陳品雄 ，羅聰 ，徐林

(1.貴州煤田地球物理勘探有限責(zé)任公司， 貴州 貴陽(yáng) 550014；2.貴州省煤田地質(zhì)局一七四隊(duì)， 貴州 貴陽(yáng) 550014)

貴州山區(qū)，尤其是黔北地區(qū)的煤系地層上覆長(zhǎng)興組地層及玉龍山組為灰?guī)r地層，下覆茅口組為灰?guī)r地層，灰?guī)r的巖溶、巖體節(jié)理裂隙、構(gòu)造等是礦山開(kāi)采的重要致災(zāi)因素。多數(shù)礦井開(kāi)采深度為200～600 m，隨著開(kāi)采深度增加，直流電阻率法探測(cè)煤礦水害已經(jīng)不能滿足要求；而瞬變電磁法在貴州山區(qū)受地形起伏及植被影響，大發(fā)射框施測(cè)難度大、效率低?？煽卦匆纛l大地電磁法（CSAMT）具有探測(cè)深度大、工作效率高、抗干擾性強(qiáng)、受地形影響相對(duì)較小、設(shè)備相對(duì)輕便和橫向分辨率高等特點(diǎn)，將成為貴州山區(qū)煤礦水害勘探的重要方法[1-5]。

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是在大地電磁法（MT）、音頻大地電磁法（AMT）為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的方法，其采用人工源，提高了信號(hào)強(qiáng)度，但由于低頻數(shù)據(jù)的非平面波效應(yīng)導(dǎo)致的近場(chǎng)效應(yīng)，過(guò)渡帶數(shù)據(jù)產(chǎn)生低谷，近場(chǎng)區(qū)數(shù)據(jù)陡升，使低頻數(shù)據(jù)不能正常反映深部電性特征[6-8]。本文以黔北地區(qū)新田井田可控源音頻大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對(duì)CSAMT低頻數(shù)據(jù)進(jìn)行近場(chǎng)校正分析處理，以期達(dá)到充分利用低頻數(shù)據(jù)的目的[9-10]。

1 近場(chǎng)效應(yīng)形成原因及處理方法

1.1 CSAMT（標(biāo)量測(cè)量方式）原理

一般以長(zhǎng)度為1～2 km接地導(dǎo)線向地下發(fā)送不同頻率的交變電流形成交變電磁場(chǎng)，觀測(cè)磁場(chǎng)振幅Hy和電場(chǎng)振幅Ex。根據(jù)Cagniard（卡尼亞）公式求得地下介質(zhì)的視電阻率和阻抗相位：

式中，ρs為視電阻率，Ω·m；f為發(fā)射頻率，Hz；Ex為x方向的電場(chǎng)強(qiáng)度，Ⅴ/m；Hy為y方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；φ為阻抗相位；φE表示電場(chǎng)相應(yīng)；φH表示磁場(chǎng)相伴。

CSAMT法探測(cè)的深度與大地電阻率和信號(hào)頻率有關(guān)，估算有效深度H的近似公式為：

式中，H為探測(cè)深度，m；σ為趨膚深度，m；ρ為大地電阻率，Ω·m。

由式（3）可知，當(dāng)大地電性結(jié)構(gòu)一定時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)換收發(fā)電磁信號(hào)的頻率可測(cè)到不同深度的地電信息，從而達(dá)到勘探目標(biāo)地質(zhì)體的目的。

1.2 近場(chǎng)效應(yīng)

