（地球探测与信息技术专业论文）瞬变电磁在煤田导水构造勘查上的应用.pdf

摘要 煤田导水性构造是引起煤田水害问题的主要因素之一，对其勘查与评估是煤田水文 地质研究中的重要课题，也是煤田建设与开采的安全工作所必须解决的重要问题。瞬变 电磁是近些年来被广泛应用于水文和工程勘查的勘探技术，其拥有很多其他物探方法所 不能比拟的优点，如近距离观测、体积效应小、方向性强、分辨率高、对低阻区敏感、 施工快速的优点，正被越来越多的应用于煤田水害构造勘查。 本文着眼于实际工作，论述和研究煤田导水性构造勘探的外业和内业的一些具体工 作环节的方法和手段。侧重讨论和研究对处理环节中视电阻率的校正问题和去除反演工 作中的维影响的问题，进而为求取更合理的视电阻率处理结果提供一定的参考，指导 判断和辨别导水构造。并结合实际工区工作情况，对煤田导水性构造进行了解释和分析， 对富水区、陷落柱以及整个煤系地层的导水性构造特点进行总结和归纳，为煤田导水性 构造的勘查工作提供研究思路及工作方案。 关键词：瞬变电磁煤i t i - , 导水构造水害勘查视电阻率校正一维反演 a b s t r a c t w a t e r - - b e a r i n gp r o p e r t i e so fs t r a t u ma n dt h ee d g e ss t r u c t u r e i so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tr e a s o n st h a tc a u s et h ea c c i d e n t sa b o u ti r r u p t i o no fw a t e ri nt h em i n e ，w h i c hf i n d i n g o u ti ti st h ei m p o r t a n tt a s ko ft h er e s e a r c ha b o u tg e o l o g i c a lo ft h em i n e ，a n di tm u s tb e r e s o l v e di nt h eb u i l d i n ga n de x p l o r a t i o ni nm i n e t e mi s a p p l i e d i nt h e g e o l o g i c a l i n v e s t i g a t i o na b o u tw a t e ri ns o m er e c e n ty e a r s i th a sm o r em e r i t st h a nt h eo t h e r s ，f o re x a m p l e ， h a v i n gs t r o n gd i r e c t i o n a l ，s e n s i t i v et ot h ec o n d u c t i v el a y e r sa n ds oo n s o ，i ti sm o r ea n dm o r e a p p l i e di nt h ei n v e s t i g a t i o na b o u tt h es a f e t yo f t h em i n ea tp r e s e n t t h i sa r t i c l ef o c u so np r a c t i c a lw o r k ，i ti n t r o d u c ea n dr e s e a r c hs o m em e t h o d sa n dm e a n s i nt h ew o r ko fi n v e s t i g a t i o na b o u tw a t e r - b e a r i n gp r o p e r t i e s t h i sa r t i c l ep l a c ee x t r ae m p h a s i s o nc o r r e c t i o na b o u ta p p a r e n tr e s i s t i v i t ya n ds u b t r a c t1 - dr e a s o no ft h ei n v e r s i o ni nd a t a p r o c e s s i n g ，i no r d e r t om a k er e f e r e n c eo fg e tt h eb e r e re n do fa p p a r e