直流电测深资料的纵向电导微分解释法

徐小连， 刘金涛

(1.湖北煤炭地质局，武汉 430070；2.武汉中地多维勘查技术有限公司，武汉 430200)

直流电测深资料的纵向电导微分解释法

徐小连1， 刘金涛2

(1.湖北煤炭地质局，武汉 430070；2.武汉中地多维勘查技术有限公司，武汉 430200)

直流电测深法是一种常规的物探方法，在煤炭资源勘探中得到了广泛应用。电测深资料地解释处理，目前虽已开展一维、二维和三维反演，但由于电磁场的复杂性，其定量解释结果有时难以达到满意的结果。这里在经验法的基础上，利用纵向电导微分法进行电测深资料的定量解释，达到了较好的应用效果，在电测深勘探中具有一定的应用价值。

直流电测深； 纵向电导； 微分； 资料解释

0 引言

直流电测深法是一种常规的物探方法，它是在同一测点上逐渐增加供电电极距，使勘探深度由小逐渐加深，于是可观测到测点处沿深度方向的视电阻率变化规律[1]。资料解释以定性解释为主，定量解释主要有理论量板法、图解法、经验公式法、K剖面法[2]，随着计算机技术地发展，先后研制了各种电测深曲线的数字处理软件，从而使电测深曲线的定量解释由“量板法”过渡到计算机数字解释[1]，实现了电测深资料的一维、二维和三维反演[3]。由于电测深体积效应影响及多解性地存在，在实际应用中，有时难以达到满意的结果。笔者在经验法的基础上[4-6]，利用纵向电导微分解释法，解释主要目的层及地质异常，经正演计算和勘探实例效果分析，解释结果达到了较好的效果。

1 纵向电导微分解释法原理

水平地面下有n层水平地层，各层电阻率分别为ρ1、ρ2、…、ρn；各层厚度分别为h1、h2、…、hn-1；各层底面到地表的距离分别为H1、H2、…、Hn-1、Hn→∞。当电流平行水平岩层流动时，所测得的电导值为纵向电导S，单位为1/Ω，纵向电导与层参数的关系为：

S=h/ρ

(1)

假设某一电测深点，供电电极距为AB/2,测量电极距为MN/2,共有N个观测极距，i=1、2、3、…、N。利用代替层的原理[7]，设AB/2(i)为第i个极距勘探体积内的最大勘探深度,各极距实测的ρs(i)为AB/2(i)极距勘探体积内的平均视电阻率值,则AB/2(i)极距勘探体积内S(i)为式(2)。

(2)

依此得到S(1)、S(2)、…、S(N),绘制AB/2(i)、S(i)曲线，根据S值曲线特征，利用折线法求得折线交点位置，折线交点垂线与对应的横坐标AB/2位置即为推断解释的界面深度位置，但其结果通常与实际情况会存在误差，通过由已知到未知的原则，据已知钻孔揭露情况，选择合适的改正系数进行标定，其标定系数为C，C的取值范围，不同的测区有所不同，据理论及结合经验分析，C值一般取0.7～0.75。

图1为2500-1200测点孔旁电测深曲线图，图2为该测点换算后的S曲线图。图2中折线交点E所对应的AB/2即为解释的2500-1200测点覆盖层与基岩分界面深度，经与钻孔资料对比，钻孔揭露深度为解释深度的0.7倍。

为了提高解释的自动化水平，尽量减少人工绘制折线的工作，经分析发现，图2中的直线AB上所有点的斜率相同，同样直线CD上的点也具有另一个相同的斜率值，因此，可以通过对AB直线和CD直线段求导(或微分)，即可得到它们各自的斜率值S′，则：

(3)

