基于高密度電法及瞬變電磁法的礦區(qū)采空區(qū)探測技術(shù)

李路明，趙淑紅，郭 恒，劉歡歡

(1.山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊 261021； 2.長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安 710064；3.河南省煤炭科學研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

福山銅礦王家莊礦區(qū)位于福山區(qū)高疃鎮(zhèn)北部，區(qū)內(nèi)銅礦開采歷史悠久。銅礦開發(fā)始于1970年，至1983年3月底停止生產(chǎn)，期間為國民經(jīng)濟做出了較大貢獻，但是也相應(yīng)產(chǎn)生了一系列地質(zhì)環(huán)境問題，主要有：地下采空區(qū)、民采形成的不穩(wěn)定邊坡、廢石堆及尾礦庫松散堆積體等易引發(fā)地面塌陷、地裂縫、崩塌、泥(渣)石流等地質(zhì)災(zāi)害，對區(qū)內(nèi)的人民生命財產(chǎn)和生產(chǎn)活動安全構(gòu)成了極大威脅[1-2]；另外，采空塌陷、民采堆積廢石及尾礦占用和破壞了大量的土地資源，加劇了水土流失，嚴重影響了當?shù)氐牡刭|(zhì)地貌景觀。

1 地質(zhì)及地球物理特征

1.1 地層

治理區(qū)內(nèi)除分布少量第四系外，出露的地層為古元古界粉子山群變質(zhì)巖系中的巨屯組和崗崳組。

由上而下為：①崗崳組第二段(PtfG2)。主要為各種云母片巖，巖性單一，銅在該巖層中的平均豐度高于治理區(qū)外同段地層，礦化微弱。②崗崳組第一段(PtfG1)。主要為二云片巖夾透閃大理巖、透閃片巖或大理巖。透閃大理巖往往呈較大的透鏡體，沿走向、傾向皆有相變?yōu)榇罄韼r或透閃片巖的現(xiàn)象。③巨屯組第二段(PtfJ2)。以石墨大理巖為主，夾云母片巖、變粒巖，是治理區(qū)主要賦存礦體的層位。④巨屯組第一段(PtfJ1)。為黑云母片巖、變粒巖夾石墨大理巖、石墨透閃大理巖。

1.2 巖漿巖

治理區(qū)內(nèi)巖漿巖主要有閃長巖、石英閃長玢巖及少量的偉晶巖和石英等脈巖。①閃長巖(δ)：多充填于北西40°的扭裂中，呈脈狀，較規(guī)則，傾向北東，傾角較陡，一般在70°左右。主要分布于治理區(qū)中部勘探網(wǎng)基線附近，在治理區(qū)北部吳陽泉斷裂帶中也有少量分布，并具有不同程度的蝕變。②石英閃長玢巖(δομ)：主要呈脈狀充填于丁家夼斷裂、營咀西斷裂、吳陽泉斷裂帶中，其次呈巖床狀在上述斷裂的兩側(cè)順層或近順層侵入。與圍巖接觸無明顯的蝕變現(xiàn)象，但其本身具有輕微的蝕變。③偉晶巖脈(ρ)、石英脈(q)：治理區(qū)內(nèi)這兩類巖脈較常見，從產(chǎn)狀、礦化度等情況看，年代久的受到較強的鈉長石化，長石變?yōu)榻仭自颇福拾住野咨?。較新者為暗灰色，多含電氣石，以脈狀產(chǎn)出為主。

1.3 構(gòu)造

治理區(qū)位于吳陽泉斷裂上盤(南盤)、車家向斜南翼，其地質(zhì)構(gòu)造特征與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征基本相同。

(1)褶皺構(gòu)造。治理區(qū)內(nèi)主要有車家向斜，軸向近東西，軸部位于車家村附近，產(chǎn)狀平緩，車家向斜北翼被吳陽泉斷裂切割破壞而不完整。南翼由于受北東向斷裂和次級褶皺的影響，地層走向自西向東由北西漸變?yōu)榻鼥|西。

