超低頻地質(zhì)遙感法在鐵礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用研究

車志強(qiáng)，朱登杰，劉小飛，朱立杰

(河南省地質(zhì)測(cè)繪總院，河南 鄭州 450006)

鐵礦是我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)最重要的礦產(chǎn)資源之一。由于開采技術(shù)和地質(zhì)環(huán)境治理措施不到位，以往的采空區(qū)大多未進(jìn)行有效治理。有的采空區(qū)出現(xiàn)了大面積的地面沉陷，產(chǎn)生了地表裂縫，成為地質(zhì)災(zāi)害之一，給礦區(qū)的安全生產(chǎn)、地面工程建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。因此，探明采空區(qū)的地理位置、埋深、現(xiàn)狀，是采空區(qū)治理的關(guān)鍵因素。如何根據(jù)磁鐵礦開采前后地球物理場(chǎng)的變化規(guī)律，選擇合適的地球物理方法組合，是鐵礦采空區(qū)探測(cè)的首要問題。利用超低頻地質(zhì)遙感法結(jié)合天然電場(chǎng)選頻法，對(duì)林州市某鐵礦采空區(qū)成功地進(jìn)行了探測(cè)，經(jīng)驗(yàn)證效果較好。

1 工程概況

濮陽市林州鋼鐵有限責(zé)任公司某鐵礦，位于林州市北約18km，礦區(qū)占地面積約1.962km2。鐵礦分布于閃長(zhǎng)巖與大理巖接觸帶上，為矽卡巖型鐵礦。部分采空區(qū)出現(xiàn)地面沉陷、裂縫等災(zāi)害現(xiàn)象，附近村民房屋出現(xiàn)不同程度的裂縫，庭院地面出現(xiàn)下沉，礦民矛盾一觸即發(fā)。根據(jù)要求，用綜合物探法查明采空區(qū)的位置、埋深、大小及是否有漏采礦體，為綜合治理提供依據(jù)。

2 物探方法的選擇

鐵礦采空區(qū)的存在，破壞了地下巖層原有的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。當(dāng)?shù)叵妈F礦體存在時(shí)，磁測(cè)AZ值表現(xiàn)為高值異常，具有異常規(guī)則、規(guī)律性強(qiáng)等特征。在鐵礦體開采后，因磁鐵礦的不復(fù)存在而使磁異常消失，如有殘留礦體則是磁異常降低，且異常不規(guī)則、規(guī)律性差。同時(shí)，在大地電磁層析法電分量值測(cè)量時(shí)，由于鐵礦體的導(dǎo)電性較強(qiáng)，在鐵礦體存在時(shí)，電分量為低值。而地下鐵礦體開采后形成的空洞不導(dǎo)電，因此在電分量測(cè)量時(shí)，為電分量高值異常。這種鐵礦開采前后地球物理場(chǎng)的變化，具備了采用超低頻地質(zhì)遙感法、天然電場(chǎng)選頻法探測(cè)的地球物理前提。

2.1 超低頻地質(zhì)遙感法

超低頻地質(zhì)遙感探測(cè)儀是以大地電磁場(chǎng)為工作場(chǎng)源，利用不同介質(zhì)電磁學(xué)性質(zhì)的差異，測(cè)量地下巖性分界面對(duì)天然電磁場(chǎng)的反射信息，來解釋不同深度的地質(zhì)構(gòu)造，達(dá)到解決地質(zhì)問題的一種被動(dòng)遙感電磁勘探方法，也可視為被動(dòng)源大地電磁測(cè)量的一種新方法。

經(jīng)典大地電磁波理論，最初假設(shè)場(chǎng)源為垂直反射地面的平面電磁波，大地介質(zhì)為均勻水平狀分布，故大地電磁波的變化規(guī)律服從麥克斯韋方程組、歐姆定律和阿契定律。其中，電阻率是描述介質(zhì)電學(xué)性質(zhì)的主要物理量。但受介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、孔隙度、壓力和密度的影響較大。超低頻地質(zhì)遙感探測(cè)儀，實(shí)際上是通過地面電磁波測(cè)量的遙感曲線的幅值變化的形態(tài)，來研究深部隱伏地質(zhì)體的物性特征。所獲取的遙感曲線，并不是介質(zhì)的真正電阻率，而是介質(zhì)電阻率、密度、孔隙度和壓力的綜合反應(yīng)?？梢院?jiǎn)單地理解為視電阻率和視密度的乘積(Ω·m×g/cm3)。由平面電磁波在均勻大地介質(zhì)的傳播，可知隨時(shí)間改變的電磁場(chǎng)在均勻各向同性大地介質(zhì)中傳播時(shí)，沿傳播方向是諧變的，并且按指數(shù)規(guī)律衰減。介質(zhì)的電阻率越低，信號(hào)頻率越高，衰減的越快，這時(shí)場(chǎng)源將只集中在介質(zhì)的淺部，即趨膚效應(yīng)，因而穿透深度也稱為趨膚深度。不同頻率的電磁波穿透深度也不同，當(dāng)頻率很高時(shí)，電磁波可能只集中在第一層介質(zhì)中，電磁場(chǎng)不受下伏巖層的影響。隨著頻率的減小，穿透深度增大，電磁場(chǎng)值將受到深部介質(zhì)分布的影響。通過探測(cè)到的電磁波的頻率信息，建立深度反演模式，通過綜合分析曲線特征，就可解譯深部地質(zhì)體的巖性組合特征、重要地質(zhì)界面、破碎程度、含水狀況、斷裂構(gòu)造、礦產(chǎn)資源、瓦斯、采空區(qū)等地下信息。因此，超低頻地質(zhì)遙感探測(cè)是探測(cè)采空區(qū)的有效的物探方法。

