基于小线圈瞬变电磁法的红沙泉矿区地下水资源探测

李海潮，徐 标，胡雄武

（1.国家能源集团新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001）

我国是世界上第一煤炭生产国及消费国，充足的煤炭储量保证了国内经济的发展需求。在过去的几十年里，煤炭资源的大规模开发已引发矿区大气、水、土壤环境的污染和生态环境的破坏。党的十九大报告中指出，坚持人与自然和谐共生，必须树立和践行“绿水青山就是金山银山”的理念[1]。要从根本上解决这个问题，必须重视矿山生态环境的恢复治理，提高矿区植被覆盖率。然而植物生长与地下水资源关系密切[2]，针对新疆红沙泉矿区特殊的水文地质条件，查明地下水资源的赋存特征变得尤为重要。一般而言，地球物理勘探中的电类探测方法是用于地下水资源探查的常用手段，其中包括直流电阻率法[3]、激发极化法[4]以及瞬变电磁法[5]等。考虑到红沙泉矿区属大陆性干旱荒漠气候，年蒸发量是年均降水量的十几倍，矿区内地表或为风积沙，或为岩层裸露，总体上地表介质含水率极低，这对直流电阻率法和激发极化法等接触式方法在该区应用时必然面临电极耦合性差、接地电阻大等实际问题，进一步造成数据采集质量低，测试效果差；瞬变电磁法（Time domain Electromagnetic Method，简称TEM）是一种非接触式探测方法，且具有不受地表高阻层屏蔽、对低电阻体响应敏感等优点，在地下水资源的探测应用中甚广[6-8]。但该方法在实际应用中常采用大定源装置进行勘探工作，该装置在地形起伏较大及工作环境恶劣的区域应用时工作强度大，且浅部存在较大的勘探盲区，一般适用于探测埋深较大的目标体[9]。与之不同，近年来逐渐推广的小尺度回线装置（即小线圈）对复杂地形的适用性更强，施工快速且便捷，勘探盲区小，适用于浅层地质勘探[10]。基于上述分析，结合红沙泉矿区地形地貌及水文地质条件，拟通过正演模拟，分析小线圈瞬变电磁法感应电动势以及视电阻率响应特征，从理论上确定该方法在红沙泉矿区应用的可行性；并进一步通过现场试验及钻孔验证，确定该方法的有效性以及可靠性，从而为矿区地下水资源探查提供技术支撑，保障矿区生态环境修复。

1 方法原理

瞬变电磁法工作原理图如图1。

图1 瞬变电磁法工作原理图Fig.1 Operating schematic of transient electromagnetic method

瞬变电磁法的本质是电磁感应，它是地质体在阶跃或近似阶跃的电流场激发下，内部产生涡旋电流场效应。通常利用不接地的回线向地下发射脉冲电磁场作为激发场源，在脉冲电磁场间歇期间，地质目标体在激励场（即“一次场”）的作用下，其内部会产生具有空间和时间双重特性的感生涡流场，其大小与地质目标体的空间特征和电性特征、激励场的特征等有关；由于热损耗，涡流场会逐渐减弱直至消失[11-12]。实际勘探中，不能直接测量这种涡流场的大小，但可利用仪器观测这种涡流产生的电磁场（即“二次场”）的强弱、空间分布特性和时间特性。二次场的本质特征是由地质体的物理性质决定，其时间特性中，早期信号反映浅部地层地质信息，晚期信号反映深部地层地质信息，时间的早晚与探测深度具有对应关系。由此可见，通过二次场观测可进行地下异常体的推测和判识。

2 瞬变电磁场响应特征

2.1 研究区地层与地电模型

研究区处于准噶尔盆地东部腹地，南为天山、北为克拉麦里山。区域地势总的呈向南缓倾的斜坡，但地势东、南高，北、西低，地貌形态为残丘状的剥蚀平原，海拔657～753 m，最大比高96 m，相对高差一般在30 m 左右。接近盆地边缘地带，径流非常微弱，基本属于垂直交替带。主要地貌类型为风积沙漠、剥蚀残余丘陵和剥蚀波状平原。研究区钻孔地质柱状及视电阻率测井曲线如图2。

