大地電磁頻譜測量法探測煤礦區(qū)陷落柱
王 軍1 楊雙安2 邢向榮1
1山西省煤炭地質公司, 太原, 030045；2中國礦業(yè)大學（北京校區(qū)）研究生院，北京， 100083；
摘要:大地電磁頻譜測量是在大地電磁測深基礎上發(fā)展起來的一種改進方法。文中簡述了該方法的基本原理和特點，并建立大地電阻率模型，確定相關的校正系數，將所得的頻率的標定直接轉換為探測深度的刻度。詳細給出了建立模型的方法以及對比、解釋方法。通過陷落柱探測和煤層的識別等實例，說明了該方法的應用效果和應用前景。
關鍵詞：大地電磁頻譜測量，方法原理，陷落柱，煤層
1引言
大地電磁測深法是以天然交變電磁場為場源的一種地球物理方法。該方法野外施工簡便、成本低廉，此外還具有勘探深度大，不受高阻層屏蔽影響，對低阻層有較高的分辨能力等優(yōu)點。當交變電磁場在地中傳播時，由于趨膚深度效應的作用，不同周期的信號具有不同的穿透深度，在地面上觀測大地電磁場，它的頻率響應將反映地下巖層電性的分布情況[1]。
我們知道大地電磁測深法的探測深度與頻率，上覆地層的電阻率密切相關，其關系并不是一種簡單的線性關系。然而，通過研究和實際地質模型的實驗計算，可將地層的電阻率近視為與深度呈某種關系，例如，線性關系、指數關系等。這樣就在趨膚深度的關系式中可以將地層的電阻率消除掉，建立頻率和探測深度的直接關系式，即通過頻率的改變可以直接反映不同深度的地質情況[2] [3]。
大地電磁頻譜測量方法是在大地電磁測深法的基礎研究出一套特殊的觀測系統，突破了傳統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體系和深度刻度方法。利用現代電子技術和計算機技術，采集由地層反射到地面的電磁波信息，并進行處理分析和解釋，結合地質及其它地球物理資料用于地層的分層、礦藏識別、地層的含水性、含油氣性等評價。八十年代開始廣泛的應用于地熱勘探、油氣勘探、有色金屬礦床勘探等領域，取得了良好效果。九十年代中期也應用于煤系地層的追蹤和對比、探測煤礦區(qū)的陷落柱、確定灰?guī)r層中的含水性，為煤礦安全生產可靠的地質資料。
大地電磁頻譜探測方法具有幾個明顯的特點：
①直接給出每個深度點上的相對電阻率值，且深度誤差小，有鉆孔標定的地區(qū)，其誤差不大于5%;厚度分辨率1米；
②探測深度大，大于4000米;
③探測效率高，每個測量點工作時間小于1小時;
④儀器輕便（20kg左右），對施工場地要求簡單。
目前，國內外進行大地電磁法勘探，是針對不同的地質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，但總體來說技術和方法尚未過關，仍屬于世界性的難題，需要進一步深入研究和實踐[4]。
2方法原理和測量過程
大地電磁頻譜測量(簡稱MES探測)方法，屬于利用天然場源的電磁波探測方法。是對大地電磁測深（MT）的改進和發(fā)展。電磁頻譜的場源是太陽風或太陽黑子活動以及閃電、雷擊等。尤其是太陽幅射，發(fā)射出大量粒子流，當其到達圍繞地球的電離層時，轉換為電磁波。由于電離層遠離地球表面，在其繼續(xù)向地層內部傳播時，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。各種地層具有不同的物理性質（密度、速度、電阻率、導磁率等等）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、導磁率相關。電磁波在經過波阻抗界面時會產生反射，在地面接收并研究不同波阻抗界面反射的電磁波（水平電場分量Ex及與之正交的水平磁場分量Hy），可以得到地層電阻率隨深度變化的信息。其中由電場強度和磁場強度的幅度分量可以獲得地層電阻率的值，由電場強度和磁場強度的頻率分量可以獲得相關地層的深度信息，結合地質及其它物探資料可以對地層的巖性、物性進行研究。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。
圖1 常見巖石、礦物的電阻率值范圍
大地電磁頻譜測量法探測時布置特殊的觀測系統，其突破了傳統電磁波方法的深度刻度方法及解釋模式，該方法最關鍵的理論是建立了頻率與深度的某種直接關系，通過頻率信息可以直接轉換為深度信息。
野外測量時，首先在已知的鉆孔旁進行較為詳細的大地電磁頻譜測量，建立探測區(qū)地層相應的巖性與物性的關系，選擇適合本區(qū)的測量技術參數，建立探測區(qū)的相關校正系數。大地電磁頻譜測量儀器有四種測量步長可供選擇，分別為５米、２米、１米、０.5米。通常， 在建立測區(qū)校正系數和相應的電阻率與巖性和物性關系時采用０.5米的步長，以精確地確定視電阻率曲線與各主要層位的關系。如果在電測井資料較多的地區(qū)工作，掌握測井曲線與對應的巖性或重要的標志層的對應關系，對于電磁頻譜測量曲線的解釋是十分重要的。
