高分辨反射系数法在瞬变电磁勘探中的应用效果

刘  江^1,2

（1、国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021；2陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710005）

摘要：本文在瞬变电磁法勘探中引入了高分辨反射系数法的概念，分析了反射系数法在瞬变电磁法勘探野外数据采集、资料处理与解释的适用性和工作方法。利用典型案例，从野外数据采集的参数选择、分析了高分辨反射系数处理方法在瞬变电磁法的孔旁曲线的特征、视电阻率等值线断面图和煤层视电阻率等值线平面图等资料的反映，从点、线、面三方面介绍了高分辨反射系数法在瞬变电磁勘探中的地质效果。该方法不仅提高瞬变电磁勘探的纵向分辨率外，还是一种快速、有效和实用的校正计算，其效果已被地质资料证实。

关键词：高分辨反射系数法、瞬变电磁勘探、应用效果

中图分类号：P631.3        文献标志码：A       文章编号：      

Application of high resolution reflection coefficient method in transient electromagnetic prospecting

Liu Jiang^1，2

(1.Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization in Ministry of Land and Resources,Xi’an 710021,China;2. Shaanxi Coal Geophysical Prospecting and Surveying Co., Ltd., ,Xi’an 710021,China)

Abstract: In this paper, the concept of high resolution reflection coefficient method is introduced into the exploration of transient electromagnetic method, and the applicability and working methods of reflection coefficient method in field data acquisition, data processing and interpretation of transient electromagnetic exploration are analyzed. Using typical cases, the characteristics of the high resolution reflection coefficient processing method in the transient electromagnetic method, the contour diagram of the apparent resistivity and the contour chart of the apparent resistivity of the coal seam are analyzed from the parameters of the field data acquisition, and the data are reflected from the point, line and The geological effect of high resolution reflection coefficient method in transient electromagnetic exploration is introduced in three aspects. This method not only improves the longitudinal resolution of transient electromagnetic exploration, but also is a fast, effective and practical correction calculation, the effect of which has been confirmed by geological data.

Key words: High resolution reflection coefficient method, transient electromagnetic exploration, application effect

1、研究概况

我国是煤矿水文地质条件最为复杂的地区之一，煤矿水害是仅次于瓦斯灾害的第二大煤矿灾害性事件。瞬变电磁法勘探对低阻矿体、地下水体和煤矿采空区反映灵敏，在煤矿水害勘探和金属矿勘探领域得到了广泛的应用。但由于复杂地质、物性等条件的限制和电法解释的多解性，使得瞬变电磁法勘探的精度和可靠性降低。常规瞬变电磁法的野外数据采集时，采样时间的间隔一般采用近似对数等间隔，这样随着时间的增大，采样时间的间隔也增大，对应在深度上面就是有限数据的间隔也增大，这就影响了随着深度的，瞬变电磁勘探的纵向分辨率降低；另外，地形影响是瞬变电磁法解释的一大难题，理论上可以通过角域校正、比值法等办法对较简单的地形起伏变化作校正，但在生产应用中，野外和室内计算工作十分繁杂，校正效果也不甚理想。因此，如何更好的消除地形变化等干扰因素对资料解释的影响，提高瞬变电磁勘探精度，成为一个重要的研究课题。

2、用反射系数法作数据处理

2.1原理

反射系数法 (简称K剖面法)是利用反射系数解释电测深曲线的一种方法。K剖面法能有效地提高对电性层的分辨能力，压制地下局部干扰和电性不均匀体的影响，减少旁侧影响。在分层定量解释时方法简单、参数多、图件直观。

高分辨率反射系数法是反射系数法的基础上发展起来的工作方法，在野外工作和资料解释方面有其创新点，高分辨率反射系数法在直流电测深法应用中取得了明显成效。现将该技术拓展应用到瞬变电磁法中，其原理如下：

反射系数法的理论基础是波动场与电场的相似性，自然界中的交变电磁场与波动场具有严格的一致性，它们都遵守了波动方程。无论是波动场或电磁场遇到波阻抗界面时都会产生反射与透射，其特性可以用反射系数等参数通过波动方程来表达。电法勘探中的一系列问题，可以用解波动场的一系列方法，利用反射系数等参数加以求解，这就是反射系数法的实质。

