高密度電法物探技術(shù)在某礦區(qū)勘察中的應(yīng)用

湯 浩，陳 杰

（中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510611）

近年來，我國采礦行業(yè)迅猛發(fā)展。部分礦產(chǎn)企業(yè)盲目追求經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)煤炭、金屬礦等礦產(chǎn)資源進(jìn)行大規(guī)模、無節(jié)制開采，這使得地下空間形成大片的采空區(qū)，加劇了地表沉陷。通過對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的誘導(dǎo)因素的調(diào)查分析可知，首當(dāng)其沖的就是礦區(qū)。隨著礦產(chǎn)資源開發(fā)程度的增大，地下采空區(qū)覆蓋范圍的擴(kuò)張，地質(zhì)環(huán)境逐步惡化，淺表地層開裂、地面凹陷積水以及地表大規(guī)模沉陷等地質(zhì)災(zāi)害問題的發(fā)生率也隨之上升[1]。

1 高密度電法物探技術(shù)的原理、裝置形式與數(shù)據(jù)處理方式

1.1 高密度電法物探技術(shù)的原理

高密度電法物探技術(shù)與常規(guī)直流電法物探技術(shù)的原理相似，都是建立在穩(wěn)定電流場(chǎng)空間分布的原理基礎(chǔ)上的。與常規(guī)直流電法物探技術(shù)相比，高密度電法物探技術(shù)的自動(dòng)化程度更高，資源信息采集效率更快，且信息結(jié)果更加精確。高密度電法物探技術(shù)的原理如下所述[2]。

在正式勘測(cè)前，將大量的電極布置在與勘測(cè)空間范圍內(nèi)，由于電極數(shù)量超過一定限度，可以實(shí)現(xiàn)不同空間范圍電極的自由組合。當(dāng)向地下空間中人工輸送電流時(shí)，可以在地下空間中形成一個(gè)穩(wěn)定的電流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)勘測(cè)區(qū)域的全方位無死角覆蓋勘測(cè)。與此同時(shí)，接入自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，還可以在采集與分析資源信息的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)信息的交互轉(zhuǎn)換[3]。

1.2 高密度電法物探技術(shù)的裝置形式

從本質(zhì)上來說，高密度電法物探技術(shù)的裝置形式是在勘測(cè)過程中不同空間范圍電極的交互結(jié)合方式。電極的交互結(jié)合方式不同，產(chǎn)生的勘測(cè)結(jié)果也存在一定差異。例如，持續(xù)勘測(cè)周期、勘測(cè)深度與勘測(cè)精準(zhǔn)性等各不相同。按照電極交互結(jié)合方式差異，可將高密度電法物探技術(shù)的裝置配置形式劃分為如下幾類：施倫貝爾裝置、偶極裝置、微分裝置、偶極裝置以及溫納對(duì)稱四極裝置等[4]。

由于各區(qū)域的地下采空區(qū)的覆蓋范圍與分布密度不同，所以勘測(cè)人員要結(jié)合實(shí)際情況，采用對(duì)應(yīng)類型的技術(shù)配置形式。例如，充分考慮采空區(qū)覆蓋范圍、地下資源開發(fā)深度和淺表層與深土層土壤厚度，選擇合理的技術(shù)配置形式，加強(qiáng)勘測(cè)結(jié)果的精確性。

1.3 高密度電法物探技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方法

高密度電法物探技術(shù)主要是利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)測(cè)網(wǎng)與測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行采集整合。按照高密度電法物探技術(shù)裝置配置形式和勘測(cè)空間范圍內(nèi)的電極分布情況，對(duì)采集的資源數(shù)據(jù)展開排列、預(yù)處理和格式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。在此過程中，對(duì)海量化的資源數(shù)據(jù)實(shí)行篩選精分，及時(shí)且精確的剔除不符合客觀規(guī)律的數(shù)據(jù)信息，以免影響整體勘測(cè)結(jié)果的精確性。根據(jù)視電阻率斷面圖，對(duì)勘測(cè)區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造特征、地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件及礦產(chǎn)分布規(guī)律展開深入分析，且作出合理解釋?？偠灾诘V區(qū)勘察作業(yè)中，合理利用高密度電法物探技術(shù)，可以根據(jù)獲取的礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征信息，全面了解采空區(qū)分布情況，從根源上消除安全隱患，降低發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害事故的概率[5]。

2 高密度電法物探技術(shù)在某礦區(qū)勘察中的應(yīng)用

2.1 礦區(qū)地質(zhì)特征

對(duì)于礦區(qū)地質(zhì)特征的了解，要從地層和構(gòu)造兩部分進(jìn)行，本次研究所選礦區(qū)的地質(zhì)特征總結(jié)如下：

2.1.1 地層

礦區(qū)所在位置的地層是隸屬于塔里木南疆地層大區(qū)、塔里木低層區(qū)和分區(qū)中的一個(gè)小區(qū)內(nèi)，區(qū)域內(nèi)存在較多的中新生界地層，并以侏羅系和第四系為主[6]。