(2)斷裂構(gòu)造。①近東西向斷裂。吳陽泉斷裂位于治理區(qū)東北角，由兩個近乎平行的主斷面組成。斷裂面傾向南，傾角約70°，斷裂帶寬50～200 m，擠壓強烈，擠壓帶中扁豆體、葉理化、隱晶質(zhì)石墨帶極為發(fā)育。平行吳陽泉斷裂的次一級斷裂長200～300 m，傾向南或北皆有，擠壓特征明顯。②北西向斷裂。與北東向壓扭性斷裂近直交的北西40°～50°張扭性斷裂，在治理區(qū)內(nèi)發(fā)育，呈束狀出現(xiàn)，是與北東向構(gòu)造伴生的斷裂，多被閃長巖充填。次組斷裂構(gòu)造較平直，傾角50°～70°，以傾向北東者為主。斷裂貫穿治理區(qū)中部。③北東向壓扭性斷裂。在治理區(qū)內(nèi)主要有4條，由西向東為：營咀西斷裂、丁家夼斷裂、玉石山斷裂和東廳斷裂。丁家夼斷裂最大，走向北東30°～40°，傾向南東，傾角35°～70°。營咀西斷裂和東廳斷裂分別在治理區(qū)的西部和東部，對礦床影響較小。而丁家夼斷裂和玉石山斷裂橫貫治理區(qū)中部，對礦床破壞較大，特別是丁家夼斷裂，使上盤附近百余米巨屯組主要含礦帶缺失。

1.4 區(qū)域地球物理特征分析

工區(qū)屬位于吳陽泉斷裂上盤(南盤)，車家向斜南翼，多為古元古界粉子山群變質(zhì)巖，因不同巖性其電性特征均有一定差異，同種巖石因風化破碎，其電性特征亦發(fā)生變化。巖石完整區(qū)域的電阻率值較高。各巷道若被地下水填充，巖石破碎區(qū)域，地下水沿斷裂破碎帶運移，導(dǎo)致巖石的電阻率降低。因此該區(qū)采用高密度電法勘查尋找?guī)r石構(gòu)造破碎帶、不同電性巖石接觸界線，劃定地層不穩(wěn)定區(qū)域是可行的。

2 技術(shù)方法

2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法是在常規(guī)電法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型物探方法，以巖土介質(zhì)的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究人工建立的地下穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律以解決地下地質(zhì)問題[3-4]。其原理與普通電阻率法相同，所不同的是在觀測中設(shè)置了高密度的觀測點，工作裝置組合實現(xiàn)了密點距陳列布設(shè)電極，是一種陣列勘探方法，野外測量時只需將全部電極(幾十至上百根)置于測點上，利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機工程電測儀，便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動采集，增加了空間供電和采樣的密度，提高了縱橫向分辨能力和工作效率。該法集合了多種常規(guī)直流電法的跑極方式，工作中可以根據(jù)情況選擇合適的裝置，常用的是溫納和溫施裝置。

溫納裝置方式又稱為對稱四極裝置方式(圖1)。A、M、N、B等間距排列，其中A、B是供電電極，M、N是測量電極，AM=MN=NB為一個電極距，電極間距按隔離系數(shù)由小到大的順序等間隔增加，4個電極之間的間距也均勻拉開。該測量方式為剖面測量方式，所得斷面為倒梯形。

圖1 溫納觀測裝置跑極示意Fig.1 Pole running mode of Wenner observation device

溫施裝置方式(WS)是測深測量，它是溫納和施倫貝爾的結(jié)合，在整條剖面測量中MN要由小到大變化幾次，但在MN為某一固定值時，A、B按施倫貝爾1 的方式移動，所得斷面為矩形或者倒梯形。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法也稱時間域電磁法(Time Domain Electromagnetic Methods，TEM)，瞬變電磁法的勘探原理是利用人工在發(fā)射線圈加以脈沖電流(圖2)，產(chǎn)生一個瞬變的電磁場，該磁場垂直發(fā)射線圈向2個方向傳播，通常是在地面布設(shè)發(fā)射線圈，通過采集二次電位達到勘查的目的。

