綜合物探方法在鐵礦采空區(qū)勘查中的應(yīng)用

時(shí)彥芳，朱釗銳，李 波

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，濟(jì)南 250014）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，人口稠密地區(qū)土地資源越來越成為一種稀缺資源，保護(hù)土地、保護(hù)環(huán)境已成為國家政策的重點(diǎn)。地下礦床開采后留下的采空區(qū)破壞了巖體原有的應(yīng)力平衡，極易產(chǎn)生地表塌陷、山體崩落等地質(zhì)災(zāi)害，威脅著人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全[1-2]。因此，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行綜合治理、保護(hù)礦山地質(zhì)環(huán)境既是國家環(huán)境保護(hù)政策的要求，也有著積極的現(xiàn)實(shí)意義[3-6]。

濟(jì)南市東部礦產(chǎn)資源（尤其是煤、粘土礦、鐵等地下開采的礦產(chǎn)資源）十分豐富，開發(fā)歷史悠久，礦山開采對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響較大，存在較多地質(zhì)環(huán)境問題。地下礦藏的開采形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的采空區(qū)，地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，造成了房屋裂縫、公路塌陷等經(jīng)濟(jì)損失，威脅著人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，現(xiàn)已成為影響城市東拓的重要社會(huì)問題，急需查清現(xiàn)狀并提出規(guī)劃對(duì)策[7-10]。

對(duì)采空區(qū)進(jìn)行地球物理探測具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，近年來國內(nèi)外許多專家學(xué)者已對(duì)鐵礦采空區(qū)形成規(guī)律及探測方法進(jìn)行了細(xì)致的研究[11-15]。李清望等以西石門鐵礦采空區(qū)為研究對(duì)象，分析了采空區(qū)的冒落規(guī)律[16]；朱德兵綜述了工程地球物理方法的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展，并具體討論了各領(lǐng)域中存在的問題[17]；童力元等具體探討了高速公路下伏采空區(qū)的探測及處理方法[18]；李書華等采用高精度磁測、大地電磁層析法對(duì)鐵礦采空異常進(jìn)行了分析[19]；周楠楠等依據(jù)高精度磁測、瞬變電磁法對(duì)鐵礦采空區(qū)的綜合地球物理特征進(jìn)行了研究，劃分了采空區(qū)位置，與實(shí)際地質(zhì)資料吻合較好[20]；謝順勝等通過對(duì)海南石碌鐵礦區(qū)重磁異常特征分析，總結(jié)了該礦區(qū)重磁異常特征與礦體的關(guān)系，探索了重磁方法找礦的有效性[21]。

本文通過實(shí)例，討論了高精度磁測、高密度電法、CSAMT法綜合應(yīng)用對(duì)濟(jì)南東部鐵礦采空區(qū)的探測效果[22-26]。由于鐵礦采空區(qū)具有磁異常特性，野外工作中先進(jìn)行了面積性磁測，然后在圈定的磁異常區(qū)域內(nèi)進(jìn)行重點(diǎn)探測。120 m深度范圍內(nèi)采用了高密度電法，100～200 m深度范圍內(nèi)采用了CSAMT法，取得了較明顯的地質(zhì)效果，為后期對(duì)采空區(qū)的綜合治理提供了第一手資料。

1 工區(qū)概況

1.1 地層

工作區(qū)位于濟(jì)南市高新區(qū)，出露地層為奧陶系和第四系（圖1），現(xiàn)分述如下：

1）奧陶系（O）：奧陶系整合于寒武系三山子組地層之上，主要分布于北部的丘陵區(qū)，巖性是一套淺海-濱海相的碳酸鹽巖石。其中，五陽山灰?guī)r段（OW）為灰-深灰色厚層云斑巖、生屑微晶灰?guī)r，夾含燧石結(jié)核灰?guī)r、細(xì)晶白云巖及古喀斯物角礫巖，厚度118～369 m；閣莊白云巖段（OG）為黃灰色中厚層泥晶灰質(zhì)白云巖及(角礫狀)中細(xì)晶白云巖，厚度24～142 m；八陡灰?guī)r段（OBd）為深灰色厚層粉屑灰?guī)r、微晶灰?guī)r，上部夾灰黃色白云巖，厚度59～189 m。