2.2 天然電場(chǎng)選頻法

2.2.1 工作方法

該勘探區(qū)村莊密集地形復(fù)雜，高壓電線多，采用MN測(cè)量電極沿測(cè)線移動(dòng)法。野外工作時(shí)，測(cè)量電極距采用10m。操作員將儀器穩(wěn)掛胸前，手拿測(cè)量電極M，另一跑極員拿N極在前，再一人記錄作曲線或由跑極員兼任。測(cè)得MN之間各頻率對(duì)應(yīng)的△U值，然后蛙跳式移動(dòng)MN極再測(cè)△U值。按極距作圖，以△U為縱座標(biāo)，以測(cè)線為橫坐標(biāo)，依據(jù)探測(cè)目的層深度，作出四條電位差曲線。

2.2.2 工作原理

天然電場(chǎng)選頻法，利用大地電磁場(chǎng)作為工作場(chǎng)源，測(cè)量大地?cái)嗝娴碾姺至康淖兓?，是一種交變電流勘探方法。由于大地電磁場(chǎng)的場(chǎng)源頻率范圍較寬，可通過選擇頻率提高抗干擾能力；探測(cè)不同的深度，增加解釋的可靠性。

這種電磁場(chǎng)在距場(chǎng)源較遠(yuǎn)的地方，可視為平面電磁波場(chǎng)，它垂直于地面，變化規(guī)律服從麥克斯韋方程組，儀器探測(cè)深度的理論公式為：

式中：ρ為巖層視電阻率(Ω·m)；f為頻率(Hz)；h為探測(cè)深度(m)。

根據(jù)公式可知，用高頻反映淺部物性，低頻率反映深部的物性。這樣通過選頻，每個(gè)測(cè)點(diǎn)可得六種不同深度的電性參數(shù)(表1)。

表1 天然電場(chǎng)選頻儀選用頻率表

用電分量中電位差與電阻的關(guān)系，可以定性說明測(cè)得的異常是高阻還是低阻異常，這就是本方法異常曲線定性解釋的基本原理。

為什么會(huì)出現(xiàn)電阻異常呢？因地下水與介質(zhì)接觸，溶解了其中的Ca2+、Mg2+、K+、HCO3-、SO42-及Cl-等離子，使地下水成為導(dǎo)體。相反，干燥地層導(dǎo)電性差，電阻大。由于電阻與電位呈正相關(guān)，所以只要測(cè)得地下電位異常，也就可推知電阻的異常情況。

3 資料分析與探測(cè)效果

超低頻探測(cè)曲線資料和天然電場(chǎng)選頻法解譯與推斷，遵循以地質(zhì)為基礎(chǔ)，從已知到未知的原則。在分析收集本區(qū)已知資料并結(jié)合工區(qū)地面地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，依據(jù)各測(cè)線測(cè)量結(jié)果，對(duì)各剖面進(jìn)行定性分析，確定其對(duì)應(yīng)地質(zhì)層位，并利用超低頻電磁波曲線和大地電磁場(chǎng)曲線變化特征，大致確定礦區(qū)內(nèi)的空洞(采空區(qū))等不良地質(zhì)體在地面的投影位置、大小和形狀。

具體方法是從本區(qū)巖石、采空區(qū)等的地球物理特征入手，與對(duì)應(yīng)超低頻探測(cè)曲線圖和天然電場(chǎng)選頻曲線進(jìn)行對(duì)比分析解釋。正常的超低頻探測(cè)曲線圖上，曲線幅值基本呈高低震蕩波動(dòng)分布：當(dāng)有采空區(qū)存在時(shí)，曲線幅值將發(fā)生畸變，采空區(qū)頂部以上和底部以下曲線幅值較高，幅值變化幅度大；而采空區(qū)曲線幅值低，幅值變化幅度小，呈現(xiàn)曲線幅值低值段，探測(cè)曲線特征為低平。正常的某一頻率的天然電場(chǎng)選頻曲線圖上，電磁場(chǎng)的頻率曲線為一平直線，當(dāng)有異常體存在時(shí)，探測(cè)曲線有明顯幅值降低特征。研究物探曲線在縱向和橫向上的變化特征，以確定采空區(qū)的性質(zhì)，便是本次分析的理論依據(jù)。