圖2 瞬變電磁工作原理示意Fig.2 Working principle of transient electromagnetic

當磁場沿地表向深部傳播，當遇到不同介質(zhì)時，產(chǎn)生渦流場產(chǎn)生的磁場可等效為一個水平環(huán)狀的線電流產(chǎn)生的磁場。地下渦電流向下、向外擴散的現(xiàn)象——“煙圈效應(yīng)”(圖3)。當外加的瞬變磁場撤銷后，利用這些渦流場所產(chǎn)生的二次電場的時間和空間的分布規(guī)律，利用接收線圈測量可得到感應(yīng)電動勢。該電動勢包含了地下介質(zhì)電性特征，通過種種解釋手段(一維反演、視電阻率等)得出地下巖層結(jié)構(gòu)。

圖3 半空間渦電流“煙圈效應(yīng)”示意Fig.3 Schematic diagram of half-space eddy current "smoke ring effect"

2.3 數(shù)據(jù)處理方法及成圖

高密度電法數(shù)據(jù)處理分為預(yù)處理和反演處理兩部分。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括去噪、剔除異常點等，為反演處理提供穩(wěn)定數(shù)據(jù)體。反演處理主要采用瑞典RES2INV電法反演軟件進行，網(wǎng)格采用“有限元”方法，最優(yōu)化阻尼系數(shù)，利用線性搜索的最小二乘反演方法，以保證反演結(jié)果的穩(wěn)定性。迭代次數(shù)為2～5次，設(shè)置均方根誤差門限值為2.5%。瞬變電磁數(shù)據(jù)采用IX1d一維反演軟件進行處理，反演采用為Occam方式，初始模型設(shè)置為10層，每層10 m，初始電阻率為100 Ω·m。利用多次迭代法，迭代次數(shù)少于10次，選擇模型均方誤差最小的模型作為最終結(jié)果。瞬變電磁數(shù)據(jù)處理如圖4所示。

圖4 瞬變電磁數(shù)據(jù)處理示意Fig.4 Schematic diagram of transient electromagnetic data processing

2.4 質(zhì)量評述

2.4.1 質(zhì)量控制措施

為保證野外數(shù)據(jù)采集精度，采取了多種措施提高采集質(zhì)量：①每天工作前，對儀器、電瓶進行充分充電，電極、線路檢查，以保證工作順利進行；②適當增大供電電流強度，提高接收電位幅值，提高信噪比；③實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，如發(fā)現(xiàn)畸變點或者干擾較大的情況，及時安排重新采集；④探測前，認真進行試驗工作，選取適當?shù)膬x器工作參數(shù)，發(fā)送電流、發(fā)送框邊長及接收參數(shù)等；⑤野外施工中，納米瞬變電磁接收線圈要求鋪放水平，且盡量鋪設(shè)于發(fā)射線圈正中間；⑥野外施工后，及時進行畸變點剔除及數(shù)據(jù)預(yù)處理工作。

2.4.2 野外數(shù)據(jù)質(zhì)量評述

(1)高密度電阻率測深法野外檢查復(fù)測點數(shù)占總工作量的比例為7.29%，滿足要求。在全區(qū)檢查觀測的數(shù)據(jù)中剔除明顯畸變點后，計算均方根相對誤差M。計算公式為：

(1)

式中，ui為第i個供電極距上同組MN的ρai相對誤差；n為參加統(tǒng)計的電極距數(shù)。

經(jīng)過對重復(fù)觀測檢查數(shù)據(jù)的對比分析計算，野外數(shù)據(jù)總均方根相對誤差為4.3%，滿足《電阻率剖面法技術(shù)規(guī)程》(DZ/T 0073—2016)精度的要求。

