瞬變電磁法在福建某鉛鋅礦井下勘查中的應用

鐘 華，鐘乳石，劉和花，陳振寧，劉沈衡

（1．江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，南京212000；2．中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江蘇總隊，南京211135）

瞬變電磁法在福建某鉛鋅礦井下勘查中的應用

鐘 華1，鐘乳石2，劉和花1，陳振寧1，劉沈衡1

（1．江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，南京212000；2．中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江蘇總隊，南京211135）

老礦山深部、外圍找礦是當前“以礦找礦”為重要方式。文章以福建某鉛鋅礦為例，通過坑道內(nèi)開展小線框、大電流的瞬變電磁法獲取電阻率異常，利用坑內(nèi)鉆進行驗證，取得了良好的找礦效果，為老礦山勘探提供了新的有效的物探方法。

瞬變電磁法；老礦山；礦井；勘查；福建省

0 引言

老礦山深部、外圍找礦是當前“以礦找礦”的重要方式。隨著礦山、礦城建設的開展，許多開采礦山周邊的土地都被各類建筑、設施覆蓋，地面物探工作受到的干擾因素也越來越多，因此，必須拓展地下物探新方法以滿足礦山深部找礦的需求。目前，進行礦產(chǎn)勘查的地面物探（重磁電震）方法以及所使用的儀器眾多，尤其是電法（方法多，儀器多）［12］，如電阻率法、激發(fā)極化法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法以及CR法等。但用于井下坑道物探方法及儀器較少，主要由于儀器體積大、質(zhì)量重、測量裝置（布線）復雜，以及如何解決測量方向與半空間問題等。本文通過YCS200礦用瞬變電磁儀在福建某鉛鋅礦坑道內(nèi)施工的實例，介紹小線框、大電流的瞬變電磁法在開采程度較高的老礦山坑道中的應用效果，為突破井下物探勘查瓶頸提供新的技術方法。

1 礦井瞬變電磁法的工作原理

礦井瞬變電磁法與地面瞬變電磁法的基本原理相同［3］。與地面測量的區(qū)別在于，礦井瞬變電磁法是在井下巷道內(nèi)進行，瞬變電磁場呈全空間分布（圖1）。在電流斷開之前，發(fā)射電流在回線周圍空間中建立起一個穩(wěn)定的磁場，在時間t＝0時，將電流突然斷開，由該電流產(chǎn)生的磁場也立即消失。一次磁場的這一劇烈變化通過巷道內(nèi)空氣和周圍導電介質(zhì)傳至回線周圍的巖層中，并在巖層中激發(fā)出感應電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在的磁場，使空間的磁場不會即刻消失。由于介質(zhì)的熱消耗，直到將磁場能量消耗完畢為止［4］。

由于電磁場在空氣中傳播的速度比在導電介質(zhì)中傳播的速度快得多，當一次電流斷開時，一次磁場的劇烈變化首先傳播到發(fā)射回線周圍巷道頂、底板和側幫，因此最初激發(fā)的感應電流局限于巷道附近巖層中。巷道附近各處感應電流的分布也是不均勻的，在緊靠發(fā)射回線一次磁場最強的巷道頂、底板處感應電流最強。隨著時間的推移，巷道周圍的感應電流便逐漸向外擴散，其強度逐漸減弱，分布趨于均勻。任一時刻巷道頂、底板導電巖層中渦旋電流在巷道內(nèi)產(chǎn)生的磁場可以等效為一個水平環(huán)狀線電流的磁場。在發(fā)射電流剛關斷時，該環(huán)狀線電流緊挨發(fā)射回線，與發(fā)射回線具有相同的形狀。隨著時間的推移，該電流環(huán)向外擴散，并逐漸變形為圓電流環(huán)。等效電流環(huán)像從發(fā)射回線中“吹”出來的一系列“煙圈”，因此將巷道頂、底板導電巖層中渦旋電流向外擴散的過程形象地稱為“煙圈”效應［4］。

圖1 瞬變電磁法工作原理示意圖Fig．1 A sketch illustrating the working principle of TEM

坑道內(nèi)空氣、非金屬礦的地層和巖石一般情況下為高阻介質(zhì)，電磁波易于通過，它們對TEM來說就沒有像對直流電場那樣的屏蔽性，故接收線圈接收到的信號是來自發(fā)射線圈周圍全空間巖石電性的綜合反映。因而在判定異常體空間位置時，需根據(jù)線圈平面的法線方向并結合地質(zhì)資料加以綜合分析確定［5］。

2 礦井瞬變電磁法工作方法

目前，礦井瞬變電磁法主要使用重疊回線裝置，該裝置地質(zhì)異常響應強、施工方便。

2．1 裝置參數(shù)的設計原則

根據(jù)不同的地質(zhì)任務，選擇回線邊長與匝數(shù)是不同的。在一定的范圍內(nèi)，回線線框越小，其體積效應越小，橫向、縱向分辨率愈高。由于礦井巷道寬度只有幾米，回線邊長不能太大，否則不便于施工，也會降低工作效率。通過實驗證明，邊長一般1～3 m比較合適。