反射系数法已经在直流电测深法中得到应用，其原理和方法都已有论述。直流电场和交变电磁场具有相似的系数和公式，只是其中的参数不同而已。

反射系数K表示的是界面反射电流的能力。

直流电场中：           交变电磁场中

ρ₁和ρ₂分别代表第一层和电第二层介质的电阻率

z₁和z₂ 分别代表第一层和电第二层介质的阻抗率

反射系数法是以波动方程为基础的，直流电法所满足的拉普拉斯方程是波动方程的一个特例。因此，反射系数法完全可以应用到交流电法中去，并且可取得类似的效果。

应用瞬变电磁法工作，当探测较深的地层（约大于300m）时，其采样点较直流电测深法要密，故在观测精度较高时，也能达到高分辨率的效果。

高分辨率反射系数法能够消除一定的地形影响，其原理和工作实例在“高分辨率反射系数法勘探技术研究”科研项目中已有详细论述，将其应用到消除一定的地形影响瞬变电磁法数据处理时，同样要各种作比值法计算，故在消除一定的地形影响、提高对地层的分辨率方面也应有一定效果。

2.2方法

反射系数法处理数据具体方法如下：

2.2.1、在目的层加密采样。

2.2.2、抽取瞬变电磁测深测各时间道的归一化二次电位V（t n）。

用瞬变电磁法公式计算出归一化二次电位V（t n ）随高程H（即探测深度）衰减的曲线。

2.2.3、计算出高分辨率反射系数法的各种参数

以V（t n ）代替ρs（n），H n代替AB/2进行计算

计算拟视反射系数的导数Ks

Ks={[ V₂（n）- V₂（n-1）]/[ V₂（n）+ V₂（n-1）]}/{[H n-H（n-1）]/ [H n+H（n-1）]}

计算出视真电阻率K_D

K_D=[ Ks（n）- Ks（n-1）] /{2[H n-H（n-1）]/ [H n+H（n-1）]}

2.2.4、计算出ρz

当ρs（n）>ρs（n-1）时，Ks为正值，Ks无需校正，此时

         kj = ks

当ρs（n）<ρs（n-1）时，Ks为负值，此时应按公式对Ks进行校正，求出K校值。

kj = ks(1-ks)/〔1.05(1-ks)+ ks2〕

则

ρz（n）=〔ρs（n）+ρs（n-1）〕/2 ╳ 2-ks╳〔1+kj(n)〕/〔1-kj(n)〕

2.2.5、作各种参数曲线的图，进行资料解释。

3、野外数据采集

勘探区地表大部分被第三、第四系沉积物所覆盖。地层由老至新依次有：上三叠统瓦窑堡组（T3w）、下侏罗统富县组（J1f）、中侏罗统延安组（J2y），第三系上新统静乐组（N2j），第四系中更新统离石组（Q2l）。查明井田区域内老窑采空区的空间分布范围及富水情况。5^-2煤最大埋深为178m，因此可以确定本次勘探的最大深度约为180m。

数据采集采用美国ZONGE公司研发的GDP-32^II电法工作站，发射边框160m×160m、发射频率32Hz、发射电流12A、采样延时250μs、叠加次数256次。观测精度要求不大于7%。 

4、资料解释

    本次资料解释在常规资料处理的基础上，再进行高分辨反射系数法的精细处理，通过对处理资料所形成的图件进行分析，从点、线、面综合解释，得出最终地质成果。

4.1、孔旁曲线特征分析

通过对孔旁测深曲线与已知钻孔资料的对比分析可知，本区的瞬变电磁资料与已知资料基本对应，但存在一定的深度解释系数。经分析计算得出本点瞬变电磁法深度解释系数为0.75。

    图1  孔旁测深曲线图

该点北10m处的C1钻孔揭露：第四系中上更新统厚13.60m，新近系保德组厚2.90m，下覆地层侏罗系延安组，岩性主要为细粒砂岩、粉砂岩及煤层。3^-3号煤层埋深47.10m，厚度0.60m，5^-2上煤层埋深100.10m，厚度1.50m，5^-2号煤层埋深121.50m，厚度3.60m。

图1为该点视电阻率—视深度曲线图，下方为C1钻孔柱状示意图。从图中可以看出，曲线首支呈下降趋势，表层视电阻率值较下部视电阻率值要高（表层黄土受风化作用影响，土质松散，含水较少，新近系红土在电性上呈低阻反映），对应第四系黄土和新近系红土。出现极小值拐点后迅速上升，之后曲线趋于平稳，变化较小，分析为细粒砂岩、粉砂岩和煤层互层的延安组地层。依据上述瞬变电磁单点曲线分析结果，并结合C1钻孔资料（第四系中上更新统厚13.60m，新近系保德组厚2.90m）可知，瞬变电磁法曲线形态与实际地层情况基本吻合，但在解释深度上存在一定的误差，经分析计算得出本次瞬变电磁法深度解释系数为0.75。

