地球物理勘查在耐火粘土礦采空區(qū)勘查中的應(yīng)用

時曉東,付 帥,孔風閣

(1.濟寧市地源礦產(chǎn)資源開發(fā)有限公司,山東 濟寧 272000;2.鄒城市土地儲備和規(guī)劃事務(wù)中心,山東 濟寧 273500)

0 引言

地球物理勘探技術(shù)是礦產(chǎn)資源勘查中不可或缺的一種方法。地球物理勘探技術(shù)是指利用地球物理學的知識和方法,對地下、地表和大氣中的物理參數(shù)進行定性和定量測定,以揭示地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化的一種探測手段。通過對地球內(nèi)部物理性質(zhì)的探測和分析,為地質(zhì)勘探提供重要的數(shù)據(jù)和信息。國內(nèi)學者對此進行了大量的研究,例如,王俊等[1]采用瞬變電磁探測技術(shù),對露天煤礦采空區(qū)進行了勘查,取得了比較理想的解譯成果,具有較高的準確性,為露天礦安全生產(chǎn)提供了保障;岳鵬等[2]利用綜合物探技術(shù),對煤礦積水采空區(qū)進行了勘查,研究證明了運用瞬變電磁法與三維地震相結(jié)合的綜合勘探方法可以充分發(fā)揮各自方法的優(yōu)勢,同時彌補其中一種方法的不足,使勘探結(jié)果更為準確,成果解釋可信度大大提高。

鑒于此,本文在指定范圍內(nèi)(約0.13 km2)對河南省焦作市西張莊擬設(shè)礦區(qū)耐火粘土礦采空區(qū)項目進行了物探勘查工作。具體任務(wù)是通過高密度電法物探手段[3],基本查明工作區(qū)30 m深度內(nèi)的采空區(qū)分布情況及地層巖性、結(jié)構(gòu)等,為下一步儲量核實工作提供技術(shù)參考。

1 工程概況

1.1 研究區(qū)地層巖性

1.1.1 上馬家溝組(O2s)

出露于研究區(qū)邊界處。巖性以厚層狀石灰?guī)r、白云巖和泥灰?guī)r為主,根據(jù)巖性組合,可分為3段。下段(O2s1)：研究區(qū)西部及北部大石河谷底有零星出露,據(jù)區(qū)域資料可知,地層厚度40.0～70.0 m,一般53.0 m,鉆孔最大揭露厚度42.9 m。巖性下部為薄層狀泥質(zhì)白云巖、泥灰?guī)r、角礫狀泥灰?guī)r互層;中部為灰黑色角礫狀泥灰?guī)r、紋層狀粉晶白云巖為主,夾薄層泥灰?guī)r;上部為灰色-深灰色礫屑白云巖、厚層白云巖和灰質(zhì)白云巖。中段(O2s2)：研究區(qū)西部大面積出露,地層厚度38.0～82.2 m,一般69.6 m。根據(jù)巖性特征,自下而上分可分7個巖性層。上段(O2s3)：分布于上馬家溝組中段之上,一般位于山頂。地層厚度30.7～51.4 m,平均38.9 m。巖性下部為灰色厚層狀白云巖或白云質(zhì)灰?guī)r夾深灰色灰?guī)r,易風化,常形成緩坡地貌;中部為白云巖、灰質(zhì)白云巖夾深灰色薄層灰?guī)r,地貌上常形成階梯狀陡坎;上部為深灰色厚層狀灰?guī)r,地貌上形成陡坎。

1.1.2 峰峰組(O2f)

出露研究區(qū)周邊山頂部位。下部為角礫狀泥灰質(zhì)白云巖,上部為中厚層狀白云巖,夾深灰色灰?guī)r,地層厚度36.3～66.7 m,平均厚度50.3 m,與下伏上馬家溝組整合接觸。

1.1.3 本溪組(C2b)

多出露于山頂和采坑處。地層厚度4.3～33.9 m,平均厚度17.9 m。巖性以雜色泥巖為主,中部粉砂巖、泥巖薄層,含黃鐵礦結(jié)核及散晶,下部灰色鋁土質(zhì)泥巖。與下伏上馬家溝組地層呈平行且不整合接觸。

1.1.4 太原組(C2t)

廣泛出露于研究區(qū),巖性主要為太原組下段的深灰色石灰?guī)r,局部夾薄層砂質(zhì)泥巖和泥巖。灰?guī)r一般厚24 m,含生物碎屑和燧石團塊。與下伏本溪組地層呈整合接觸。

1.1.5 第四系(Q)

