直流電測深資料的縱向電導微分解釋法

徐小連， 劉金濤

(1.湖北煤炭地質局，武漢 430070；2.武漢中地多維勘查技術有限公司，武漢 430200)

直流電測深資料的縱向電導微分解釋法

徐小連1， 劉金濤2

(1.湖北煤炭地質局，武漢 430070；2.武漢中地多維勘查技術有限公司，武漢 430200)

直流電測深法是一種常規的物探方法，在煤炭資源勘探中得到了廣泛應用。電測深資料地解釋處理，目前雖已開展一維、二維和三維反演，但由于電磁場的復雜性，其定量解釋結果有時難以達到滿意的結果。這里在經驗法的基礎上，利用縱向電導微分法進行電測深資料的定量解釋，達到了較好的應用效果，在電測深勘探中具有一定的應用價值。

直流電測深； 縱向電導； 微分； 資料解釋

0 引言

直流電測深法是一種常規的物探方法，它是在同一測點上逐漸增加供電電極距，使勘探深度由小逐漸加深，于是可觀測到測點處沿深度方向的視電阻率變化規律[1]。資料解釋以定性解釋為主，定量解釋主要有理論量板法、圖解法、經驗公式法、K剖面法[2]，隨著計算機技術地發展，先后研制了各種電測深曲線的數字處理軟件，從而使電測深曲線的定量解釋由“量板法”過渡到計算機數字解釋[1]，實現了電測深資料的一維、二維和三維反演[3]。由于電測深體積效應影響及多解性地存在，在實際應用中，有時難以達到滿意的結果。筆者在經驗法的基礎上[4-6]，利用縱向電導微分解釋法，解釋主要目的層及地質異常，經正演計算和勘探實例效果分析，解釋結果達到了較好的效果。

1 縱向電導微分解釋法原理

水平地面下有n層水平地層，各層電阻率分別為ρ1、ρ2、…、ρn；各層厚度分別為h1、h2、…、hn-1；各層底面到地表的距離分別為H1、H2、…、Hn-1、Hn→∞。當電流平行水平巖層流動時，所測得的電導值為縱向電導S，單位為1/Ω，縱向電導與層參數的關系為：

S=h/ρ

(1)

假設某一電測深點，供電電極距為AB/2,測量電極距為MN/2,共有N個觀測極距，i=1、2、3、…、N。利用代替層的原理[7]，設AB/2(i)為第i個極距勘探體積內的最大勘探深度,各極距實測的ρs(i)為AB/2(i)極距勘探體積內的平均視電阻率值,則AB/2(i)極距勘探體積內S(i)為式(2)。

(2)

依此得到S(1)、S(2)、…、S(N),繪制AB/2(i)、S(i)曲線，根據S值曲線特征，利用折線法求得折線交點位置，折線交點垂線與對應的橫坐標AB/2位置即為推斷解釋的界面深度位置，但其結果通常與實際情況會存在誤差，通過由已知到未知的原則，據已知鉆孔揭露情況，選擇合適的改正系數進行標定，其標定系數為C，C的取值范圍，不同的測區有所不同，據理論及結合經驗分析，C值一般取0.7～0.75。

圖1為2500-1200測點孔旁電測深曲線圖，圖2為該測點換算后的S曲線圖。圖2中折線交點E所對應的AB/2即為解釋的2500-1200測點覆蓋層與基巖分界面深度，經與鉆孔資料對比，鉆孔揭露深度為解釋深度的0.7倍。

為了提高解釋的自動化水平，盡量減少人工繪制折線的工作，經分析發現，圖2中的直線AB上所有點的斜率相同，同樣直線CD上的點也具有另一個相同的斜率值，因此，可以通過對AB直線和CD直線段求導(或微分)，即可得到它們各自的斜率值S′，則：

(3)

圖1 2500-1200測點電測深曲線圖Fig.1 Electrical sounding curve of point 2500-1200

圖2 2500-1200測點S曲線圖Fig.2 S curve of point 2500-1200

式(3)稱為縱向電導的微分值，據此，S′值不同或有較大變化的地段，即為不同巖層的分界面，S′值相同或相近的地段即為同一巖性地層，S′值異常段即為地質異常的反映。在實際解釋過程中，首先對單個電測深點的原始曲線進行多項式擬合濾波處理，再對擬合濾波處理后的曲線按實際需要進行樣條加密，最后才進行S′值計算。整個過程，利用Matlab高級編程語言編程，形成一個完整的數據處理程序。

