大地電磁頻譜測(cè)量法探測(cè)煤礦區(qū)陷落柱
王 軍1 楊雙安2 邢向榮1
1山西省煤炭地質(zhì)公司, 太原, 030045；2中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京校區(qū)）研究生院，北京， 100083；
摘要:大地電磁頻譜測(cè)量是在大地電磁測(cè)深基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種改進(jìn)方法。文中簡(jiǎn)述了該方法的基本原理和特點(diǎn)，并建立大地電阻率模型，確定相關(guān)的校正系數(shù)，將所得的頻率的標(biāo)定直接轉(zhuǎn)換為探測(cè)深度的刻度。詳細(xì)給出了建立模型的方法以及對(duì)比、解釋方法。通過陷落柱探測(cè)和煤層的識(shí)別等實(shí)例，說明了該方法的應(yīng)用效果和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：大地電磁頻譜測(cè)量，方法原理，陷落柱，煤層
1引言
大地電磁測(cè)深法是以天然交變電磁場(chǎng)為場(chǎng)源的一種地球物理方法。該方法野外施工簡(jiǎn)便、成本低廉，此外還具有勘探深度大，不受高阻層屏蔽影響，對(duì)低阻層有較高的分辨能力等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)交變電磁場(chǎng)在地中傳播時(shí)，由于趨膚深度效應(yīng)的作用，不同周期的信號(hào)具有不同的穿透深度，在地面上觀測(cè)大地電磁場(chǎng)，它的頻率響應(yīng)將反映地下巖層電性的分布情況[1]。
我們知道大地電磁測(cè)深法的探測(cè)深度與頻率，上覆地層的電阻率密切相關(guān)，其關(guān)系并不是一種簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。然而，通過研究和實(shí)際地質(zhì)模型的實(shí)驗(yàn)計(jì)算，可將地層的電阻率近視為與深度呈某種關(guān)系，例如，線性關(guān)系、指數(shù)關(guān)系等。這樣就在趨膚深度的關(guān)系式中可以將地層的電阻率消除掉，建立頻率和探測(cè)深度的直接關(guān)系式，即通過頻率的改變可以直接反映不同深度的地質(zhì)情況[2] [3]。
大地電磁頻譜測(cè)量方法是在大地電磁測(cè)深法的基礎(chǔ)研究出一套特殊的觀測(cè)系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)電磁波方法的深度刻度方法及解釋模式，建立了新的深度坐標(biāo)體系和深度刻度方法。利用現(xiàn)代電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，采集由地層反射到地面的電磁波信息，并進(jìn)行處理分析和解釋，結(jié)合地質(zhì)及其它地球物理資料用于地層的分層、礦藏識(shí)別、地層的含水性、含油氣性等評(píng)價(jià)。八十年代開始廣泛的應(yīng)用于地?zé)峥碧健⒂蜌饪碧?、有色金屬礦床勘探等領(lǐng)域，取得了良好效果。九十年代中期也應(yīng)用于煤系地層的追蹤和對(duì)比、探測(cè)煤礦區(qū)的陷落柱、確定灰?guī)r層中的含水性，為煤礦安全生產(chǎn)可靠的地質(zhì)資料。
大地電磁頻譜探測(cè)方法具有幾個(gè)明顯的特點(diǎn)：
①直接給出每個(gè)深度點(diǎn)上的相對(duì)電阻率值，且深度誤差小，有鉆孔標(biāo)定的地區(qū)，其誤差不大于5%;厚度分辨率1米；
②探測(cè)深度大，大于4000米;
③探測(cè)效率高，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)工作時(shí)間小于1小時(shí);
④儀器輕便（20kg左右），對(duì)施工場(chǎng)地要求簡(jiǎn)單。
目前，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行大地電磁法勘探，是針對(duì)不同的地質(zhì)條件采取不同的野外資料采集方法和資料處理措施，取得一定的成就，但總體來說技術(shù)和方法尚未過關(guān)，仍屬于世界性的難題，需要進(jìn)一步深入研究和實(shí)踐[4]。
2方法原理和測(cè)量過程