分布于溝谷和山坡地帶,地層厚度0～10.0 m。溝谷中由近代河床堆積和沖、洪積砂礫石組成;山坡地帶主要由黃土、粘土、亞粘土夾少量砂礫石。

1.2 地球物理特征

地球物理勘探方法實質(zhì)是通過研究大地物理場的變化(物性差異)特征,借以解決一些地質(zhì)、水文地質(zhì)問題[4-7]。根據(jù)區(qū)域資料及本次測量結(jié)果,地層巖性與地層電阻率的近似對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 研究區(qū)地層電性參數(shù)

研究區(qū)內(nèi)表層第四系(Q)地層巖性為黃土、粘土、亞粘土夾少量砂礫石,電阻率值一般為10～70 Ω·m,呈低阻特征;上部石炭系太原組(C2t)地層巖性為深灰色石灰?guī)r,局部夾薄層砂質(zhì)泥巖和泥巖,電阻率值一般為100～300 Ω·m,呈中高阻特征;中部石炭系本溪組(C2b)巖性為泥巖、粉砂巖、粘土巖等,電阻率值一般為35～100 Ω·m,呈中低阻特征;下部奧陶系峰峰組(O2f)地層巖性為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r等,電阻率值一般為300～2 000 Ω·m,呈高阻特征。該區(qū)正常地層在橫向視電阻率等值線上應(yīng)變化不明顯或較為平滑,但受采礦活動影響導致正常地層結(jié)構(gòu)被破壞,形成采空塌陷、裂縫或充填后就會破壞橫向上視電阻率等值線的連續(xù)性,使之出現(xiàn)扭曲、錯亂、凹陷或封閉狀態(tài)特征。

綜上所述,研究區(qū)內(nèi)地下介質(zhì)之間存在的電性差異為應(yīng)用高密度電法勘探提供了較好的地球物理前提。

2 高密度電法數(shù)據(jù)采集

2.1 工作參數(shù)選擇

高密度電法原理[8-10]如圖1所示。本次高密度電法測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單個排列使用120道電極,由于測線較長,為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性,采取重合60道電極滾動測量,重合的數(shù)據(jù)為19層,能夠滿足解釋需要[11-14]。

2.2 數(shù)據(jù)采集

野外工作中,先將120道電極按2 m極距沿測線一次性布設(shè)完成。然后通過多芯電纜連接到多路電極轉(zhuǎn)換器上,之后進行接地電阻檢查后,確定儀器各道傳輸信號正常后便開始測量。儀器根據(jù)裝置要求自動完成跑極,并將結(jié)果依次存入存儲器,采集完成后儀器界面可顯示視電阻率斷面。采用120道電極采集數(shù)據(jù)層數(shù)為38層,采集方式如圖2所示。每日野外工作前,首先對供電導線和測量導線進行絕緣性能檢查,采用GPS和實際地形圖進行定位布設(shè)測點。數(shù)據(jù)采集前檢測每個電極的接地電阻,保證接地電阻≤2 kΩ,對接地電阻較大的電極進行澆灌鹽水處理。

圖1 高密度電法原理Fig.1 Principles of high-density electrical method

圖2 高密度電法數(shù)據(jù)采集方式Fig.2 High-density electrical method data acquisition method

3 結(jié)果分析

3.1 物探數(shù)據(jù)分析

對物探數(shù)據(jù)進行了分析、解譯并確定了3個驗證鉆孔靶區(qū)。通過采空區(qū)驗證鉆孔(ZK-01和ZK-03)驗證,與物探解釋成果推斷的采空區(qū)位置及情況較為吻合;未采空驗證鉆孔(ZK-02)驗證,與物探解釋成果推斷的未采空情況較為吻合。在此基礎(chǔ)上進一步修正、完善了物探解譯成果。對6條高密度視電阻率等值線反演斷面圖中30 m以上深度的視電阻率異常特征進行分析解釋并推測采空區(qū)情況,用虛線圈出了低阻封閉圈、半封閉圈異常范圍或高阻、特高阻封閉圈、半封閉圈異常范圍并對其逐一編號,共有多處被推測為采空區(qū)的反映。

3.1.1 A-A′線綜合剖面圖分析

A線剖面長度350 m,方向63°,由1～176號電極組成,如圖3所示。該剖面整體視電阻率值較高,多大于300 Ω·m,電性變化具有明顯的規(guī)律性?？v向上電性分層特征明顯,分層輪廓清晰,從上至下視電阻率值由低到高,橫向上存在視電阻率等值線低值封閉半封閉圈異常,依據(jù)解釋原則該條測線共推測出采空區(qū)7處。

