0 引言

陕北侏罗纪煤田是世界七大煤田之一，其分布面积广、资源储量大、开采条件相对简单[1]。但是由于陕北地区干旱、少雨、温差大等特殊的古气候条件，在侏罗系含煤地层顶部形成了一定厚度的风化基岩带。该风化基岩带岩石破碎严重、结构松散、裂隙发育且极不均匀，相比下部完整基岩，岩石裂隙及含水量明显增大，是富水性相对较强的一层含水层[2]。侏罗系上部煤层埋深浅，距离风化基岩含水层较近，煤层开采形成的导水裂缝带往往导通该含水层，于是风化基岩含水层成为陕北侏罗纪煤田浅部煤层开采的直接充水含水层，也是矿井涌突水水害的重要来源之一[3]。特别是近几年柠条塔煤矿、锦界煤矿、红柳林煤矿等发生多起风化基岩含水层突水水害，对矿井生产造成严重威胁[3-5]。因此需要提前对该含水层进行探测，掌握其纵向和横向分布范围，预防水害发生。

瞬变电磁法是一种对低阻体敏感的时间域电磁探测方法，具有分辨率高、探测深度大、工作装置轻便、施工效率高等优点[6]。瞬变电磁法是通过在发射源断电期间观测地下随时间变化的感应电磁场来实现探测地下电性异常体的目的，被广大学者认为是煤矿水文地质勘查中最有效的地球物理勘探方法之一[7]。随着高性能计算技术与硬件装备水平的发展，该方法得到了快速发展，但是由于时间域瞬变电磁场理论的复杂性，二、三维的反演成像方法还未得到广泛应用[8]。在实际勘探中，主流的瞬变电磁数据处理技术还是基于视电阻率成像的定性解释和一维反演的半定量解释[9]。考虑到陕北侏罗系风化基岩含水层纵横向分布不均匀、埋藏浅、含水量大，为强低阻异常体的特点，笔者从理论和实践方面对瞬变电磁法探测陕北侏罗系风化基岩含水层进行了系统研究，获得更符合实际的勘探成果。

1 研究区地质概况

红柳林煤矿位于陕北黄土高原北部，毛乌苏沙漠之南缘，属丘陵区。西部为波状沙丘地，东部为黄土梁峁沟谷地貌，地势开阔。

1.1 地层

井田整体位于神北矿区南部，井田内地层平缓，倾角不足2°，构造为倾向NWW的单斜构造。地层由老至新依次为三叠系上统永坪组(T3y)、侏罗系下统富县组(J1f)、侏罗系中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、新近系上新统保德组(N2b)及第四系离石组(Q2l)、萨拉乌苏组(Q3s)、马兰组(Q3m)和冲积物(Q4al)与风积沙(Q4eol)。延安组为本井田的含煤地层，全区分布，在井田东南部麻家塔矿及其支沟内有出露，按含煤性、沉积旋回自下而上分为J2y5、J2y4、J2y3、J2y2、J2y1。该地层由于受沉积后期冲刷及剥蚀，第五段、第四段仅井田西部残存；第三段在井田西部保存完整，在东部大范围被剥蚀；第二段在井田东部局部地段有剥蚀现象，与第一段全平行不整合接触。区内延安组厚度为44.03～192.05 m，平均厚度77.34 m，煤层平均总厚9.90 m。矿区含可采煤层2-2、3-1、4-2、4-3、4-4和5-2共6层，其中2-2和5-2号煤层为厚煤层，3-1和4-2号煤层为中厚煤层，其余为薄至中厚煤层。地震勘探资料未见大于15 m的断点，亦未见岩浆岩，构造相对简单。

1.2 水文地质

依据赋水特征，井田地下水划分为第四系孔隙潜水含水层、中生界基岩裂隙承压含水层和烧变岩裂隙孔洞潜水含水层3种含水类型。具体包括：第四系全新统冲积层(Q4al)孔隙潜水含水层、第四系上更新统萨拉乌苏组冲积、湖积层(Q3s)孔隙潜水含水层、侏罗系中统风化基岩裂隙含水层、煤层顶板基岩裂隙含水层、三叠系上统永坪组砂岩裂隙含水层、烧变岩裂隙孔洞潜水含水层。主要隔水层为新近系上统保德组(N2b)粘土隔水层，该隔水层分布在第四系与侏罗系地层之间，以棕红色粘土为主，结构致密、坚硬，厚度0～84.10 m，平均厚度30.63 m，是本区地下水潜水的主要隔水层。