n tr e s i s t i v i t y , d i r e c tw o r k a b o u ta s s e s sw a t e r - b e a r i n gp r o p e r t i e sa n dc o n d u c t i v el a y e r s i ti n t r o d u c ea n dd i s c u s ss o m e p a r t si nt h ew o r ka b o u tt h ef i n d i n gc o n d u c t i v el a y e r s ，a n ds u m m a r i z i n gt h em e t h o da n d t e c h n o l o g yi nt h i sw o r k c o n f i r m i n gt h eb e r e rm e t h o do fw o r ka n dp r o g r a mf o rt h ew o r ko f d e t e c tw a t e r - b e a r i n gp r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r e k e yw o r d s ：t e m ；w a t e r - b e a r i n gp r o p e r t i e sa n ds t u c t u r ei nc o a lm i n e ；i n v e s t i g a t i o na b o u tw a t e r d a m a g e ；a p p a r e n tr e s i s t i v i t i cc o r r e c t i o n ；o n e d i m e n s i o n a li n v e r s i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 亟逢印j 7 论文知识产权权属声明 年r 只弦日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 别雅名：砀兵 j 。吐年y 具孑o b 磅t 1 年y 其勋日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究意义 随着我国社会主义国民经济的持续快速发展，对油气煤炭等能源的需求也不断增 加。尽管受近年来国际金融危机的影响和国家对能源产业耗能产业的调整，但由于国内 产业结构和社会总体需求，能源产业的供求总量仍然处于不断增长的状况中。在整个能 源供求结构中，煤炭所占的比重超过6 0 ，近些年一次性能源消费中煤炭所占的比重， 分别为6 7 6 ( 2 0 0 3 年) 、6 7 7 ( 2 0 0 4 年) 、6 8 7 ( 2 0 0 5 年) 、6 9 1 ( 2 0 0 6 年) 、7 6 6 ( 2 0 0 7 年) 、而在电力能源消费上，煤炭的比重更是常年保持在6 5 左右，随着巨大的 消费需求所带来的，是煤炭产量的激增，1 9 9 8 年至2 0 0 7 年十年之间，煤炭在产量、消 费量、进出口量上均增加一倍以上，分别达到了2 5 3 亿吨、2 5 8 亿吨和1 0 4 亿吨，即 使在受国际经济危机影响深重的2 0 0 8 年，煤炭的产量和消费量仍增加4 5 ，达到了 2 7 1 6 亿吨和2 7 4 亿吨，在国家能源总消费量2 8 5 亿吨标准煤中占了相当大的比重，随 着2 0 0 9 年经济情势的回暖和国家政策的调整，煤炭在产量和消费量上的增加仍会继续。 随之而来的是新煤田的开发和现有煤田的增产，而在其建设和开采的过程中，煤矿的安 全问题就变得尤为突出，作为煤田施工建设以及开采过程中的主要灾害之一的水害问题 就更为重要；从煤田水害安全防治问题上看，由于我国煤矿水文地质条件较为复杂，国 有重点大中型煤矿中，有近三成的煤田水文地质条件较为复杂，煤矿水害问题较为普遍， 相当一部分大中型煤矿都面临着水害的威胁和影响，而在小煤矿中也有大量的矿井有水 害危险。 就煤矿水害问题本身而言，其给国家人民的财产人生安全带来了很大的威胁，因为 水害问题所造成的煤矿事故时有发生，在近几年当中，各类矿井水害事故超过千起，死 亡超过5 0 0 0 人，而因此造成的直接和间接经济损失更是巨大。在我国煤炭的主产区华 北西北等地，受水害威胁的地域分布也非常广，影响非常严重。整个煤矿水害问题在开 发开采施工方面产生的破坏和影响，已经成为我国煤矿安全问题产生的重要因素。