縱向電導微分解釋法是否有效的驗證是通過：①由正演模型進行驗證；②通過實際勘探實例進行對比分析。

圖3為二維層狀正演模型，上層電阻率ρ1=40 Ω·m，h1=20m～50m;下層電阻率ρ2=200 Ω·m，圖3中的BC為設計的正斷層，斷距為30 m。

圖4為模型1的S′等值線圖，經試驗，繪制等值線圖時，以S′值的標準方差值作為等值線的間隔進行繪制。圖4中的AB、CD為界面反映，BC為斷層反映，解釋的界面深度：HCD=27 m,HAB=67 m。對S′等值線圖解釋的結果與模型參數進行修正處理,CD界面的修正系數C1=20/27=0.741,AB界面的修正系數C2=50/67=0.746,綜合得到C=(C1+C2)÷2=0.744。因此，將由S′等值線圖解釋的結果乘以0.744即為最后解釋的各巖性界面深度。

圖3 正演模型1Fig.3 Forward model 1

圖4 模型1正演解釋結果Fig.4 Forward interpretation results of model 1

圖5 正演模型2Fig.5 Forward model 2

圖6 模型2正演解釋結果Fig.6 Forward interpretation results of model 2

圖5為二維層狀地電結構模型，其中嵌入一個低阻柱狀體。模型的地電參數如下：ρ1=20 Ω·m，h1=40 m；ρ2=200 Ω·m，h2=60 m；ρ4=40 Ω·m。其中ρ3=2 Ω·m的柱狀地質體為設計的高導電柱狀體，柱狀體高為60 m、寬為60 m。

圖6為模型2的S′等值線圖，以S′值的標準方差值作為等值線的間隔繪制等值線。圖6中的AB、CD為界面反映，AB為第一層與第二層的分界面，CD為第二層與第三層的分界面，其中解釋的低阻異常為設計的高導電體反映，解釋的界面深度乘以相應的修正系數后即可得到界面的真實深度。

由上述正演模型解釋結果，說明縱向電導微分解釋法，能夠較好地對地層結構、斷層(構造)、地質異常體(高導電體)等作出較精細化的解釋。

2 勘探實例

測區內新生界松散巖層直接覆蓋于二疊系上組煤層之上，松散巖類孔隙含水層對上組煤層的開采具有較大的水害威脅。因此，通過電測深探測，查明開采煤層上覆新生界松散巖類孔隙含水層的相對富水性及劃分基巖與新生界松散層界面。

2.1 勘探區地質概況

發育較大的褶曲有：①神安背斜：位于神安村東及東北，軸向北西～北東，兩翼傾角5°～9°，軸長2 500 m，由高-12、1-9鉆孔控制；②高陽向斜：基本控制井田東部構造形態，為高-11、22-9兩孔所控制，軸向由北東經高陽鎮后轉向正南，南北延伸3 300 m；③臨水背斜：穿過臨水村，軸向北東～北西，兩翼傾角8°，軸長2 800 m，由高-4、高-10、101、1-11鉆孔控制；④西辛壁向斜：位于西辛壁南，軸向北東，兩翼傾角5°～9°，軸長1 170 m，由高-1、高-3鉆孔控制。

發育較大的斷層有：①F14：位于高-13東50 m，逆斷層，走向NE ，傾向NE ，H=5 m∠300；②F4：位于西辛壁村，逆斷層，走向NE，傾向NW，H=18 m∠350；F3：位于韓家灘，逆斷層，走向N～NE ，傾向W～NW ，H=80 m～150 m∠300。

井田內陷落柱比較發育，柱體內一般無水，陷落柱導水性差。

勘探區水文地質條件，通過現有資料分析，第四系沖積層孔隙含水層主要分布于汾河等河谷中，富水性較強；石炭二疊系的砂巖及薄層灰巖含水層，富水性較弱，補給來源少；奧陶系石灰巖只在東部溝谷處有出露，富水性強，但分布不均勻。

2.2 勘探區地球物理特征

由實測視電阻率曲線分析，新近系地層視電阻率變化較大，其視電阻率在20 Ω·m～150 Ω·m，砂礫石段電阻率較高，而基巖界面附近視電阻率在35 Ω·m左右。石炭二疊系煤系地層段視電阻率在40 Ω·m～80 Ω·m左右。奧陶系地層為測區內最高電性層，視電阻率大于80 Ω·m，甚至可達數百歐姆。由此可見,區內地層之間存在明顯的電性差異，具備地球物理勘探的前提條件。

