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【摘 要】大定源瞬变电磁法是基于煤矿中的断层和岩溶陷落柱与围岩存在电阻率差异，具有较高的信噪比，划分异常详细。通过洋坑矿区水文地质勘探显示，大定源瞬变电磁法能有效地解决深部灰岩陷落柱及断层破碎带、查明不同采区内地质构造的富水性和导水性、查明勘探区煤系地层和构造及灰岩的富水区及水力联系等地质问题，具有应用前景广泛。
【關键词】瞬变电磁法；视电阻率；断层破碎带导水性；信噪比；洋坑矿区
洋坑矿区位于福建省龙岩新罗区东南部的适中镇后祠村，矿区面积12km2，二十世纪八十年代，进行过区域地质调查，初步确立了该区的童子岩组含煤地层；2006年7～8月进行了野外踏勘工作，初步圈定了童子岩组含煤地层范围；2009年6月提交煤矿普查地质报告。已完成7个钻孔3136.97m，槽探1500m3，1：1万地质填图12km2，确定主要可采煤层为5、37、39、41等四层煤层，预计（333+334）煤炭资源量为近千万t。由于该矿区范围内有陵坑水库（容水量为38m3）和洋坑水库（容水量为438m3），矿区大部分煤层赋存在该块段，采用大定源瞬变电磁法对该区的水文地质进行专项调查，具有重要意义。
1.矿区总体构造特征
本区总体以滑覆构造为主导，其中以隐伏断裂F0为主断裂，次一级滑覆断裂F02、F03、F04为近南北走向且表现为近视平行，地层表现为向北西倾斜的单斜构造，伴生次一级宽缓的小褶皱。本区未见规模较大的岩浆岩体，矿区北部发育一条近东西走向、向北倾的正断层F5，东部发育一条近南北走向、向东倾的正断层F1。主要构造见矿区构造纲要图（图1）。
1.1 滑覆断裂F0、F02、F03、F04
①F0滑覆断裂，在本区表现为隐伏断裂，与区域上F0为同一条断裂。上覆地层为童子岩组第一段下亚段（P1t1-1）及文笔山组上部分地层（P1w），下伏地层为栖霞组（P1q）灰岩及石炭系～泥盆系（C～D），矿区内有5个钻孔控制。F0断裂使童子岩煤系地层埋藏变浅。
②F02滑覆断裂，地表出露2km，对该区煤系地层赋存起着相当的破坏作用，上覆地层为童子岩组第三段上亚段（P1t3-3），下伏地层为童子岩组第一段下亚段（P1t1-1）及文笔山组（P1w）。F02断裂对童子岩组破坏严重。使三段上亚段（P1t3-3）直接和一段下亚段（P1t1-1）接触，缺失三段下亚段主要含煤段。
③F03滑覆断裂，地表出露3km，上覆地层翠屏山组中下部地层（P2cp2），下伏地层童子岩组第三段上亚段至中亚段（P1t3-3）。F03断裂使童子岩组三段地层破坏严重。
④F04滑覆断裂，地表出露7km，上覆地层溪口组（T1x）地层，下伏地层翠屏山组中部地层（P2cp）及童子岩组第一段至第三段地层（P1t1～P1t3）。F04断裂对童子岩组破坏严重。各滑覆断裂空间形态见3、7线剖面图。
1.2 正断层F1、F5
①F1断层：该断层位于本区东部，总体走向南北，倾向东，倾角45°左右，地表出露达5km，其上盘为侏罗系上统南园组（J3n），下盘为侏罗系下统梨山组（J1l）、三叠系下统溪口组（T1x）地层，落差>200m，F1断层交于F5断层上。
②F5断层：该断层位于本区北部，走向近东西，倾向北东，倾角40°～60°之间，出露地表达3km，其上、下盘皆为T1x、P2cp、J3n地层，地层断距大于500m，F5断层切断F04、F01断层。
2.洋坑矿区地面物理场特征
