瞬变电磁在山西探测陷落柱中的应用.doc

瞬变电磁法在山西探测陷落柱中的应用 刘君 陈强 摘要：在煤矿的开采过程中，查明断层、陷落柱等地质构造的意义重大，可以指导煤矿合理布局工作面，提高工作效率。通过瞬变电磁法，结合了直流电法和测氡等辅助手段，可以准确地确定陷落柱的位置、形态，并经过实际井下钻探验证，证明瞬变电磁法在探测陷落柱方面效果良好。 关键词：瞬变电磁，多测道V（t）剖面图，陷落柱。  时间域瞬变电磁法简称TEM法，是利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场，在一次脉冲场的间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的物探方法。由于瞬变电磁法具有分辨能力强，工作效率高，受地形影响小等特点，近几年来越来越受到人们的重视，被广泛用于油气田，地热，煤田以及地下水勘查等领域。在山西古交、晋城煤田的地质勘探中，发现瞬变电磁对陷落柱的探测效果良好，对陷落柱的定性和位置确定准确可靠。 1、理论基础 1.1、均匀半空间瞬变电磁场 在电导率和磁导率均匀的大地上，敷设输入阶跃电流的回线，当发送回线中电流突然断开时，在下半空间就要被激励起感应涡流场以维持在断开电流前存在的磁场，此瞬间的电流集中在回线附近的地表，并按指数规律衰减。随后，面电流开始扩散到下半空间中，在切断电流后的任一晚期时间里，感应涡流呈多个层壳的环带形，随着时间的延长，涡流场将向下及向外扩散。感应涡流场在地表引起的磁场为整个“环带”各个涡流层的总效应，这种效应可以用一个简单的电流环相等效，图1表示了发送电流切断以后三个时刻的地下等效电流环分布略图，它为一系列与发送线圈同形状并且向下及向外扩散的电流环，通常称之为“烟圈”。 1.2、陷落柱的电性特征 瞬变电磁法的主要物理基础是电磁感应原理，据此理论，地质体被激励所感应的二次涡流场强弱决定地质体所藕合的一次 脉冲磁场磁力线的多少。瞬变电磁仪接收的信号是二次涡流场的电动势（即二次电位），对二次电位进行归一化处理后，根据归一化二次电位值的变化，间接解决如陷落柱、断层等地质问题。 图1 半空间中的等效涡流场 陷落柱的类型可以分为开放型和封闭型两种，其成因是奥灰中的溶洞塌陷，导致上覆岩层垮落形成的，当塌陷波及到冲积层称为开放型陷落柱，塌陷没有波及到冲积层称为封闭型陷落柱。由于塌陷往往造成柱体内的煤层缺失，亦俗称为无炭柱，它与正常地层相比，变得疏松，密实度降低，表现在电性上为导电性下降，电阻率升高，其物理模型可以简化为均匀层状大地中存在直立脉状异常体的情况。 实际测量中，二次涡流场的衰减快慢与地质体的电阻率有关，电阻率高，二次涡流场衰减快，电阻率低，二次涡流场衰减慢，对于陷落柱而言，二次涡流场衰减较快，归一化二次电位相对较低，正常地层的二次涡流场衰减较慢，归一化二次电位相对较高，在陷落柱的两侧边界出现为“双峰”异常，其顶部出现接近于极小值的低值异常。 2、实例 探测区属于西山矿务局西曲矿采区，表层为新生界黄土覆盖，厚度在几米到几十米变化，下覆地层为二叠系、石炭系及奥陶系。本次瞬变电磁测量仪器选用兵WDC-2B型瞬变电磁仪，采用重叠回线“∞”字型装置，该装置具有轻便、高效、抗干扰能力强的特点，线框边长为10m，供电电流7A左右，点距10m。 图2为Ⅱ测线的多测道V（t）剖面图，从图中可以看出，在86～90#点出现“V”字型低值异常，且86#点和90#点处出现“峰”与“谷”相对应的异常特点，为陷落柱的位置。在早期测道，低值异常范围较小，到中、晚期测道，低值异常范围逐渐变大，异常形态反映了陷落柱的赋存形态，为上小下大的喇叭状。 图2 多测道V（t）剖面图 同时，在Ⅱ测线上进行了直流电测深工作，装置采用温纳装置，供电电极距AB/2最小为3m，最大为90m。根据所测数据绘制了等视电阻率断面图（图3）。从图3中可以看出，86～92#点等值线明显出现了一个高阻闭合圈，为陷落柱的反映，与瞬变电磁法所反映的陷落柱位置、形态一致。 根据瞬变电磁法确定陷落柱以后，该矿进行了井下钻探验证，结果表明对陷落柱的定性及位置确定可靠效果良好。 图3 等视电阻率断面图 3、结语 总之，瞬变电磁法因其具有受地形因素，体积效应影响小，抗干扰能力强的特点，能穿透高阻覆盖层，对低阻反映灵敏等独特优势，迅速发展成为一种高效，快捷的物探方法。虽然瞬变电磁的优点明显，但是单一的物探方法往往对地质异常体很难定性，必须辅助测氡、直流电法、磁法等物探方法，对地质异常体进行综合解释。随着研究工作的不断深入，瞬变电磁法将有十分广阔的前景。 参考文献：[1]牛之琏 时间域电磁法原理，中南工业大学出版社1992。 [2]蒋邦远 实用近区磁源瞬变电磁法勘探，地质出版社1998。 刘君（1969—）男，山西大同市人，1992年毕业于中国矿业大学，物探工程师，山西煤田水文地质229队，山西省太原市