3.1.2 B-B′線綜合剖面圖分析

B線剖面長度344 m,方向61°,由1～173號電極組成,如圖4所示。該剖面整體視電阻率值較高,多大于300 Ω·m,電性變化具有明顯的規(guī)律性?？v向上電性分層特征明顯,分層輪廓清晰,從上至下視電阻率值由低到高,橫向上存在視電阻率等值線低值封閉半封閉圈異常,依據(jù)解釋原則該條測線共推測出采空區(qū)5處。從采空區(qū)驗證鉆孔(ZK-01)的巖芯編錄情況來看,0～10.7 m為石炭系石灰?guī)r,巖芯大都完整局部破碎,電性特征為高阻;10.7～28.5 m為石炭系鋁質(zhì)泥巖,巖芯大都破碎,為采空塌陷充填,電性特征表現(xiàn)為視電阻等值線彎曲,形成低阻封閉圈異常特征;28.5～34 m為奧陶系石灰?guī)r,具有溶洞(0.2～0.8 cm),巖芯較破碎,電性特征為高阻。與物探視電阻率等值線斷面圖電性特征和推測采空區(qū)結(jié)果較為吻合、一致。

3.1.3 C-C′線綜合剖面圖分析

C線剖面長度388 m,方向57°,由1～195號電極組成。該剖面整體視電阻率值較高,多大于300 Ω·m,電性變化具有明顯的規(guī)律性?？v向上電性分層特征明顯,分層輪廓清晰,從上至下視電阻率值由低到高,橫向上存在視電阻率等值線低值封閉半封閉圈異常,依據(jù)解釋原則該條測線共推測出采空區(qū)8處。從采空區(qū)驗證鉆孔(ZK-03)的巖芯編錄情況來看,0～20.1 m為石炭系石灰?guī)r,巖芯完整,電性特征為高阻;20.1～49.9 m為石炭系鋁質(zhì)泥巖,巖芯大都破碎,為采空塌陷充填,其中在29.2～30 m出現(xiàn)掉鉆情況,電性特征表現(xiàn)為視電阻等值線出現(xiàn)錯亂、彎曲,相對兩側(cè)圍巖形成凹陷的低阻異常特征;49.9～50.3 m為奧陶系石灰?guī)r,巖芯較破碎,電性特征為高阻。與物探視電阻率等值線斷面圖電性特征和推測采空區(qū)結(jié)果較為吻合、一致。

圖3 A-A′線高密度電法物探推斷綜合剖面Fig.3 Comprehensive profile of high density electrical method geophysical prospecting inference of A-A′ Line

3.1.4 D-D′線綜合剖面圖分析

D線剖面長度448 m,方向57°,由1～225號電極組成。該剖面整體視電阻率值較高,多大于300 Ω·m,電性變化具有明顯的規(guī)律性?？v向上電性分層特征明顯,分層輪廓清晰,從上至下視電阻率值由低到高,橫向上存在視電阻率等值線低值封閉半封閉圈異常,依據(jù)解釋原則該條測線共推測出采空區(qū)6處。從未采空驗證鉆孔(ZK-03)的巖芯編錄情況來看：0～3.5 m為上部風化帶,巖性為粉土、泥巖等;3.5～22.2 m為石炭系石灰?guī)r,巖芯較完整、具裂隙,電性特征為高阻;22.2～33.1 m為石炭系鋁質(zhì)泥巖,巖芯大都完整,局部破碎,電性特征為高阻;33.1～36 m為奧陶系石灰?guī)r,巖芯較破碎,電性特征為高阻。與物探視電阻率等值線斷面圖電性特征和推測未采空結(jié)果較為吻合、一致。

3.1.5 E-E′線綜合剖面圖分析

E線剖面長度268 m,方向54°,由1～135號電極組成。該剖面整體視電阻率值較高,多大于200 Ω·m,局部大于600 Ω·m,電性變化具有明顯的規(guī)律性?？v向上電性分層特征明顯,分層輪廓清晰,從上至下視電阻率值由低到高,橫向上存在視電阻率等值線低值封閉半封閉圈異常,依據(jù)解釋原則該條測線共推測出采空區(qū)7處。

3.1.6 F-F′線綜合剖面圖分析

F線剖面長度166 m,方向162°,由1～84號電極組成,如圖5所示。該剖面整體視電阻率值較高,多大于300 Ω·m,電性變化具有明顯的規(guī)律性?？v向上電性分層特征明顯,分層輪廓清晰,從上至下視電阻率值由低到高,橫向上存在視電阻率等值線低值封閉半封閉圈異常,依據(jù)解釋原則該條測線共推測出采空區(qū)3處。

①號推測采空區(qū)位于7～28號電極下部,標高范圍+413～+422 m,東西長約42 m,視電阻率等值線成低值半封閉圈異常,推測為塌陷充填采空區(qū),充填物推測為粘土巖。②號推測采空區(qū)位于31～45號電極下部,標高范圍+414～+421 m,東西長約28 m,視電阻率等值線成低值封閉、半封閉圈異常,推測為塌陷充填采空區(qū),充填物推測為粘土巖。③號推測采空區(qū)位于58～71號電極下部,標高范圍+415～+422 m,東西長約26 m,視電阻率等值線成低值封閉、半封閉圈異常,推測為塌陷充填采空區(qū),充填物推測為粘土巖。