大定源瞬变电磁法在煤矿水文勘探中取得的效果很明显，能有效的反映深部地层的信息，具有高信噪比，划分异常比较详细，勘探深度大，在勘探地下陷落柱及断层破碎带的应用中，瞬变电磁法处理解释的视电阻率拟断面图中，根据地表地形地质资料，再结合钻探的资料，在查明的陷落柱及断层破碎带位置基本上复合。目前瞬变电磁法在地质勘探中对地质异常进行较准确的定位，对于地质异常体的判断需要结合地质填图及钻探资料进行综合解释。对深度信息反演准确度不高，视深度和真实深度存在一定的误差，异常体的定性解释是瞬变电磁法的需要解决的首要问题。拟采用瞬变电磁法对洋坑煤矿进行水文地质勘探，瞬变电磁法的基本方法及原理如下：
2.1 瞬变电磁法主要内容
瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM）属于时间域电磁法，利用阶跃波或其他脉冲电流场源激励大地产生过渡过程场，断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场，测量这种由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减特性，从而达到解决地质问题的目的。大定源瞬变电磁法是瞬变电磁法的一种方法，主要优点是划分异常比较详细、具有较高的信噪比、勘探深度比较大，适合于深部勘探，比如探测深部地下水、圈定矿产资源。在煤田勘探领域，该方法可以有效弥补煤田钻探的不足。大定源瞬变电磁法发射回线边长从400～1000m不等，通常是正方形或矩形，但是受地形影响较大，因此敷设线框不太严格。回线一旦铺好以后，可采用多台仪器同时接收，工作效率高，成本低。因而，该方法被广泛应用于煤田勘查、水文和工程勘探等领域。
2.2 瞬变电磁法基本原理
磁场的涡旋场在大地中主要以扩散形式传播，在这一过程中电磁能量直接在导电介质中传播而消耗。由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。随着时间的延长，涡流场将向下及向外扩散，并逐渐变形为圆电流环，发射电流关闭后三个不同时刻地下等效电流环的分布示意见图1。从图中可以看到，等效电流环很像从发射回圈中“吹”出来的一系列“烟圈”[1]，因此，将地下蜗旋电流向下向外扩散的过程形象的称为“烟圈效应”。其传播深度和速度为：；，其中，d为深度（m），v为速度（m/s），t 为传播时间（s）；σ为介质电导率；μ0为真空中的磁导率。晚期场视电阻率[2]为： ； 其中S为发射回线的面积（m2），N为匝数（个），I为供电电流强度（安培），V为电压（伏特），当接受线圈面积为s（m2），匝数为n（个），t为采样时间（s）。
3.瞬变电磁法在洋坑煤矿区水文地质勘探中的应用
福建省121地质大队物探院在洋坑煤矿为查明不同采区内地质构造的富、导水性，查明该勘探区煤系地层、构造及灰岩的富水区及水力联系，决定开展地面瞬变电磁勘探工程。本矿区属中低山、丘陵地形，沟谷纵横，山峦连绵起伏，地形切割强烈，主要山脉分布在矿区的东部，山脉总体呈近南北走向。矿区东部高，西南部低，最高点位于矿区南部标高+1193.30m，最低侵蚀基准面位于矿区西侧的沟谷中，标高+678m，相对高差515.30m，地形切割强烈，沟谷边坡度较陡，常见悬崖峭壁。沟谷坡降大，地形坡度多在20°～50°之间，局部可达60°～70°。本次开展地面瞬变电磁勘探法，其测线布置与地质勘探线的布置一致，以便于对比分析。本次拟选择3与7线进行实验。