其他參數(shù)在井下實際測量前通過試驗即可確定?；鼐€大小一定，一般回線匝數(shù)愈多，發(fā)射磁矩愈大，發(fā)射功率也愈大，接受回線感應信號也愈強。有效面積增大，發(fā)射磁矩愈大，發(fā)射功率也愈大，探測深度增大，接受回線感應信號也愈強，但會增加裝置移動的難度。實際測量中，由于井下巷道空間的限制，為了增大回線的有效面積，可采用矩形回線組合進行測量［6］。

2．2 測點布置及施工方法

發(fā)射和接收線框采用多匝1．5 m×1．5 m矩形回線。測點點距1～5 m，每個測點向3個不同的方向（即3條測線）進行探測（圖2），根據(jù)多匝小線框發(fā)射電磁場的方向性，可認為線框平面法線方向為瞬變探測方向。為了更加精確地探測巷道迎頭前方各個方位的地質(zhì)異常情況，在迎頭處進行測點加密測量，每條測線布設11個測點，依據(jù)坑道具體情況，亦可在1號及11號點外側，位于側幫位置加設1～3個測點（圖3）。

3 應用實例及其效果分析

3．1 礦區(qū)地質(zhì)簡況

福建某鉛鋅礦區(qū)地層巖性主要為震旦系的大理巖、綠片巖、石英云母片巖、絹云母片巖、石英砂巖及千枚巖；侏羅系的千枚狀粉砂巖、頁巖、安山質(zhì)火山巖 碎屑沉積巖；第四系的砂質(zhì)土層［7］（圖4）。

圖2 瞬變電磁法探測方向示意圖Fig．2 A sketch illustrating the detecting direction of TEM

圖3 瞬變電磁法測點布置示意圖Fig．3 A sketch illustrating survey point lay-out of TEM

3．2 礦床分布特征

該礦床賦存層位為中新元古界龍北溪組上段（Pt2-3l3）綠片巖地層，礦體產(chǎn)狀與含礦地層產(chǎn)狀基本一致，礦床空間分布與含礦巖性段的總體延伸保持一致。礦床（體）產(chǎn)狀平緩，傾角0～20°；受含礦巖性段控制的礦體（層）可劃分為3個主要的礦體層位，相互垂向間距10～20 m，在每個礦體層位內(nèi)的礦體不連續(xù)，往往呈層位上大體一致但空間上相互間隔的礦體群或礦體帶。

圖4 礦區(qū)地質(zhì)簡圖Fig．4 Geological sketch of the mining district

工業(yè)類型礦石有鉛鋅礦石（Pb-Zn型）、鋅礦石（單Zn型）、鉛鋅硫礦石（Pb-Zn-S型）。礦石中金屬礦物主要有閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦、磁黃鐵礦、磁鐵礦，次為黃銅礦、赤鐵礦等。

礦體的圍巖及夾石有淺色片巖（礦體底板，界線清晰，蝕變很弱）、綠色片巖（常為頂、底板圍巖及夾石，蝕變礦化明顯，與礦體界線不很清晰）、大理巖類（礦體的頂、底板圍巖及夾石，蝕變?nèi)?，與礦體界線清晰）、閃長巖脈（礦體內(nèi)的脈體，界線清晰）及火山巖（不整合面以上礦體的直接圍巖）［7］。

3．3 巖礦石物性

礦石與圍巖（夾石）具有明顯的物性差異，以方鉛礦、閃鋅礦為主的多金屬礦呈低阻（平均值21Ω ·m）、高極化特征，并具有較強磁性；花崗巖呈高阻（平均值6 674Ω·m）、高極化特征；礦體圍巖中的大理巖、綠片巖（平均值3 926Ω·m）、石英片巖（平均值4 125Ω·m）以及火山碎屑巖（平均值998Ω· m）等，呈中等阻值、低極化特征［8］。

3．4 礦山開采及坑道情況

該礦山經(jīng)過多年的開采，已知礦體基本采空，坑道寬度及高度在2．5 m左右，坑內(nèi)多有積水，坑壁潮濕（常見水膜），這給坑內(nèi)物探施工帶來很大難度，而坑底積水、坑壁潮濕的低阻屏蔽作用，致使一些地面物探方法不能在坑道測量中獲得較好的深部異常信息。鑒于YCS200礦用瞬變電磁儀具有在狹小空間施工的優(yōu)勢，同時具有穿透低阻層的能力，故而被選為坑內(nèi)勘探的物探勘查手段。

3．5 坑道超前探實例

圖5為坑道側幫3條TEM剖面（每條剖面上15個測點，點距2 m）上的TEM多道圖曲線及反演電阻率異常斷面圖。由于坑壁含水量較充沛，3條剖面在0～25 m內(nèi)都有低阻異常（33～120Ω·m）存在。

