EH-4電磁成像系統在采煤沉陷區尋找地下水的應用

陳正華,姚光華，

(1.外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室(重慶地質礦產研究院)，重慶 400042；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室重慶研究中心，重慶 400042；3.國土資源部野外科學觀測研究基地礦山地質環境——重慶南桐野外基地，重慶 400042)

EH-4電磁成像系統(簡稱EH-4)是目前國內外較為先進的電磁勘探系統之一。它是CSAMT和MT的結合體，實現了天然信號源與人工信號源的采集和處理，能觀測到離地表以下3000m內的地質斷面的電性變化信息，基于對斷面電性信息的分析研究，可以應用于地下水研究[1]、礦產[2]與地熱勘察[3-4]，以及工程地質調查[5]等。EH-4具有探測深度大、設備輕、速度快、費用低、精度較高等特點，由于小巧和便于攜帶，廣泛應用在地形比較復雜或環境比較惡劣的地區[6]。

南桐煤礦是西南巖溶山區最早開發的老礦之一，至今有70余年的開采歷史，長期的煤礦開發形成了大面積的采沉區，引發的水資源和水環境問題十分突出，具有典型性。筆者以重慶南桐煤礦為主要研究對象，進行了地表水入滲特征研究、含水層破壞模式研究以及采沉區尋找地下水資源研究[7-9]，基于以上研究背景，本文運用EH-4電磁成像系統探尋采沉區富水區域，根據測線解譯結果分析覆巖的破壞特征，結合理論分析和鉆孔驗證，論證研究區適宜取水地段，以期為巖溶山區采煤沉陷區地下水資源保障提供思路。

1 EH-4電磁測深測量技術

EH-4電磁成像系統是利用宇宙中的太陽風、雷電等入射到地球上的天然電磁場信號作為激發場源，又稱一次場，該一次場是平面電磁波，垂直入射到大地介質中，由電磁場理論可知，大地介質中將會產生感應電磁場，此感應電磁場與一次場是同頻率的，引入波阻抗Z(式(1))。在均勻大地和水平層狀大地情況下，波阻抗是電場E和磁場H的水平分量的比值，見式(2)、式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：f是頻率(Hz)，ρ是視電阻率(Ω·M)，E是電場強度(mv/km)，H是磁場強度(nT)，φE是電場相位(mrad)，φH是磁場相位(mrad)。必須提出的是，此時的E與H，應理解為一次場和感應場的空間張量疊加后的綜合場，簡稱總場。在電磁理論中，把電磁場(E、H)在大地中傳播時，其振幅衰減到初始值1/e時的深度，定義為穿透深度或趨膚深度(δ，式(4))。電磁波能量衰減到原來的50%時的傳播深度定義為勘探深度(H，式(5))。

(4)

(5)

由式(4)和式(5)式可知，趨膚深度(δ)或勘探深度(H)都將隨視電阻率(ρ)和頻率(f)變化，測量是在和地下研究深度相對應的頻帶上進行的。一般來說，頻率較高的數據反映淺部的電性特征，頻率較低的數據反映較深的地層特征。因此，在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息，并由此計算出視電阻率和相位，可確定出大地的地電特征和地下構造。

2 實例分析

2.1 數據采集

本研究采用20世紀90年代由美國EMI公司和Geometrics公司聯合推出的EH-4電磁成像系統，野外數據采集采用單點測深的方法，鑒于該系統通常采用天然場源，只有在天然場信號很弱或者根本沒有信號的頻點上，才使用人工場源，用以改進數據質量，提高數據信噪比。根據測點的實際的情況，本次僅對信號較弱的測點進行了人工場源的發射，標準人工場源發射天線頻率從800Hz到64KHz，從發射天線的頻率范圍可以看出，采用人工場源發射僅是加強淺部的數據信號，采用高頻探頭。點距主要在20m左右。

2.2 數據處理

野外采集的時間序列在進行預處理后，進行FFT變換，獲得電場和磁場虛、實分量和相位數據。進行一維BOSTICK反演，將頻率變換為深度；在一維反演的基礎上，用國外二維成像軟件進行快速自動二維電磁成像。為提高分辨率，同時，選擇較小的像素，使反演數據得到加密，從而突出相對弱低阻異常。對反演得到的數據在XZ平面上進行Kringing網格化，X軸和Y軸采用各向異性的方法進行半徑搜索。從而滿足電性各向異性的實際情況。

2.3 測線分析

自化工廠廠區到家屬區東側的高山布置一條EH-4電磁測深測線，共25個點(圖1)。剖面上部50m以淺整體為低阻區域，比較平穩，往深部逐漸為高阻，在10～20點電阻率等值線不連續，表現為低阻。根據電阻率大小、等值線形態分為2個高阻異常、1個低阻異常、1個基底區域。

