高密度電法和等值反磁通瞬變電磁法在臨武縣礦區(qū)采空區(qū)勘查中的應(yīng)用

何 禹，黎 雨

（湖南省地質(zhì)調(diào)查院，湖南 長(zhǎng)沙 410116）

臨武縣大理石資源儲(chǔ)量豐富，通過(guò)深精加工大力發(fā)展碳酸鈣新材料產(chǎn)業(yè)，并且引進(jìn)碳酸鈣的下游產(chǎn)業(yè)，形成新的產(chǎn)業(yè)集群，打造臨武新的支柱產(chǎn)業(yè)，能夠給當(dāng)?shù)鼐用裨黾邮杖?，提供大量就業(yè)機(jī)會(huì)，增加地方政府財(cái)政收入，是當(dāng)?shù)乇３纸?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定的迫切需要。為此，臨武縣制定了《碳酸鈣產(chǎn)業(yè)發(fā)展五年行動(dòng)計(jì)劃（2017-2021年）》，大力推進(jìn)碳酸鈣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，計(jì)劃建成碳酸鈣深精加工區(qū)和關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)區(qū)，建立國(guó)家或省級(jí)高新技術(shù)企業(yè)及技術(shù)研發(fā)平臺(tái)，打造產(chǎn)值過(guò)百億、利稅過(guò)30億、工程建設(shè)就業(yè)1萬(wàn)人以上的碳酸鈣產(chǎn)業(yè)基地。在全縣范圍內(nèi)選取碳酸鈣深精加工項(xiàng)目（一期），進(jìn)行碳酸鈣深精加工項(xiàng)目（一期）建設(shè)。

此項(xiàng)建設(shè)過(guò)程中存在一條公路為貫穿礦區(qū)與礦區(qū)鐵路之間的主道（工業(yè)大道）。在工業(yè)大道建設(shè)過(guò)程中，從地表發(fā)現(xiàn)一處巷道入口，巷道內(nèi)大部被充填。查明巷道下方采空區(qū)的分布范圍及埋藏深度，將是前期公路設(shè)計(jì)、治理的重要依據(jù)。

1 地質(zhì)、水文地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

臨武地處南嶺山脈東段北麓地帶，境內(nèi)山系縱橫，溪河交織，形成了北西高、南東低的地勢(shì)輪廓。以西山及東山為分水嶺，南北分屬珠江水系和湘江水系，北西部隨湘江水系向北傾斜；東南部為臨武白堊系紅層盆地，珠江水系貫穿其中；北東部及西部分別為桃竹山、東山、西山山地，東、西山北麓河流呈樹(shù)枝狀匯入湘江。境內(nèi)海拔1000m以上的山峰有120余座，最高點(diǎn)為西山主峰天頭嶺，海拔1712m，最低點(diǎn)為五塘沖，海拔206m，相對(duì)高差1506m，地勢(shì)高低起伏，山體層巒疊嶂，聳立綿亙，地勢(shì)變化多姿。按中國(guó)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZBD14001-89分類，境內(nèi)分為構(gòu)造侵蝕堆積平原、構(gòu)造剝蝕丘陵、構(gòu)造侵蝕中～低山三個(gè)地貌類型。

1.2 地質(zhì)概況

勘查區(qū)內(nèi)地層僅出露二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P2l）。

二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P2l）：廣泛分布于評(píng)估區(qū)，巖性為薄～中層狀石英砂巖、砂巖、泥巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖及礦層。出露厚度225m～381m。評(píng)估區(qū)內(nèi)揭露的巖性主要為砂巖、泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖夾礦層，巖層傾向一般115°～140°，傾角一般25° ～45°。

勘查區(qū)內(nèi)無(wú)巖漿巖分布。

2 在采空區(qū)勘查中的應(yīng)用

2.1 方法、技術(shù)

本次勘查，主要采用高密度電法、等值反磁通瞬變電磁法輔進(jìn)行勘探。

2.1.1 高密度電法

高密度電法（electrical resistivity imaging,簡(jiǎn)稱ERI）起源于20世紀(jì)70年代末期的陳列電法探測(cè)思想，英國(guó)學(xué)者Johansson博士設(shè)計(jì)的電測(cè)深系統(tǒng)實(shí)際上就是高密度是最初模式[1]。

圖1 11線高密度電法反演斷面圖

高密度電法是基于垂直電流電測(cè)深與電測(cè)斷面法兩個(gè)基本原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)高密度電法測(cè)量系統(tǒng)中的軟件，控制著在同一條多芯電纜上布置多個(gè)電極，使其自動(dòng)組成多個(gè)垂向測(cè)深點(diǎn)或多個(gè)沒(méi)深度的探測(cè)斷面，根據(jù)控制系統(tǒng)的探測(cè)裝置類型，對(duì)電極進(jìn)行相應(yīng)的排列組合，按照測(cè)深點(diǎn)位置的排列順序或探測(cè)斷面的深度順序，逐點(diǎn)或逐層探測(cè)，實(shí)現(xiàn)供電和測(cè)量電極的自動(dòng)布點(diǎn)、自動(dòng)跑極、自動(dòng)供電、自動(dòng)觀測(cè)、自動(dòng)記錄、自動(dòng)計(jì)算、自動(dòng)存儲(chǔ)。通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸軟件將探測(cè)系統(tǒng)中存儲(chǔ)的探測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)入計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理后，可自動(dòng)生成各測(cè)深點(diǎn)曲線及各斷面層或整體地電斷面的圖像[2]。