区内松散沙层潜水以接受大气降水直接补给为主，凝结水补给微弱。风化岩地下水补给条件为区域侧向补给为主，沿层面、节理、风化裂隙，由地势高区域向低区域径流。由于冲沟发育，基岩裸露，地下水流向具多向性。烧变岩潜水主要接受砂层潜水的侧向补给，其次通过片沙和黄土层接受降水补给，部分地段也接受地表水侧向补给，一般在烧变岩底板控制下，由高向低处径流，以向低洼处汇集为主，其次沿透水性好的裂隙孔洞作水平方向运移，总趋势向沟谷潜流，多以下降泉形式排泄。基岩承压水除在露头区以接受降水补给为主外，部分接受潜水的垂向渗透和侧向径流补给，局部接受河或沟流的侧向补给。各主要煤层含水岩段补给区不一，具有多层性。受单斜构造影响，总趋势是由东南向西北径流，在河谷切割处以泉的形式排泄。

1.3 风化基岩特点

陕北侏罗系风化基岩位于新近系保德组和侏罗系新鲜基岩之间，是中生代末到新生代初期区域隆升遭受古风化剥蚀作用的结果。侏罗系延安组(J2y)沉积以后，相继还沉积了直罗组(J2z)、安定组(J2a)和白垩系下统洛河组(K1l)，在这期间，古地形总体上是西高东低。晚白垩世以来，基岩进入长期、差异性整体抬升和强烈不均匀风化剥蚀，西部洛河组和安定组被剥蚀殆尽，东部洛河组、安定组和直罗组地层被剥蚀殆尽，直到新近纪晚中新世全区接受保德组红土沉积。风化基岩主要为侏罗系上部直罗组和延安组风化产物，在井田内与第四系上更新统萨拉乌苏组、全新统风积沙含水层之间无水力联系。

风化基岩是岩石经受风化作用的产物，与正常基岩相比，其岩石颜色、矿物成分、结构构造、力学强度、孔隙度和含水量均发生显著变化。其富水性主要受风化基岩地层时代、岩性组合、风化程度和厚度4个因素影响。一般情况下，直罗组风化砂岩钻孔单位涌水量大于延安组风化砂岩；砂岩单位涌水量明显大于风化泥岩单位涌水量；砂岩岩性越粗、单位涌水量越大；砂泥岩组合中砂岩含量大的组合单位涌水量大于砂岩含量少的组合；风化程度越强，富水性越好；风化基岩厚度越大，富水性越强。

2 瞬变电磁数据处理方法

2.1 晚期电阻率成像方法

瞬变电磁法一般采用垂直阶跃脉冲作为发射波形，在均匀半空间地表发射回线中心点接收时，关断后其垂向感应电动势分量见式(1)：

(1)

式中：垂向感应电动势分量，V；

I——发射电流，A；

ρ——地层电阻率，Ω·m；

a——发射回线半径，m；

Φ(u)——概率积分。

其中概率积分Φ(u)见式(2)：

(2)

式中：t——从电流关断时算起的延迟观测时间，s；

μ0——均匀半空间的磁导率。

对式(2)做晚期条件近似，其晚期电阻率表达式见式(3)：

(3)

式中：I0——发射电流，A；

ST——发射面积，m2；

SR——接收面积，m2。

纳比吉安(M.N.Nabighian)指出，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来等效。所在深度d的表达式见式(4)：

(4)

式中：k——常数，一般情况取503。

2.2 一维反演成像方法

瞬变电磁法在进行一维反演时，在使观测数据与理论模型数据达到最佳拟合的同时，也使反演模型在纵向上的粗糙度达到极小，相应的反演目标函数见式(5)：

(5)

式中：μ——拉格朗日因子；

d——野外实测数据；

F——大回线源瞬变电磁一维正演函数；

m——反演模型变量；

期望的拟合差；

W——实测数据的协方差矩阵；

R——反演模型的纵向粗糙度函数；

∂——粗糙度矩阵。

为了使方程(5)达到极小值，对方程的反演变量m求偏导数，并使△Um=0。则反演模型变量对应的迭代公式见式(6)：

[(WJ)TWJ+μ∂T∂]△mk=(WJ)TW△dk

(6)

