地面电磁法

井中TEM指接收线圈在钻井中观测瞬变响应的方法。在国外，尤其是在加拿大、澳大利亚、苏联等国家得到了较深入的研究和广泛应用。该方法在进行井旁或井底的导电矿层或矿体勘探中有其独特的优势。如图5－24所示为地井TEM的原理及用途示意图。

图5－24 地－井TEM的原理及用途示意图

地－井TEM是井中TEM应用最广的方法。其应用之原理与意义从图6－26中一目了然。上图中ZK－1为地质普查钻孔。假设只见到少量浸染硫化矿物及矿化层，自然会认为无经济价值，不会在附近再布置价格昂贵的钻探工作。设在此剖面上做了地面TEM观测，只发现浅部矿响应，而深部矿埋深大无法分辨其响应，故ZK－2穿过浅矿后即终孔，深部矿并非未感应出瞬变场，只是场较弱，再传播到地面已弱不可辨。如果是在孔中观测，因CD，且场强是按距离的2～3次方反比衰减，所以井旁（对ZK－1）和井底（对ZK－2）的深矿响应就得以发现。围绕一个钻孔一般要布置5个回线，每一观测数据是一体积的反映，5个观测则是集体之反映。所以形象地说，地－井TEM观测相当变深矿为浅矿，变一孔之见为集体之见，这就是本方法的意义和原理。
现我们将传统意义上钻井中的接收线圈引入煤矿巷道中，组成煤矿井中TEM如图5－25所示，这样就为探测煤矿采空区积水寻找了一个新的思路，为更好的解决煤矿水害提供了更为准确、可靠地方法。

图5－25 井－地电磁法勘探应用于煤矿示意图

①地球可分为地壳、上地幔、地幔、地核外核、地核内核五个部分。其中，地壳是指地球地表至莫霍界面之间一个主要由火成岩，变质岩和沉积岩构成的薄壳。地壳下面的是地幔，上地幔大部分由橄榄石构成。地壳和地幔之间的分界线被称为莫氏不连续面。
②直流输电的入地电流主要在地壳和上地幔区域内传播，所以对这两个区域的大地电阻率结构参数的研究具有十分重要的意义。
接着，介绍深层大地电性结构的现场测量和数据处理方法。
①一般使用大地电磁法(MT法)进行大深度范围的大地电阻率测量。大地电磁勘探方法是以天然电磁场为场源来研究地球内部电性结构的一种重要的地球物理手段。
②基本原理是：依据不同频率的电磁波在导体中具有不同趋肤深度的原理，在地表测量由高频至低频的地球电磁响应序列，经过相关的数据处理和分析来获得大地由浅至深的电性结构。
最后，给大家介绍大地电磁勘测方法的技术特点：
Ⅰ、不需要人工场源激发，省去了笨重的电磁法发射设备，使施工更为方便，成本降低；
Ⅱ、 天然电磁场频率丰富，只要选择合适的天然电磁场频率区间，就可探测从地面几十米到地幔数百千米深处的各点电性分布。
Ⅲ、电磁波对高阻岩层的穿透能力强，对低电阻率地层的分辨率高。

（一）高分辨地电阻率法

高分辨地电阻率法是由西安煤炭研究院物探所新开发的方法（闫肃，2000）。该方法通过向地下供电，测量两极的电位差，观测垂直方向的视电阻率变化，来推断地下岩层的变化情况。主要采用单极⁃偶极装置，在一条测线上沿纵向（深度）和横向（剖面）来扫描地质剖面；将装置沿测线密集组合，以实现空间探测，达到对地下异常地质体的多次覆盖。多次覆盖是由不同的电流电极、不同的电位电极对地电断面上相同的分析分辨单元进行多次测量来实现的。煤田火区内煤层正在或已经燃烧，其物质成分和层序正在或已经发生了变化。围岩被烘烤为烧变岩，与正常地层相比，电性特征产生了明显的差异。特别是采空及燃烧后形成的空洞，在高分辨地电阻率法结果图中显示为高阻体，特征较为明显。

野外施工使用的仪器为重庆奔腾仪器厂生产的WDJD⁃2型数字直流激电仪。采用单极⁃偶极装置，施工电流极距为16m，电位极距为4m。图4⁃2⁃5是在高分辨地电阻率法测量得到的成果图。