查明 矿区复杂的地质构造尤其是水文地质情况( 查清含水、涌水通道及富水区) ，以便及时采取 防治措施，防患于未然，保证安全采煤已成为大水矿区亟待解决的首要问题。 针对煤矿安全问题，国家出台了一些列的政策和相关规定，规范了煤矿建设和开采 的前期工作，规定矿井必须做好开采区的水文地质调查工作，选用合适的物探钻探化探 第一章绪论 等方法和手段进行，查明采区地质构造和水文情况，并确定其导水性和富水状况。并结 合实际情况，对出现的问题进行相应的治理和防范工作，以求得建设开采施工上的安全， 并最终达到煤矿安全生产的目标，保证工区人民生命以及国家财产安全。 通过近些年来的一些在煤矿水害问题和安全问题上进行的技术研究和实践工作，国 家一贯重视的煤矿安全问题得到了比较大的改善，2 0 0 6 年和2 0 0 7 年连续两年煤矿事故 死亡人数降低2 0 左右，整个2 0 0 7 年，煤矿事故死亡人数3 7 8 6 人，较之2 0 0 5 年的近 6 0 0 0 人有了大幅的降低，国家煤矿百万吨死亡率降至1 4 8 5 人，重点煤矿产区百万吨死 亡率下降至0 3 8 人，在煤矿安全问题上取得了一定得进步。 但我们仍要看到，煤矿整体安全程度仍然不容乐观，一些中小型的煤矿死亡率仍偏 高，另外新煤矿的建设和开发也都存在着不同程度的安全隐患。故而，采取有效合理的 方法和手段，对煤田的地质构造和水文情况进行探查，从而发现安全隐患，对相关问题 采取相应的防治工作提供可靠的依据，保证煤矿安全生产，成为一个重要的工作和研究 课题。出于效率、成本、地质条件、水文条件等多方面的考虑，对低电阻岩层反应灵敏， 纵向分辨率高的瞬变电磁法作为进行煤田水害问题勘探的一种重要的方法得到了越来 越广泛的关注和应用。 基于上述的认识和分析，本文作者对瞬变电磁法在煤田导水性构造勘查上的应用进 行研究，并重点在处理和解释上进行分析。本研究对于煤矿导水性勘查和水害防治提供 参考和依据，对实际工作具有一定的意义。 1 2国内应用现状 1 2 1 煤矿水害简述 水害是煤田施工建设以及开采过程中的主要灾害之一，地区水源、水量、地层导水 通道是煤矿水害产生的三大因素。依据矿床体的相互位置关系及其充水特点，矿坑充水 水源可分为间接式充水水源、直接式充水水源和自身充水水源。 查阅相关资料发现，矿井的突水是一种复杂的地质及影响现象，是煤层下伏承压水 或相邻采空区的充填水冲破底板隔水层、防水煤柱的阻隔，以突发、缓发或滞发的形式 进入工作面，造成矿井涌水量增加或淹井的自然灾害。 实践证明，影响矿井突水的主要因素为地质构造、矿山压力、水压力、底板隔水层 的厚度。特别是存在含水层富水性强、水压高，隔水层薄，陷落柱较为发育的情况。在 煤矿开采时，灰岩水往往借助于裂隙带或岩溶陷落柱等导水通道，突破煤层底板涌入矿 2 长安大学硕上学位论文 井。 由于地层岩石空隙水的存在，使得岩层获得更好导电性，进而其电阻率会呈现较低 值，这为电法勘探提供了地球物理前提。 1 2 2 煤矿水害勘查概述 在煤田建设和开采过程中，查明富水异常区位置过去依靠钻探方法，该方法虽然准 确但速度慢、成本高且控制范围小，难以圈定富水区范围和导水构造，且打钻时存在危 险。传统的直流电法等物探技术虽然较之钻探效率高、成本低，但探测深度浅、且因体 积效应大等原因造成准确率难以满足生产需求。 相比之下电磁法存在着很多其他物探方法所不能比拟的优点，其近距离观测、体积 效应小、方向性强、分辨率高、对低阻区敏感、施工快速、效率高的优点，被广泛的应 用于煤田水文勘探工作，其中主要涉及可控源电磁法、瞬变电磁法等。 瞬变电磁法在煤田水文勘查工作中，应用了包括多种采集方法、多种仪器设备、较 为成熟和广泛应用的处理和解释方法，结合国家相关的规定和标准，建立起一整套勘探 外业内业工作流程。其工作包括地表勘探和井中瞬变电磁法。在外业采集工作中包含大 回线法，中心回线法，电偶源法；所使用的仪器包括国外内产电磁仪器，包括美国产 g d p - 3 2 多用途电磁仪，加拿大产v 8 、p r o t e m 一4 7 7 6 d 多功能电磁仪，澳大利亚产 t e r a t e m 、s i r o t e m - 3 型瞬变电磁仪和国产s d - 1 1 g 2 等；在处理方面主要依据电磁处理 流程进行包括圆滑、滤波、时深转换等环节在内的一系列工作，并通过一维正反演软件 ( 如t e m i x - x l - v 4 ) 进行反演工作，并有少量应用国外的二维电法处理软件，但由于二 维三维的处理反演软件还欠成熟有着一些不足，所以在实际工作中，大部分还是应用的 一维反演软件；解释方面借助电性等差异依据相关性、相对性等原则进行判断和评估。 