不同場源的兩種方法聯(lián)合勘探應(yīng)用——以銅陵冬瓜山老鴨嶺尾礦庫堤壩T4監(jiān)測點位移誘因勘探為例

黃高元

(安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院，安徽合肥 230022）

0 引言

天然場源或被動源法勘探場源是源于自然界或人類各種活動，場源的方向、強度和深度等場源參數(shù)具有隨機性，但包含有表征其存在或傳播規(guī)律的固有特性，人們可以通過采集提取其有效信息并進行處理解釋，以達到解決地質(zhì)問題的目的，如微動、重力、磁力、自電（SP）、大地電磁（MT）等測量方法。該類方法由于無須建立場源，因此勘探裝備輕便，工作效率高。被動源法勘探中微動測量，由于它是通過分析被動源面波的頻散特性，推斷地下橫波速度結(jié)構(gòu)，所以適用工作場地范圍小、有電磁干擾的地區(qū)。

人工場源或主動源法勘探場源是勘探人員根據(jù)勘探目的人為建立的，場源的方向、強度和深度等場源參數(shù)可以人為控制，人們可以通過觀測人工場源的激勵響應(yīng)并進行分析處理，以達到解決地質(zhì)問題的目的，如地震勘探、電測深、充電法、CSAMT法等測量方法。該類方法由于需要建立并優(yōu)化場源，所以要有發(fā)射場源的設(shè)備和燃料，因此勘探裝置復(fù)雜笨重，工作效率較低。但它可以針對不同形體、不同走向的勘探對象，靈活建立激發(fā)場源，以達到最佳勘探效果。主動源法勘探中CSAMT法，由于采用的場源形式較多，還可以多點源、多方向給予激發(fā)，所以適應(yīng)性強、應(yīng)用范圍廣。

鑒于天然場源和人工場源勘探優(yōu)勢，本次勘探選用了微動測量和可控源音頻大地電磁（CSAMT）聯(lián)合勘探方法。

1 勘探方法

地球表面即使沒有地震也經(jīng)常在顫動著，這種地面不停的微弱顫動，稱之微動。微動的振幅很小，一般大約為10～10cm左右，震動周期小于10s大于1s。微動的場源主要來自自然現(xiàn)象和人類活動，如自然現(xiàn)象中的氣象變化、海浪、潮汐、火山活動等產(chǎn)生震動，人類活動中車輛行駛、機器運行及生活、生產(chǎn)活動等產(chǎn)生的震動。微動勘探是從微動信號中提取面波及其頻散曲線，再對頻散曲線反演獲得勘探剖面下地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)，根據(jù)橫波速度結(jié)構(gòu)進而分析地層結(jié)構(gòu)以及斷裂構(gòu)造等。它不受電磁干擾，是城鎮(zhèn)地區(qū)首選的綠色勘探方法。

可控源音頻大地電磁法(CSAMT）屬人工源頻率測深。在地面埋設(shè)1對供電電極，在接地電極中供入一定頻率范圍的音頻交變電流，以產(chǎn)生相應(yīng)頻率的電磁場。當(dāng)發(fā)射與接收之間的距離（

R

）很大時（大于3倍趨膚深度），該電磁場可視為一個由水平電偶極子產(chǎn)生的平面波場，因此在波區(qū)（或遠區(qū)）的電場與磁場的變化只與地中介質(zhì)的電阻率有關(guān)。通過距發(fā)射電極幾千米到十幾千米的測量電極和磁測探頭，接收電磁場的電場水平分量

Ex

和磁場水平分量

Hy

，進而計算波阻抗（

Z

）和卡尼亞電阻率（

ρ

）。根據(jù)卡尼亞電阻率圖件的分析可以得到地下地層結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造的影像。

2 應(yīng)用實例

安徽省銅陵冬瓜山老鴨嶺尾礦庫堤壩T4監(jiān)測點自2019年4～7月以來，發(fā)生了明顯的水平位移，尾礦庫壩體附近地基若發(fā)生大的位移，將對壩體穩(wěn)定性以及礦山生產(chǎn)產(chǎn)生重大安全影響，銅陵有色金屬集團股份有限公司冬瓜山銅礦對此十分重視。為了查明銅陵冬瓜山銅礦老鴨嶺尾礦庫T4監(jiān)測點位移的誘因，在T4監(jiān)測點附近采用地面物探方法進行勘探?？辈槿蝿?wù)是通過開展可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）和微動測量探測T4監(jiān)測點周邊地下地球物理場（電磁場、波速場）特征，尋找圈定地下可能存在的不良地質(zhì)構(gòu)造（采礦巷道、巖溶發(fā)育區(qū)、斷層等），為尾礦庫安全運行提供地球物理治理依據(jù)。

2.1 勘探區(qū)地理位置及交通

銅陵冬瓜山銅礦位于銅陵市區(qū)東部，距市中心7.5km，行政區(qū)劃屬獅子山轄區(qū)。獅子山轄區(qū)內(nèi)有銅陵東站這一綜合交通樞紐，沿江高速公路、沿江快速通道、銅九鐵路、寧安城際鐵路以及銅都大道、陵江大道等均穿區(qū)而過。

