.3 地球物理电性特征

通过研究区测井资料分析电性参数如下：

总体上深度32～260 m白垩系下统志丹群电阻率较高，平均50 Ω·m，其间深度50 m附近有一个厚20 m左右的低阻层；深度260～500 m侏罗系安定组、直罗组地层电阻率较低，约为28 Ω·m，下部延安组含煤地层电阻率相对较高，平均86 Ω·m。不同地层的电性差异明显，为瞬变电磁勘探提供了前提条件。

表1 研究区59-11孔测井视电阻率统计表

3 单点瞬变电磁成果对比

本次瞬变电磁勘探使用的是澳大利亚生产的TerraTEM仪器，大定源回线装置发射机是TX-50，接收机为TerraTEM；重叠回线装置使用的是TerraTEM发射接收一体机。

3.1 大定源回线装置

大定源回线装置发射回线为600 m×300 m矩形线框，接收使用等效面积2 000 m2的磁探头。图1是大定源回线发射供电电流为15A、22A、10A的二次场衰减曲线，受电流的影响关断时间分别为118、164、67μs，导致早期数据有微小差别。晚期段最后3个窗口数据也有较小的差别，但在误差范围内。也就是说3种电流供电时二次场信号没有明显的差别，可以选择任意1个电流供电进行数据采集。

图1 大定源回线不同供电电流二次场衰减曲线对比Figure 1 Comparison of large fixed-source loop secondary field attenuation curves from different power supply currents

图2 大定源回线不同增益二次场衰减曲线对比Figure 2 Comparison of large fixed-source loop secondary field attenuation curves from different gains

在选择合适工作电流基础上，分别进行了不同增益、不同延时、不同叠加次数的参数试验，图2是大定源回线不同增益的二次场衰减曲线，红色代表增益为1，当增益是4时候，整个二次场曲线已经圆滑，为保证采集数据原始质量，工作装置选择增益为4。通过试验得到大定源回线装置参数如下：

发射：600 m×300 m矩形线框；

接收：等效面积2 000 m2磁探头；

电流：15A；

增益：4；

测量时窗：SIROTEM-3的复合时间系列1～32，最大窗口时间47.945 ms；

测量延时：120 μs。

3.2 多匝小线框重叠回线装置

根据以往多匝小线框重叠回线装置工作经验，发射线框选择2 m边长正方形，接收回线选择1 m边长的正方形。首先进行不同匝数的接收和发射线框试验，试验参数如下：

表2 多匝小线框重叠回线装置试验参数

图3 不同匝数重叠回线二次场衰减曲线对比Figure 3 Comparison of overlapped loop secondary field attenuation curves from different turns

图3是其中C、E、F装置参数的二次场衰减曲线，C衰减曲线由于过渡过程影响，早期有3个窗口数据产生了畸变；E衰减曲线晚期4个时窗的数据有跳变；F衰减曲线变化平缓，通过分析认为F(发射线圈25匝2 m边长正方形、接收线圈30匝1 m边长正方形)适合数据采集要求。试验装置的同时，瞬变电磁勘探中增益对数据的影响较大，图4是装置F不同增益的试验曲线，增益1数据剧烈跳动，增益64时晚期2个测道数据有跳动，增益32时数据变化平缓，数据都大于观测噪声，最终选择增益32进行数据采集。

图4 重叠回线装置不同增益的二次场曲线Figure 4 Overlapped loop installation secondary field curves from different gains

试验得到装置参数如下：

发射：25匝2 m×2 m回线；

接收：30匝1 m×1 m回线；

电流：2.4A；

增益：32；

测量时窗：SIROTEM-3的复合时间系列1～32，最大窗口时间47.945 ms；

测量延时：120 μs。

图5是已知钻孔附近大定回线源装置与多匝小线框重叠回线装置的一维反演电阻率曲线与电阻率测井曲线的对比，瞬变电磁2条反演电阻率曲线在400 m以浅与电阻率测井曲线完全一致，450 m深度附近3条曲线都有一个电阻率低，多匝小线框重叠回线装置的反应更明显。600 m以后大定源回线与多匝小线框重叠回线的反演电阻率大小差别大，但对地层电性的垂向变化特征基本相同。

通过钻孔资料知道，10～290 m为白垩系下统志丹群，290～375 m为侏罗系安定组，375～500 m为侏罗系直罗组，500～570 m为侏罗系延安组三段，570～810 m为侏罗系二段含煤地层。综合推断10～375 m电阻率呈现高～低～高变化是白垩系下统志丹群和侏罗系安定组地层岩性的反映；450 m附近测井曲线低阻主要为侏罗系直罗组的反映；500 m以后电阻率开始抬高主要是含煤地层侏罗系延安组综合反映。

