大地电磁频谱测量法探测煤矿区陷落柱

王  军¹   杨双安²  邢向荣¹

1飞禽走兽老虎机：煤炭地质公司, 太原, 030045；2中国矿业大学（北京校区）研究生院，北京， 100083；

摘要:大地电磁频谱测量是在大地电磁测深基础上发展起来的一种改进方法。文中简述了该方法的基本原理和特点，并建立大地电阻率模型，确定相关的校正系数，将所得的频率的标定直接转换为探测深度的刻度。详细给出了建立模型的方法以及对比、解释方法。通过陷落柱探测和煤层的识别等实例，说明了该方法的应用效果和应用前景。

关键词：大地电磁频谱测量，方法原理，陷落柱，煤层

1引言

大地电磁测深法是以天然交变电磁场为场源的一种地球物理方法。该方法野外施工简便、成本低廉，此外还具有勘探深度大，不受高阻层屏蔽影响，对低阻层有较高的分辨能力等优点。当交变电磁场在地中传播时，由于趋肤深度效应的作用，不同周期的信号具有不同的穿透深度，在地面上观测大地电磁场，它的频率响应将反映地下岩层电性的分布情况^[1]。

我们知道大地电磁测深法的探测深度与频率，上覆地层的电阻率密切相关，其关系并不是一种简单的线性关系。然而，通过研究和实际地质模型的实验计算，可将地层的电阻率近视为与深度呈某种关系，例如，线性关系、指数关系等。这样就在趋肤深度的关系式中可以将地层的电阻率消除掉，建立频率和探测深度的直接关系式，即通过频率的改变可以直接反映不同深度的地质情况^{[2] [3]}。

大地电磁频谱测量方法是在大地电磁测深法的基础研究出一套特殊的观测系统，突破了传统电磁波方法的深度刻度方法及解释模式，建立了新的深度坐标体系和深度刻度方法。利用现代电子技术和计算机技术，采集由地层反射到地面的电磁波信息，并进行处理分析和解释，结合地质及其它地球物理资料用于地层的分层、矿藏识别、地层的含水性、含油气性等评价。八十年代开始广泛的应用于地热勘探、油气勘探、有色金属矿床勘探等领域，取得了良好效果。九十年代中期也应用于煤系地层的追踪和对比、探测煤矿区的陷落柱、确定灰岩层中的含水性，为煤矿安全生产可靠的地质资料。

大地电磁频谱探测方法具有几个明显的特点：

①直接给出每个深度点上的相对电阻率值，且深度误差小，有钻孔标定的地区，其误差不大于5%;厚度分辨率1米；

②探测深度大，大于4000米;

③探测效率高，每个测量点工作时间小于1小时;

④仪器轻便（20kg左右），对施工场地要求简单。

目前，国内外进行大地电磁法勘探，是针对不同的地质条件采取不同的野外资料采集方法和资料处理措施，取得一定的成就，但总体来说技术和方法尚未过关，仍属于世界性的难题，需要进一步深入研究和实践^[4]。

2方法原理和测量过程

大地电磁频谱测量(简称MES探测)方法，属于利用天然场源的电磁波探测方法。是对大地电磁测深（MT）的改进和发展。电磁频谱的场源是太阳風或太阳黑子活动以及闪电、雷击等。尤其是太阳幅射，发射出大量粒子流，当其到达围绕地球的电离层时，转换为电磁波。由于电离层远离地球表面，在其继续向地层内部传播时，可以近似地看作是地球表面垂直入射的平面波。沉积于地下的各种岩性的地层，通常将其视为水平层状介质。各种地层具有不同的物理性质（密度、速度、电阻率、导磁率等等）从而形成不同的波阻抗界面。电磁波的波阻抗与岩层的电阻率、导磁率相关。电磁波在经过波阻抗界面时会产生反射，在地面接收并研究不同波阻抗界面反射的电磁波（水平电场分量Ex及与之正交的水平磁场分量Hy），可以得到地层电阻率随深度变化的信息。其中由电场强度和磁场强度的幅度分量可以获得地层电阻率的值，由电场强度和磁场强度的频率分量可以获得相关地层的深度信息，结合地质及其它物探资料可以对地层的岩性、物性进行研究。在地壳岩石圈中，不同矿物岩石，具有很大的电阻率差异，如图1所示，这种物性差异是我们区分地下不同岩石、矿物及流体的物理基础。

图1 常见岩石、矿物的电阻率值范围

大地电磁频谱测量法探测时布置特殊的观测系统，其突破了传统电磁波方法的深度刻度方法及解释模式，该方法最关键的理论是建立了频率与深度的某种直接关系，通过频率信息可以直接转换为深度信息。

野外测量时，首先在已知的钻孔旁进行较为详细的大地电磁频谱测量，建立探测区地层相应的岩性与物性的关系，选择适合本区的测量技术参数，建立探测区的相关校正系数。大地电磁频谱测量仪器有四种测量步长可供选择，分别为５米、２米、１米、０.5米。通常， 在建立测区校正系数和相应的电阻率与岩性和物性关系时采用０.5米的步长，以精确地确定视电阻率曲线与各主要层位的关系。如果在电测井资料较多的地区工作，掌握测井曲线与对应的岩性或重要的标志层的对应关系，对于电磁频谱测量曲线的解释是十分重要的。