依据图2 可知，所涉及的主要地层由老至新如下：①侏罗系西山窑组（J2x）：是本区内的主要含煤地层，包含B1、B2’、B2、B3 和B4 煤层，以及煤层之间的砂泥岩等层位，地层相对较高，尤其是在煤层段，其视电阻率值总体在150 Ω·m 以上，煤层之间砂泥岩互层段，电阻率值分布在50～100 Ω·m 之间，其中砂岩层位是区内的主要含水层之一；②侏罗系中上统石树沟群（J2-3sh）：是含煤地层的上覆岩层，主要为砂岩和泥岩互层，其电阻率值表现略低，平均约为40 Ω·m，是区内含水层之一；③新近系独山子组（N2d）：分布在研究区浅部，主要岩性为砂质黏土，其视电阻率在区内最低，约为20 Ω·m。

图2 研究区钻孔地质柱状与视电阻率测井曲线Fig.2 Borehole geological column and apparent resistivity log in the study area

由上述分析可知，研究区地层电性特征较为复杂，正常情况下从地表到B1 煤层底板，总体表现出“低（N2d）-略高（J2-3sh）-高（B4）-较高～高（B3）-较高～高（B2）-较高～高（B2’）-较高～高（B1）-较高”的相对地电模型特征，由于实际视电阻率测井曲线存在一定的波动，在模型构建时先对视电阻率数据通过回归分析进行拟合，使得曲线到数据点的差异达到最小。最终构建了研究区含煤地层及其上覆地层的理论地电模型，具体地电模型可参照图2 中绿色阶跃线。

2.2 瞬变电磁场响应特征

研究区石树沟群和西山窑组含水层赋水性是利用小线圈瞬变电磁法探测的重点，由于研究区内横向上含水层赋水性存在不均匀性，因此需要针对不同赋水条件下的地电模型进行正演模拟[13]，获得小线圈瞬变电磁场响应规律。结合研究区地质情况，构建4 种地电模型：模型A 为依据钻孔视电阻率测井曲线所构建的正常地电模型；模型B、模型C、模型D是在模型A 基础上建立的异常地电模型，与模型A相比，模型B 代表石树沟群含水层具有较强的含水性；模型C 代表西山窑组含水层具有较强含水性；模型D 则代表石树沟群以及西山窑组2 个含水层均具有较强的含水性。正演模拟地电模型参数见表1。

表1 正演模拟地电模型参数Table 1 Parameters of forward modeling geoelectric model

不同地电模型的感应电压及其异常幅度曲线如图3，不同地电模型的视电阻率及其异常幅度曲线如图4。

图3 不同地电模型的感应电压及其异常幅度曲线Fig.3 Induced voltage and its abnormal amplitude curves obtained by different geoelectric models

图4 不同地电模型的视电阻率及其异常幅度曲线Fig.4 Apparent resistivity and its abnormal amplitude curves obtained by different geoelectric models

图3 给出了4 种地电模型的瞬变电磁感应电压及其相对误差曲线，表征瞬变场在不同赋水状态条件下的响应特征。由图3 可知，不同地电模型条件下，小线圈瞬变电磁感应电压曲线自0.001 ms 后即进入晚期衰减阶段，不同模型之间的感应电压幅值及衰减趋势存在一定的差异，主要位于0.01～50 ms时间段。具体为：①异常模型B 所对应的感应电压曲线在0.01 ms 时刻开始与模型A 曲线分离，并在约0.95 ms 时刻达到最大异常，其幅度约为239.4%，随时间进一步延迟，异常幅度逐渐减小，最终趋向于0，说明含水层对瞬变电磁场的响应逐渐减弱，直至消失；②模型C 对应的感应电压幅值在0.75 ms 之前基本与模型A 一致，0.75 ms 后感应电压幅值变化明显，其中约在2.7 ms 时刻异常幅度最大，约为19.7%，随时间进一步延迟，异常幅值逐渐减小，约在22 ms 后，异常幅度衰减至5%以内；③异常模型D 与模型B 在0.95 ms 以前，感应电压异常幅度基本一致；而在0.95 ms 后，模型D 对应的感应压大于模型B 对应的感应电压，前者的异常幅度也较高于后者，且前者衰减过程慢于后者，反映地层在2 个含水层同时含水条件下，瞬变电磁场具有一定的分辨率。