4.2、视电阻率等值线断面图解释

4.2.1、D264线

图2为D264线（部分）多参数对比图，第一幅为视电阻率断面图，从图中可以看出，视电阻率等值线在一定程度上受到了地形起伏的影响，故利用反射系数法求取了每个测点相应深度的Ks值，将每个Ks值与其点号、高程一一对应，最终形成第二幅图，即Ks断面图，从图中可以看出，其明显减弱了地形起伏的影响，且异常反映更加清晰。第三幅图为多测道V/I剖面曲线图，将各个测点相同测道的V/I值组合起来进行横向、纵向对比分析，凸显微弱异常。视电阻率断面图和Ks断面图中黑色粗实线为5^-2上煤底板等高线。

从图中可以看出，在D264线400～680段视电阻率等值线向下弯曲，相对其两侧呈低阻异常，但400处弯曲幅度较小，异常不明显，是否为地形影响难以确定。Ks断面图中相同地段处Ks等值线出现较明显异常反映，可确定为地下地质体的反映。多测道剖面曲线图中该地段处二次场信号较大，衰减较慢，其在电性上为明显的低阻异常体反映，三者对应较好。根据已知钻孔资料可知，D1钻孔位于D264线48号点东18m，其在该测线投影位置见图中所示，钻孔揭露5^-2上煤为采空，且结合以往区内三维地震勘探成果可知，460～520段解释为5^-2上煤采空区，并且有向北延伸之趋势。

综上所述，根据瞬变电磁法资料并结合区内已知钻孔资料，将D264线400～680段推断为5^-2上煤采空积水区。

                图2  D264线解释参数综合对比图

4.3、5^-2上煤层视电阻率等值线平面图分析与解释

从5^-2上煤层视电阻率等值线平面图中可知，视电阻率值在20Ωm～68Ωm之间变化，总体上看视电阻率值变化不大。测区的东北部沿已掘进巷道走向存在大面积的低阻区域，推断为巷道内大量的铁器、机器等干扰引起的。但是在测区的南部由东部边界直至西部边界存在大面积的低阻区域，该区域相对周围呈明显的低阻异常，等值线变化较密集，而且区域内存在大量的小窑巷道，视电阻率数值小为22Ωm。根据5^-2上煤层视电阻率等值线数值的大小、形态的变化及断面异常特征，结合已知钻孔资料和收集的小窑巷道分布图推断分析认为，测区南部由东部边界直至西部边界存在的大面积低阻异常为5^-2上煤层采空积水区的电性反映。

5^-2上煤层顶板主要以泥岩和粉砂质泥岩为主，次为泥质粉砂岩和细砂岩。根据地质报告可知：延安组第一段主要含水层为主采5^-2上煤层顶板砂岩，一般厚10～21m，岩性为灰白色中细粒砂岩，基岩裂隙带较发育，地表出露泉点16个，流量0.014～0.203 L/S，含水微弱。5^-2上煤层位于地下水侵蚀基准面以下，其开采后形成的冒落带高度为6m，形成的导水裂隙带高度为33.27m，极易形成导水通道，上部含水层中的水通过导水裂隙带成为补给水源，局部地段导水裂隙带将直接沟通地表水体，使地表水成为直接充水水源。根据“5^-2上煤底板等高线及储量图”可知，勘探区内5^-2上煤无出露，不利于采空后形成的积水排泄。

综上所述，5^-2上煤开采后形成的采空区具有一定的补给通道及水源，排泄条件不利，故随着时间的积累，5^-2上煤采空区内存在一定量的积水。

    从图3可见，5^-2上煤层采空区边界主要依据视电阻率等值线变化密集带结合视电阻率值来划分的，边界线一般位于密集带的中点，如图中东南角的采空区的西部边界已由D1、D2、D3和ZKIV-1四个钻孔控制，说明依据视电阻率等值线变化密集带划分采空区边界线的原则是正确的。而在测区北部，有数个小于40Ωm的低阻区，但没有等值线变化密集带，经ZKA-2、ZKB-1、ZKC-3、ZKF-1等钻孔证实不存在5^-2上煤层采空区，故单纯依据低阻异常划分采空区方法往往是不合适的。

          图3  5^-2上煤层采空区边界部分成果图

5、结论

    在瞬变电磁法勘探工作中，运用高分辨发射系数法处理瞬变电磁勘探的资料，利用发射系数法参数进行资料处理和解释，不仅提高瞬变电磁勘探的纵向分辨率，还可以基本消除地形变化等干扰因素对解释的影响，地质效果显著，使得资料处理结果与实际地层更相符，一定程度上解决了水文地质的精细勘探问题，可为矿区的水害防治提供技术支持，为煤矿防治水提供了水文物探依据。

6、参考文献

[1]  Jiracek G R. Near-surface and topographic distortions in electromagnetic induction[J]. Surveys in Geophysics, 1990, 11(2-3): 163-203.