式中：T——偏导数；

△mk——第k次反演模型变量的修改量；

△dk——第k次模型响应与实测数据的残差向量；

J——雅可比矩阵，其元素为Jij=∂Fi[m]/∂mi。

对反演方程按照式(6)进行迭代，直至达到最优解，就能获得层的电性参数。

3 理论模型分析

3.1 理论模型建立

为了便于对比分析，建立了正常地层模型和风化基岩地层模型。以红柳林煤矿9-HB10钻孔电阻率测井数据作为理论模型的基本参数，电阻率测井数字化断面如图1所示。地层电性由浅至深整体呈现出“高-低-高-低”的变化趋势，浅部第四系地层以风积沙、冲积层沙土为主，总体电阻率偏高，电阻率平均为190 Ω·m，厚度约为10 m；往下为新近系保德组粘土层，呈低电阻率特征，电阻率平均为20 Ω·m，厚度为30 m；再向下至侏罗系延安组含煤地层，岩性由砂岩、泥岩和煤层组成，上部岩石电阻率整体偏高，电阻率平均为200 Ω·m，厚度为70 m，下部岩石电阻率偏低，电阻率平均为50 Ω·m，建立的正常地层模型如图2(a)所示。进一步在正常地层的基础上建立风化基岩地层模型。根据地质资料，此地区直罗组(J2z)、安定组(J2a)和白垩系下统洛河组(K1l)缺失，延安组上部砂岩被风化、充水，电阻率约为20 Ω·m，厚度为20 m，建立的风化基岩模型如图2(b)所示。

3.2 晚期电阻率成像分析

采用澳大利亚EMIT公司商业软件MAXWELL，对上述建立的地电模型进行数值模拟。发射回线设置为240 m×240 m，发射电流1 A，观测时间为0.1～9.0 ms，观测道数40道，测线长度为600 m，测点点距为20 m，共计31个测点。正演计算时，将计算区域有限元网格剖分为10 m×10 m。对2个模型数值模拟的瞬变电磁响应根据上述公式进行了晚期电阻率成像，如图3所示。

由图3可以看出，正常地层模型晚期视电阻率断面纵向上表现为“高-低-高-低”的变化特征，与理论模型整体电性变化规律一致；风化基岩模型晚期电阻率断面中，纵向上视电阻率也表现为“高-低-高-低”的变化趋势，在横向上，中间高阻层电阻率从西往东表现为“高-低-高”的变化趋势；晚期电阻率断面在正常地层与风化基岩交界区域，视电阻率值最低，厚度最小；在风化基岩区域浅部低阻层，视电阻率幅值减小，中间高阻核心视电阻率幅值减小，高阻核心厚度减小。整体来说风化基岩含水层电性特征明显，可依据上述特征圈定风化基岩是否存在，并可依据正常地层与风化基岩交界区域电性特征，定性划分风化基岩含水层的范围。

3.3 一维反演成像分析

为了研究风化基岩与正常地层的瞬变电磁一维反演电阻率的特征，对数值模拟的瞬变电磁响应进行一维反演。在反演过程中，初始模型电阻率均设置为均匀半空间80 Ω·m，地层最小层厚为10 m，最大反演深度为300 m，反演模型层数为50层，层厚采用等对数间隔进行离散。正常地层和风化基岩模型的一维反演电阻率断面如图4所示。

由图4可以看出，正常地层一维反演电阻率断面从浅至深电性总体上表现为“高-低-高-低”的变化特征，与理论模型纵向电性变化特征一致；风化基岩模型一维反演电阻率断面纵向上反演电阻率也表现为“高-低-高-低”的变化趋势；一维反演电阻率在正常地层与风化基岩交界区域，中间高阻层反演电阻率幅值升高，厚度增大，其他区域中间高阻层电阻率基本稳定，厚度与正常地层的基本一致；在风化基岩区域，浅部低阻层电阻率幅值减小，风化基岩电性特征明显。相比晚期电阻率断面，一维反演电阻率断面更能客观反映地层的实际情况，不会带来虚假异常现象。综合分析，这是由晚期电阻率成像和瞬变电磁一维反演成像的基本理论决定的，晚期电阻率成像是基于晚期近似条件下的均匀半空间正演理论，而瞬变电磁一维反演是基于层状地层的一维正演理论，后者更接近实际地层情况。

4 现场试验

红柳林矿区位于神北矿区南部，区内含煤地层为侏罗系延安组，有5个含煤段，目前主采4-2号煤层。矿区风化基岩全区分布，富水性不均一，该含水层通过导水裂缝带成为其他煤层的间接充水水源，局部富水较强地段对浅层煤的开采造成水害威胁，为保证矿方生产安全，采用地面瞬变电磁法对基岩顶面风化层富水性进行探测，为煤矿防治水提供参考资料。地面瞬变电磁法采用的发射线框边长为240 m×240 m、收发频率为8.33 Hz，点距为20 m，线距为40 m，测线长度为560 m，试验区平面位置如图5所示。