经实际工作检验，基本可满足需要，取得了一定的成果。 1 3 课题研究思路及内容 1 3 1 研究思路 本文立足于电阻率值的高低和其等值线特征来判断煤田的导水性构造，继而就如何 求得更精确的视电阻率值进行方法上的讨论和研究。然后通过反演工作对电性差异的地 层进行划分和解释，并通过研究反演工作中二维三维效应的影响，对地下富水区、陷落 柱等导水性构造所造成的电性异常进行评估和判断。总结导水构造的电性特征，对相关 构造和地质体的分布和存在规律进行总结和归纳，得出解释的方法和原则。然后经过实 第一章绪论 际工作的应用和验证，结合参考相关地质资料和其他勘探资料，得出一套包括外业内业 在内的优化工作方案。 1 3 2 研究内容 1 ) 从建立正演模型出发，对应用于大回线接收方式的中心回线定义的视电阻率进 行校正，并经过大回线处理软件处理的结果进行对比分析。 2 ) 应用已有软件，进行反演工作，并结合实际地质相关资料，分析反演结果，讨 论反演工作的参数选取和实际地层异常体等地质情况对反演工作的影响。 3 ) 对反演工作中的一维电性影响因素进行滤除，对剩余二维三维影响因素进行评 估和讨论，求得对导水性构造更好的鉴别和判断方法。 4 ) 建立导水性构造的一维正演模型，进行定性分析。 5 ) 对煤田导水性构造进行的解释和分析进行讨论和研究，并结合实际工作验证其 可行性，通过对富水区、陷落柱以及整个煤系地层的导水性构造进行探测和评估，总结 相关规律和方法。 6 ) 通过实际工作，总结煤田导水性构造勘探的整套外业和内业工作的各个环节， 总结一套优化的工作方案。 4 长安大学硕：1 二学位论文 第二章瞬变电磁法勘探基本理论 2 1 瞬变电磁方法原理简述 2 1 1 瞬变电磁发展历程 瞬变电磁法( t e m ) 最早由加拿大地球物理学家w a i t 于1 9 5 1 年提出，并于1 9 5 3 年获取专利权。二十世纪五六十年代前苏联科学家完成了瞬变电磁的一维正、反演，建 立了瞬变电磁法的解释理论和野外工作方法。在随后的近二十年时间里，瞬变电磁法得 到了快速的发展，代表人物有g o l d m a n 等。二十世纪七八十年代，美国等西方国家对其 进行了深入的研究，k e l l e r 、k a u f m a n 等人对瞬变电磁一维正、反演及方法技术进行了 大量的研究。二十世纪八十年代以后随着计算机技术的发展，欧美学者在二、三维正演 模拟技术方面做了大量的工作。 我国的瞬变电磁法的研究始于二十世纪七十年代，较早开展这项工作的有朴化荣、 曾孝箴、王延良等人，他们推出了均匀场大地上空时间域电磁响应，并将脉冲式航电仪 用于地质填图和找矿中。蒋邦远等将脉冲瞬变电磁法用于普查勘探良导金属矿。牛之链 等将瞬变电磁法用于金属矿勘探工作上。朴化荣用g s 逆拉氏变换法实现了电性源瞬变 电磁测深的正演计算。方文藻等用线性数字滤波技术实现了大回线源瞬变电磁测深的正 演计算。经过近三十年的努力，取得了一系列有价值的研究成果以及大量成功的应用实 例，推动了瞬变电磁法在我国的应用和发展。 2 1 2 基本原理 瞬变电磁勘探技术是目前国内外较先进的地球物理勘探方法之一。它是根据地质结 构或地质体本身的物性差异，研究由强大的脉冲电流作为场源，激励探测目的物感生的二 次场随时间的变化，来间接判断构造地质、水文地质现象的种方法。 瞬变电磁法的工作原理，是在地表敷设不接地线框或接地电极，输入阶跃电流，当 回线中电流突然断开时，在下半空间就要激励起感应涡流以维持断开电流前已存在的磁 场，并且此涡流场随时间以等效涡流环的形式向下传播、向外扩展，利用不接地线圈、 接地电极或地面中心探头观测此二次涡流磁场或电场的变化情况，可用以研究浅层至中 深层的地电结构，由于是在没有一次场背景的情形下观测纯二次场异常，因而异常更直 接、探测效果更明显、原始数据的保真度更高。 这是一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法。由于这些变化的二次场是脉 第二章瞬变电磁法勘探基本理论 冲源所感生的涡流场在地下扩散过程中地电介质的电磁散射场，因此包含了丰富的地电 信息，通过对这些信息的提取和解释，从而达到探测地下电性介质的目的。 t 0 ， 一 锄( y 一 弋x ? ，一_ 一- _ 、。 、一一一一7 。 ，一一- 一一一- 、 ( 、。一一 一 、it = t 3 。一一一7 。 | _ ，_ - 。一一一一一。