圖4 B-B′線高密度電法物探推斷綜合剖面Fig.4 Comprehensive profile of high density electrical method geophysical prospecting inference of B-B′Line

3.2 物探推斷解釋采空區(qū)范圍平面圖分析

根據(jù)物探解譯成果,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料、鉆孔資料及現(xiàn)場調(diào)查訪問,將12條高密度電法剖面反演解釋、推斷劃定的56處采空區(qū)位置分別投影至平面圖上,做出了物探推斷解釋采空區(qū)范圍平面圖。采空區(qū)及塌陷影響范圍較廣,尤其是研究區(qū)的中部和東北部。自西南向東北依次編號,共圈定了5處采空區(qū)范圍。

Ⅰ區(qū)采空區(qū)范圍分布在研究區(qū)的西南部、C線和D線剖面的西部及L線剖面的大部,呈錐形狀西南-東北向展布。受其影響,造成地面不同程度塌陷及裂縫。該區(qū)域影響范圍最小,東西最長處為52 m,南北最長處為82 m,影響面積約為0.361 9萬m2。Ⅱ區(qū)采空區(qū)范圍分布在研究區(qū)的中部、C線和D線剖面的中部及K線剖面的北部、中部以及J線剖面的中部,呈近似手型散射狀展布。受其影響,造成地面不同程度塌陷及裂縫,在C線和K線剖面的交叉位置附近比較明顯。該區(qū)域影響范圍較大,東西最長處為175 m,南北最長處為143 m,影響面積約為1.440 4萬m2。Ⅲ區(qū)采空區(qū)范圍分布在研究區(qū)的中部和東部、C線、D線剖面的東部、E線剖面的中部和西部、H線和I線剖面的大部,呈西北-東南向不規(guī)則體展布。自西北向東南,采空區(qū)影響范圍逐漸變大。受其影響,造成地面不同程度塌陷及裂縫,在該區(qū)的北部及東部因采空造成的地面塌陷和裂縫特征尤為明顯。該區(qū)域影響范圍最大,東西最長處為169 m,近南北最長處為252 m,影響面積約為1.891 3萬m2。Ⅳ區(qū)采空區(qū)范圍分布在研究區(qū)的東北部、A線和B線剖面的西部及中部、J線剖面的北部及南部,呈不規(guī)則體展布。受其影響,造成地面不同程度塌陷及裂縫,在該區(qū)的A線和B線剖面西部及G線南部因采空造成的地面塌陷及裂縫特征尤為明顯。該區(qū)域影響范圍較大,東西最長處為134 m,南北最長處為78 m,影響面積約為1.385 4萬m2。Ⅴ區(qū)采空區(qū)范圍分布在研究區(qū)的東北部、A線剖面的東部及F線剖面的大部,呈“2”字形近南北向展布。受其影響,造成地面不同程度塌陷及裂縫,其中在F線F14號電極附近有一豎井。該區(qū)域影響范圍較小,東西最長處為67 m,南北最長處為113 m,影響面積約為0.400 5萬m2。

圖5 F-F′線高密度電法物探推斷綜合剖面Fig.5 Comprehensive profile of high density electrical method geophysical prospecting inference of F-F′ Line

通過以上分析及統(tǒng)計,推測研究區(qū)采空區(qū)范圍影響面積合計約為5.479 5萬m2。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)內(nèi)地層淺部主要為第四系粉土、粉質(zhì)粘土、砂(礫石)等,厚度較薄,下伏石炭系的粘土巖、砂巖、泥巖及灰?guī)r等,下部為奧陶系的灰?guī)r。

(2)根據(jù)物探解譯成果,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料、鉆孔資料及現(xiàn)場調(diào)查訪問,將12條高密度電法剖面反演解釋、推斷劃定的56處采空區(qū)位置分別投影至平面圖上,做出了物探推斷解釋采空區(qū)范圍平面圖,采空區(qū)影響范圍較廣,尤其是研究區(qū)的中部和東北部,影響程度較強。自西南向東北依次編號,共圈定了5處采空區(qū)范圍。推測研究區(qū)采空區(qū)范圍影響面積合計約為5.479 5萬m2。

(3)通過采空區(qū)驗證鉆孔(YZK01和YZK02)驗證,與物探解釋成果推斷的采空區(qū)位置及情況較為吻合;未采空驗證鉆孔(YZK03)驗證,與物探解釋成果推斷的未采空情況較為吻合。因此,根據(jù)鉆孔資料修正、完善的以上成果較為可信,可在采空區(qū)及儲量核實分析工作時參考使用。