大地電磁頻譜測(cè)量(簡(jiǎn)稱MES探測(cè))方法，屬于利用天然場(chǎng)源的電磁波探測(cè)方法。是對(duì)大地電磁測(cè)深（MT）的改進(jìn)和發(fā)展。電磁頻譜的場(chǎng)源是太陽風(fēng)或太陽黑子活動(dòng)以及閃電、雷擊等。尤其是太陽幅射，發(fā)射出大量粒子流，當(dāng)其到達(dá)圍繞地球的電離層時(shí)，轉(zhuǎn)換為電磁波。由于電離層遠(yuǎn)離地球表面，在其繼續(xù)向地層內(nèi)部傳播時(shí)，可以近似地看作是地球表面垂直入射的平面波。沉積于地下的各種巖性的地層，通常將其視為水平層狀介質(zhì)。各種地層具有不同的物理性質(zhì)（密度、速度、電阻率、導(dǎo)磁率等等）從而形成不同的波阻抗界面。電磁波的波阻抗與巖層的電阻率、導(dǎo)磁率相關(guān)。電磁波在經(jīng)過波阻抗界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，在地面接收并研究不同波阻抗界面反射的電磁波（水平電場(chǎng)分量Ex及與之正交的水平磁場(chǎng)分量Hy），可以得到地層電阻率隨深度變化的信息。其中由電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅度分量可以獲得地層電阻率的值，由電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的頻率分量可以獲得相關(guān)地層的深度信息，結(jié)合地質(zhì)及其它物探資料可以對(duì)地層的巖性、物性進(jìn)行研究。在地殼巖石圈中，不同礦物巖石，具有很大的電阻率差異，如圖1所示，這種物性差異是我們區(qū)分地下不同巖石、礦物及流體的物理基礎(chǔ)。
圖1 常見巖石、礦物的電阻率值范圍
大地電磁頻譜測(cè)量法探測(cè)時(shí)布置特殊的觀測(cè)系統(tǒng)，其突破了傳統(tǒng)電磁波方法的深度刻度方法及解釋模式，該方法最關(guān)鍵的理論是建立了頻率與深度的某種直接關(guān)系，通過頻率信息可以直接轉(zhuǎn)換為深度信息。
野外測(cè)量時(shí)，首先在已知的鉆孔旁進(jìn)行較為詳細(xì)的大地電磁頻譜測(cè)量，建立探測(cè)區(qū)地層相應(yīng)的巖性與物性的關(guān)系，選擇適合本區(qū)的測(cè)量技術(shù)參數(shù)，建立探測(cè)區(qū)的相關(guān)校正系數(shù)。大地電磁頻譜測(cè)量?jī)x器有四種測(cè)量步長(zhǎng)可供選擇，分別為５米、２米、１米、０.5米。通常， 在建立測(cè)區(qū)校正系數(shù)和相應(yīng)的電阻率與巖性和物性關(guān)系時(shí)采用０.5米的步長(zhǎng)，以精確地確定視電阻率曲線與各主要層位的關(guān)系。如果在電測(cè)井資料較多的地區(qū)工作，掌握測(cè)井曲線與對(duì)應(yīng)的巖性或重要的標(biāo)志層的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)于電磁頻譜測(cè)量曲線的解釋是十分重要的。
3應(yīng)用實(shí)例
3.1建立模型
由于三維地震勘探在柳林礦區(qū)的探測(cè)效果不太理想，層位對(duì)比不夠清楚，尤其是對(duì)陷落柱的探測(cè)更加模糊。為了較為準(zhǔn)確地確定礦區(qū)內(nèi)主要煤層的展布及陷落柱的分布等情況，進(jìn)行了MES探測(cè)。為了達(dá)到探測(cè)目的，在進(jìn)行三維地震勘探原測(cè)線上，布置三條大地電磁頻譜測(cè)線[5]。共設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)40個(gè)。
為了了解大地電磁頻譜探測(cè)技術(shù)在柳林礦區(qū)煤系地層的地球物理響應(yīng)，建立相應(yīng)的巖性與物性的關(guān)系，選擇適合柳林礦區(qū)的測(cè)量技術(shù)參數(shù)，確定相關(guān)校正系數(shù)。柳林礦區(qū)主要可采煤層為山西組的2號(hào)煤層和太原組的8號(hào)煤層。首先在T32號(hào)鉆孔旁進(jìn)行了試驗(yàn)探測(cè)，使用太原華衛(wèi)儀器公司開發(fā)研制的電磁頻譜MES-1探測(cè)儀。通過試驗(yàn)探測(cè)可認(rèn)識(shí)到柳林礦區(qū)煤層在大地電磁頻譜探測(cè)的電阻率曲線上呈現(xiàn)相對(duì)高電阻率，其圍巖（砂泥巖等）表現(xiàn)為相對(duì)低電阻率，二者具有明顯的物性差異（見圖2）。由于低含水砂巖、灰?guī)r也有較高的電阻率，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)、鉆井和其他物探資料予以區(qū)分。
確立了煤層的MES曲線特征后，即可得到本區(qū)的巖性、物性與MES曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，選擇適合本地區(qū)的測(cè)量技術(shù)參數(shù)，建立本區(qū)的相關(guān)校正系數(shù)，通過MES的測(cè)量和對(duì)其成果曲線的解釋，達(dá)到探測(cè)目的。