一_ 一一- 一- - i 、， t = t 3 、，_ 一一_一，一一， z 一r 图2 - 1 瞬变电磁原理示意图 2 1 3 方法特点 由于瞬变电磁测深法是在一次场断电后测量纯二次场，不存在一次场源的干扰，此 外，由付里叶变换可知，一个阶跃脉冲实际上是由各种高频和低频谐波叠加而成的，产 生的场是一种宽频带电磁波，因此与频域电磁法相比，瞬变电磁法具有以下方面的优点： ( 1 ) 由于观测纯二次场，可以进行近区观测，减少旁侧影响，增强分辨能力； ( 2 ) 可用加大功率的方法增强二次场信号，提高信噪比，从而增加勘探深度； ( 3 ) 穿透高阻层能力强； ( 4 ) 由于采用人工源方法，随机干扰影响小； ( 5 ) 采用重叠回线装置工作，可以避免地形影响； ( 6 ) 发射线圈形状、方位要求相对宽松，测地工作简单、工效高； ( 7 ) 由于测磁场，受静态位移的影响小； ( 8 ) 可以通过选择不同的时窗口进行观测，有效的压制各种噪音，可以获得不同勘 探深度，使剖面与测深工作于一体； ( 9 ) 通过多次脉冲激发，场的重复观测叠加和空间域多次覆盖技术的应用，可以提 高信噪比与观测精度。 6 长安大学硕士学位论文 2 2 瞬变电磁法基本理论 2 2 1 大回线源形成的瞬变电磁场 以下概述的在各向同性水平层状大地上回线源在地表和地下所形成的瞬变电磁场。 1 ) 地表瞬变电磁场表达式 当用阶跃波时，回线源中的电流产生的一次磁场为： 舭) = 嚣 ( 2 ) 由频谱分析理论，在时间域中得磁场分量可表示为： 即) = 去掣p 枷d 彩 ( 2 2 ) 用三角函数来表示，有： 邯) = 去掣( c o s 耐+ f s m 晌 ( 2 3 ) 由于其中有复振幅，根据实部虚部的性质，可表示为： 日( ，) - 一石i 仁i m h ( c o ) s i nc a t + r eh ( c o ) c o s c o t d 缈 ( 2 4 ) z 万“国 由于： r eh ( c o ) = r e h ( 一国) 和i m h ( c o ) = i m h ( 一)( 2 5 ) 于是可以进一步得到： 日( f ) ：! i m h ( o g ) c o s t o t 国 ( 2 6 ) 当时，二次场不存在，式,-r)e为h(co，)s有in：totdt 4 5 4 f i 9 40 9 9 4 8 9 2 7 0 9 9 0 7 6 9 20 9 8 6 8 7 8 70 阳1 9 b 日0 0 9 8 8 7 2 4 009 9 2 6 4 6 3 i09 9 5 9 2 2 7 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率等值线呈现略有上移的现象。但相对均匀场校正，层状场校正还存在一些问题，比如 由于平均电阻率并不一定能符合每个点实际的情况，对于电阻的校正起了或大或小的影 响，不能保证校正的效果是在同一标准上。于是层状场校正较之均匀场校正，在局部某 些等值线的变化幅度较大，使得在边界处和视电阻率和均值差的较大的地方，校正效果 并不明显，其等值线形态和未校正的结果更为相近。 n m = 。 ：l 。、 卜一一一一噌嗣阗 i l ，。霍誊罄h 盔藿二 圈& l o 经滑处理的税电阻率断面图 如图3 1 0 ，经过圆滑处理后的层状场校正结果就更接近于未校正的图形而与均匀 场校正结果有所区别。 在层状地形的分点校正中尤为明显，为取得更切合实际的效果，如果采取分点校正。 由于在正演工作中误差和水准的不一致性不仅不能让正演结果更加合理，反而使得数 据等值线有了更多畸变和人工造成的误差和错误，校正后的结果反而出现了新的误差， 使整体效果更差。 3 2 根据大曰娩定义计算扼电阻率 圈3 1 1 和图3 1 2 为大回线方式计算的视电阻率断面图，从纵向上看，从浅到深其 视电阻率同样呈现由高低中高的电性特征。图中上部为高阻表现其值从从上到下呈 现逐渐减小的趋势，中部为低阻表现，下部表现为中阻，图中深部视电阻率一般较高。 在整体上反映了实际地层的岩性分布状态结合并对比实际资料，该方法所得的结果基 本反映新生界地层、二叠系表层基岩、为石炭系、奥陶系的分布和电性关系，符合实 第三苹瞬变电磁挂处理解释方法 ：囊袅嘲 i 瞄i 阐 m 鏖曼i i i i i 图3 1 2i 线i 、2 号框通过圈滑的视电阻事断面田 较之中心回线定义计算所得到视电阻率断面图，并对比通过校正工作的视电阻率断 面图可以发现，大回线定义所得的视电阻率断面图在等值线形态上更接近校正过后的视 电阻率断面图。