一是侏羅系。分為三種情況：其一，統(tǒng)塔里奇克組。該地層以河流相及泥炭沼澤相為主，土層結(jié)構(gòu)以砂巖、粉砂巖構(gòu)成，是區(qū)域內(nèi)的含礦層位之一。區(qū)域內(nèi)的工業(yè)礦層數(shù)量較多，厚度在73m~420m不等，上下分別銜接著黃山街組和侏羅統(tǒng)阿合組。該組是由三個(gè)旋回組成的，每個(gè)旋回下部巖層都適宜綠灰色、灰色砂巖和砂礫巖為主，縱橫交錯(cuò)[7]。

其二，統(tǒng)阿合組。該結(jié)構(gòu)又被稱之為標(biāo)準(zhǔn)砂層巖，以單一礦石結(jié)構(gòu)為主，硬度較高，被看做是陡峭的單面山結(jié)構(gòu)。該地層具備三角洲特征，是河床相與河流交界處，內(nèi)部巖石結(jié)構(gòu)以粗碎屑巖為主。不過區(qū)域內(nèi)巖性和巖相的變化特征并不顯著，且多以上夾泥巖和礦線為主，厚度在200m~527m左右[8]。

其三，統(tǒng)陽霞組。該組是由河流相、泥炭沼澤相、湖泊相共同組成的，有灰白、黃灰綠色粗砂巖、砂狀砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、炭質(zhì)泥巖及礦層組合，是一個(gè)較為復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)。在該地層中含有少量的孢粉化石?？傮w厚度以212m~628m不等。在該地層的調(diào)查中了解到，其中包含礦物特性可分為四種情況，即炭質(zhì)泥板巖段、B含礦段、砂礫巖段、下含礦段。炭質(zhì)泥板巖段中涵蓋泥板巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖，另外三層則因分布不均衡，被統(tǒng)稱為含礦段，該段包含兩個(gè)完整旋回。

二是第四系。該層位于礦區(qū)南部，伴隨著沼澤和鹽漬化現(xiàn)象，厚度在幾米到十幾米不等。由土壤層、卵礫石和砂構(gòu)成。沼澤沉積層僅分布于礦區(qū)內(nèi)東向沖溝側(cè)，多呈條塊狀，有泉水出

露，地下水位埋深較淺。地層巖性主要為粉土、粉質(zhì)粘土、淤泥，普遍有腐植層，飽含水分，富含植物根系，厚度0.3m~1.2m。

2.1.2 構(gòu)造

礦區(qū)構(gòu)造相對(duì)地層來說要簡(jiǎn)單很多，以斷裂阿一斷層和阿二斷層為主，結(jié)合礦區(qū)不同走向，可將其劃分為東西向、北東和北東動(dòng)向、北西和北西西向這三個(gè)斷層結(jié)構(gòu)。

2.2 地球物理特性

礦區(qū)的整體地勢(shì)呈平坦?fàn)?，地形地貌受到后期礦產(chǎn)資源開發(fā)的影響較大。本次物探工作將選擇礦區(qū)西部防洪景觀大壩作為勘察重點(diǎn)區(qū)域，區(qū)域地層結(jié)構(gòu)為第四系沼澤沉積層、第四系卵礫石層、侏羅系阿合組地層、侏羅系塔里奇克組上段、侏羅系塔里奇克組下段。礦石電性會(huì)隨著外部物理?xiàng)l件的變化而發(fā)生改變。

在外部物理?xiàng)l件處于理想狀態(tài)下時(shí)，對(duì)于后期構(gòu)造的影響相對(duì)較小，這時(shí)電性的變化會(huì)呈現(xiàn)視電阻率大，新地層視電阻率小的特征。但如果外部物理?xiàng)l件發(fā)生改變，局部區(qū)域內(nèi)礦層存在破碎、斷裂、錯(cuò)動(dòng)等情況，視電阻率的變化更加明顯，在細(xì)砂巖、粗砂巖及礫巖結(jié)構(gòu)對(duì)比上，含水率會(huì)逐漸提升，但視電阻率會(huì)逐漸下降。構(gòu)造發(fā)育附近的地層結(jié)構(gòu)，如果出現(xiàn)錯(cuò)位、褶皺、巖溶發(fā)育，地層會(huì)產(chǎn)生裂縫，為地層水體富集提供良好空間。當(dāng)裂隙充水時(shí)，在縱向和橫向上都打破了原有電性故有變化規(guī)律，呈現(xiàn)相對(duì)低阻。電法勘探正是利用巖層之間及巖層與異常體之間的電性差異，以區(qū)分不同的地質(zhì)巖層，劃分低阻異常，分析測(cè)區(qū)水文地質(zhì)情況的。

2.3 高密度電法物探技術(shù)應(yīng)用中的工作參數(shù)選擇

本礦區(qū)在應(yīng)用高密度電法物探技術(shù)實(shí)訓(xùn)勘察時(shí)，選用二維集中式高密度電阻率儀完成外界數(shù)據(jù)的收集和處理，利用溫納裝置收集視電阻率變化情況。在高密度電阻率法中，溫納裝置與異常對(duì)應(yīng)間的關(guān)系較好，可提高數(shù)據(jù)獲取精準(zhǔn)度。最早在使用過密度視電阻率法時(shí)，一般會(huì)通過三電位電極系開展測(cè)量工作。該測(cè)量系統(tǒng)包括溫納裝置、偶級(jí)裝置和微分裝置，通過這些裝置間的連接運(yùn)用，確保電極轉(zhuǎn)換的合理性。該系統(tǒng)展開測(cè)量活動(dòng)，能夠獲得三個(gè)較為精準(zhǔn)的電極排列參數(shù)。