2）第四系（Q）：本地區(qū)第四系地層分布廣泛，主要分布于山前傾斜平原地帶，厚度由南向北逐漸增加，最厚處約為100 m。巖性主要為粘土、沙質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、中粗砂及砂礫石等。

1.2 巖漿巖

濟(jì)南巖體具有明顯的多期侵入性，根據(jù)巖體互相穿插關(guān)系、巖石特征及空間分布，大致可分為3期。

第1期：巖性為輝石閃長巖橄欖蘇長巖，含橄蘇長輝長巖、橄欖輝長巖等是本區(qū)巖體的主體，大面積分布在濟(jì)南市北部。巖體呈東西向分布，宏觀上巖體北西方向厚，東南方向薄。巖體的南緣東西方向厚度變化較大，劉長山以西至小金莊一帶，巖體與奧陶系灰?guī)r接觸面很陡，厚度較大。劉長山以東至王舍人莊一帶巖漿巖多呈舌狀順層侵入奧陶系灰?guī)r中，厚度較薄。

第2期：巖性為似斑狀閃長巖，主要分布在第1期巖體的接觸帶附近，與主巖體呈侵入接觸。但有的地段接觸界線不甚清楚。

第3期：多呈小侵入體或巖脈，穿插在第1期巖體之中。其中二長巖脈除分布在主巖體之中外，還常分布在主巖體的接觸帶上。

圖1 工作區(qū)地質(zhì)概圖

根據(jù)分析，巖漿多沿角礫狀泥灰?guī)r侵入，呈復(fù)雜的似層狀，巖體底部較平，頂部切穿不同層位，并且有的地方具有多層產(chǎn)出的特征。

2 地球物理特征

2.1 巖石磁性特性

工區(qū)內(nèi)基巖為灰?guī)r、大理巖和閃長巖侵入體，礦體為磁鐵礦，巖石磁性差異較大。沉積巖一般為無磁-微弱磁性，在沉積巖區(qū)多形成平靜的低負(fù)磁場。變閃長巖類雜巖體磁性較強(qiáng)，磁場強(qiáng)度為650～3 100（單位為 10?3A/m，下同）。中生代侵入巖磁性依照花崗質(zhì)-閃長質(zhì)-鎂鐵質(zhì)的順序逐步增強(qiáng)，磁場強(qiáng)度一般為n×100～n×1 000，閃長巖磁場強(qiáng)度平均值為2 570，剩余磁化強(qiáng)度較高。磁鐵礦為強(qiáng)磁體，磁場強(qiáng)度達(dá)10 000～30 000。這些巖石分布區(qū)多形成局部磁異常或使磁場升高。

2.2 巖石電性特征

寒武、奧陶系灰?guī)r類、輝長巖、閃長巖具高阻特征、電阻率達(dá)5 000 Ω·m以上；第四系為低阻層，電阻率僅為幾十歐姆米。基巖風(fēng)化和斷裂破碎會(huì)大大降低原巖層的電阻率，磁鐵礦化及采空塌陷充水會(huì)引起明顯的局部低阻異常。若采空區(qū)尚未塌陷且位于潛水面以上，則會(huì)引起局部高阻異常。

綜上，在該區(qū)進(jìn)行高精度磁測、高密度電法和CSAMT法勘查地層具備良好的地球物理前提條件。

3 野外工作方法

勘查工作采用高精度磁測、高密度電法、CSAMT法。首先在工區(qū)內(nèi)進(jìn)行磁測掃面，圈定的磁異常區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)勘查的重點(diǎn)區(qū)域，然后在圈定的范圍內(nèi)布設(shè)高密度測線和CSAMT測線。

高精度磁測使用北京大地地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的PM-2型質(zhì)子磁力儀2臺(tái)，1臺(tái)日變站觀測，1臺(tái)測點(diǎn)觀測。在野外生產(chǎn)開始前和結(jié)束后，分別對(duì)儀器的穩(wěn)定性、2臺(tái)儀器的一致性進(jìn)行了測定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明儀器工作性能良好，儀器的噪聲水平、穩(wěn)定性參數(shù)符合出廠時(shí)儀器的性能參數(shù)要求?？辈楣ぷ鞑捎酶呔却艤y網(wǎng)20 m×20 m，根據(jù)場地實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。