所以可以得出结论，在框内回线收发产生的电磁场中，经过校正的中心 回线定义计算的视电阻率更接近于实际，一定程度上避免了因为采集点偏离中心点而产 生的数值误差。从经过圆滑的图件对比可以看到，均匀半空间模型系数校正的结果较之 层状场模型系数校正的结果更接近于大回线视电阻率定义所得到的结果。 长安大学砸学位论空 同时，也发现该方法在计算视电阻率、视深度上和中心回线所计算的结果仍有一定 的差别，这点在以后的实际工作应用当中需要进一步的比对和验证。 3 3t e h 反渍 3 3 1 中心回线- - t 丘演 图3 1 3 为中心回线反演与地层对比图，反演参数是依据实际工区地层情况，图中红 色为反演曲线，黑线分别是3 号和1 5 号煤层，白色虚线为奥陶系顶层；反演工作将地 层分为七层在浅层、中层和中深层分别按电阻率分布约束其厚度。电阻率按该测点的 视电阻率值求均值得到，整体电阻率趋势为高- 中低中- 高，对应地层由第四系至奥陶 系的岩层电性分布。由图中反演曲线与视电阻率断面图对比可看出，七层反演在浅层、 中层都能很好的对应地层的电性分布。 e 一：t 三 三ii ：量蓬 凶t 1 k 1 如如1 k岛 = 叠量 7 0 a m 石燎蝴 4 口柚 臭陶基 1 0 0 口m 图3 , 1 3 视电阻丰断面图、反演曲线及地层对比囝 聚 第= 章辟变电磁法处理解释方法 其表层，呈现从高阻到低阻的渐变趋势，符合实际地质情况中第四系和二叠系上部 的电性关系。往下为二叠系下部，为电阻低值，在图中也有显示。电阻率在二叠系至石 炭系以及石炭系本身有个由低阻向高阻过度的过程，其中二叠系下统和石炭系上统的下 部，分布着3 号和1 5 号煤层，其分布地层在反演曲线上的相应层位部分也有显示。由 此看出，该反演在工作当中有一定的效果。 图31 4 为工区1 4 3 剖面上全剖面上铡点的视电阻率断面图和地电断面图，上面是视 电阻率断面图，图中红线为反演曲线，下面是地电断面图，反演工作误差基本控制在 3 e 旷9 之间。与该区视电阻率深度断面图做比较可以看出。其曲线的形态趋势和分层结 构基本符合实际工作当中的实际情况，较为有效。但在反演过程中，仍需要选取合适的 数值和约束条件，才能取得更好的结果。 ；i 一一1 一一一i 一+ 圈3 1 4 视电阻事断面朗与地电断面圈 硅女大学顿学位论文 在深地层中，由于实测值所在层距较大，电阻值相差也较大，在反演工作中会出现 一定得误差往往使得正演曲线不能很好的和原始数据近似。在深层反演结果较差，对 于层位和电性差别较大也不能很好的过渡，这足该方法的缺点。 从反演的精度和地电断面图的分层情况来看，该一维反演可阻较为有效地模拟地层 层位和电性情况以此为基础建立背景地层模型是有效的。 3 3 2 反渍中一雏影响因蠢的滤豫 由于本项工作依据的是一维中心回线反演所得而实测值是受三维因素麸同影响所 得的结果。而富水性地层和陷落柱等含水构造本身受三维因素影响较之单一的层状地层 显著，因此可以建立正演模型，尝试滤除一维影响因素，通过对整个地层受三维影响 因素的差别和特征，对古水构造等异常体进行评估和判断。 具体步骤是通过合理的参数设定求取较为接近实际的正演模型去除其中地质构造 异常部分，将剩余部分进行网格化，建立一个完整的地层模型，来模拟一个一维影响因 素的模型。利用同样的参数，求得实际视电阻率断面，然后进行差值，滤除掉一维影响 因素，用剩余参数也就是二维三维影响因素建立等值线断面图对含水掏造进行评估。 本文选取两个剖面。分别含有富水区和陷落拄等导水构造。 图3 1 51 5 9 线视电阻率断面圈田3 1 61 5 9 线地电断面图 选取工区1 5 9 线作为研究埘象，如图3 1 5 所示，改地段含有一个较为明显的大块富 水区( 图中红虚线所示) 和个不富含水的陷落柱( 图中j d x 7 8 ) ：此两处异常中，只 有富水区在图中较为明显，而陷落柱在该视电阻断面中并无太显著的特征。 2 7 第= $ 瞬变【u 磁法处理解释方法 戆j 瀚 i 嗣i 宙 图3 1 71 5 9 线一维正演视电阻率断面图图3 1 s 滤陈一维地层影响的断面图 对该条测线上除异常区( 富水区、陷落柱) 外所有点进行反演，得出正演数据( 误 差小于8 ) 利用这些数据建立模型和断面图( 图31 7 ) 并得出地电断面图( 图31 6 ) 。 由图31 7 和图31 5 对比可以看出，该地点模型符合地层各层电性特征和大体厚度，其 电性分布按高一中一低- 中商的分布，切合第四系至奥陶系的岩层电性分布，办可判断其 合理性和真实性。 罔31 8 是通过实际视电阻率断面图减去正演模型所得的结果可视为滤除了一维地 层影响，从圈中可以看出，在富水区有明显的等值线向线异常特征，并在富水区下部也 有原视电阻率断面罔未能显出的特征。