溫納裝置自身對(duì)視電阻率的感應(yīng)是較為敏感的，用其開展目標(biāo)探測(cè)，能夠準(zhǔn)確獲取區(qū)域地層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。在溫鈉裝置設(shè)置中，系數(shù)一般控制在2πa，雖然較其他裝置系數(shù)小，但在同樣情況下，可觀測(cè)到較強(qiáng)的信號(hào)，可以在地質(zhì)噪聲較大的地方使用。另外，由于該裝置系數(shù)小，在同樣電極布置情況下，探測(cè)深度也小，且溫納裝置的邊界損失較大。

2.4 典型剖面解釋

該剖面從西向東主要以河漫灘、人工大壩、塔里奇克上段地層結(jié)構(gòu)為主，在勘察時(shí)共設(shè)置500個(gè)點(diǎn)位（如圖1），不同點(diǎn)位位置及獲取數(shù)據(jù)資料分別為：

200~440點(diǎn)，該點(diǎn)位與地表距離較近，深度在0m~15m之間。區(qū)域內(nèi)存在低阻異常情況，視電阻率為200Ω.m左右，由于異常區(qū)域與地表距離較近，且呈現(xiàn)連續(xù)性分布特征，推測(cè)該層內(nèi)可能含有較多的廢物廢料及沼澤沉積層，存在電性為人工堆積形成的。

460~510點(diǎn)，屬于淺部位置區(qū)，深度在10m~20m左右，該區(qū)域存在較為高阻異常情況，視電阻率可達(dá)到400Ω.m~1000Ω.m之間。異常情況分布以層狀為主，所以推測(cè)該區(qū)域的電性以第四系卵礫石反應(yīng)為主。

0~80點(diǎn)，屬于中阻異常區(qū)域，視電阻率值為250Ω.m~400Ω.m，屬均勻性變化特征，該層電性推測(cè)為阿合組礫巖。

80~200點(diǎn)，上部結(jié)構(gòu)，與淺部區(qū)一樣都屬于高阻異常區(qū)，不過該區(qū)域的視電阻率呈現(xiàn)不規(guī)則分布形態(tài)，所以推測(cè)其電性反應(yīng)以不含水的塔里奇克組上段的細(xì)砂巖為主。不過在深層的下部結(jié)構(gòu)，高阻異常逐漸轉(zhuǎn)變成低阻異常，視電阻率值為200Ω.m以下，異常形態(tài)變化不大，推測(cè)為塔里奇克組上段細(xì)砂巖的電性反應(yīng)。該套巖性賦水性強(qiáng)，周圍有一定的水源供給，故該礦山勘查區(qū)地層深部可能含有地下水。

200~500點(diǎn)，屬于中深部。分為上下兩部分，上部為層狀高阻異常區(qū)，視電阻率為400Ω.m~1000Ω.m。該區(qū)域由于地層結(jié)構(gòu)相對(duì)完好，裂縫數(shù)量少，發(fā)育較完全，相應(yīng)的視電阻率也會(huì)較高。下部則為中低阻異常區(qū)，視電阻率值為100Ω.m~200Ω.m，且呈現(xiàn)異常變化特征。同時(shí)在對(duì)下部勘察中，發(fā)現(xiàn)深部的視電阻率最低，這可能與區(qū)域內(nèi)破碎充水情況顯著有關(guān)。

圖1 線高密度成果圖

2.5 結(jié)論

礦區(qū)地層的電性以層狀分布為主，不同地層之間存在的視電阻率存在明顯界限，相互之間影響較??；斷裂結(jié)構(gòu)區(qū)域存在的錯(cuò)動(dòng)情況顯著，通過勘察了解到，深部斷層縱斷面的分層情況明顯，而其他區(qū)域的視電阻率異常則較為顯著，會(huì)根據(jù)形態(tài)變化而發(fā)生改變；塔里奇克組上下段砂巖結(jié)構(gòu)處于低視電阻率區(qū)域，內(nèi)部礦石的含水性較好。再加上結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)育完整，為水分存儲(chǔ)提供良好空間。不過若想實(shí)行礦石開采，還需對(duì)該區(qū)域特征予以詳細(xì)分析，進(jìn)而制定合理的開采方案。

3 結(jié)語

希望本文論述，可以使從業(yè)人員對(duì)高密度電法物探技術(shù)在礦區(qū)勘察中的應(yīng)用有所了解，并在日后工作中加大該技術(shù)的應(yīng)用，準(zhǔn)確了解礦區(qū)實(shí)際情況，掌握地下結(jié)構(gòu)特征，從而維護(hù)作業(yè)的安全性以及工程的綜合效益。