因?yàn)椴捎萌斯ぴ?，接收機(jī)靠近場(chǎng)源（采集低頻數(shù)據(jù)）時(shí)，收發(fā)距r不能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于趨膚深度，電磁波為非平面波，不滿足平面波垂直地面的假設(shè)條件，利用卡尼亞公式計(jì)算得到的視電阻率及阻抗相位會(huì)發(fā)生畸變，表現(xiàn)為過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)低谷，近場(chǎng)區(qū)低頻段視電阻率以近45°陡升，阻抗相位下降趨于0，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)以外數(shù)據(jù)不適合理論公式。近場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)與磁場(chǎng)完全飽和且磁場(chǎng)按照1/r2衰減；遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)與磁場(chǎng)水平分量按照1/r3衰減。在近場(chǎng)區(qū)與過(guò)渡區(qū)曲線形態(tài)無(wú)法用MT或AMT方法進(jìn)行解釋，限制了低頻段數(shù)據(jù)的使用。

1.3 近場(chǎng)數(shù)據(jù)處理方式

Kn在近場(chǎng)時(shí)為常數(shù) 0.63，Kf在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)為常數(shù)1。根據(jù)實(shí)際f，r和測(cè)定的值，可以把研究區(qū)分為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)、近場(chǎng)區(qū)及過(guò)渡區(qū)。

在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，因?yàn)镵f＝1，表明式（4）與式（1）相同，而在近場(chǎng)區(qū)和過(guò)渡區(qū)則必須用Kf和Kn系數(shù)進(jìn)行校正。

2 研究區(qū)富水區(qū)特征

研究區(qū)地層出露地層有：三疊系下統(tǒng)夜郎組玉龍山段上部（灰?guī)r）、三疊系下統(tǒng)夜郎組九級(jí)灘段下部（粉砂巖、泥巖）及第四系。未出露地層有三疊系下統(tǒng)夜郎組玉龍山段下部（灰?guī)r）、沙堡灣段（主要為泥巖）、二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組（灰?guī)r）、龍?zhí)督M（含煤地層，主要由薄至中厚層狀粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖及少量細(xì)砂巖組成）及下統(tǒng)茅口組（灰?guī)r）。

研究區(qū)斷裂和巖溶發(fā)育。T1y2含水層富水性強(qiáng)，部分區(qū)域直接裸露地表，沿節(jié)理密集帶在T1y2含水層發(fā)育呈南北延伸的溝谷，沿溝谷形成季節(jié)性地表溪流，雨季溝谷中地表溪流在徑流過(guò)程中多沿落水洞集中注入地下，成為T(mén)1y2地下水的補(bǔ)給來(lái)源。

主采煤層M4與P3c-T1y2含水層間隔水巖層厚度小于礦井頂板冒落導(dǎo)水裂隙帶高度，未來(lái)開(kāi)采過(guò)程中，P3c-T1y2巖溶地下水將通過(guò)裂隙或斷層帶進(jìn)入礦井，造成礦坑涌水，特別是暴雨期間，大量地表水可能通過(guò)落水洞涌入礦坑，造成礦坑突水。P2m灰?guī)r若存在巖溶裂隙發(fā)育，其對(duì)后續(xù)煤礦開(kāi)采龍?zhí)督M底部煤層會(huì)造成水患威脅。研究區(qū)位于F5正斷層附近。F5正斷層位于井田西南部蒙家寨-梨子沖一帶，長(zhǎng)3.2 km，走向NE35°～45°，傾向SE，傾角為71°，地表出露清楚，落差30 m左右。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)及附近區(qū)域進(jìn)行野外踏勘和調(diào)查，研究區(qū)無(wú)采掘活動(dòng)。結(jié)合該區(qū)地層及地層產(chǎn)狀情況，地表泉點(diǎn)、巖溶、構(gòu)造發(fā)育情況，研究區(qū)主要水患（富水區(qū)）為 F5正斷層和 T1y2、P3c、P2m灰?guī)r內(nèi)形成的巖溶裂隙。

結(jié)合研究區(qū)附近鉆孔的測(cè)井視電阻率曲線資料，將工區(qū)內(nèi)地層視電阻率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)附近鉆孔巖心視電阻率測(cè)量統(tǒng)計(jì)