图4⁃2⁃5的上半部分是根据高分辨地电阻率法测量得到的测线视电阻率断面图，红色区域代表高阻区，电阻率值在500 Ω·m以上。下半部分是根据实测地质剖面推断的煤层着火点的位置及高温燃烧通道的位置。结合最新的地质资料，最底部煤层是12^＃煤层和13^＃煤层，推断已经出现两个着火点。垂直12^＃煤层向上方35m是9^＃煤层，位于高温燃烧通道的发散起点处，推断此处也在燃烧。总体上，由于较大的断裂提供了氧气通道，造成12^＃煤层和9^＃煤层都在燃烧，故形成了从下到上的燃烧通道，并在高分辨地电阻率断面图表现为高阻体。

（二）TEM电法测量

瞬变电磁法（Transient domain electromagneticmethod）或时间域电磁法（Time domain electromagnetic method），简称TEM。它是利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。TEM是没有一次场背景的情况下观测研究二次场，大大地简化了对地质体所产生异常场的研究，对于提高方法的探测能力更具有前景。

图4-2-5 内蒙古乌达Ⅷ号火区测线视电阻率及地质推测断面图

1—煤着火点；2—未着火煤层；3—煤火影响区；4—页岩；5—粉砂岩；6—细砂岩；7—中粗粒石英砂岩；8—热烟通道电阻率单位为Ω·m

2005年作者与德国地质调查局G.Schaumann等专家合作，使用加拿大GEONICS Limited公司生产的电磁仪，在乌达煤田Ⅷ号火区选择地表火区特征明显的地段做发射框为50m×50m的中心回线法三条剖面，观测点距50m，剖面位置见图4⁃2⁃1，三条剖面观测结果见图4⁃2⁃6～图4⁃2⁃8。

图4⁃2⁃6中60号点附近是2005年野外观测火区位置，视电阻率图出现一个自上而下的电阻率低值区，并在150m左右向东延伸到61号点。

图4⁃2⁃7中1号点以南和11号点以北是2005年野外观测火区分布位置。1号点以北50m处，2004年6月德国地质调查局专家布设了一口浅探井，在地下20m处发现煤层，并有燃烧的迹象，这一结果与1号点下面电阻率低值区位置相吻合。11号点处浅部电阻率出现高值，深部50m左右出现了一个低值区。根据第二章岩石样品的室内电性分析结果，砂岩的电阻率值在200℃以内大多数随温度升高而增大，500℃以上随温度升高电阻率降低。该点地表出露岩石主要为细砂岩，温度50℃左右，由此推断浅部电阻率低系浅部岩石因温度增高引起，而地下50m左右的低电阻率区可能是着火区位置。这与高分辨地电阻率测量显示的这一深度有着火点存在的结果相一致（见图4⁃2⁃5）。

图4⁃2⁃8中47号点附近地表可见沿裂缝从地下深处冒出的高温烟火，地表温度也相应地升高，因此出现较高的电阻率值。深部的高电阻率分布原因不明。

初步试验表明，当可探测到地表温度升高时，浅部岩石会因温度升高（低于200℃）而电阻率增大，着火点处高温会使燃烧煤层及围岩的电阻率出现低值。依据TEM方法探测到的电阻率异常可确定地下煤层燃烧的状态及在深度断面上的分布情况。

图4-2-6 内蒙古乌达Ⅷ号火区TEM视电阻率断面图

（G.Schaumann）

图4-2-7 内蒙古乌达Ⅷ号火区TEM视电阻率断面图

（G.Schaumann）

（三）超长波电磁法

超长波电磁法是一种利用天然交变电磁场在地下电性体反射电磁波而测量地下地质断面的方法。目前已在基岩起伏面探测、地下水的探测及油气勘探等方面获得较好的应用效果。该方法在探测煤火方面如何应用在国际国内都是难题，可供借鉴的资料很少。我们研究工作分两方面。

图4-2-8 内蒙古乌达Ⅷ号火区TEM视电阻率断面图

（G.Schaumann）

1.已知钻孔旁的探测

在研究区内已知钻孔位置进行初步探测，找到比较适合的探头方向和放大倍数组合。尽可能地找到各种地层所对应的特征谱形。而后，在每个测点进行探测深度分别为100m和300m的两种探测，探头方向分别为NW—SE和NE—SW向；采用滤波和不滤波两种频谱曲线处理方式，并根据实际情况采取不同的放大倍数组合。这样在每点可获得多组测试数据，便于后续的数据处理和对比分析。

通过钻孔柱状图与超长波曲线的对比分析，弄清地下不同深度的岩层、煤层分布特征及其与超长波频谱曲线振幅的对应关系，找到各自的特征曲线；这有利于在本区其他没有钻孔柱状图的地方进行地下煤层的深度探测，进而对地下煤火进行研究分析。