從圖5a可以看出，向上45°方向測量剖面上，深度40～60 m，水平位置由左而右，其異常特征表現(xiàn)為“

低-高 低 高”低高阻異常交替出現(xiàn)。

圖5 垂直坑道方向剖面TEM多道圖及電阻率平面圖Fig．5 Multi-channel profile and resistivity plan of TEM

在1—4號測點位置（水平寬度6 m）的低阻異常最小值為113．9Ω ·m，異常位置為已知礦點；在4—9號測點位置（水平寬度10 m）的高阻異常最大值為309．6Ω·m；在9—12號測點位置（水平寬度6 m）的低阻異常最小值為145．7Ω·m，此處為未知異常區(qū)；在12—15號測點位置（水平寬度6 m）的高阻異常最大值為347．2Ω·m。

圖5b為垂直坑壁方向剖面，其異常形態(tài)及分布規(guī)律與圖5近似，只是低值異常的范圍及極值略小。

圖5c為向下45°方向剖面，其異常形態(tài)及分布規(guī)律與圖5a和圖5b近似，只是低阻異常變得不明顯，但相對異常差還是存在，說明礦在這個方向的存量變少。

鉆孔驗證情況：針對電阻率異常，結合坑內(nèi)地質(zhì)及開采情況，認為9—12號點的水平位置向上45°方向存在金屬礦的可能性較大，在10號點實施了1個坑內(nèi)鉆，鉆探深度44 m。從鉆孔柱狀圖（圖8）可見，共發(fā)現(xiàn)4層閃鋅礦體，總厚度13．8 m，層間為云母石英綠簾片巖，其中包括呈低阻特征的致密團塊狀（浸染狀）磁黃鐵礦（φ＝10%～30%）。尤其是第四層（自上而下）閃鋅礦體的埋深及厚度與反演出的低阻異常位置及深度基本一致。

4 結語

采用小線框、大電流的TEM方法，在老礦山坑道中的勘查取得良好效果，認為該方法對于探查礦山深部、外圍的隱伏礦體是有效方法。該方法投資小，儀器輕便、功率大，施工簡單，資料處理解釋方便快捷，工作效率高，信息量大，多解性少；同時對低阻地質(zhì)體反映靈敏（分辯率高），能清晰、直觀地顯示探測目標埋藏的相對位置，橫縱分辯率高，不受高阻層屏蔽的影響，能克服低阻覆蓋層的制約，對低阻也有較強的穿透能力。該方法是老礦山勘探中發(fā)展前景良好的物探手段之一。

［1］ 李金銘．地電場與電法勘探［M］．北京：地質(zhì)出版社，2005．

［2］ 張勝業(yè)，潘玉玲．應用地球物理學原理［M］．武漢：中國地質(zhì)大學出版社，2004．

［3］ 牛之璉．時間域電磁法原理［M］．長沙：中南大學出版社，2007．

［4］ 王華軍，梁慶九．瞬變電磁數(shù)據(jù)采集、解釋軟件系統(tǒng)研制［J］．工程地球物理學報，2005，2（6）：425-430．

［5］ 杜木民，李玉寶．井下瞬變電磁探水技術初探［J］．河北煤炭，2006（3）：1-3．

［6］ 陰建康，閆述，陳明生．瞬變電磁法小發(fā)射回線探測裝置及其應用［J］．煤田地質(zhì)與勘探，2007，35（3）：66-68．

［7］ 王亞飛，陳振清，汪小祥，等．福建省尤溪縣丁家山礦區(qū)3-29線鉛鋅礦2012年資源儲量核實報告［R］．尤溪：福建金東礦業(yè)股份有限公司．2012．

［8］ 伍開留，梁昌闊，楊志成，等．福建省尤溪縣梅仙礦區(qū)復電阻率（CR）法勘探成果報告［R］．合肥：安徽省勘查技術院電法技術研究所．2008．

Application of transient electromagnetic method to underground ore prospecting in a Pb Zn mine in Fujian province

ZHONG Hua1，ZHONG Rushi2，LIU Hehua1，CHEN Zhenning1，LIU Shenheng1
（1．East China Non-ferrous-metal Exploration and Development Bureau，Nanjing 210000，China；2．Jiangsu brigade of geological prospecting center of China building materials industry，Nanjing 211135，China）

The periphery and to depth of the old mines are the key points for ore prospecting breakthrough at present and in the future．A Pb-Zn mine in Fujian province is an example where TEM（Transient Electromagnetic Method）with small coils and big current is carried out in the tunnels to achieve resistivity anomaly．The anomly is checked by tunnel drilling with good results thus TEM is an effective method for ore prospecting in the old mines．

TEM（Transient Electromagnetic Method）；old mine；prospecting；Fuijian province

P631．3；P618．4

： A

10．6053／j．issn．1001-1412．2014．01．017

2013-07-19； 責任編輯： 趙慶

鐘華（1963 ），男，高級工程師，主要從事地球物理探礦工作。通信地址：江蘇省南京市石門坎102號華鑫大廈102號501室；郵政編碼：212000；E-mail：407938774＠qq．com