新生界地層與基巖分界面是區內較明顯的電性標志層之一，基巖分界面以上的高阻地層段，也即電測深曲線的K型段(或有細分層)，為新生界地層砂巖或砂礫石層含水地層。

2.3 野外工作

電測深法采用垂向對稱四極裝置,最大供電電極距AB/2為1 000 m，最小AB/2為10 m，測量電極距MN/2為AB/2的十分之一活動電極系列。

圖7 物探工作布置圖Fig.7 Geophysical layout

測網布置為150 m×80 m，即線距為150 m,點距為80 m，在地表不能按規則網度施工地段(如居民區)，測點據現場實地情況作適當的移動。

電法觀測儀器采用法國產SYSACL-R2E型直流電法數字儀。

2.4 資料處理解釋

電測深法的主要地質任務是查明,開采煤層上覆新生界松散巖類孔隙含水層的相對富水性及劃分基巖與新生界松散層界面，因此，主要電性標志層是解釋基巖與新生界松散層的界面位置。

縱向電導微分法數據處理及解釋流程：

1)原始資料整理。主要是針對個別畸變數據點采用三點平均法進行圓滑處理。

2)S值計算。若單個電測深點有n個數據點，對應參數：AB/2(1)、AB/2(2)、…、AB/2(n)；ρs(1)、ρs(2)，…、ρs(n)；利用公式計算S(i)=AB/2(i)/ρs(i),得到n個S值。通常情況下，在計算過程中，可以對所測數據利用線性插值法進行加密處理，再計算相應S值。

3)S′值計算(縱向電導微分值，無量綱)。根據步驟2)計算的n個S值，利用式(3)在模數6.25的雙對數坐標系中，計算得到n-1個S′值(縱向電導微分值，無量綱)。

4)剖面圖繪制。利用步驟3)計算得到的n-1個AB/2(1)、AB/2(2)、…、AB/2(n-1)；S′(1)、S′(2)、…、S′(n-1)繪制剖面圖，橫坐標為AB/2(單位為m),縱坐標為S′值。

5)解釋推斷。根據正演模型計算及孔旁測深與已知鉆孔地質資料對比分析發現，S′值大小與ρs數值之間存在線性關系，即高阻層S′值大，低阻層S′值小，同一地質層S′值基本相同，不同地質層S′值不同，S′值發生變化或存在異常變化處，推斷為不同地層分界、構造發育部位或為地質異常。圖8～圖11中S′值等值線發生錯斷處推斷為斷層反映，圖中出現的低值封閉圈或低阻異常條帶，推斷為富水區或為充水的老窯采空區，煤系地層中孤立的S′值高值封閉圈推斷為不充水的采空區。S′值較視電阻率成圖解釋的優勢是：地質情況相同或相近的表現為更接近，地質情況不同的表現為差異更大，能夠突出異常，有助于對地質情況進行更精細地刻畫，充分表征電阻率斷面變化的趨勢與突變。

資料解釋遵循由已知到未知的原則，首先由區內已知的1-7、高-8、高-12、高-3、1-9、高-11、3-10、1-11等8個鉆孔資料，利用孔旁測深曲線求取基巖與新生界松散層的界面深度，分別結合各鉆孔揭露情況，選擇合適的標正系數進行標定。經統計分析，測區內物探解釋的基巖與新生界松散層的界面深度與鉆孔揭露深度之間的平均標定系數為0.7。

主要目的層位置確定后，再進行其他相應層位及異常分析解釋，做到由點到線，由線到面的解釋規律。

2.5 工程成果

利用縱向電導微分解釋法對測區內電測深資料進行處理解釋，分析其剖面和平面特征。

圖8中部的低值封閉圈為采空區反映，正位于地表小煤窯的風井和主井附近，采空區富水。

圖9中高陽向斜、臨水北斜反映清楚，中段的高值封閉圈為陷落柱反映，陷落柱不含水。

圖10中的低值部分為新生界松散層含義地層的分布范圍，F14、F4斷層、神安背斜、西辛壁向斜反映清晰，東側為高3鉆孔。

圖8 L400測線S′值剖面圖Fig.8 S′value sectional view of line 400

圖9 L1000測線S′值剖面圖Fig.9 S′value sectional view of line 1000

圖10 L2050測線S′值剖面圖Fig.10 S′value sectional view of line 2050

圖11 L2950測線S′值剖面圖Fig.11 S′value sectional view of line 2950

圖11中段為1-7鉆孔，剖面圖對各地質層位反映較好，各地質層位較穩定。

圖12為新生界松散巖孔隙含水層分布范圍及富水區分布圖。富水區域主要分布在測區北部、東北部及測區南部，劃分為五個富水區條帶：①富水區位于測區的北部，條帶近東西向；②富水區位于測區的神安背斜與F14斷層的交匯處，富水區條帶近東西向分布；③富水區位于測區東南角西辛壁向斜附近；④富水區位于測區西南角高陽向斜軸的拐彎處；⑤富水區位于測區的東南角高陽河床、臨水背斜、F3斷層三者交匯處，測區中部富水性相對不強。