(2)瞬變電磁法野外檢查復(fù)測點數(shù)占總工作量的比例為14.29%，滿足《地面磁性源瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》(DZ/T 0187—2016)要求。繪制質(zhì)量檢查對比曲線和誤差分布曲線，按以下公式計算誤差：①某測點上各觀測道總的平均均方根相對誤差：

(2)

②全區(qū)各檢查點總的平均均方根相對誤差：

(3)

式中，m為檢查點數(shù)。

因受野外地形及人文干擾因素影響，經(jīng)過對重復(fù)觀測檢查數(shù)據(jù)的對比分析計算，野外數(shù)據(jù)總均方根相對誤差為6.3%，基本滿足規(guī)范精度的要求。

3 物探資料解釋推斷

高密度電法及瞬變電磁測量數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理和反演處理，形成視電阻率—深度斷面圖。根據(jù)視電阻率反演斷面圖及已知地質(zhì)資料，針對7條具有代表性的剖面進行解譯。該7條剖面基本覆蓋整個工區(qū)，對于說明工區(qū)內(nèi)巷道和采空區(qū)分布具有典型意義，可以用來對采空區(qū)及地質(zhì)構(gòu)造進行推斷?，F(xiàn)針對此7條剖面分別進行描述和解釋。

3.1 典型地電異常剖面描述及推斷

3.1.1 L1線剖面特征

位于王家村中偏西，穿村而過，由北向南沿村中土路布線，起點坐標(4 151 124，40 604 374)，方位169°。反演視電阻率斷面如圖5所示。

圖5 L1線高密度視電阻率斷面Fig.5 High density apparent resistivity section of L1 line

從圖5可以看出，表層電阻率值較低，推測為風化層或者第四系覆蓋層顯示，深度≤20 m。深部電阻率逐漸增大且橫向變化較大，呈高低阻相間特征，其中水平方向140～150 m段、深度110 m處有一較低阻顯示，呈帶狀，推測為-110 m中段巷道反映，有充水現(xiàn)象；水平方向280～340 m段，存在一處明顯低阻區(qū)域且延深較大，推測為-80 m中段巷道引起，可能充水；水平方向370～400 m段，埋深大于100m，存在較低阻異常區(qū)，異常等值線不完成，為-50 m中段巷道部位，推測存在塌陷及充水現(xiàn)象；480～520 m段，存在明顯的低阻區(qū)，推測為-20 m中段巷道引起，根據(jù)電阻率值推斷巷道充水。圖中高阻區(qū)域推測為較完整的基巖。

與L1基本重合，在L1線38—57號點之間布設(shè)納米瞬變電磁測量共11點，反演視電阻率斷面如圖6所示。從圖6可以看出，淺部多為低阻特征，其中3號點和4號點之間存在一處較明顯的低阻凹陷區(qū)，與高密度電性特征基本一致。斷面其他部分呈現(xiàn)高阻特征，反映了基底巖石比較完整。總體上，TEM1瞬變電磁剖面與L1視電阻率斷面圖具有較好的一致性。

3.1.2 L2線剖面特征

L2線位于村中間，沿村中河流南岸布設(shè)，由北向南布線，起點坐標(4 151 139，40 604 509)，方位165°。L2線反演視電阻率斷面如圖7所示。

圖6 TEM1反演視電阻率斷面Fig.6 Apparent resistivity section of TEM1 inversion

圖7 L2線視電阻率斷面Fig.7 Apparent resistivity section of L2 line

由圖7可知，該剖面電阻率曲線橫向變化較大，呈高低阻相間特征，15—17號點之間存在一處較明顯、近直立的低阻帶，延深較大，推測為斷裂破碎帶；22—24號點，埋深約為100 m，有一低阻異常，等值線不閉合，應(yīng)為-80 m中段巷道反映；32—34號點，有一較低阻帶狀區(qū)域，推測為-110 m巷道，伴充水現(xiàn)象；430～450 m段，存在一處低阻凹陷區(qū)，推測為-50 m中段巷道充水所致。

