瞬变电磁勘探中地形改正技术的研究*

刘 江，许德才，王一凡

(1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710005；2.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710005)

0 引言

我国是煤矿水文地质条件最为复杂的地区之一，煤矿水害是仅次于瓦斯灾害的第二大煤矿灾害性事件。瞬变电磁法勘探对地下水体和煤矿采空区反映灵敏，但由于复杂多变的地质、物性等条件的限制和电法解释的多解性，影响了电法解释的精度和可靠性，已不能满足新形势的要求。地形影响是瞬变电磁法解释的难题，理论上可以通过角域校正、比值法等办法对较简单的地形起伏变化作校正，但在生产中应用时，野外和室内计算工作十分繁杂，校正效果也不甚理想。为了更好地消除地形变化等干扰因素对资料解释的影响，提高瞬变电磁勘探的精度，为用户提供较精确的地质资料，成为一个重要的研究方向。近年来，项目组就侧重研究了瞬变电磁勘探中克服地形影响的途径和方法。

1 地形因素在瞬变电磁资料中的影响

地形对瞬变电磁响应的影响可分为两大因素：几何因素、物理因素。几何因素是指由于地形起伏致发射线框及接收回线(或探头)与水平面呈角度斜交；物理因素即导电围岩以及覆盖层因地形起伏引起响应的改变。目前在野外观测中，操作人员会尽量保持接收线圈水平面或采用适合的装置形式以避免几何因素对瞬变电磁地电响应的影响。在煤田TEM勘探中，由于煤系地层沉积序列稳定，地形变化主要是由于地表风化剥蚀或水体冲刷所致，故在横向上导电性相对均一。而由于物理因素的影响，瞬变电磁点、线、面解释图件反映的异常往往位于地表的凹陷或抬升位置，与地层情况相悖。

1.1 地形因素在单点曲线中的特征

图1 ρτ-hτ曲线

从图1可知，1160号测点地表标高为1 459 m，280号测点地表标高为1 335 m，两点标高差124 m。而曲线在同一标高的水平面(煤系地层)上1160号测点的视电阻也高于280号测点，具有一定的对应性。

1.2 地形因素在剖面上的特征

地形影响在剖面图上的反映表现为：视电阻率等值线与地形线形态相似，造成“逢山必高”现象，对应于一维曲线特征分析中所说的抬升曲线形式，如图2所示。

图2 视电阻率(ρτ)断面图

1.3 地形因素在平面上的特征

从图3可以看到目标层对应深度上的视电阻率的高低与地形对应关系较好。从地形地势图看测区西北部的地形标高为全区最高，而煤层顶板视电阻率等值线平面图的高阻异常条带也主要分布在测区的西北部，与地形标高相符，但与矿区地质情况相悖。

图3 视电阻率与地形关系

2 二次电位切线斜率法的可行性

2.1 归一化二次电压与视电阻率的低阻异常关系

瞬变电磁法测量时，接收线圈所观测的感应电压V2(t)与作用磁场的关系为：

V2(t)=-SRNdB(t)/dt

SR和N分别为接收线圈的有效面积和匝数，因此磁感应强度B(t)的时间导数与V2成正比关系，故接收线圈所观测到的二次场V2(t)与dB(t)/dt的波形是一致的，如图4所示。

图4 磁感应强度与时间的关系

图4说明良导体比一般导体的dB(t)/dt或V2(t)衰减较慢，曲线斜率值较小。在瞬变电磁测深测量中，时间道与探测深度是成正相关的，故二次电位衰减曲线(V2～H)与V2～(t)的形态也是相似的。因此，在地下某一时间道对应的探测深度上，曲线(V2～H)的斜率K越小，则该深度上视电阻率越低。在某一地质层位上，斜率K的低值异常与视电阻率的低阻异常相对应。

2.2 有限元法分析

根据有限元法原理，在“烟圈”效应影响范围内，可将地下半空间的地质体划分成许多小“环带”，各“环带”单元感应电位值叠加运算后，则可得到该测点的总二次电位值，即为接收回线在某一时间道观测到的二次电位值。

在一个测区进行瞬变电磁测量时，在某一时间道对应的探测深度上的二次电位值V2真，可以用地质体产生的电位差V2岩和由地形影响产生的电位差(干扰电位差)V2扰叠加形成。

可以分析切线斜率K仅与测点下地质体产生的电位差V2岩相关，而与地形影响产生的电位差(干扰电位差)无关。

3 二次电位切线斜率法在地形改正中的地质效果

3.1 一维曲线特征分析

该测点位于钻孔附近，钻孔揭露第四系厚7.51 m，3#煤埋深594.31 m，15#煤埋深719.08 m，奥灰顶界面埋深约738.78 m。从图5中可以看出瞬变电磁对于煤系地层中主要电性层位均有较明显的分层标志，实测曲线9～12 ms段曲线下降较缓，对应于转换曲线中段538～570 m明显的低阻层，是3#煤上覆泥、砂岩互层的电性反映；698～786 m处上升幅度较缓平台为15#煤与本溪组泥岩的电性反映；尾部上升斜率明显增大，说明已穿透煤系地层，进入下伏奥灰岩地层，特征与地质资料吻合。

图5 某测点的实测及转换曲线

3.2 二维视电阻率断面特征分析

从图6可以看出，视电阻率变化特征在纵向上呈现的是由煤系地层的较低阻至奥灰的高阻地层；在横向上视电阻率基本呈水平层状，反映了地层层状分布的特点，局部地段出现高角度的低阻梯度带结构及高阻和低阻等值线绕曲特征，分析为X131、X132陷落柱及其所形成的裂隙带富含水所致，与三维地震资料结果一致。

图6 地形改正后的视电阻率(上)及地质解释断面图(下)

3.3 平面成果

图7 某深度视电阻率等值线平面图(左)和顶板砂岩含水异常平面图(右)

由图7易知，平面上整体电性平稳，大部等值线颜色基本趋近，可见本区原始数据地形校正效果显著，结合水文地质和钻孔资料分析，圈定了低阻异常区；并将异常放在煤层底板构造图上，由于切线法为比值处理，对数据干扰有一定的压制效果，圈定的富水异常主要集中在测区的向斜轴部，同时也位于测区内主要构造背斜的两翼，与矿井地质资料吻合。

4 结语

在瞬变电磁法勘探工作中，运用二次电位衰减曲线的切线斜率代替视电阻率参数进行资料处理和解释，基本消除地形变化等干扰因素对解释的影响，地质效果显著，使得资料处理结果与实际地层更相符，一定程度上解决了水文地质的精细勘探问题，可为矿区的水害防治提供技术支持，为煤矿防治水提供了水文物探依据。