3 近場(chǎng)校正效果分析

本次 CSAMT探測(cè)布置一個(gè)發(fā)射源，長(zhǎng)度為1990 m，收發(fā)距為8.25～8.65 km（大于探測(cè)深度10倍），接收偶極矩為20 m。采用標(biāo)量測(cè)量方式。

圖1為1號(hào)測(cè)線10 m、130 m、230 m測(cè)點(diǎn)卡尼亞電阻率和阻抗相位曲線，雖然1號(hào)測(cè)線收發(fā)距為 8.65 km，但從曲線可以看出近場(chǎng)效應(yīng)明顯?？醽嗠娮杪首杩瓜辔磺€均比較圓滑，未出現(xiàn)明顯畸變點(diǎn)，在低頻200～50 Hz左右，卡尼亞電阻率明顯進(jìn)入低谷，尾部明顯升高；阻抗相位在200 Hz左右出現(xiàn)最高點(diǎn)，低頻衰減逐漸趨近于0。200～50 Hz明顯進(jìn)入過(guò)渡帶低谷，50 Hz以后明顯進(jìn)入近場(chǎng)區(qū)。表明在高頻區(qū)域（遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)），卡尼亞視電阻率能夠客觀地反映出地電斷面的垂向變化；但在過(guò)渡區(qū)和近場(chǎng)區(qū)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)衰減的強(qiáng)度變化不一致，卡尼亞視電阻率不能正確反映地電斷面變化情況。

圖1 1號(hào)測(cè)線10 m、130 m、230 m測(cè)點(diǎn)卡尼亞電阻率和阻抗相位曲線

圖2為1號(hào)測(cè)線10 m、130 m、230 m點(diǎn)位實(shí)測(cè)卡尼亞電阻率和近場(chǎng)校正后視電阻率曲線。近場(chǎng)校正后遠(yuǎn)區(qū)（高頻段）無(wú)變化，過(guò)渡帶低谷消失，近場(chǎng)區(qū)低頻曲線不再陡升。表明近場(chǎng)校正效果良好，較好地解決了過(guò)渡帶及近場(chǎng)引起曲線畸變的問(wèn)題。

圖2 1號(hào)測(cè)線10 m、130 m、230 m測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)卡尼亞電阻率曲線（黑色）和近場(chǎng)校正后視電阻率曲線（藍(lán)色）

4 剖面異常響應(yīng)分析

圖3為1號(hào)測(cè)線二維反演電阻率剖面圖（橫縱比例為1:5）。從電阻率剖面可以看出，T1y3地層整體呈相對(duì)低阻，符合砂巖和泥巖電性特征；T1y2地層呈相對(duì)高阻，符合灰?guī)r電性特征；P2m地層整體呈相對(duì)高阻，符合灰?guī)r電性特征；P3l地層呈相對(duì)低阻，符合粉砂巖、泥巖、煤層電性特征；尤其T1y1、P3c呈相對(duì)低阻（泥巖）—高阻（灰?guī)r）薄互層，電性特征反應(yīng)不明顯。表明CSAMT在縱向?qū)Ω咦杓暗妥璧貙臃直媛示^好；由于厚度關(guān)系，對(duì)薄層高阻或低阻互層反應(yīng)不明顯。

F5斷層為正斷層，傾角為71°，斷距約31 m，出露明顯。在圖3上顯示上盤(pán)為相對(duì)高阻，下盤(pán)為相對(duì)低阻，推斷下盤(pán)發(fā)育破碎帶發(fā)育，F(xiàn)5斷層電性特征反應(yīng)明顯。

圖3 1號(hào)測(cè)線二維反演電阻率剖面

據(jù)圖3推斷巖溶發(fā)育范圍6個(gè)，均呈相對(duì)低阻。T1y2地層發(fā)育4個(gè)，編號(hào)I至Ⅳ；P3c地層發(fā)育1個(gè)，編號(hào)Ⅴ；P2m地層發(fā)育1個(gè)，編號(hào)Ⅵ。該區(qū)域無(wú)煤層露頭，煤層埋深，據(jù)調(diào)查該區(qū)域未發(fā)生過(guò)煤層采掘活動(dòng)，無(wú)采空區(qū)。