图1 2500-1200测点电测深曲线图Fig.1 Electrical sounding curve of point 2500-1200

图2 2500-1200测点S曲线图Fig.2 S curve of point 2500-1200

式(3)称为纵向电导的微分值，据此，S′值不同或有较大变化的地段，即为不同岩层的分界面，S′值相同或相近的地段即为同一岩性地层，S′值异常段即为地质异常的反映。在实际解释过程中，首先对单个电测深点的原始曲线进行多项式拟合滤波处理，再对拟合滤波处理后的曲线按实际需要进行样条加密，最后才进行S′值计算。整个过程，利用Matlab高级编程语言编程，形成一个完整的数据处理程序。

纵向电导微分解释法是否有效的验证是通过：①由正演模型进行验证；②通过实际勘探实例进行对比分析。

图3为二维层状正演模型，上层电阻率ρ1=40 Ω·m，h1=20m～50m;下层电阻率ρ2=200 Ω·m，图3中的BC为设计的正断层，断距为30 m。

图4为模型1的S′等值线图，经试验，绘制等值线图时，以S′值的标准方差值作为等值线的间隔进行绘制。图4中的AB、CD为界面反映，BC为断层反映，解释的界面深度：HCD=27 m,HAB=67 m。对S′等值线图解释的结果与模型参数进行修正处理,CD界面的修正系数C1=20/27=0.741,AB界面的修正系数C2=50/67=0.746,综合得到C=(C1+C2)÷2=0.744。因此，将由S′等值线图解释的结果乘以0.744即为最后解释的各岩性界面深度。

图3 正演模型1Fig.3 Forward model 1

图4 模型1正演解释结果Fig.4 Forward interpretation results of model 1

图5 正演模型2Fig.5 Forward model 2

图6 模型2正演解释结果Fig.6 Forward interpretation results of model 2

图5为二维层状地电结构模型，其中嵌入一个低阻柱状体。模型的地电参数如下：ρ1=20 Ω·m，h1=40 m；ρ2=200 Ω·m，h2=60 m；ρ4=40 Ω·m。其中ρ3=2 Ω·m的柱状地质体为设计的高导电柱状体，柱状体高为60 m、宽为60 m。

图6为模型2的S′等值线图，以S′值的标准方差值作为等值线的间隔绘制等值线。图6中的AB、CD为界面反映，AB为第一层与第二层的分界面，CD为第二层与第三层的分界面，其中解释的低阻异常为设计的高导电体反映，解释的界面深度乘以相应的修正系数后即可得到界面的真实深度。

由上述正演模型解释结果，说明纵向电导微分解释法，能够较好地对地层结构、断层(构造)、地质异常体(高导电体)等作出较精细化的解释。

2 勘探实例

测区内新生界松散岩层直接覆盖于二叠系上组煤层之上，松散岩类孔隙含水层对上组煤层的开采具有较大的水害威胁。因此，通过电测深探测，查明开采煤层上覆新生界松散岩类孔隙含水层的相对富水性及划分基岩与新生界松散层界面。

2.1 勘探区地质概况

发育较大的褶曲有：①神安背斜：位于神安村东及东北，轴向北西～北东，两翼倾角5°～9°，轴长2 500 m，由高-12、1-9钻孔控制；②高阳向斜：基本控制井田东部构造形态，为高-11、22-9两孔所控制，轴向由北东经高阳镇后转向正南，南北延伸3 300 m；③临水背斜：穿过临水村，轴向北东～北西，两翼倾角8°，轴长2 800 m，由高-4、高-10、101、1-11钻孔控制；④西辛壁向斜：位于西辛壁南，轴向北东，两翼倾角5°～9°，轴长1 170 m，由高-1、高-3钻孔控制。

发育较大的断层有：①F14：位于高-13东50 m，逆断层，走向NE ，倾向NE ，H=5 m∠300；②F4：位于西辛壁村，逆断层，走向NE，倾向NW，H=18 m∠350；F3：位于韩家滩，逆断层，走向N～NE ，倾向W～NW ，H=80 m～150 m∠300。