实际工作中我们使用了乌达黄白茨矿206钻孔资料。206钻孔位于黄白茨井田Ⅶ⁃2火区内，地面高程1197.04m，钻孔总深273.1m。钻孔几乎穿透矿区所有已知含煤地层，是一个地处火区内部，且钻孔柱状图的钻孔。因此，将其作为重点研究对象。在该孔附近进行超长波探测，共获得17条频谱曲线，选择其中编号为AB163029的曲线进行研究分析。

图4⁃2⁃9、图4⁃2⁃10中，煤层振幅相对于顶底板岩层来说比较低，一般有较低振幅（对应波谷位置）的地方均对应着相应煤层。C、D、E三处也存在三个比较典型的波峰，但是相比A和B的振幅要小得多。经钻孔柱状图对比发现，这三个高振幅的波峰所对应的岩层均是泥岩层位。除此之外，不同深度所对应的粗砂岩、中粒砂岩、细砂岩、粉砂岩和炭质泥岩等层位，其超长波曲线振幅不高，也不是很低。由于没有特别明显的特征，故而很难加以区分。

2.地下煤火的超长波探测特征

以乌达煤火基准剖面的Ⅷ号火区北段燃烧剧烈处为例进行研究。图4⁃2⁃11是在乌达煤田Ⅷ号火区北段燃烧最剧烈处的顶部所测得的超长波遥感探测曲线，该曲线图是多次探测曲线叠加而成。从该曲线图上可以看出：

（1）在地表以下5～100m的探测范围内，至少存在有4个比较重要的超长电磁波异常峰区，分别在地下7m、21m、44m和60m附近。

（2）从地表以下7m处的第一个峰和21m处的第二个峰为一组，44m和60m附近的第三、第四个峰为一组，前一组峰值明显高于第二组峰值。作者认为这是由不同原因所致。

（3）对比乌达煤田五虎山矿所绘制的矿井地质剖面图Ⅱ（Ⅱ号勘探线），发现在地表以下大约60m内分布有9^＃、10^＃、12^＃煤层，9^＃和10^＃煤层赋存于地下30m内（资料显示9^＃煤在此处海拔高程约为1275m，而已知超长波探测点的海拔高程为1294m，故9^＃煤层距地表19m左右）。12^＃煤层约在地下约50m处。由于9^＃煤层和10^＃煤层相互之间的垂向距离很近，其中一层燃烧势必引起另一层燃烧，故而这两层煤在该地已经构成了一个燃烧系列。Ⅷ号火区地表所产生的浓烟、烈焰即为该两层煤燃烧所致。

图4-2-9 黄白茨矿206钻孔处的超长电磁波遥感探测频谱曲线

图4-2-10 黄白茨矿206钻孔超长波探测解译图

图4-2-11 Ⅷ号煤火区北段超长波遥感探测曲线

（4）将超长波探测曲线与矿井地质剖面图对照可以发现：介于第一和第二峰值之间的地方（即地表以下大约6～25m）为剧烈燃烧区，剧烈燃烧的煤层将上覆围岩烘烤烧变，燃烧温度在地下几米处即可高达900℃以上。

（5）介于第三和第四峰值之间的地方（地表以下大约43～62m处）为12^＃煤层赋存和影响范围（已知12^＃煤在此地的海拔高程约在1230～1240m，即地表以下54～64m）。由于其峰值较第一组大为降低，故煤层是否已经开始闷烧？还是仍然很稳定？目前还无法做出准确的判断，有待进一步结合相关资料进行验证。

3.初步结论

（1）超长电磁波能够探测地下不同深度的岩层和差别比较大的岩层界面。如果相邻岩层的孔隙度、密度和电阻率等物理特征相差悬殊，则更有利于提高其深度探测的准确性。

（2）煤层由于孔隙度大，密度相对于岩层小，故表现为较低的振幅。

（3）泥岩比较致密，孔隙度小，相应超长波曲线的振幅比较高。

（4）各种砂岩的超长波曲线振幅不高也不低，特征不明显，难以准确区分。

（5）在近地表，由于受到仪器本身、地面各种干扰因素、采矿活动或是地下煤火燃烧等的影响，在本区几乎所有测点的探测曲线上，均在7m和20m左右形成两个振幅极高的波峰。初步认定其为干扰。

（6）超长电磁波对地下煤火探测作用无法做出准确解释，但可以很好地对地下煤层的赋矿层位与深度进行探测。可通过提取地下煤层信息来辅助分析煤火。