（1）瞬变电磁勘探法在第7线上实测情况。从图3来看，测线7线上0～80m、150～250m及离地面60～750m区域，存在明顯的低阻异常体，可以认为是含水陷落柱或F03断层破碎带；根据测线7表明3煤层底板离地面大约340m。而480～580m和650～750m是高阻区域。这一结果与钻探资料结果相符合。
（2）瞬变电磁勘探法在第3线上实测情况（如图4）。在3测线300～350m有一相对低阻区域，可有一条断层F02。而该测线3煤层底板离地面大约380～430m；从图3来看，随着深度的增加，视电阻率逐步增加，与地质情况相符合；这一推论，与钻探施工结果一致。
（3）由于测线较长，接地电阻也较大，所以我们移动两次AB电极，分二段完成测线测量工作。测量数据经软件处理，生成3线及7测线视电阻率剖面图（图5）。从剖面图上我们可以看到二条测线上的电阻率异常反映，集中在30～60测点和90～100测点两处，相应的视电阻率也呈较低阻反映，这与图3、图4结论相吻合，但比图3、图4更直观。
（4）从钻探施工结果表明：F04、F03、F02、F0、断层，倾向北西，发育在翠屏山组（P2cp）与童子岩组第三段上亚段（P1t3-3）之间、文笔山组（P1w）与栖霞组（P1q）之间。从如下钻孔揭露探表明，与上述的瞬变电磁勘探法结果相一致。
①据ZK303、ZK703钻孔揭露，F0断裂：为隐伏滑脱断层，地表未出露，上盘地层为童子岩组第一段下亚段（P1t1）及文笔山组（P1w）上部地层；下盘地层为栖霞组（P1q）地层和下石炭统林地组（C1l）。勘探有5个钻孔揭露F0断裂，仅ZK303钻孔在F0断裂上盘文笔山组地层的破碎带中（孔深435.91436.41m）泥浆消耗量较大为0.90m3/h，其它钻孔均未见漏水现象，F0断裂造成部分文笔山组地层及童子岩组一段地层的缺失，但并未造成童子岩组煤系地层与栖霞组灰岩直接对口。因此，F0断裂为局部充导水较强（钻孔揭露F0断裂深度统计如表2）。这一点与上述瞬变电磁勘探法结果相一致。
②F02断裂：勘探有6个钻孔揭露，消耗量为0.06～0.30m3/h，均未出现泥浆严重漏失现象。F02破碎带本次调查未见出水点，初步判定F02断裂为导水性弱（钻孔揭露F02断裂深度统计表如表3）。这一点与上述瞬变电磁勘探法结果相一致。
③F03断裂：矿区有4个钻孔揭露，消耗量为0.06～0.20m3/h，均未见泥浆严重漏失现象，因此初步判断F03断裂为导水性弱。F03破碎带本次调查未见出水点（钻孔揭露F03断裂深度统计表如表4）。这一点与上述瞬变电磁勘探法结果相一致。
④F04断裂：矿区有2个钻孔揭露。未出现童子岩组含煤地层与溪口组中下部的灰岩直接对口。ZK707、ZK507钻孔揭露F04断裂破碎带时出现泥浆消耗量0.60～1.0m3/h。本次调查发现ZK707钻孔由于封孔质量差，孔口出现涌水现象，涌水量0.5l/s，因此，初步推断F04断裂为充导水性中等（钻孔揭露F04断裂深度统计表如表5）。这一点与上述瞬变电磁勘探法结果相一致。
4.结论
通过本次大定源瞬变电磁法勘探与钻探对比，获得结论是：
①直接充水含水岩层童子岩组富水性弱，溪口组富水性中等，为不均匀岩溶～裂隙含水岩组；栖霞组富水性中等～强，为不均匀裂隙～岩溶含水岩组；F04断裂构造充导水性中等；F0断裂充导水性局部较强；灰岩与煤系地层未直接对口，矿区内F02、F03断裂构造不发育，断层充导水性弱。
②洋坑水库底部对5线东块段（Ⅱ-334）5煤开采有影响。洋坑水库底部与一段可采煤层37、39、41煤层相距达150m以上，对煤层开采无影响。
③陵坑水库与可采煤层5、37、39、41煤层相距达150m以上，对煤层开采无影响。中部（S8）与一段可采煤层37、39、41煤层开采有影响。