3應用實例
3.1建立模型
由于三維地震勘探在柳林礦區(qū)的探測效果不太理想，層位對比不夠清楚，尤其是對陷落柱的探測更加模糊。為了較為準確地確定礦區(qū)內主要煤層的展布及陷落柱的分布等情況，進行了MES探測。為了達到探測目的，在進行三維地震勘探原測線上，布置三條大地電磁頻譜測線[5]。共設計測點40個。
為了了解大地電磁頻譜探測技術在柳林礦區(qū)煤系地層的地球物理響應，建立相應的巖性與物性的關系，選擇適合柳林礦區(qū)的測量技術參數，確定相關校正系數。柳林礦區(qū)主要可采煤層為山西組的2號煤層和太原組的8號煤層。首先在T32號鉆孔旁進行了試驗探測，使用太原華衛(wèi)儀器公司開發(fā)研制的電磁頻譜MES-1探測儀。通過試驗探測可認識到柳林礦區(qū)煤層在大地電磁頻譜探測的電阻率曲線上呈現相對高電阻率，其圍巖（砂泥巖等）表現為相對低電阻率，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，應結合地質、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曲線的對應關系，選擇適合本地區(qū)的測量技術參數，建立本區(qū)的相關校正系數，通過MES的測量和對其成果曲線的解釋，達到探測目的。
圖2 T32孔高阻煤層MES探測結果與鉆孔柱狀對比
3.2陷落柱探測
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，其探測結果與附近的已知點（570-1590）比較如圖3所示。從圖3中可看到，在陷落柱上方探測不到2號煤層，離開陷落柱可以重新探測到2號煤層。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，根據地震資料和地質資料，在可能存在陷落柱的區(qū)域作了MES探測。部分結果表明， MES視電阻率曲線存在著與已知陷落柱上探測到的特征類似。圖4給出了330-650點測得的MES電阻率曲線與其它鄰近點的比較結果。圖中可見，在330-650點探測不到煤層，其視電阻率與正常情況下的比較，幅值明顯較低，綜合對比地質和地震資料，由此判斷330-650點存在陷落柱。
圖3 己知陷落柱上的MES電阻率曲線特征
3.3煤層的識別
本次探測中，對37個點的2號、8號煤層進行了追蹤和對比。總的結果看，在陷落柱的上面有些點追蹤不到煤層，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
點，追蹤的煤層深度、厚度與已知數據相比，最大深度誤差5米左右、厚度誤差小于0.5米，精度較高。其它點的煤層深度和厚度追蹤結果與地震資料比較，大部分較為一致，但大地電磁頻譜測量確定的準確度較地震的高；有的地方有一定的差別，有時甚至差別較大，究竟是地震資料準確，還是MES資料準確有待布設新的鉆孔驗證。
圖4 330-650點MES探測曲線與己知井旁及鄰近測點的對比
4結束語
大地電磁頻譜測量（MES）是大地電磁測量方法的改進，其基本原理和理論與大地電磁測量基本一致，但大地電磁頻譜測量突破了大地電磁測量方法的部分概念，建立了頻率與深度的直接關系，將深度與頻率通過近視的大地電阻率模型直接聯系起來，將頻率直接換算到深度進行標定，使測量結果更直觀，劃分更加精細，精度更高。該方法的工作過程是通過部分已知點的MES測量結果，與測井和鉆孔資料對比后，建立工作區(qū)的電阻率模型和頻率深度間的相關校正系數。大量的測量和解釋結果表明，大地電磁頻譜探測技術可以廣泛地用于煤系地層的對比、探測煤礦區(qū)的陷落柱、確定灰?guī)r層中的含水性。尤其在有鉆井標定的情況下，進行鉆井間的加密探測，追蹤煤系地層或某種標志層的連續(xù)性，可以節(jié)約大量的鉆井費用。在地下熱水和礦產資源勘探中大地頻譜測量也取得了良好效果。此外，結合地質及其它地球物理資料，該方法在地層對比、礦藏識別、地層含水和含油氣性評價中也得到了一定的應用。大地電磁頻譜測量方法作為一種電法勘探，在實際應用中可劃分對比地層，解決煤礦生產中所遇到地構造問題，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，大地頻譜測量技術其應用范圍必將更加廣泛。
參考文獻
[1] 陳樂壽, 王光鍔編著. 大地電磁測深法. 地質出版社, 1990, 10.
[2] 石應駿, 劉國棟等. 大地電磁測深法教程. 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, 時間剖面上分析陷落柱充水性的探討[j]. 中國礦業(yè)大學學報, 2001, 5(2):503-505.