3.1.3 L3線剖面特征

L3線由北向南橫穿村中，起點坐標(4 151 143，40 604 473)，方位171°。視電阻率斷面如圖8所示。

圖8 L3線高密度視電阻率斷面Fig.8 High density apparent resistivity section of L3 line

從圖8可以看出，剖面整體上分為2部分。左側(cè)呈電阻率由淺至深逐漸增大特征，且在150～180 m區(qū)段存在一處次高阻凹陷區(qū)，推測為-110 m中段巷道坍塌所致；右側(cè)為雜亂區(qū)，電阻率橫向變化較大，存在一處較明顯的傾斜條帶狀低阻異常及數(shù)個等值線不閉合的低阻異常區(qū)，推測為巷道充水引起的阻特征。其中，350～450 m區(qū)段阻異常推測對應(yīng)于-50 m中段巷道，具充水低阻特征；500～530 m區(qū)段埋深約為100 m位置低阻異常，推測對應(yīng)于-20 m中段巷道。斷面左右兩側(cè)夾近直立的低阻異常帶，與兩側(cè)高阻特征形成對比，推測為斷裂帶充水所致。

3.1.4 L5線剖面異常特征

L5位于王家莊西南，起點坐標(4150461，40 604 500)，方位27°。視電阻率斷面如圖9所示。

圖9 L5線高密度視電阻率斷面Fig.9 High-density apparent resistivity section of L5 line

從圖9可以看出，剖面主要呈低阻特征，由數(shù)個高阻異常區(qū)構(gòu)成，其中水平方向180～200 m段，埋深大于100區(qū)段，有一較低阻區(qū)域，異常不閉合，推測為-20 m中段巷道引起；水平方向280～320 m，埋深約為100 m位置，存在中低阻區(qū)域，推測為-50 m中段巷道引起，具有充水現(xiàn)象；水平方向430～450 m段，埋深大于100 m，存在一處低阻異常區(qū)，異常不閉合，推測由-80 m中段巷道引起，其余高阻推測為完整基巖引起。

3.1.5 L8線電阻率特征分析

L8線位于王家莊銅礦區(qū)副井西北，起點坐標(4 150 903，40 603 924)，方位44°。反演視電阻率斷面如圖10所示。

圖10 L8線高密度視電阻率斷面Fig.10 High density apparent resistivity section of L8 line

從圖10可知，L8線高密度視電阻率橫向變化較大，測線起始端段30～50 m，淺部存在低阻異常區(qū)，規(guī)模較小，推測為+50 m中段巷道充水引起。100～150 m區(qū)段所顯示的高阻異常，推測為致密基巖所致。測線17—21號點之間存在2個較明顯的低阻異常區(qū)，推測為-50 m中段巷道充水引起。27—29號點區(qū)間的深部存在一處不閉合的低阻異常區(qū)，推測為-100 m中段巷道引起，其淺部所顯示的低阻異常，推測為+10 m中段巷道引起，具充水現(xiàn)象。

3.1.6 L9線電阻率特征分析

L9線位于銅礦區(qū)水塔北，起點坐標(4 150 910，40 603 784)，方位36°。視電阻率反演斷面如圖11所示。

圖11 L9線高密度視電阻率斷面Fig.11 High density apparent resistivity section of L9 line

由圖11可知，L9線高密度視電阻率斷面等值線較雜亂，多表現(xiàn)為高低阻相間特征，由數(shù)個團塊狀異常區(qū)組成。8號點附近淺部存在一處低阻異常，據(jù)相鄰測線異常形態(tài)推測，應(yīng)為斷裂破碎帶充水引起。17—23號點區(qū)段淺部呈低阻反應(yīng)，推測為+10 m中段及+50 m中段巷道充水所致，且在17號點深部存在1處較明顯低阻異常區(qū)，推測為-20 m以及-50 m中段巷道綜合反應(yīng)。28—30號點區(qū)段顯示低阻凹槽及次高阻區(qū)域，推測為+10 m中段巷道充水引起。35—38號點深部有不閉合的低阻異常區(qū)，推測為-20 m中段巷道充水引起。高阻異常區(qū)則推測為致密基巖區(qū)。