实测的原始数据经过晚期电阻率成像和一维反演成像后，电阻率断面如图6所示。

图6(b)为79线反演电阻率断面图，位于测区北部，走向WE，断面长度560 m，地形自西向东逐渐增高，最大落差约25 m。经过与理论模型比较，实测数据的晚期电阻率断面和一维反演电阻率断面电性变化特征与理论模型基本一致。纵向上，电阻率由浅至深大致为“低-高-低”的变化趋势；横向上，含煤地层变化平缓，3-1号煤层至4-2号煤层段则位于相对高阻电性层，电阻率等值线似层状分布基本反映了地层产状。风化基岩含水层39～43号、47～61号测点间有明显低阻异常反映，前者范围较小，幅值较弱；后者范围较大，局部幅值强，推断为基岩风化层相对富水区。后期随着采掘推进，在2号进风斜井出水，经过水质化验，并与风化基岩水进行了比较，确定为风化基岩水。

5 结论

(1)针对陕北侏罗系煤田风化基岩层富水性探查的实际需求，研究了地面瞬变电磁法对风化基岩富水性的晚期电阻率和一维反演成像电阻率断面特征。利用矿区测井电阻率曲线，分别建立了正常地层和风化基岩模型，并对模拟响应进行了晚期电阻率成像和一维反演成像，最后通过实例证明了理论模型的正确性。

(2)当存在风化基岩富水区时，晚期视电阻率断面与一维反演断面在纵向上都表现为“高-低-高-低”的变化趋势。晚期电阻率的中间高阻层在横向上整体表现为“高-低-高”的电性变化特征；在正常地层与风化基岩交界区域，中间高阻层视电阻率值最低，厚度最小；在风化基岩区域，浅部低阻层视电阻率幅值减小，中间高阻层视电阻率幅值降低，厚度也变小。反演电阻率在正常地层与风化基岩交界区域，中间高阻层反演电阻率幅值升高，厚度增大，其他区域中间高阻层电阻率基本稳定，厚度与正常地层的基本一致；在风化基岩区域，浅部低阻层电阻率幅值减小，风化基岩电性特征更为明显，更能客观反映地层的实际情况，不会带来虚假异常现象。

(3)虽然基于红柳林矿区研究了瞬变电磁探测风化基岩富水区的有效性，但是未考虑浅部保德组红土层厚度变化为反演结果的影响。该红土层为黏土层，表现为低阻电性特征，厚度变化势必会对探测结果造成一定干扰，可作为下一步研究的方向。

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Application and research of transient electromagnetic method in exploring the water-rich property of weathered bedrock layers

MA Liuzhu

(CCTEG Xi'an Research Institute, Xi'an, Shaanxi 710077, China)

Abstract In view of the actual demand for exploring the water rich property of weathered bedrock in the Jurassic coalfield in northern Shaanxi, the reflection characteristics of the late resistivity of ground transient electromagnetic method and one-dimensional inversion imaging on the water-rich property of weathered bedrock were studied.First, the normal stratum and weathered bedrock models were established by using the logging resistivity curve of the mining area, and the late resistivity imaging and one-dimensional inversion imaging were carried out for the simulation response.It was found that when there was a weathered bedrock water-rich area, the middle high-resistivity layer of late resistivity generally showed an electrical property change characteristics of horizontal "high-low-high"; in the boundary area between normal stratum and weathered bedrock, the middle high-resistivity layer had the lowest apparent resistivity value and the smallest thickness; in the weathered bedrock area, the apparent resistivity amplitude of the shallow low-resistivity layer decreased, the apparent resistivity value of the middle high-resistivity layer decreased, and the thickness also decreased.While the resistivity of the middle high-resistivity layer in the inversion resistivity was basically stable, and the thickness was basically consistent with the normal stratum; in the boundary area between normal stratum and weathered bedrock, the inversion resistivity amplitude and thickness of middle high-resistivity layer increased; in the weathered bedrock area, the resistivity amplitude of the shallow low-resistivity layer decreased, and the electrical property characteristics of the weathered bedrock were more obvious.In addition, by comparing one-dimensional inversion and late apparent resistivity section, the results of one-dimensional inversion resistivity imaging could objectively reflect the actual situation of the stratum and would not bring false anomalies.Finally, the correctness of the theory was proved by engineering testing.

Keywords transient electromagnetic method; Jurassic coalfield; weathered bedrock layer; late resistivity imaging; one-dimensional inversion resistivity imaging; water-rich property

中图分类号 P63

文献标志码 A

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引用格式：马留柱.瞬变电磁法在风化基岩层富水性探查中的应用研究[J].中国煤炭，2023，49(5)∶50-57.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2023.05.007

MA Liuzhu.Application and research of transient electromagnetic method in exploring the water-rich property of weathered bedrock layers[J].China Coal，2023，49(5)：50-57.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2023.05.007

基金项目：陕西省自然科学基础研究计划重点项目(2022JZ-16)

作者简介：马留柱(1990-)，陕西榆林人，硕士，助理研究员，主要从事煤矿水害防治技术推广与应用工作。E-mail：958753065@qq.com

(责任编辑 张艳华)