井田内陷落柱比较发育，柱体内一般无水，陷落柱导水性差。

勘探区水文地质条件，通过现有资料分析，第四系冲积层孔隙含水层主要分布于汾河等河谷中，富水性较强；石炭二叠系的砂岩及薄层灰岩含水层，富水性较弱，补给来源少；奥陶系石灰岩只在东部沟谷处有出露，富水性强，但分布不均匀。

2.2 勘探区地球物理特征

由实测视电阻率曲线分析，新近系地层视电阻率变化较大，其视电阻率在20 Ω·m～150 Ω·m，砂砾石段电阻率较高，而基岩界面附近视电阻率在35 Ω·m左右。石炭二叠系煤系地层段视电阻率在40 Ω·m～80 Ω·m左右。奥陶系地层为测区内最高电性层，视电阻率大于80 Ω·m，甚至可达数百欧姆。由此可见,区内地层之间存在明显的电性差异，具备地球物理勘探的前提条件。

新生界地层与基岩分界面是区内较明显的电性标志层之一，基岩分界面以上的高阻地层段，也即电测深曲线的K型段(或有细分层)，为新生界地层砂岩或砂砾石层含水地层。

2.3 野外工作

电测深法采用垂向对称四极装置,最大供电电极距AB/2为1 000 m，最小AB/2为10 m，测量电极距MN/2为AB/2的十分之一活动电极系列。

图7 物探工作布置图Fig.7 Geophysical layout

测网布置为150 m×80 m，即线距为150 m,点距为80 m，在地表不能按规则网度施工地段(如居民区)，测点据现场实地情况作适当的移动。

电法观测仪器采用法国产SYSACL-R2E型直流电法数字仪。

2.4 资料处理解释

电测深法的主要地质任务是查明,开采煤层上覆新生界松散岩类孔隙含水层的相对富水性及划分基岩与新生界松散层界面，因此，主要电性标志层是解释基岩与新生界松散层的界面位置。

纵向电导微分法数据处理及解释流程：

1)原始资料整理。主要是针对个别畸变数据点采用三点平均法进行圆滑处理。

2)S值计算。若单个电测深点有n个数据点，对应参数：AB/2(1)、AB/2(2)、…、AB/2(n)；ρs(1)、ρs(2)，…、ρs(n)；利用公式计算S(i)=AB/2(i)/ρs(i),得到n个S值。通常情况下，在计算过程中，可以对所测数据利用线性插值法进行加密处理，再计算相应S值。

3)S′值计算(纵向电导微分值，无量纲)。根据步骤2)计算的n个S值，利用式(3)在模数6.25的双对数坐标系中，计算得到n-1个S′值(纵向电导微分值，无量纲)。

4)剖面图绘制。利用步骤3)计算得到的n-1个AB/2(1)、AB/2(2)、…、AB/2(n-1)；S′(1)、S′(2)、…、S′(n-1)绘制剖面图，横坐标为AB/2(单位为m),纵坐标为S′值。

5)解释推断。根据正演模型计算及孔旁测深与已知钻孔地质资料对比分析发现，S′值大小与ρs数值之间存在线性关系，即高阻层S′值大，低阻层S′值小，同一地质层S′值基本相同，不同地质层S′值不同，S′值发生变化或存在异常变化处，推断为不同地层分界、构造发育部位或为地质异常。图8～图11中S′值等值线发生错断处推断为断层反映，图中出现的低值封闭圈或低阻异常条带，推断为富水区或为充水的老窑采空区，煤系地层中孤立的S′值高值封闭圈推断为不充水的采空区。S′值较视电阻率成图解释的优势是：地质情况相同或相近的表现为更接近，地质情况不同的表现为差异更大，能够突出异常，有助于对地质情况进行更精细地刻画，充分表征电阻率断面变化的趋势与突变。