從以上分析可知，縱向電導微分解釋法，能較好地分辨主要目的層，對褶皺、斷層、采空區、陷落柱、含水層等反映清晰。

3 結論

直流電測深資料解釋，盡管解釋方法眾多，由于體積效應及多解性的存在，往往都在一定條件下，具有一定的局限性，也是困擾地球物理工作者的難題之一。我們利用縱向電導微分解釋法，通過正演模型參數的驗算及實際勘探實例的解釋分析，基本能較好地分辨主要目的層，對褶皺、斷層、采空區、陷落柱、含水層、巖溶等地質異常反映清晰。因此，縱向電導微分解釋法在電測深資料的定量解釋中，具有一定的應用價值，在煤炭資源勘探中具有一定的借鑒意義。

[1] 陳仲候，王興泰，杜世漢.工程與環境物探教程[M].北京：地質出版社，2012. CHENG Z H,WANG X T,DU S H.Engineering and environmental geophysical exploration tutorial[M].Beiing:Geological Press,2012.(In Chinese)

[2] 夏建平.K剖面法的實質及方法理論問題的探討[J].中國煤田地質,1991,4(4):75-80. XIA J P. Discussion on the essence of the theory and methods of K profile[J]. China Coal Geology, 1991,4(4):75-80.(In Chinese)

[3] 黃俊革，阮百堯.直流電阻率測深中二維與三維反演結果的對比與分析[J].物探與化探，2004，28(5):447-450. HUANG J G,CHENG B Y.The 2D and 3D inversion results comparison and analysis of DC resistivity sounding[J]. Geophysical and Geochemical Exploration,2004,28(5):447-450.(In Chinese)

[4] 歐東新，梁方敏，崔雷.利用縱向電導進行一維直流電測深直接反演[J].桂林工學院學報，2009，29(4)：461-463. OU D X,LIANG F M,CUI L. The one-dimensional direct inversion using the vertical conductance DC sounding[J]. Guilin Institute of Technology, 2009,29(4):461-463.(In Chinese)

[5] JINTAO LIU, HANMING GU. Application of electric sounding for prediction and treatment water disaster in coal mine[A]//Yixian Xu, Jianghai Xia, Chao Chen. Geophysical Solution for Environment and Engineering[C]. USA:Science Press USA Inc.,2006:396-400.

[6] 劉金濤.直流電測深法在探測煤礦導水陷落柱中的應用[J].湖北地礦，2003，17(4):35-37. LIU J T. The application of D.C .sounding in the coal collaping karst pillar prospecting[J]. Hubei Mineral, 2003，17(4):35-37.(In Chinese)

圖12 新近系松散巖孔隙含水層分布范圍及富水區分布圖Fig.12 Aquifer distribution and water-rich area map of neogene

[7] 陳桂兵，劉琦曙.電測深曲線處理新方法—換算法[J].煤田地質與勘探，1995，23(3):51-54. CHENG G B,LIU Q S. Conversion method of the new method for electrical sounding curves processing[J]. Coal Geology & Exploration, 1995，23(3):51-54.(In Chinese)

Vertical conductance differential interpretation method of electrical sounding data

XU Xiaolian1, LIU Jintao2

(1.Hubei Coal Geological Bureau，Wuhan 430070， China;2.Wuhan CUG Exploration Technology Co., Ltd.,Wuhan 430200， China)

Electrical sounding method which is a conventional geophysical methods in the exploration of coal resources has been widely used. The quantitative interpretation results of electrical sounding data interpretation process are sometimes difficult to achieve satisfactory results although it has now launched one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional inversion, but due to the complexity of the electromagnetic field. In this paper, the empirical method, based on the vertical conducdance differential interpretation method of electrical sounding for quantitative interpretation of the data, has certain application value to achieve a better application results in the electrical sounding exploration.

electrical sounding; vertical conductance; differential; data interprtation

2016-08-07 改回日期：2016-11-21

徐小連(1964-)，男，碩士，高工，主要從事地球物理研究工作，E-mail：uxx123456@sina.com。

劉金濤(1966-)，男，博士，教高，主要從事地球物理勘探與研究，E-mail：liujintao65@126.com。

1001-1749(2017)04-0439-07

P 631.2

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.04.03