圖4為2號(hào)測(cè)線二維反演電阻率剖面圖（橫縱比例為1:5）。各地層電性特征與1號(hào)測(cè)線相似，表明CSAMT整體對(duì)高阻及低阻的地層均反應(yīng)明顯，對(duì)高低阻互層的薄地層反應(yīng)不明顯，對(duì)橫向上 F5斷層反應(yīng)明顯。

圖4 2號(hào)測(cè)線二維反演電阻率剖面

據(jù)圖4推斷巖溶發(fā)育范圍9個(gè)，均呈相對(duì)低阻。T1y2地層發(fā)育6個(gè)，編號(hào)I至Ⅵ；P3c地層發(fā)育1個(gè)，編號(hào)Ⅶ；P2m地層發(fā)育2個(gè)，編號(hào)Ⅷ和Ⅸ。該區(qū)域無(wú)煤層露頭，煤層埋深，據(jù)調(diào)查該區(qū)域未發(fā)生過(guò)煤層采掘活動(dòng)，無(wú)采空區(qū)。P2m地層發(fā)育較1號(hào)測(cè)線偏低，根據(jù)研究區(qū)附近302號(hào)鉆孔，茅口灰?guī)r發(fā)育裂隙及溶蝕，表明測(cè)線2區(qū)段巖溶裂隙較為發(fā)育。

根據(jù)以上兩個(gè)剖面特征：表明通過(guò)近場(chǎng)校正后，CSAMT在縱向?qū)Ω咦杓暗妥璧貙臃直媛示^好；由于厚度關(guān)系，對(duì)薄層高阻或低阻互層反應(yīng)不明顯。F5斷層斷距30 m，從淺部至深部均反應(yīng)明顯，表明通過(guò)近場(chǎng)校正后，CSAMT在橫向上從淺部至深部均有良好的分辨率。兩條測(cè)線共推斷的巖溶發(fā)育位置15個(gè)，其橫向大小為15～30 m，表明通過(guò)近場(chǎng)校正后，可控源音頻大地電磁法橫向上區(qū)分巖溶異常也具有良好的效果。

5 結(jié)論

（1）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行近場(chǎng)校正，近場(chǎng)校正后遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)（高頻段）無(wú)變化，過(guò)渡度帶低谷消失，近場(chǎng)區(qū)低頻曲線不再陡升。近場(chǎng)校正效果良好，較好地解決了過(guò)渡帶及近場(chǎng)引起曲線畸變的問(wèn)題。

（2）對(duì)部分剖面進(jìn)行分析，表明通過(guò)近場(chǎng)校正后，CSAMT在縱向?qū)Φ貙臃直媛瘦^好，其結(jié)果與測(cè)井曲線統(tǒng)計(jì)的視電阻率吻合度好；CSAMT對(duì)斷層具有良好的分辨率，對(duì)巖溶異常也具有良好的地響應(yīng)效果。

（3）通過(guò)實(shí)測(cè)資料，可控源音頻大地電磁在按測(cè)量10倍深度選擇收發(fā)距時(shí)近場(chǎng)效應(yīng)相當(dāng)明顯，對(duì)其低頻數(shù)據(jù)進(jìn)行近場(chǎng)校正處理提取并應(yīng)用十分有必要。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)資料近場(chǎng)校正處理后，能很好地反映深部地層及富水區(qū)的異常特征，表明視電阻率數(shù)據(jù)相當(dāng)于遠(yuǎn)區(qū)視電阻率數(shù)據(jù)，提高了 CSAMT深部低頻數(shù)據(jù)的可靠利用程度，能更好地服務(wù)于貴州山區(qū)礦山復(fù)雜地質(zhì)條件下的的深部防治水工作。