4 测线瞬变电磁成果对比

4.1 大定源回线装置视电阻率拟断面图

在不同装置单点瞬变电磁成果对比分析的基础上，就两种装置进行了测线对比分析，2条测线分别为88线、96线，线距80 m、点距20 m。图6是大定源回线试验段视电阻率拟断面图，断面图中看出250～500 m深度的低电阻率特征明显，深部和浅部的视电阻率相对较高，而且浅部视电阻率沿测线变化平缓。深部视电阻率沿测点变化大，反应了深部地层岩性或富水性沿测线的变化。2条测线在测点2 320、深度650 m附近有一个局部视电阻低，电阻率值在28 Ω·m左右。这个电阻率低异常有向东(大号点)、向深部延展的趋势，96线的这个特征更明显，延伸到96线测点2 520、深度93 m。

4.2 多匝小线框重叠回线装置拟断面图

多匝小线框使用发射线圈25匝2 m边长正方形、接收线圈30匝1 m边长正方形的重叠回线装置进行了勘探线试验，图7是视电阻率拟断面图，视电阻率等值线总体特征与大定源回线装置一致，250～500 m深度的低电阻率特征明显，深部和浅部的视电阻率相对较高，而且浅部视电阻率沿测线变化平缓。

4.3 两种装置视电阻率拟断面图对比分析

图8是96线两种不同装置的视电阻率拟断面图，2种装置反演得到的地层电性分层特征一致，但横向上差别较大。浅部100 m附近2 400～2 480处大定回线源装置为局部低阻，多匝小线框重叠回线装置为局部高阻。深部大定源回线装置可以圈定出1、2、3等3个低阻区，多匝小线框重叠回线装置视电阻率拟断面图相应位置有3个对应的高阻异常区。

图9是88线两种不同装置的视电阻率拟断面图，与96线类似，2种装置的地层电性分层特征一致，但横向上差别较大。大定源回线装置可以圈定2号、3号低电阻率异常区，2号异常区特征不明显；重叠回线装置在大定源回线装置的3号异常区处有一个高阻异常，大定源回线装置的2号低阻异常区处重叠回线装置是一个高阻异常，而且异常非常明显，并与3号异常形成条带状高阻异常。

图5 不同装置孔旁测深曲线对比Figure 5 Comparison of borehole side sounding curves from different installations

图6 大定源回线装置视电阻率拟断面图Figure 6 Large fixed-source loop installation apparent resistivity pseudosection

图7 多匝小线框重叠回线装置视电阻率拟断面图Figure 7 Multiturn small wireframe overlapped loop installation apparent resistivity pseudosection

图8 不同装置96线试验段视电阻率拟断面图对比Figure 8 Comparison of line No.96 testing sector apparent resistivity pseudosections from different installations

图9 不同装置88线试验段视电阻率拟断面图对比Figure 9 Comparison of line No.88 testing sector apparent resistivity pseudosections from different installations

考虑到88、96线是距离80 m的相邻测线，断面电阻率特征应该相似。大定源回线装置96线2、3号低阻异常条带与多匝小线框重叠回线装置88线、96线2、3号高阻异常条带相对应，组成1个倾向西(小号点)的条带异常，大定源回线装置88线受1号异常的影响，该异常条带不是很明显。

5 结论

通过对大定源回线装置和多匝小线框重叠回线装置视电阻率测深曲线和视电阻率拟断面图的对比分析，认为这2种装置从浅到深电阻率变化特征一致，具有相同的地层电性分层能力。横向上2种装置对地层电性的电阻率反映相反，大定源回线装置低阻异常地段多匝小线框重叠回线装置为高阻异常地段，因此使用瞬变电磁法开展水文物探时，应该考虑使用勘探装置不同进行含水异常分析解释的方法原则也不同。由于多匝小线框重叠回线装置相比大定源回线装置占地面积小，体积效应小，异常特征更明显，选择发射线框25匝2 m边长正方形、接收线框30匝1 m边长正方形的重叠回线装置在研究区开展本次瞬变电磁研究工作。

参考文献:

[1]罗国平，魏凤英.瞬变电磁法磁场及其视电阻率研究[J].中国煤炭地质(原中国煤田地质)，2000,12(2)：60-62.

[2]肖明辉，杨晋炜，等.国内多匝小线框瞬变电磁研究现状探讨[J].西部探矿工程，2011,10：157-160.

[3]于景邨，刘志新，岳建华.煤矿深部开采中的地球物理技术现状及展望[J].地球物理学进展，2007，229(2):586-592.

[4]刘最亮，王鹤宇.大定源瞬变电磁法在含水断层构造探测中的应用[J].煤炭地质与勘探，2012，40(5)：67-70.

[5]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙：中南大学出版社,2007.

[6]罗国平.不同装置瞬变电磁含水异常特征分析[J].中国煤炭地质,2015,27(3)：70-76.

[7]罗国平，张春燕，李旭.采空区含水性探测的综合电法勘探应用研究[J].中国煤炭地质,2013,25(1)：44-47.