CSAMT數(shù)據(jù)采集儀器為V8電法工作站，軸向偶極-偶極裝置。發(fā)射偶極AB=2 km，測線點(diǎn)距為20 m，線距40 m。

高密度電法使用儀器為重慶奔騰數(shù)碼研究所生產(chǎn)的WGMD-9超級(jí)高密度電法系統(tǒng)，溫納裝置，點(diǎn)距為5 m。

4 試驗(yàn)剖面測試

為保證采用工作方法的有效性，同時(shí)確定采空區(qū)標(biāo)識(shí)，本次工作選擇了已知采空區(qū)位置進(jìn)行測量，以探查采空區(qū)在斷面圖上的反映特征。

4.1 磁測工作

做高磁測量的目的有三：一是推斷基巖巖性，二是推斷斷裂構(gòu)造，三是推斷鐵礦并結(jié)合其他資料（高密度電法、CSAMT）判斷是否采空、塌陷。

圖2是做了T0=52 000 nT區(qū)域場（背景場）改正后的△T異常圖。從圖2可見，整個(gè)工區(qū)的磁場是北東部低，其他部位高。磁異常高值區(qū)（△T＞0）并未連成一片，而是分為枝杈或橢圓狀的若干塊（單點(diǎn)高值異常略）。工區(qū)中部高值區(qū)推測為鐵礦影響區(qū)，采礦塌陷坑位于異常中心；低值區(qū)（△T＜0）相對(duì)平穩(wěn)、連續(xù)。

結(jié)合區(qū)域磁場特征和工區(qū)所處的地質(zhì)環(huán)境，推斷正磁場區(qū)基巖為燕山期閃長巖；負(fù)磁場區(qū)基巖為奧陶系馬家溝群灰?guī)r。根據(jù)磁異常特征推斷了閃長巖和灰?guī)r的分布界線位于△T=600 nT附近。

火成巖巖體整體為一巖株，邊部多有枝杈侵入圍巖中，巖體內(nèi)亦常見灰?guī)r捕虜體。該工區(qū)位于火成巖巖體之東頓丘巖體邊緣，區(qū)內(nèi)的閃長巖順層侵入于奧陶系灰?guī)r中，厚度不大，可能為幾米至幾十米，深部可能相連?？梢姡斑吽f“基巖為閃長巖”只是相對(duì)而言，意為“不深處有閃長巖體存在”，不排除在閃長巖之上還有薄厚灰?guī)r。

工區(qū)中部有一橢圓狀高值異常，異常中心現(xiàn)場已塌陷成坑，△T強(qiáng)度大于1 500 nT，范圍250 m×200 m，結(jié)合地質(zhì)資料推斷為磁鐵礦化引起，為本次采空區(qū)勘查的重點(diǎn)區(qū)域。

4.2 CSAMT已知剖面測量

圖3為勘探區(qū)CSAMT法L4線視電阻率斷面圖，斷面縱向上視電阻率等值線層狀形態(tài)明顯，自地表至深部呈逐步增大趨勢，為淺部第四系、深部基巖電性特征反映。橫向上視電阻率曲線呈近似平行分布，顯示為電性層層狀特點(diǎn)。

結(jié)合地質(zhì)資料，通過綜合分析認(rèn)為：L4線第四系厚度25 m左右。閃長巖自南向北侵入至水平位置250 m處，且向北逐漸變薄覆蓋在灰?guī)r之上。侵入界面處巖石破碎程度較高，在視電阻率等值線斷面圖上表現(xiàn)為相對(duì)低阻。

前期收集到鉆孔ZK17位于水平位置240 m附近，51.6～57.0 m揭露采空區(qū)。

圖2 高精度磁測△T等值線平面圖

圖3 L4線CSAMT視電阻率等值線斷面圖

L4剖面水平位置170～250 m、深度50～60 m視電阻率等值線向下同向彎曲，形成低阻凹陷區(qū)，明顯低于正常地層，結(jié)合地質(zhì)資料推測為采空影響區(qū)。與前期掌握的地質(zhì)資料基本一致。

4.3 高密度電法已知剖面測量

G2線東西向布設(shè)，剖面長度450 m（圖4）。前期在水平位置200 m、300 m附近已施工兩鉆孔(編號(hào)ZK23、ZK25)，揭露采空區(qū)深度分別為55.6 m、45.2 m。