Ⅰ號異常，位于橫坐標1～10點，深度范圍-50～-350m，電阻率較大，最高可達20000Ω·M。根據實測和地質填圖資料,該處大部分巖性為灰巖。因此，推斷Ⅰ號異常為灰巖高阻區域，且溶蝕破碎不發育。

Ⅱ號異常，位于橫坐標20～25點，深度范圍-50～-400m，電阻率較大，最高可達20000Ω·M。根據野外露頭情況，該處為裸露山體，大部分巖性為灰巖。因此，推斷Ⅰ號異常為灰巖高阻區域，且溶蝕破碎不發育。

Ⅲ號區域，為整條測線400m以深的基底區域，電阻率較大，從等值線形態上看，該區域與Ⅰ、Ⅱ號異常有所關聯，且被低阻異常“侵蝕”的趨勢。

Ⅳ號異常，位于橫坐標10～20點，深度范圍-50～-430m，電阻率較小，最高不超過1500Ω·M。位于兩個高阻異常之間，形態不規則，根據地質情況，上部為泥巖、灰巖互層，因此推測該區域經地表水長期滲透、溶蝕引起，為灰巖溶蝕強發育區，局部存在泥質充填的溶洞。該異常區域含水充分，且有向深部滲透的趨勢。

3 研究區EH-4應用

3.1 EH-4測線解譯含水區域

測線所處的地層剖面見圖2，其中方框表示的是EH-4測線的范圍，經過與圖1對照比對，由于Ⅳ號異常區域含水充分，且有向深部滲透的趨勢，這個地段預測是目前研究區重點找水區域。

3.2 理論分析含水區域

在煤層頂板開采時，無論應力分布還是變形在垂向和水平方向上都存在著固有的分區規律[10]，剖面上形成一定范圍的拉伸區和壓縮區(圖3)，其中拉伸區位于外邊緣區(煤柱上方近地表區域)，形成的裂縫成為地表水和降雨的入滲通道，同時，儲水空間增大，地下水位將隨著儲水空間的增大而下降，地下水位下儲水空間成為富水區域。具體到研究區中，物探剖面Ⅳ號異常區域正位于拉伸區，與理論分析的含水區域吻合。圖1與圖2對照，Ⅳ號異常區域主要位于T1j灰巖地層，屬于堅硬巖層，由于拉伸區形成裂縫導通地下水，致使T1j灰巖地層采動影響范圍內形成“統一含水體”，即Ⅳ號異常區域富水地帶。

圖1 EH-4剖面

圖2 EH-4遙感解譯剖面對應地層剖面

3.3 EH-4測線解譯分析覆巖隔水層的破壞特征

圖3 煤層覆巖拉伸壓縮區分區(改編自參考文獻[10])

物探剖面顯示，Ⅲ號區域電阻率較Ⅳ號異常區域大，可以對上部低電阻率區域(Ⅳ號異常)地下水起到較好的支撐作用，T1f6-7層位的中、下段正處于Ⅲ號區域，主要為鈣質泥巖，屬于軟巖，有較強的適應變形的能力，物探解譯從側面也說明T1f6-7層位中、下段遭受地下采煤的破壞影響有限，未遭到明顯破壞；Ⅲ區域的左下角橢圓區域正好為現階段煤層開采水平，體現出比四周高的電阻率，是因為開采破壞了上部巖層的完整性，空隙增大，而采煤疏放了空隙中地下水，故煤炭開采面四周的電阻率高于未破壞完整基巖，這與實際情況也是相符的。

3.4 鉆孔驗證理論分析含水區域

該物探剖面中布置ZK6做抽水試驗驗證富水區域(圖2)。當ZK6鉆進至孔深101m時，地層揭露到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。繼續鉆進至T1j2地層內，終孔孔深120m時，在孔深74m處，以4.75m3/h的流量抽水，地下水水位下降2.20m。根據這三次抽水試驗，計算平均滲透系數為0.93 m/d，出水量大且穩定，論證了Ⅳ號異常區域(即覆巖拉伸區)是研究區較好的取水地段(圖3)，同時說明南桐采煤沉陷區在T1j地層的“統一含水體”找水的可行性。

4 結論

1)EH-4測線探測出Ⅳ號異常位于兩個高阻異常之間，推測此異常區域含水充分，且有向深部滲透的趨勢，判斷Ⅳ號異常為南桐采煤沉陷區富水區域。

2)結合理論分析和鉆孔驗證，位于外邊緣區(煤柱上方近地表區域)的拉伸區出水量大且穩定，論證了Ⅳ號異常區域是研究區較好的取水地段，同時說明南桐采煤沉陷區在T1j地層的“統一含水體”找水的可行性。

3)EH-4電磁成像系統應用于巖溶山區探測結果顯示地下水富集區域與采空區位置均與實際吻合，說明EH-4可應用于巖溶山區，是該區域采煤沉陷區尋找地下水的有效方法。

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