3.1.7 L12線電阻率特征分析

L12線位于工區(qū)西側(cè)，起點位于工區(qū)西緣山坡上，坐標為(4 151 294，40 603 621)，測線方位為108°。視電阻率反演斷面如圖12所示。由圖可知，L12線電阻率形態(tài)簡單，淺部主要為低阻特征，深部呈現(xiàn)高低阻相間特征。11—14號點區(qū)段深部存在不閉合的較低阻異常區(qū)，推測為+10 m中段巷道反應(yīng)。20—23號點區(qū)段存在明顯的低阻凹陷區(qū)，延深較大，與相鄰測線進行對比，推測該低阻異常區(qū)為斷裂破碎帶充水導(dǎo)致電阻率降低。35—41號點區(qū)段淺部存在3～4個低阻異常，推測為-20 m中段巷道塌陷在地表造成裂隙充水引起。

圖12 L12線高密度視電阻率斷面Fig.12 High density apparent resistivity section of L12 line

3.2 異常區(qū)圈定

根據(jù)物探斷面圖上低阻異常區(qū)的平面展布特征，針對工作區(qū)內(nèi)主要的具有一定規(guī)模的區(qū)域，進行了異常區(qū)的劃分，共圈定6處異常區(qū)。結(jié)合已知的工程地質(zhì)資料，對7條典型剖面進行了描述和推斷分析。根據(jù)已知中段巷道分布及電阻率對應(yīng)位置進行對比可以看出，巷道或者采空區(qū)地球物理特征主要反映為低阻特征，推測原因為巷道充水。由于巷道多穿過礦體，造成巷道內(nèi)水體礦化度較高，導(dǎo)電性較好，在地電特征上表現(xiàn)為低阻特征。另外，由于局部上巷道密集，且受到采空區(qū)局部塌陷，造成地表裂隙發(fā)育，充水后在地表淺部 形成低阻層，對深部采空區(qū)形成屏蔽，造成深部采空區(qū)深度反演出現(xiàn)誤差較大。

受到淺地表低阻屏蔽層及工業(yè)電干擾，瞬變電磁資料信噪比較低，且覆蓋區(qū)段有限，但是能夠在一定程度上對高密度電法資料進行比對。反演資料表明，瞬變電磁成果與高密度電法具有較好的一致性。

4 結(jié)論

通過此次工作，對工作區(qū)開展了全覆蓋式的高密度電法測量，并在地形允許部位開展了瞬變電磁測量工作，對高密度電法測量成果進行了有效驗證，不僅采集了工區(qū)地下電性異常體的參數(shù)，而且通過異常與已知工程資料進行對比，斷定低阻異常區(qū)與采空區(qū)或巷道有很好的對應(yīng)關(guān)系，達到了預(yù)期目的。

綜合所有高密度電阻率剖面曲線和納米瞬變電磁曲線反映的地球物理特征，結(jié)合地質(zhì)特征資料，反演后視電阻率斷面圖和已知巷道能很好地吻合，低阻異常區(qū)多對應(yīng)于各中段巷道或者采空區(qū)。根據(jù)已知鉆孔資料及地下水位年平均深度，推測大部分巷道已被水填充；僅在礦區(qū)地勢較高處，主要巷道處于未賦水狀態(tài)。經(jīng)鉆探施工驗證，與探測結(jié)果相符，證明綜合物探探測技術(shù)有效。