④下阶段工作重点对F04、F0断裂的充导水性进一步查明，建议在1线ZK103孔以东布设1～2个钻孔，以便进一步为确定矿区水文地质条件提供可靠的依据。
【關键词】瞬变电磁法；视电阻率；断层破碎带导水性；信噪比；洋坑矿区
洋坑矿区位于福建省龙岩新罗区东南部的适中镇后祠村，矿区面积12km2，二十世纪八十年代，进行过区域地质调查，初步确立了该区的童子岩组含煤地层；2006年7～8月进行了野外踏勘工作，初步圈定了童子岩组含煤地层范围；2009年6月提交煤矿普查地质报告。已完成7个钻孔3136.97m，槽探1500m3，1：1万地质填图12km2，确定主要可采煤层为5、37、39、41等四层煤层，预计（333+334）煤炭资源量为近千万t。由于该矿区范围内有陵坑水库（容水量为38m3）和洋坑水库（容水量为438m3），矿区大部分煤层赋存在该块段，采用大定源瞬变电磁法对该区的水文地质进行专项调查，具有重要意义。
1.矿区总体构造特征
本区总体以滑覆构造为主导，其中以隐伏断裂F0为主断裂，次一级滑覆断裂F02、F03、F04为近南北走向且表现为近视平行，地层表现为向北西倾斜的单斜构造，伴生次一级宽缓的小褶皱。本区未见规模较大的岩浆岩体，矿区北部发育一条近东西走向、向北倾的正断层F5，东部发育一条近南北走向、向东倾的正断层F1。主要构造见矿区构造纲要图（图1）。
1.1 滑覆断裂F0、F02、F03、F04
①F0滑覆断裂，在本区表现为隐伏断裂，与区域上F0为同一条断裂。上覆地层为童子岩组第一段下亚段（P1t1-1）及文笔山组上部分地层（P1w），下伏地层为栖霞组（P1q）灰岩及石炭系～泥盆系（C～D），矿区内有5个钻孔控制。F0断裂使童子岩煤系地层埋藏变浅。
②F02滑覆断裂，地表出露2km，对该区煤系地层赋存起着相当的破坏作用，上覆地层为童子岩组第三段上亚段（P1t3-3），下伏地层为童子岩组第一段下亚段（P1t1-1）及文笔山组（P1w）。F02断裂对童子岩组破坏严重。使三段上亚段（P1t3-3）直接和一段下亚段（P1t1-1）接触，缺失三段下亚段主要含煤段。
③F03滑覆断裂，地表出露3km，上覆地层翠屏山组中下部地层（P2cp2），下伏地层童子岩组第三段上亚段至中亚段（P1t3-3）。F03断裂使童子岩组三段地层破坏严重。
④F04滑覆断裂，地表出露7km，上覆地层溪口组（T1x）地层，下伏地层翠屏山组中部地层（P2cp）及童子岩组第一段至第三段地层（P1t1～P1t3）。F04断裂对童子岩组破坏严重。各滑覆断裂空间形态见3、7线剖面图。
1.2 正断层F1、F5
①F1断层：该断层位于本区东部，总体走向南北，倾向东，倾角45°左右，地表出露达5km，其上盘为侏罗系上统南园组（J3n），下盘为侏罗系下统梨山组（J1l）、三叠系下统溪口组（T1x）地层，落差>200m，F1断层交于F5断层上。
②F5断层：该断层位于本区北部，走向近东西，倾向北东，倾角40°～60°之间，出露地表达3km，其上、下盘皆为T1x、P2cp、J3n地层，地层断距大于500m，F5断层切断F04、F01断层。
2.洋坑矿区地面物理场特征