本次高密度電法采用的電極距為5m的溫納裝置進(jìn)行測(cè)量。

2.1.2 等值反磁通瞬變電磁法

目前瞬變電磁法大多采用的是單扎或多扎感應(yīng)線圈測(cè)量磁場(chǎng)的變化率，在發(fā)射電流關(guān)斷時(shí)，接收線圈本身產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使得一次場(chǎng)磁通量不為零，并疊加在地下渦流場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之上，因而造成瞬變電磁實(shí)測(cè)早期信號(hào)失真，從而影響淺部勘探的精度，形成探測(cè)盲區(qū)[3，4]。等值反磁通瞬變電磁法（OCTEM）就是基于怎么消除關(guān)斷前后接收線圈中的一次場(chǎng)磁通量中本身產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)這一思路提出來(lái)的。

等值反磁通瞬變電磁法與傳統(tǒng)瞬變電磁法原理相同，與傳統(tǒng)瞬變電磁法的裝置不同是，OCTEM以2個(gè)相同線圈通以反向電流時(shí)產(chǎn)生等值反向磁通的規(guī)律為理論依據(jù)，采用上、下2個(gè)大小相同，平行共軸的線圈，分別向其通以大小相等、方向相反的電流作為發(fā)射源，在雙線圈合成的一次場(chǎng)零磁通的平面上接收地下二次場(chǎng)，測(cè)量對(duì)地中收耦合的純二次場(chǎng)。從而可根據(jù)接收到的二次磁場(chǎng)隨時(shí)間的衰減規(guī)律獲得地下介質(zhì)地電信息[5]。

本次數(shù)據(jù)采集參數(shù)為：電源電壓12V，發(fā)送機(jī)電流8.5A，發(fā)送頻率6.25Hz，關(guān)斷時(shí)間0.04ms，疊加周期為400次。

2.2 采空區(qū)勘查

垂直巷道入口方向共完成了3條瞬變電磁法剖面和1條高密度電法剖面。11線高密度電法反演斷面圖如圖1所示。

通過(guò)分析11線高密度電法反演斷面圖，地表由于存在水洼、煤渣等電性不均勻體的存在，局部存在高阻、或低阻。在10m～28m埋深在10m～13m之間存在一個(gè)橢圓形低阻異常。由于礦區(qū)采空區(qū)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定后，里面被水所充填，在高密度電法反演斷面圖上顯示為相對(duì)低阻，即推測(cè)此處在11線在水平位置10m～28m，埋深在10m～13m處為采空區(qū)。

為了確定位于工業(yè)大道上采空區(qū)的分布，我們進(jìn)一步采用了點(diǎn)距為1m的瞬變電磁法對(duì)11線進(jìn)行了重復(fù)測(cè)量，并平行布置了12線和13線以得到采空區(qū)的空間分布范圍。11線、12線和13線的反演斷面圖如圖2所示。

瞬變電磁法二維反演斷面圖顯示11線在水平位置10m～28m，深度10m～13m之間存在橢圓形低阻異常；13線在水平位置15m～20m，深度10m～13m之間存在橢圓形低阻異常；12線在水平位置5m～20m，深度10m～13m之間存在長(zhǎng)條形低阻異常，推測(cè)在11線的10m～28m、13線的15m～20m、12線的5m～20m，深度在10m～13m之間為采空區(qū)，后期鉆探驗(yàn)證與物探推測(cè)吻合。

圖2 11線、12線和13線瞬變電磁法二維反演斷面圖

3 結(jié)論

通過(guò)上述高密度電法和瞬變電磁法在采空區(qū)勘查實(shí)例分析可以得出如下結(jié)論：

（1）在物探方法中，高密度電法集成了電測(cè)深法與聯(lián)合剖面法的特點(diǎn)，比常規(guī)電法采集更便捷，自動(dòng)化程度更好。所成等值線圖通過(guò)和地質(zhì)結(jié)合，能更直觀的獲得地下一定深度的地電異常分布。

（2）當(dāng)?shù)V層被開(kāi)采達(dá)到穩(wěn)定后，采空區(qū)被水充填，其與圍巖之間的電性差異明顯，但采空區(qū)地表不均勻體干擾嚴(yán)重且采空區(qū)一般地形條件復(fù)雜，對(duì)異常的解釋?xiě)?yīng)多種方法結(jié)合解釋，相互驗(yàn)證。

（3）等值反磁通瞬變電磁法作為一種新的技術(shù)方法，具有較強(qiáng)的抗干擾能力、縱向分辨率較高、靈敏度、信噪比。

（4）在復(fù)雜礦區(qū)，高密度電法的勘探深度對(duì)于埋深小于100m的采空區(qū)效果較好，但是對(duì)于埋深超過(guò)100m的采空區(qū)進(jìn)行勘探，應(yīng)采用瞬變電磁法進(jìn)行補(bǔ)充勘查。