而陷落柱部分尽管在原罔部分由于未富古水而没 有太大的视电阻率异常特征，但由于其受二维二维影响更大，在滤去一维地层影响后， 在断面图卜陷落柱的异常较为明显。 由此可以看出受i 维影响更太的含水构造较之普通地层在反演i 一作中有一定的差 别，并在滤除一维影响后这些差别在图线形态卜更为突 ，基于此可以肘富水区、陷落 柱等导水构造进行更好的识别和判断，继而对整个岩层的导水通道进行有效的评估和预 测。 k 宜 学硬学位论2 饕叁； 冀! 正蓼鼙三三至 = _ = ：= = 二二，：二= 二= ： 一、二一一，一、一 妻萋季摹褰： 蔷蓄萋委蓬篡： j 芝二二：要二 、一一一一一、一 图31 91 4 7 线地视电阻断面图囤3 2 01 4 7 线地电断面圈 圈3 2 11 4 7 线一雏正演视电阻率断面图圈32 2 游酶一维地层影响的断面图 圈31 9 是1 4 7 号线的视电阻率等值线断面图，较之1 5 9 号线，其只包含了两个不 太明显的小范围富水区，这在等值线的形忐和电性上相对大面积富水区要小一些。 罔32 0 是1 4 7 号线地电断而图，从中可以明显的看出地层的电性分柿和各层大致厚 度基于此建立的正演模型的视电阻率断面图( 图32 1 ) 可合理的模拟整个地层的状态。 图32 2 是通过实际视电阻率断面图减去正演模型所得的结果，可视为滤除了一维影 响从图中可以看出原电阻率拟断面图31 9 中显示并不明显的两个小范围富水区在滤 除维地层影响后表现明显，并在异常下部也有明显的低阻状态反应，符合理论情况， 通过以上步骤可以使对小范围富水区的判断更容易和明确一些。 通过上述工作，可以得出结论，利用一维币反演所得到的结果，其本身由于同时受 2 9 第三章瞬变电磁法处理解释方法 三维效果影响，故在其反演结果仍带有一定的三维特征，通过滤除一维效果影响，可以 使得正常岩层和异常岩层在受影响效果上的差异变得更为明显一些，继而可以更有效的 判断地层中的地质异常体。这在实际工作中有一定的指导和应用的意义。 3 4 解释 3 4 1 基本方法 首先，依据各条测点曲线及测线视电阻率断面图，对测区内可能存在的地质异常区 进行解释。接着对各顺层视电阻率切片图进行分析，着重分析地质异常区的分布规律。 最后依据视电阻率断面图和平面图，结合地质资料成果进行对比分析，确定富水异常区 的分布规律和分布范围，绘制出测区内各层位上的富水异常区分布图。 在解释时遵循以下原则：遵循从己知到未知、从点到面、从简单到复杂、从局部到 全区的原则。充分收集测区地质、物性和地震资料，充分考虑各种复杂因素对观测结 果的影响，依据地球物理规律，认真分析物性断面参数和地质断面之间的联系。 ( 1 ) 相对异常原则：由于影响砂岩以及陷落柱电阻率高低的因素较多，如不同年代、 不同层位、塌陷、冒落程度、充填水情况等，其电性特征均有差异。在解释过程中应根据 实际情况和异常特征综合分析。 ( 2 ) 相关性原则：由于勘查工作按一定的工作网度开展的，相邻剖面异常具有一定的相关 性，利用其相关性进行新生界地层、煤系地层富、含水区范围的划定以及陷落柱分布和岩 溶发育状况的推断。 ( 3 ) 地层电性参数可由己知点测深曲线反演计算的平均值作为地层物性参数结果， 同时要掌握全区地层物性参数的纵、横向变化规律。 ( 4 ) 充分研究目的层、目标物及相关地层的对应物性标志，同时进行点、线、面 的对比解释，并注意各标志的纵、横向联系。 ( 5 ) 在定性解释的基础上，对获取的单支曲线、物性参数剖面进行多方法的数据处 理并成图，同时分析各种地质特征在多参数图件上所表现出的特征，为进一步的电法资 料定量解释打下基础。 ( 6 ) 定量解释方法是根据己知地质条件地段或孔旁应用多种解释手段对比分析确 定，进而推广全区。 资料解释主要依据单测线的断面等值线图、断面图、测道平面等值线图以及水平、顺 层视电阻率切片图。规模较大的陷落柱一直坍塌到近地表，受地表裂隙水或潜水层水填 3 0 长安大学硕士学位论文 充，在单测线的断面等值线图表现为明显的低阻；较小规模或坍塌程度较低的陷落柱没 有发育至地表，受地表裂隙水填充较差或坍塌面没有填充密实，在单测线的断面等值线 图表现为相对高阻。 在测道平面等值线图上，鉴于陷落柱的形成机理，圈定异常的依据是较大规模陷落 柱表现为从浅到深比较连续的异常；而较小规模的陷落柱( 或隐伏陷落柱) 则表现为深 部有异常，随着深度的变浅，异常慢慢变弱直至消失，浅部有异常而在深部异常消失的 区段，可结合地质工作进行判断。 