3.1 超低頻地質(zhì)遙感法探測(cè)曲線分析

A-A′超低頻探測(cè)剖面位于栗家溝村以南約150m，探測(cè)剖面為西北向。2、3、4號(hào)測(cè)點(diǎn)有采空區(qū)顯示，曲線幅值低平。各測(cè)點(diǎn)顯示采空區(qū)位置及特征詳見表2。

表2 超低頻探測(cè)曲線顯采空區(qū)特征一覽表

3.2 天然電場(chǎng)選頻法探測(cè)曲線分析

天然電場(chǎng)選頻法地球物理勘探剖面和測(cè)點(diǎn)的布置，與超低頻地質(zhì)遙感法重合。

超低頻探測(cè)曲線與天然電場(chǎng)選頻探測(cè)曲線分析表明，1、2、3、4、7、8、9號(hào)測(cè)點(diǎn)位于礦山開采區(qū)(據(jù)井上井下對(duì)照?qǐng)D，但不在房屋開裂區(qū))，探測(cè)曲線具有采空區(qū)特征。根據(jù)曲線特征顯示的采空區(qū)高度分析，推斷為巷道或采空區(qū)。位于礦區(qū)附近村莊房屋開裂區(qū)內(nèi)的4、7號(hào)測(cè)點(diǎn)的超低頻和天然電場(chǎng)選頻探測(cè)曲線，均有采空區(qū)顯示。根據(jù)曲線特征顯示的采空區(qū)高度分析，可能為巷道。根據(jù)房屋開裂調(diào)查， 4、7號(hào)測(cè)點(diǎn)的村民王啟昌的房屋開裂較為嚴(yán)重，達(dá)到Ⅱ～I(xiàn)II級(jí)。探測(cè)結(jié)果與房屋開裂情況吻合度較高。

綜上所述，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的超低頻和天然電場(chǎng)選頻探測(cè)曲線采空區(qū)顯示，說明礦山巷道已延伸至栗家溝村內(nèi)，礦區(qū)附近村莊房屋開裂與礦山開采的關(guān)系較明顯。兩種物探方法有較高的吻合度，將其結(jié)合用于鐵礦采空區(qū)調(diào)查是適宜的。

4 探測(cè)精度分析

本次物探采用超低頻遙感地質(zhì)探測(cè)法和天然電場(chǎng)選頻法法兩種方法，嚴(yán)格按照規(guī)范和要求，順利完成了野外數(shù)據(jù)采集，取得了較豐富的野外第一手資料。共完成測(cè)線7條，測(cè)點(diǎn)102個(gè)，野外工作方法選擇正確，工作程序合理，測(cè)線布置控制嚴(yán)密，原始資料準(zhǔn)確真實(shí)。野外資料經(jīng)過室內(nèi)傳輸轉(zhuǎn)換，反演成圖，其成果達(dá)到了預(yù)期目的，其結(jié)論可做為本次勘查的輔助性依據(jù)。

5 結(jié) 論

結(jié)合實(shí)例分析，可以得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)通過綜合物探手段，可以查明采空區(qū)的空間分布狀態(tài)、現(xiàn)狀等。根據(jù)探測(cè)結(jié)果，對(duì)采空區(qū)的治理更有針對(duì)性，目標(biāo)更明確。

(2)應(yīng)根據(jù)地球物理?xiàng)l件、地形、采空區(qū)大小埋深合理選擇物探方法，充分利用原有資料，靈活運(yùn)用物探方法，才能準(zhǔn)確地探測(cè)出采空區(qū)。

(3)只要具備條件，超低頻地質(zhì)遙感法能發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，可做定量計(jì)算，是目前探測(cè)精度較高的一種物探方法。選擇兩種及以上物探方法組合，在采空區(qū)探測(cè)中更有針對(duì)性，可相互補(bǔ)充。

(4)應(yīng)選擇合適的物探參數(shù)，盡量避免不同參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換，減少誤差。

[1] 中華人民共和國建設(shè)部.城市工程地球物理探測(cè)規(guī)范(CJJ7—2007)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2] 郭建強(qiáng).地質(zhì)災(zāi)害勘查地球物理技術(shù)手冊(cè)[M].北京：地質(zhì)出版社，2003.