瞬變電磁法在鐵礦采空區(qū)勘查中的應(yīng)用

李海波

摘? 要：鐵礦采空區(qū)的存在給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大隱患，選擇合適的物探方法探測(cè)采空區(qū)具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。瞬變電磁法觀測(cè)純二次場(chǎng)，具有對(duì)低阻反應(yīng)靈敏、橫向分辨力高、體積效應(yīng)小、異常響應(yīng)強(qiáng)、受旁側(cè)地質(zhì)體影響小等特點(diǎn)[3]。文章介紹了瞬變電磁法的基本原理、特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)例對(duì)瞬變電磁法在鐵礦采空區(qū)的探測(cè)效果進(jìn)行了分析、探討，總結(jié)了鐵礦采空區(qū)的地電響應(yīng)特征，為下一步鐵礦采空區(qū)探測(cè)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鐵礦采空區(qū);瞬變電磁法;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TD325? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）11-0165-03

Abstract： The existence of iron ore goaf has caused great hidden danger to the safety of people's life and property， so it is of great practical significance to select appropriate geophysical methods to detect the goaf. The observation of pure secondary field by transient electromagnetic method （TEM） has the advantages of sensitive response to low resistance， high lateral resolution， small volume effect， strong abnormal response and little influence by side geological bodies. In this paper， the basic principle and characteristics of transient electromagnetic method are introduced， the detection effect of transient electromagnetic method in iron ore goaf is analyzed and discussed according to an example， and the geoelectric response characteristics of iron ore goaf are summarized. it provides a theoretical basis for further detection of iron ore goaf.

Keywords： iron ore goaf; transient electromagnetic method （TEM）; exploration

前言

近年來，由于鐵礦采空區(qū)坍塌引發(fā)的一系列地質(zhì)災(zāi)害問題日益嚴(yán)重，安全事故頻發(fā)，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。鐵礦采空區(qū)治理刻不容緩。本文通過對(duì)瞬變電磁法的電性特征的分析，推斷了鐵礦采空區(qū)的空間分布，經(jīng)鉆探驗(yàn)證取得了較好的地質(zhì)成果。

1 地質(zhì)概況

1.1 地層

區(qū)域上地層由西向東分布，層位由老變新，主要出露地層為奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組（O21）、奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（O22）、第四系（Q）。局部受構(gòu)造及巖漿巖影響，地層產(chǎn)狀有所變化，現(xiàn)將各地層特征分述如下：

（1）奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組（O21）

上部為中厚層致密花斑灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，下部為灰色角礫狀灰?guī)r，該組地層分布于礦區(qū)中西部。

（2）奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（O22）

上部為灰褐色中層致密灰?guī)r和褐灰色薄層致密白云質(zhì)灰?guī)r互層，中部為灰色致密花斑灰?guī)r夾中層致密花斑狀白云質(zhì)灰?guī)r，含豐富的生物化石，下部為灰色中厚層角礫狀灰?guī)r，主要分布于礦區(qū)中東部。

（3）第四系（Q）

主要由黃土、粘土、亞粘土、砂質(zhì)及礫石層組成，大面積廣泛分布。

1.2 構(gòu)造及巖漿巖

探測(cè)區(qū)構(gòu)造以接觸帶構(gòu)造為主，奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r與燕山期閃長(zhǎng)巖呈接觸帶構(gòu)造存在，礦床主要產(chǎn)于接觸帶上。

探測(cè)區(qū)巖漿巖為燕山期晚期雜巖體，巖性主要為閃長(zhǎng)巖、其次為閃長(zhǎng)玢巖及正長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖等，巖漿巖侵入奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r中，在巖體與灰?guī)r接觸帶上常形成矽卡巖型磁鐵礦體。

探測(cè)區(qū)圍巖石變主要表現(xiàn)為碳酸鹽化、大理巖化、綠泥石化、矽卡巖化，隨各地段的構(gòu)造不同而形成差異。

2 地球物理特征

正常情況下，視電阻率值在橫向上基本變化不大，在縱向上由低到高的變化趨勢(shì)。淺部為第四系黃土、粘土、砂質(zhì)及礫石層等，視電阻率值高低不均，黃土、粘土富集的地方視電阻率較低，礫石富集的地方視電阻率相對(duì)較高。當(dāng)鐵礦石被采出形成采空區(qū)后，橫向上地層不連續(xù)，致使采空區(qū)與圍巖產(chǎn)生明顯的電性差異。如果采空區(qū)充水時(shí)，采空區(qū)相對(duì)圍巖呈現(xiàn)相對(duì)低電阻率特征，當(dāng)采空區(qū)沒有被破壞，采空區(qū)干燥，相對(duì)圍巖來說視電阻率值為無窮大，這些電性特征為瞬變電磁法探測(cè)采空區(qū)的理論依據(jù)。

3 方法原理及施工參數(shù)