2.2 勘探區(qū)地質(zhì)與地球物理特征

2.2.1 地質(zhì)特征

根據(jù)礦區(qū)尾礦庫選址論證時工程勘查鉆探結(jié)果，在鉆探深度65.0m范圍內(nèi)地基巖土主要由第四系殘積、坡積、洪積、沖積的黏性土夾碎石層，三疊系中統(tǒng)（T）大理巖以及閃長斑巖、石英閃長巖等巖漿巖侵入體（圖1）。

圖1 礦區(qū)地質(zhì)略圖Figure 1.Geological sketch of the mining area

庫區(qū)位于大通-順安北東向復(fù)向斜中次級青山背斜北東段的南東翼。次一級小褶曲較發(fā)育。青山背斜為區(qū)內(nèi)的主要褶皺，總體走向40°～50°，長22.5km，寬8km，南西段窄，向北東漸開闊，均由三疊系下、中統(tǒng)組成，為一短軸不對稱褶曲。

斷裂構(gòu)造主要以印支期—燕山晚期斷層為主。斷層走向有兩組（北西向和北東向），北東向斷層切割了北西向斷層。查區(qū)東面存在1處采空區(qū)（沙子堡-40m以上的采空區(qū)），位于庫區(qū)尾礦庫主軸線東北方向。此采空區(qū)曾經(jīng)發(fā)生過塌陷，塌陷的原因是人工爆破造成的。

2.2.2 地球物理特征

2.2.2.1 巖礦石電性參數(shù)

查區(qū)有大理巖、灰?guī)r和閃長巖類等地質(zhì)體。各類巖（礦）石電性參數(shù)見表1。含碳質(zhì)灰?guī)r電阻率最低，石英閃長巖電阻率最高，其他巖類電阻率相當(dāng)。含碳質(zhì)灰?guī)r極化率最高，花崗閃長巖、閃長巖極化率最低，其他巖類極化率相當(dāng)。

表1 獅子山礦區(qū)巖礦石電性參數(shù)Table 1.Electrical parameters of rock and ore from the Shizishan mining area

2.2.2.2 電阻率異常特征

地質(zhì)資料顯示，T4監(jiān)測點周邊地下可能存在不良的地質(zhì)體——采礦巷道、巖溶發(fā)育區(qū)、斷層等。采礦巷道由于多年未進行采礦作業(yè)，巷道已發(fā)生坍塌或充滿地下水和泥質(zhì)物，電阻率異常應(yīng)表現(xiàn)出線性帶狀低阻異常；巖溶發(fā)育區(qū)應(yīng)顯示等軸狀或串珠狀低阻異常；斷層應(yīng)該表現(xiàn)出低阻帶狀異常特征。

2.2.2.3 微動異常特征

基巖風(fēng)化殼無論是含水或無水，橫波（剪切波）速度極小，應(yīng)顯示層狀低速層；完整巖石應(yīng)顯示高速層；采礦巷道、巖溶發(fā)育帶、斷層由于充水或充滿泥質(zhì)物，均應(yīng)顯示帶狀或串珠狀低速異常。

2.3 勘探效果

2.3.1 工作部署和發(fā)射場源布置

在尾礦庫壩體東面，以T4監(jiān)測點為中心，布置1個北西向長200m、寬100m的矩形測區(qū)，測網(wǎng)密度20m×5m?？煽卦匆纛l大地電磁測深（CSAMT）與微動探測剖面一致，測點同位（圖2）。

圖2 查區(qū)工作部署示意圖Figure 2.Schematic diagram of work arrangement in the exploration area

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）屬于主動源法，其場源的位置、激發(fā)方向均可人工控制。由于T4監(jiān)測點附近存在1條北東向斷層，T4點西面是尾礦庫水域，因水域能夠吸收電磁波，會使測量地段接收信號大大降低，信噪比下降；另一方面，要使測量結(jié)果的北東向斷層異常獲得清晰、明顯的圖像，因此可控源音頻大地電磁法（CSAMT）發(fā)射源應(yīng)垂直于北東向斷層，使電磁波沿著北東向傳播，從而提高勘探效果。本次發(fā)射場源的水平電偶極子電矩（dL）與測線大致平行呈北西向，距測線約8km，發(fā)射頻率范圍32～8192Hz。

微動法屬于被動源法，其場源無法人為控制。振源主要來自自然現(xiàn)象和人類活動，振源的方向、強度是隨機的，任何時間、任何地點都可觀測到，可以看成是一個穩(wěn)定的隨機過程。本次觀測裝置采用直線型（圖3）布陣方式進行測量，為了提高工作效率和滿足探測深度，臺陣半徑0m—10m—20m，采樣頻率250Hz，測量時間30分鐘，點距5m。