第四章导水性构造的数宇模拟 第四章导水性构造的数字模拟 4 1 模型建立 以实际工区为参考，工区剖面地层各层厚度和电阻率情况见图4 1 。 二严矿 季雾耋翥蠢萎芝。一 饕薹i专蓼j寒萋芝。；0。 = 矗熏 ：j 。l 苫| p ， ，一 兰避 滋 萎娶蓬 鼻蕞 蠢襄鋈 圈 l 视电阻率断面图、反演曲线及地层对比圈 图4 1 为视电阻率断面图和地层对比，图中红色为反演 曲线，黑线分别是3 号和1 5 号煤层，白色虚线为奥陶系顶 层；为详细反应该系列地层的电性特征，反演层数分为九层。 由图可见，整体地层电阻率呈高一中一低一中一高状态，对应的 是由第四系至奥陶系的电性分布。其表层，呈现从高阻到低 阻的渐变趋势，符合实际地质情况中第四系和二叠系上部的 电性关系。往下为二叠系下部，为电阻低值，在图中也有显 示。电阻率在二叠系至石炭系以及石炭系本身有个由低阻向 表4 1 模型参敦 层电阻率厚度 ( n )( 欧拇米)( m ) l l o3 0 9 0 5 0 3 4 6 1 3 0 5 0 0 高阻过渡的过程，其中二叠系下统和石炭系上统的下部，分布着3 号和1 5 号煤层，其 长安大学硕上学位论文 分布地层在反演曲线上的相应层位部分也有显示。由此地层作为建立导水性构造数字模 型的依据和参照。 在以上实际工区地层情况和各岩层电性的基础上，建立一维的低阻含水构造模型， 各层厚度和电阻率情况见表4 1 。考虑到实际情况，建立三个模型，三个模型的地层分 布厚度和各层电阻率值一致，都采用表4 1 所设定的数值。由上述模型进行同深度不同 电阻率和同电阻率不同深度的异常模拟，以提供定性的比对分析。 选取异常区电阻率大小不同但深度相同且异常区范围相同的模型进行对比。 如下所示，图4 2 所示模型的低阻异常目标体深度为4 5 0 米、电阻率为5 5 欧姆米； 图4 6 所示模型的低阻异常深度为4 5 0 米、电阻率为1 l o 欧姆米。 选取不同深度但异常区范围相同且异常区电阻率相同的模型进行对比。 图4 2 所示模型的低阻异常目标体深度为4 5 0 米、电阻率为5 5 欧姆米；图4 1 0 所 示模型的低阻异常目标体深度为5 7 0 米、电阻率为5 5 欧姆米。 以上所设定的低阻异常分布大小相同，为横向8 0 米，纵向5 0 米的长方形异常体。 在该模型上，模拟大定源回线观测装置，发射框8 0 0 米* 8 0 0 米，电流1 0 安培，单 条测线共计1 3 点，测道选取3 l 道。 4 2 一维正演模拟 通过应用r c e t 一维正演软件，对所建模型进行正演计算，输出3 l 道d b d t 和视电 阻率值，绘制相关图形( 多测道图、视电阻率断面图) ，对模型进行分析，并对不同模 型进行比对。 4 3 模型分析 ( 1 ) 视电阻率断面图分析 图4 3 和图4 1 1 分别为深度4 5 0 米、5 7 0 米的存在相同低阻异常的模型所正演计算 后得到的视电阻率断面图。图4 3 中可以看到，视电阻率变化最大的地方刚好就是异常 分布区，如图4 3 测线1 2 0 0 至1 3 0 0 处的海拔3 7 0 米和2 5 0 米处，再如图4 1 1 测线的1 2 0 0 至1 3 0 0 处的海拔2 5 0 米和1 5 0 米，都是等值线畸变最大的地段，其视电阻率等值线都 有不同程度向下的畸变，而这两个层位之间同样有着等值线的变化，这些地带就是理论 模型中的低阻含水异常的分布区。通过对应深度和水平范围，可以大致圈定出低阻异常 区。通过低阻异常区上下等值线的变化也能看出，在低阻区域的上下，电阻率等值线都 会发生一定的变化。可以作为识别和圈定分布区域的依据。同时还要注意到，异常区以 1 1 第四章导水牲构造的数字模拟 上和以下范围内等值线也存在一定的变化，说明其视电阻率值也受到异常的影响。 图4 2 目标体h - = 4 5 0 米的地电模型圈4 3 目标体h 1 5 0 米视电阻率断面图 卜仁i 二 ：二涟仁二： 二二二1 厂二： j 二二义二夕二二= 至享圣壅萋 ：1 1 14 4 目毒体h = 4 5 0 米主电阻率多舅矗圈 一 圈4 6 目标体h = a 5 0 米的地电模型 l 二二二二二： 萎三 仁；亍 1 0 0 表现，下石盒子 组、山西组地层以砂泥岩为主，电阻率为低阻表现；石炭系和奥陶系地层以灰岩为主， 地层的电阻率较高。整套地层的电性在纵向上呈现为高低中高的特征反映。 5 2 野外施工方法与技术 5 2 1 该工作中的试验工作 1 ) 试验内容 3 9 第五章应用实例 本次地面电法勘探拟选用美国生产的g d p - 3 2 多功能电法工作站，为了选