3应用实例

3.1建立模型

由于三维地震勘探在柳林矿区的探测效果不太理想，层位对比不够清楚，尤其是对陷落柱的探测更加模糊。为了较为准确地确定矿区内主要煤层的展布及陷落柱的分布等情况，进行了MES探测。为了达到探测目的，在进行三维地震勘探原测线上，布置三条大地电磁频谱测线^[5]。共设计测点40个。

为了了解大地电磁频谱探测技术在柳林矿区煤系地层的地球物理响应，建立相应的岩性与物性的关系，选择适合柳林矿区的测量技术参数，确定相关校正系数。柳林矿区主要可采煤层为山西组的2号煤层和太原组的8号煤层。首先在T32号钻孔旁进行了试验探测，使用太原华卫仪器公司开发研制的电磁频谱MES-1探测仪。通过试验探测可认识到柳林矿区煤层在大地电磁频谱探测的电阻率曲线上呈现相对高电阻率，其围岩（砂泥岩等）表现为相对低电阻率，二者具有明显的物性差异（见图2）。由于低含水砂岩、灰岩也有较高的电阻率，应结合地质、钻井和其他物探资料予以区分。

确立了煤层的MES曲线特征后，即可得到本区的岩性、物性与MES曲线的对应关系，选择适合本地区的测量技术参数，建立本区的相关校正系数，通过MES的测量和对其成果曲线的解释，达到探测目的。

图2  T32孔高阻煤层MES探测结果与钻孔柱状对比

3.2陷落柱探测

为了研究和掌握MES曲线在陷落柱上的特征，首先在已知陷落柱上作MES探测，其探测结果与附近的已知点（570-1590）比较如图3所示。从图3中可看到，在陷落柱上方探测不到2号煤层，离开陷落柱可以重新探测到2号煤层。而且，陷落柱的陷落区域MES视电阻率，较之正常区的值低很多。

有了已知陷落柱上的MES电阻率曲线特征后，根据地震资料和地质资料，在可能存在陷落柱的区域作了MES探测。部分结果表明， MES视电阻率曲线存在着与已知陷落柱上探测到的特征类似。图4给出了330-650点测得的MES电阻率曲线与其它邻近点的比较结果。图中可见，在330-650点探测不到煤层，其视电阻率与正常情况下的比较，幅值明显较低，综合对比地质和地震资料，由此判断330-650点存在陷落柱。

图3  己知陷落柱上的MES电阻率曲线特征

3.3煤层的识别

本次探测中，对37个点的2号、8号煤层进行了追踪和对比。总的结果看，在陷落柱的上面有些点追踪不到煤层，正常的煤系地层层位发生了较大的变化。在已知钻孔孔旁的测

点，追踪的煤层深度、厚度与已知数据相比，最大深度误差5米左右、厚度误差小于0.5米，精度较高。其它点的煤层深度和厚度追踪结果与地震资料比较，大部分较为一致，但大地电磁频谱测量确定的准确度较地震的高；有的地方有一定的差别，有时甚至差别较大，究竟是地震资料准确，还是MES资料准确有待布设新的钻孔验证。

图4  330-650点MES探测曲线与己知井旁及邻近测点的对比

4结束语

大地电磁频谱测量（MES）是大地电磁测量方法的改进，其基本原理和理论与大地电磁测量基本一致，但大地电磁频谱测量突破了大地电磁测量方法的部分概念，建立了频率与深度的直接关系，将深度与频率通过近视的大地电阻率模型直接联系起来，将频率直接换算到深度进行标定，使测量结果更直观，划分更加精细，精度更高。该方法的工作过程是通过部分已知点的MES测量结果，与测井和钻孔资料对比后，建立工作区的电阻率模型和频率深度间的相关校正系数。大量的测量和解释结果表明，大地电磁频谱探测技术可以广泛地用于煤系地层的对比、探测煤矿区的陷落柱、确定灰岩层中的含水性。尤其在有钻井标定的情况下，进行钻井间的加密探测，追踪煤系地层或某种标志层的连续性，可以节约大量的钻井费用。在地下热水和矿产资源勘探中大地频谱测量也取得了良好效果。此外，结合地质及其它地球物理资料，该方法在地层对比、矿藏识别、地层含水和含油气性评价中也得到了一定的应用。大地电磁频谱测量方法作为一种电法勘探，在实际应用中可划分对比地层，解决煤矿生产中所遇到地构造问题，这还处于研究阶段，受着各方面条件的限制。但随着仪器精度的不断提高，方法、理论的不断完善，大地频谱测量技术其应用范围必将更加广泛。

参考文献

[1]  陈乐寿, 王光锷编著. 大地电磁测深法. 地质出版社, 1990, 10.

[2]  石应骏, 刘国栋等. 大地电磁测深法教程. 地震出版社, 1985, 9.

[3]  陈乐寿, 刘仁, 王天生编著. 大地电磁测深资料处理与解释. 石油工业出版社, 1989,1.

[4] Benjianins, White, Werner E, Kohler, and Leonard Jsrnka. Random scattering in magnetotellurics. Geophysics, Vol.66,No.1,2001:188-204.

[5] 杨双安, 时间剖面上分析陷落柱充水性的探讨[j]. 中国矿业大学学报, 2001, 5(2):503-505.