资料解释遵循由已知到未知的原则，首先由区内已知的1-7、高-8、高-12、高-3、1-9、高-11、3-10、1-11等8个钻孔资料，利用孔旁测深曲线求取基岩与新生界松散层的界面深度，分别结合各钻孔揭露情况，选择合适的标正系数进行标定。经统计分析，测区内物探解释的基岩与新生界松散层的界面深度与钻孔揭露深度之间的平均标定系数为0.7。

主要目的层位置确定后，再进行其他相应层位及异常分析解释，做到由点到线，由线到面的解释规律。

2.5 工程成果

利用纵向电导微分解释法对测区内电测深资料进行处理解释，分析其剖面和平面特征。

图8中部的低值封闭圈为采空区反映，正位于地表小煤窑的风井和主井附近，采空区富水。

图9中高阳向斜、临水北斜反映清楚，中段的高值封闭圈为陷落柱反映，陷落柱不含水。

图10中的低值部分为新生界松散层含义地层的分布范围，F14、F4断层、神安背斜、西辛壁向斜反映清晰，东侧为高3钻孔。

图8 L400测线S′值剖面图Fig.8 S′value sectional view of line 400

图9 L1000测线S′值剖面图Fig.9 S′value sectional view of line 1000

图10 L2050测线S′值剖面图Fig.10 S′value sectional view of line 2050

图11 L2950测线S′值剖面图Fig.11 S′value sectional view of line 2950

图11中段为1-7钻孔，剖面图对各地质层位反映较好，各地质层位较稳定。

图12为新生界松散岩孔隙含水层分布范围及富水区分布图。富水区域主要分布在测区北部、东北部及测区南部，划分为五个富水区条带：①富水区位于测区的北部，条带近东西向；②富水区位于测区的神安背斜与F14断层的交汇处，富水区条带近东西向分布；③富水区位于测区东南角西辛壁向斜附近；④富水区位于测区西南角高阳向斜轴的拐弯处；⑤富水区位于测区的东南角高阳河床、临水背斜、F3断层三者交汇处，测区中部富水性相对不强。

从以上分析可知，纵向电导微分解释法，能较好地分辨主要目的层，对褶皱、断层、采空区、陷落柱、含水层等反映清晰。

3 结论

直流电测深资料解释，尽管解释方法众多，由于体积效应及多解性的存在，往往都在一定条件下，具有一定的局限性，也是困扰地球物理工作者的难题之一。我们利用纵向电导微分解释法，通过正演模型参数的验算及实际勘探实例的解释分析，基本能较好地分辨主要目的层，对褶皱、断层、采空区、陷落柱、含水层、岩溶等地质异常反映清晰。因此，纵向电导微分解释法在电测深资料的定量解释中，具有一定的应用价值，在煤炭资源勘探中具有一定的借鉴意义。

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图12 新近系松散岩孔隙含水层分布范围及富水区分布图Fig.12 Aquifer distribution and water-rich area map of neogene

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Vertical conductance differential interpretation method of electrical sounding data

XU Xiaolian1, LIU Jintao2

(1.Hubei Coal Geological Bureau，Wuhan 430070， China;2.Wuhan CUG Exploration Technology Co., Ltd.,Wuhan 430200， China)

Electrical sounding method which is a conventional geophysical methods in the exploration of coal resources has been widely used. The quantitative interpretation results of electrical sounding data interpretation process are sometimes difficult to achieve satisfactory results although it has now launched one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional inversion, but due to the complexity of the electromagnetic field. In this paper, the empirical method, based on the vertical conducdance differential interpretation method of electrical sounding for quantitative interpretation of the data, has certain application value to achieve a better application results in the electrical sounding exploration.

electrical sounding; vertical conductance; differential; data interprtation

2016-08-07 改回日期：2016-11-21

徐小连(1964-)，男，硕士，高工，主要从事地球物理研究工作，E-mail：uxx123456@sina.com。

刘金涛(1966-)，男，博士，教高，主要从事地球物理勘探与研究，E-mail：liujintao65@126.com。

1001-1749(2017)04-0439-07

P 631.2

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.04.03