[2]  王绪本, 李永年, 高永才. 大地电磁测深二维地形影响及其校正方法研究[J]. 物探化探计算技术, 1999, 21(4).

[3]  Hördt A, Müller M. Understanding LOTEM data from mountainous terrain[J]. Geophysics, 2000, 65(4): 1113-1123.

[4]  Hördt A, Scholl C. The effect of local distortions on time-domain electromagnetic measurements[J]. Geophysics, 2004, 69(1): 87-96.

[5]  严良俊, 王正茂, 谢兴兵. 表层结构调查中的 TEM 地形校正[J]. 勘探地球物理进展, 2007, 30(5): 396-398.

[6]  Tang X G, Hu W B, Yan L J. Topographic effects on long offset transient electromagnetic response[J]. Applied Geophysics, 2011, 8(4): 277-284.

[7]  Philip E Wannamaker，John  A  Stodt,  Luis Rijo. Two-dimensional topographic responses in magnetotellurics modeled using finite elements . Geophysics, 1986,51(11):2131-2144.

[8]  闫述、陈明生、陆俊良. 频率测深的地形影响极其校正方法. 煤炭地质与勘探，1994,22:（4）45-48.

[9]  徐世浙. 二度地形对电阻率法的影响. 地球物理学报. 1966,15:（1）73-82.

[10] Wannamaker P E, Stodt J A, Rijo L. Two-dimensional topographic responses in magnetotellurics modeled using finite elements[J]. Geophysics, 1986, 51(11): 2131-2144.

[11] Leppin M. Electromagnetic modeling of 3-D sources over 2-D inhomogeneities in the time domain[J]. Geophysics, 1992, 57(8): 994-1003.

[12] Xu S, Zhou H. Modelling the 2D terrain effect on MT by the boundary-element method[J]. Geophysical prospecting, 1997, 45(6): 931-943.

[13] Lee K H, Morrison H F. A numerical solution for the electromagnetic scattering by a two-dimensional inhomogeneity. Geophysics, 1985,50:445-472

[14] 肖怀宇. 带地形的瞬变电磁法三维数值数值模拟[D]. 中国地质大学[北京], 2006

[15] 刘云. 起伏地形大地电磁、时间域瞬变电磁二维数值模拟机直接反演法[D]. 成都理工大学, 2012

[16] 雷 达．起伏地形下CSAMT二维正反演研究与应用．地球物理学报，2010,53(4):982-993.

[17] 徐世浙，李予国，刘斌. 大地电磁Hx型波二维地形改正的方法与效果. 地球物理学报，1997,40（6）842-846.

[18] Yi M J, Kim J H, Song Y, et al.Three_dimensional imaging of subsurface structures using resistivity data.Geophysical Prospecting, 2001,49(4):483~497

[19] 吴小平. 非平坦地形条件下电阻率三维反演. 地球物理学报. 2005,48(4):932~936.

[20] Oppliger G L.Three_dimensional terrain corrections for mise_a_la_masse and magnetometric resistivity surveys.Geophysics, 1984,49(10):1718~1729.

[21] Holcomble HT,Jiracek G R.Three_dimensional terrain correction in resistivity surveys.Geophysics,1984,49(4):439~452.

[22] Tsourlos P I,Szymanski J E.The effect of terrain topography on commonly used resistivity arrays. Geophysics. 1999, 64(5):1357~1363

[23] TongLT,Yang CH.Incorporation of topography into two_dimensional resistivity inversion.Geophysics,1990,55(3):354~361.

[24] Mitsuhata Y. 2-D electromagnetic modeling by finite-element method with a dipole source and topography[J]. Geophysics, 2000, 65(2): 465-475.

[25] Yuji Mitsuhata . 2-D electromagnetic modeling by finite-element method with a dipole-dipole source and topography. Geophysics , 1993,58(1):12-19

[26] 何继善. 广域电磁法和伪随机信号电法[M]. 北京: 高等教育出版社，2010.