圖2 T32孔高阻煤層MES探測(cè)結(jié)果與鉆孔柱狀對(duì)比
3.2陷落柱探測(cè)
為了研究和掌握MES曲線在陷落柱上的特征，首先在已知陷落柱上作MES探測(cè)，其探測(cè)結(jié)果與附近的已知點(diǎn)（570-1590）比較如圖3所示。從圖3中可看到，在陷落柱上方探測(cè)不到2號(hào)煤層，離開陷落柱可以重新探測(cè)到2號(hào)煤層。而且，陷落柱的陷落區(qū)域MES視電阻率，較之正常區(qū)的值低很多。
有了已知陷落柱上的MES電阻率曲線特征后，根據(jù)地震資料和地質(zhì)資料，在可能存在陷落柱的區(qū)域作了MES探測(cè)。部分結(jié)果表明， MES視電阻率曲線存在著與已知陷落柱上探測(cè)到的特征類似。圖4給出了330-650點(diǎn)測(cè)得的MES電阻率曲線與其它鄰近點(diǎn)的比較結(jié)果。圖中可見，在330-650點(diǎn)探測(cè)不到煤層，其視電阻率與正常情況下的比較，幅值明顯較低，綜合對(duì)比地質(zhì)和地震資料，由此判斷330-650點(diǎn)存在陷落柱。
圖3 己知陷落柱上的MES電阻率曲線特征
3.3煤層的識(shí)別
本次探測(cè)中，對(duì)37個(gè)點(diǎn)的2號(hào)、8號(hào)煤層進(jìn)行了追蹤和對(duì)比?？偟慕Y(jié)果看，在陷落柱的上面有些點(diǎn)追蹤不到煤層，正常的煤系地層層位發(fā)生了較大的變化。在已知鉆孔孔旁的測(cè)
點(diǎn)，追蹤的煤層深度、厚度與已知數(shù)據(jù)相比，最大深度誤差5米左右、厚度誤差小于0.5米，精度較高。其它點(diǎn)的煤層深度和厚度追蹤結(jié)果與地震資料比較，大部分較為一致，但大地電磁頻譜測(cè)量確定的準(zhǔn)確度較地震的高；有的地方有一定的差別，有時(shí)甚至差別較大，究竟是地震資料準(zhǔn)確，還是MES資料準(zhǔn)確有待布設(shè)新的鉆孔驗(yàn)證。
圖4 330-650點(diǎn)MES探測(cè)曲線與己知井旁及鄰近測(cè)點(diǎn)的對(duì)比
4結(jié)束語
大地電磁頻譜測(cè)量（MES）是大地電磁測(cè)量方法的改進(jìn)，其基本原理和理論與大地電磁測(cè)量基本一致，但大地電磁頻譜測(cè)量突破了大地電磁測(cè)量方法的部分概念，建立了頻率與深度的直接關(guān)系，將深度與頻率通過近視的大地電阻率模型直接聯(lián)系起來，將頻率直接換算到深度進(jìn)行標(biāo)定，使測(cè)量結(jié)果更直觀，劃分更加精細(xì)，精度更高。該方法的工作過程是通過部分已知點(diǎn)的MES測(cè)量結(jié)果，與測(cè)井和鉆孔資料對(duì)比后，建立工作區(qū)的電阻率模型和頻率深度間的相關(guān)校正系數(shù)。大量的測(cè)量和解釋結(jié)果表明，大地電磁頻譜探測(cè)技術(shù)可以廣泛地用于煤系地層的對(duì)比、探測(cè)煤礦區(qū)的陷落柱、確定灰?guī)r層中的含水性。尤其在有鉆井標(biāo)定的情況下，進(jìn)行鉆井間的加密探測(cè)，追蹤煤系地層或某種標(biāo)志層的連續(xù)性，可以節(jié)約大量的鉆井費(fèi)用。在地下熱水和礦產(chǎn)資源勘探中大地頻譜測(cè)量也取得了良好效果。此外，結(jié)合地質(zhì)及其它地球物理資料，該方法在地層對(duì)比、礦藏識(shí)別、地層含水和含油氣性評(píng)價(jià)中也得到了一定的應(yīng)用。大地電磁頻譜測(cè)量方法作為一種電法勘探，在實(shí)際應(yīng)用中可劃分對(duì)比地層，解決煤礦生產(chǎn)中所遇到地構(gòu)造問題，這還處于研究階段，受著各方面條件的限制。但隨著儀器精度的不斷提高，方法、理論的不斷完善，大地頻譜測(cè)量技術(shù)其應(yīng)用范圍必將更加廣泛。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳樂壽, 王光鍔編著. 大地電磁測(cè)深法. 地質(zhì)出版社, 1990, 10.
[2] 石應(yīng)駿, 劉國(guó)棟等. 大地電磁測(cè)深法教程. 地震出版社, 1985, 9.
[3] 陳樂壽, 劉仁, 王天生編著. 大地電磁測(cè)深資料處理與解釋. 石油工業(yè)出版社, 1989,1.
[4] Benjianins, White, Werner E, Kohler, and Leonard Jsrnka. Random scattering in magnetotellurics. Geophysics, Vol.66,No.1,2001:188-204.
[5] 楊雙安, 時(shí)間剖面上分析陷落柱充水性的探討[j]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 5(2):503-505.