圖3 直線型微動臺陣Figure 3.Linear microtremor array

2.3.2 CSAMT測量

圖4是兩條（1L和2L）CSAMT法剖面測量結(jié)果的卡尼亞電阻率斷面圖和其推斷的地質(zhì)剖面。1L剖面（圖a）過T4監(jiān)測點，T4監(jiān)測點處于240測點附近；2L剖面（圖b）與1L剖面平行，兩條剖面相距20m，相互關(guān)系見圖2。

圖4 CSAMT法推斷解釋斷面圖Figure 4.CSAMT inferential interpretation section

1L、2L剖面中深部都有1處大面積的低阻區(qū)域，形態(tài)相近。由于剖面與北西向斷層平行、部分地段斜交，推測低阻區(qū)主要是北西向斷層（三疊系大理巖破碎帶）和場源與測線之間塌陷區(qū)的旁側(cè)效應(yīng)引起。在1L剖面的240號點和2L剖面的270號點，低阻區(qū)向上突起形成低高阻接觸，低阻區(qū)向上突起部位是北東向斷層與北西向斷層的交匯處。北東向斷層與北西向斷層的交匯，使巖層破碎嚴重，斷層通道進一步開放，形成明顯低阻異常。

2.3.3 微動測量

圖5是1L剖面和2L剖面微動測量結(jié)果的橫波（

S

波）速度-深度斷面圖和其推斷的地質(zhì)剖面。圖a是1L剖面，圖b是2L剖面。

圖5 微動測量推斷解釋斷面圖Figure 5.Microtremor measurement inferential interpretation section

兩條剖面淺表層表現(xiàn)為低速（高阻），是近地表土壤夾石層和基巖受到風(fēng)化造成的。在CSAMT的低阻區(qū)域，微動顯示出點狀或串珠狀低速異常區(qū)，低速異常不連續(xù)，伴有高速異常，說明微動測量的分辨能力強，體積效應(yīng)小。在1L剖面240號點和2L剖面270號點處，存在上下的低速帶狀異常。這一低速區(qū)和帶狀異常的特征，進一步說明了北東向斷層與北西向斷層發(fā)生了切割，揭示出北東向斷層頂部較淺的地質(zhì)現(xiàn)象。

2.3.4 綜合地質(zhì)解譯

剖面頂部或淺層，CSAMT法反映高阻層狀異常，微動顯示穩(wěn)定的低速層狀異常。表明淺層巖土層松散或基巖受到強烈風(fēng)化，形成高阻、低速的組合異常特征。CSAMT法剖面異常具有高、低、高的三層結(jié)構(gòu)，表明淺部巖層松散或風(fēng)化，中部巖層斷層發(fā)育，深部巖層比較完整；微動法具有低、高、略低、高的四層結(jié)構(gòu)異常，但中深部層狀特征不明顯，由斑狀或點狀低速構(gòu)成，反應(yīng)中深部巖層除斷層發(fā)育外，巖層不完整，存在裂隙或碎裂。對于斷層的探測效果，CSAMT法表現(xiàn)為連續(xù)的低阻帶或高阻接觸異常；微動則顯示為低速帶，但低速帶不連續(xù)，由多低速、局部高速的組合異常出現(xiàn)，揭示了斷層破碎帶不是完全破碎，其間仍有完整的巖石存在。

3 結(jié)語

人工源或主動源CSAMT法與天然源或被動源微動法剖面異常形態(tài)特征相近，推斷地質(zhì)剖面整體上基本一致。低阻區(qū)對應(yīng)低速區(qū)，低阻突起與低速帶相對應(yīng)。低阻區(qū)內(nèi)低阻異常連續(xù)，說明CSAMT法旁側(cè)效應(yīng)明顯，這是所謂的場源效應(yīng)；低速區(qū)內(nèi)低速異常不連續(xù)，一是說明微動法的場源來自不同的方向，二是微動法分辨率較CSAMT高，但在無地質(zhì)資料的情況下，實際工作中引起異常的地質(zhì)體不易判別。

兩種方法勘探結(jié)果均發(fā)現(xiàn)了1條經(jīng)T4監(jiān)測點的北東向斷裂構(gòu)造，監(jiān)測點T4位移的主要誘因是受這條通向庫區(qū)壩體的北東向斷裂的影響。由于這一斷裂埋藏淺，向壩體方向延伸，在2019年4—7月間，壩體上有重物車輛連續(xù)晝夜頻繁地運行，運行過程中向地面產(chǎn)生的壓力通過斷裂釋放，導(dǎo)致T4監(jiān)測點發(fā)生了水平位移。

眾所眾知，物探異常具有多解性。用單一方法獲得的異常解釋地質(zhì)現(xiàn)象可信度低，用兩種或多種方法進行聯(lián)合勘探能夠提升對異常解釋的可信程度。對于同一地質(zhì)體，不同方法獲得異?？梢韵嗷プ糇C，當(dāng)達到一致時，異常解釋更可靠、說服力更強。因此，多方法聯(lián)合勘探比單一方法勘探優(yōu)勢明顯、效果更好，但勘探成本會有所提高。