图4 给出了各模型对应的全程视电阻率及其异常幅度曲线。相比感应电压曲线，视电阻率曲线对不同地层的响应更为直观，尤其是当石树沟群地层和西山窑组地层分别含水时（即模型B 和模型C），视电阻率均表现出较为明显的负异常，前者异常幅度绝对值最大可达55.7%，后者异常幅度绝对值最大约为11.3%；而当2 个地层均含水时（即模型D），视电阻率在2.7 ms 后相对模型B 有更大的视电阻率负异常特征。

综合以上模拟分析可知，在不同含水条件下，小线圈瞬变电磁场对研究区石树沟群和西山窑组地层含水性均具有较高的分辨率，且利用全程视电阻率曲线可较好的反映地层地电特征，从理论上说明了小线圈瞬变电磁方法应用于研究区地下水资源探测的可行性。

3 现场试验

现场选择在研究区红沙泉露天矿1 号矿坑南侧布置瞬变电磁法勘探测线A-A’，测线方位为北偏西24°，长度3 500 m。测线地表有一定起伏，涵盖风积沙漠和剥蚀残余丘陵2 种地貌，测线内地层涉及新近系独山子组、侏罗系中-上统石树沟群、侏罗系中统西山窑组和侏罗系三工河组等多个含隔水层位，局部表现新近系独山子组和侏罗系中-上统石树沟群地层缺失。现场试验时，布置测点间距20 m，设置瞬变电磁仪器发射频率为5 Hz，发射电流8 A，叠加次数为128 次。收发线圈采用边长为2 m 的方形共中心回线装置，收发线圈匝数均为20 匝。

对实测瞬变电磁数据预处理和全程视电阻率计算，获得的全程视电阻率拟断面图如图5。

从图5 可知，测线下方150 m 范围内地层视电阻率值总体分布在80～150 Ω·m，平均约为120 Ω·m，对比前后依据测井曲线获得的地层电阻率分布范围，实测视电阻率值总体较高，反映瞬变电磁勘探测线下方含水层（J2x 、J2-3sh）的含水性总体较弱，但在测线1 200～2 300 m 及2 600～2 800 m 范围存在相对低阻区，结合地层地质柱状水文地质条件，分析认为相对低阻区内岩层相对含水性增强，其余范围则相对含水性差。

图5 瞬变电磁视电阻率拟断面图Fig.5 Section of apparent resistivity of transient electromagnetic method

为验证瞬变电磁勘探结果，现场收集了钻孔ZK1和ZK2 的钻探结果，其中ZK1 钻孔位于测线1 680 m，处于相对低阻区；ZK2 位于测线2 930 m 位置，处于相对高阻区。ZK1 钻孔揭露地下J2x 和J2-3sh 含水层裂隙相对发育，孔内有少量出水；而ZK2 钻孔内部无水。钻孔验证结果表明，利用小线圈瞬变电磁法获得的视电阻率结果能较好的反映地层的相对含水性特征，进一步反映了在研究区采用该方法进行地下水资源探测是有效且可靠的。

4 结 语

地下水环境是生态环境保护与修复必须考虑的重要因素，探测地下水资源是掌握地下水环境的重点环节之一，也是实现地下水资源保护、利用和进一步实现煤炭开发与环境保护协调发展的关键内容之一。针对红沙泉露天矿区地下侏罗系中-上统石树沟群和侏罗系中统西山窑组含水层中地下水资源的赋存状态，利用已有钻孔柱状及视电阻率测井曲线对比分析，构建了4 种正常和异常地电模型；基于瞬变电磁一维正演，获得了正常与异常地电模型所对应的感应电压和全程视电阻率曲线，经不同模型条件下的响应数据对比分析，表明了不同含水层在含水条件下瞬变电磁场均具有较为明显的响应，且不同模型的感应电压与全程视电阻率具有不同的响应特征，且瞬变电磁场响应延时在0.01～50 ms 之间可有效捕捉目标含水层电性特征，从理论上确定利用瞬变电磁法探测研究区石树沟群和西山窑组地层含水性具有可行性。

现场瞬变电磁法探测试验结果表明，研究区地层视电阻率总体偏高，地层含水性总体较弱，局部地层含水性相对增强，钻孔探测验证了结果的准确性。

数值模拟与现场试验综合表明，利用小线圈瞬变电磁法探测地下水资源是有效且可靠的，可为生态环境保护与修复提供技术支撑。