瞬變電磁法（TEM）屬于時(shí)間域電磁感應(yīng)法，其基本原理就是電磁感應(yīng)定律。其基本工作方法是：利用在地面設(shè)置的發(fā)射一定波形的發(fā)射線圈產(chǎn)生的一次電磁場(chǎng)，在地下導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時(shí)間衰減。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場(chǎng)相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小，而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測(cè)量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征[1]。

時(shí)間域方法比較突出的優(yōu)點(diǎn)有以下方面：

（1）利用線圈觀測(cè)二次渦流場(chǎng)，能夠有效地消除噪聲干擾[4]。

（2）時(shí)域方法對(duì)于地質(zhì)體的分辨能力優(yōu)于頻域方法，施工過程中由于一次性布設(shè)不接地導(dǎo)線，施工方便、快捷。

（3）低阻覆蓋層對(duì)其的屏蔽小，勘探深度大。

（4）橫向分辨能力強(qiáng)。受旁側(cè)影響小。

在勘查區(qū)進(jìn)行了物性對(duì)比試驗(yàn)。選出了合理的施工參數(shù)：大定源裝置，發(fā)射線框280m×280m、發(fā)射頻率25Hz、電流14A。

4 資料處理與解釋流程

利用白登海教授的BETEM軟件進(jìn)行處理，將獲得的原始數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為反映含有地電信息的語(yǔ)言，在確保高信噪比的前提下，盡量保留原始資料的有效信息，最大限度提高縱、橫向分辨率，盡量改善異常的顯示效果，以期獲得豐富的地質(zhì)信息，確定以下的處理解釋流程如圖1：

結(jié)合勘查區(qū)的實(shí)際情況，在資料處理中重點(diǎn)進(jìn)行了以下工作：

（1）干擾處理

外界電磁場(chǎng)干擾是影響單點(diǎn)質(zhì)量的主要因素，結(jié)合原始記錄班報(bào)，分析是否存在隨機(jī)干擾或較穩(wěn)定干擾并加以處理。

（2）地形校正

當(dāng)存在山谷地形時(shí)，總的二次場(chǎng)由地質(zhì)異常和地形異常疊加而成（場(chǎng)在空間上的疊加性），總的疊加場(chǎng)會(huì)“放大”遠(yuǎn)離地表的地下地質(zhì)異常。如果異常在儀器的勘探深度范圍之內(nèi)，這對(duì)于分辨深部的異常更為有利。如果異常僅是接收器處存在，地形的影響都是局部的，因此單點(diǎn)處理未作地形校正。

（3）淺部低阻影響處理

個(gè)別測(cè)點(diǎn)受到近地表低阻體的IP效應(yīng)影響，出現(xiàn)“反號(hào)”現(xiàn)象。嚴(yán)重的測(cè)點(diǎn)在處理時(shí)予以剔除，其余的根據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則進(jìn)行了擬合處理。

（4）反演處理

結(jié)合已知的地層資料，建立正演模型，通過計(jì)算機(jī)對(duì)各個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)反演，使觀測(cè)資料與反演模型響應(yīng)相擬合。

5 典型斷面分析

5.1 瞬變電磁法1080線（視）電阻率斷面圖分析

從圖2可以看出，在淺部視電阻率值相對(duì)較高，推斷為地表碎石引起，縱向上視電阻率呈現(xiàn)低-高的變化特征，電性分層明顯，反映了第四系、奧陶系地層的電性特征。樁號(hào)1200～1240m段，視電阻率值相對(duì)較高，視電阻率等值線呈現(xiàn)高阻閉合圈異常特征[2]，說明巖層原始形態(tài)發(fā)生變化，推斷為鐵礦采空區(qū)引起的電性反映。在樁號(hào)1220m位置經(jīng)鉆孔驗(yàn)證：在標(biāo)高230m處出現(xiàn)掉鉆，為采空區(qū)，與物探解釋成果相符。

5.2 瞬變電磁法1140線（視）電阻率斷面圖分析

從圖3可以看出，在淺部視電阻率值相對(duì)較高，推斷為地表碎石引起，縱向上視電阻率呈現(xiàn)低-高的變化特征，電性分層明顯，反映了第四系、奧陶系地層的電性特征[2]。樁號(hào)1150～1200m段，視電阻率值相對(duì)較低，視電阻率等值線呈現(xiàn)向下彎曲異常，說明巖層原始形態(tài)發(fā)生變化，推斷為鐵礦采空區(qū)引起的電性反映。在樁號(hào)1180m位置經(jīng)鉆孔驗(yàn)證：在標(biāo)高235m處出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，為采空區(qū)，與物探解釋成果相符。

6 結(jié)論

（1）結(jié)合探測(cè)區(qū)已知地質(zhì)資料，查明了探測(cè)區(qū)鐵礦采空區(qū)的分布，取得了良好的地質(zhì)成果。

（2）瞬變電磁檢測(cè)主要是接收地下傳回的二次場(chǎng)的電磁信號(hào)，易受低阻層礦化帶的屏蔽及周圍空間不穩(wěn)定電磁干擾影響。在應(yīng)用時(shí)應(yīng)予以注意。

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