結(jié)合地質(zhì)資料，通過綜合分析認(rèn)為：G2號(hào)測線經(jīng)過區(qū)域第四系厚度為20 m左右。在剖面水平位置190～210 m、深度50～60 m處視電阻率值較低，小于50 Ω·m，等值線明顯向下彎曲，呈“U”型低阻異常，推測為采空影響區(qū)。在剖面水平位置290～310 m、350～365 m視電阻率等值線呈高值閉合圈，電阻率值大于135 Ω·m，推測為巷道引起，未發(fā)生明顯的坍塌充水現(xiàn)象。物探推測結(jié)果與前期掌握的地質(zhì)資料基本一致。

5 推測采空區(qū)異常的分布特點(diǎn)與后期驗(yàn)證情況

根據(jù)收集到的地質(zhì)資料結(jié)合布設(shè)的已知剖面可知，鐵礦采空區(qū)主要分布在閃長巖侵入灰?guī)r接觸面附近。深部采空區(qū)在CSAMT視電阻率等值線斷面圖上全部表現(xiàn)為低阻異常，明顯低于正常地層。淺部采空區(qū)視空腔完整性及充水性表現(xiàn)為高阻或低阻異常，采空區(qū)破碎坍塌或在水位之下則表現(xiàn)為低阻異常；采空區(qū)較完整且在水位之上則表現(xiàn)為高阻異常。我們依據(jù)這一特征推測了場地內(nèi)的采空區(qū)分布范圍及深度。后期布設(shè)了鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，與物探推斷結(jié)果基本一致。驗(yàn)證孔編號(hào)為KS3，柱狀圖見圖5。

圖4 G2線視電阻率等值線斷面圖

推測采空影響區(qū)主要分為6部分，塌陷坑周圍為最大的采空影響區(qū)（編號(hào)為Ⅰ），其余推測采空區(qū)規(guī)模較?。ň幪?hào)為Ⅱ-Ⅵ）（圖 6）。

圖5 KS3鉆孔柱狀圖

Ⅰ號(hào)采空影響區(qū)近似橢圓形，南北長約190 m，東西寬約130 m。淺部采空頂板埋深30～75 m，厚度15 m左右。深部采空區(qū)位于L4剖面水平位置210～260 m、L5剖面水平位置110～150 m附近，頂板埋深130～140 m，厚度10 m左右。Ⅱ-Ⅵ采空影響區(qū)規(guī)模很小，其中，Ⅱ號(hào)采空影響區(qū)范圍稍大，為長約60 m、寬約40 m近似橢圓形，采空頂板埋深55～65 m，厚度10 m左右。

6 結(jié)論

本文根據(jù)濟(jì)南東部鐵礦采空區(qū)勘探實(shí)例，討論了高精度磁測、高密度電法和CSAMT勘探實(shí)際應(yīng)用效果。結(jié)果表明，在鐵礦采空區(qū)勘查工作中，3種方法相互結(jié)合可以有效地識(shí)別采空區(qū)的分布特征。

1）閃長巖風(fēng)化破碎后視電阻率值降低，與灰?guī)r電性差異變小，致使高密度電法和CSAMT方法對(duì)閃長巖侵入界面分辨度降低。在實(shí)際工作中，可以借助高精度磁測和界面處巖石較破碎、視電阻率值較低的特點(diǎn)進(jìn)行劃分。

2）鐵礦采空區(qū)具有高磁性（與背景值相比）、低電阻率值（水位下）特征，高精度磁測與電法相結(jié)合，可以較準(zhǔn)確地圈定采空區(qū)的分布范圍。

3）使用CSAMT法和高密度電法探測采空區(qū)，選擇合理的技術(shù)參數(shù)，獲取可靠的測量數(shù)據(jù)，其視電阻率等值線斷面圖異常形態(tài)基本與實(shí)際采空區(qū)形態(tài)一致，但精確地圈定采空區(qū)的形態(tài)及位置還存在困難。

圖6 物探成果圖（附實(shí)際材料）

4）由于鐵礦開采后磁異常減弱，在實(shí)際勘探工作中尤其要注意蝕變帶附近磁異常數(shù)值相對(duì)偏低處。