大定源瞬变电磁法在煤矿水文勘探中取得的效果很明显，能有效的反映深部地层的信息，具有高信噪比，划分异常比较详细，勘探深度大，在勘探地下陷落柱及断层破碎带的应用中，瞬变电磁法处理解释的视电阻率拟断面图中，根据地表地形地质资料，再结合钻探的资料，在查明的陷落柱及断层破碎带位置基本上复合。目前瞬变电磁法在地质勘探中对地质异常进行较准确的定位，对于地质异常体的判断需要结合地质填图及钻探资料进行综合解释。对深度信息反演准确度不高，视深度和真实深度存在一定的误差，异常体的定性解释是瞬变电磁法的需要解决的首要问题。拟采用瞬变电磁法对洋坑煤矿进行水文地质勘探，瞬变电磁法的基本方法及原理如下：
2.1 瞬变电磁法主要内容
瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM）属于时间域电磁法，利用阶跃波或其他脉冲电流场源激励大地产生过渡过程场，断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场，测量这种由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减特性，从而达到解决地质问题的目的。大定源瞬变电磁法是瞬变电磁法的一种方法，主要优点是划分异常比较详细、具有较高的信噪比、勘探深度比较大，适合于深部勘探，比如探测深部地下水、圈定矿产资源。在煤田勘探领域，该方法可以有效弥补煤田钻探的不足。大定源瞬变电磁法发射回线边长从400～1000m不等，通常是正方形或矩形，但是受地形影响较大，因此敷设线框不太严格。回线一旦铺好以后，可采用多台仪器同时接收，工作效率高，成本低。因而，该方法被广泛应用于煤田勘查、水文和工程勘探等领域。
2.2 瞬变电磁法基本原理
磁场的涡旋场在大地中主要以扩散形式传播，在这一过程中电磁能量直接在导电介质中传播而消耗。由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。随着时间的延长，涡流场将向下及向外扩散，并逐渐变形为圆电流环，发射电流关闭后三个不同时刻地下等效电流环的分布示意见图1。从图中可以看到，等效电流环很像从发射回圈中“吹”出来的一系列“烟圈”[1]，因此，将地下蜗旋电流向下向外扩散的过程形象的称为“烟圈效应”。其传播深度和速度为：；，其中，d为深度（m），v为速度（m/s），t 为传播时间（s）；σ为介质电导率；μ0为真空中的磁导率。晚期场视电阻率[2]为： ； 其中S为发射回线的面积（m2），N为匝数（个），I为供电电流强度（安培），V为电压（伏特），当接受线圈面积为s（m2），匝数为n（个），t为采样时间（s）。
3.瞬变电磁法在洋坑煤矿区水文地质勘探中的应用
福建省121地质大队物探院在洋坑煤矿为查明不同采区内地质构造的富、导水性，查明该勘探区煤系地层、构造及灰岩的富水区及水力联系，决定开展地面瞬变电磁勘探工程。本矿区属中低山、丘陵地形，沟谷纵横，山峦连绵起伏，地形切割强烈，主要山脉分布在矿区的东部，山脉总体呈近南北走向。矿区东部高，西南部低，最高点位于矿区南部标高+1193.30m，最低侵蚀基准面位于矿区西侧的沟谷中，标高+678m，相对高差515.30m，地形切割强烈，沟谷边坡度较陡，常见悬崖峭壁。沟谷坡降大，地形坡度多在20°～50°之间，局部可达60°～70°。本次开展地面瞬变电磁勘探法，其测线布置与地质勘探线的布置一致，以便于对比分析。本次拟选择3与7线进行实验。
（1）瞬变电磁勘探法在第7线上实测情况。从图3来看，测线7线上0～80m、150～250m及离地面60～750m区域，存在明顯的低阻异常体，可以认为是含水陷落柱或F03断层破碎带；根据测线7表明3煤层底板离地面大约340m。而480～580m和650～750m是高阻区域。这一结果与钻探资料结果相符合。
（2）瞬变电磁勘探法在第3线上实测情况（如图4）。在3测线300～350m有一相对低阻区域，可有一条断层F02。而该测线3煤层底板离地面大约380～430m；从图3来看，随着深度的增加，视电阻率逐步增加，与地质情况相符合；这一推论，与钻探施工结果一致。
（3）由于测线较长，接地电阻也较大，所以我们移动两次AB电极，分二段完成测线测量工作。测量数据经软件处理，生成3线及7测线视电阻率剖面图（图5）。从剖面图上我们可以看到二条测线上的电阻率异常反映，集中在30～60测点和90～100测点两处，相应的视电阻率也呈较低阻反映，这与图3、图4结论相吻合，但比图3、图4更直观。
（4）从钻探施工结果表明：F04、F03、F02、F0、断层，倾向北西，发育在翠屏山组（P2cp）与童子岩组第三段上亚段（P1t3-3）之间、文笔山组（P1w）与栖霞组（P1q）之间。从如下钻孔揭露探表明，与上述的瞬变电磁勘探法结果相一致。
①据ZK303、ZK703钻孔揭露，F0断裂：为隐伏滑脱断层，地表未出露，上盘地层为童子岩组第一段下亚段（P1t1）及文笔山组（P1w）上部地层；下盘地层为栖霞组（P1q）地层和下石炭统林地组（C1l）。勘探有5个钻孔揭露F0断裂，仅ZK303钻孔在F0断裂上盘文笔山组地层的破碎带中（孔深435.91436.41m）泥浆消耗量较大为0.90m3/h，其它钻孔均未见漏水现象，F0断裂造成部分文笔山组地层及童子岩组一段地层的缺失，但并未造成童子岩组煤系地层与栖霞组灰岩直接对口。因此，F0断裂为局部充导水较强（钻孔揭露F0断裂深度统计如表2）。这一点与上述瞬变电磁勘探法结果相一致。
②F02断裂：勘探有6个钻孔揭露，消耗量为0.06～0.30m3/h，均未出现泥浆严重漏失现象。F02破碎带本次调查未见出水点，初步判定F02断裂为导水性弱（钻孔揭露F02断裂深度统计表如表3）。这一点与上述瞬变电磁勘探法结果相一致。
③F03断裂：矿区有4个钻孔揭露，消耗量为0.06～0.20m3/h，均未见泥浆严重漏失现象，因此初步判断F03断裂为导水性弱。F03破碎带本次调查未见出水点（钻孔揭露F03断裂深度统计表如表4）。这一点与上述瞬变电磁勘探法结果相一致。
④F04断裂：矿区有2个钻孔揭露。未出现童子岩组含煤地层与溪口组中下部的灰岩直接对口。ZK707、ZK507钻孔揭露F04断裂破碎带时出现泥浆消耗量0.60～1.0m3/h。本次调查发现ZK707钻孔由于封孔质量差，孔口出现涌水现象，涌水量0.5l/s，因此，初步推断F04断裂为充导水性中等（钻孔揭露F04断裂深度统计表如表5）。这一点与上述瞬变电磁勘探法结果相一致。
4.结论
通过本次大定源瞬变电磁法勘探与钻探对比，获得结论是：
①直接充水含水岩层童子岩组富水性弱，溪口组富水性中等，为不均匀岩溶～裂隙含水岩组；栖霞组富水性中等～强，为不均匀裂隙～岩溶含水岩组；F04断裂构造充导水性中等；F0断裂充导水性局部较强；灰岩与煤系地层未直接对口，矿区内F02、F03断裂构造不发育，断层充导水性弱。
②洋坑水库底部对5线东块段（Ⅱ-334）5煤开采有影响。洋坑水库底部与一段可采煤层37、39、41煤层相距达150m以上，对煤层开采无影响。
③陵坑水库与可采煤层5、37、39、41煤层相距达150m以上，对煤层开采无影响。中部（S8）与一段可采煤层37、39、41煤层开采有影响。
④下阶段工作重点对F04、F0断裂的充导水性进一步查明，建议在1线ZK103孔以东布设1～2个钻孔，以便进一步为确定矿区水文地质条件提供可靠的依据。