瞬變電磁法在某礦區(qū)巖溶勘查中的應(yīng)用研究

龍秀潔，鄧宇靜

（1.廣西壯族自治區(qū)地球物理勘察院，廣西 柳州 545000；2.廣西泰寶礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 貴港 537000）

在礦山開采過程中常常引發(fā)地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，給人民生命財產(chǎn)安全和周邊居民建筑物的穩(wěn)定性造成威脅。以桂平市錫基坑鉛鋅礦為例，由于礦區(qū)長期開采引發(fā)區(qū)域地下水位下降、導(dǎo)致巖溶地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害問題，因此查明該礦區(qū)巖溶發(fā)育分布規(guī)律、規(guī)模，成為急需解決的問題。然而礦區(qū)存在復(fù)雜干擾背景場給物探勘查帶來困難[1]。面對工程項目急且干擾源復(fù)雜的雙重困難下，前期在已知溶洞、巷道上方開展多種物探方法有效性試驗，如可控源音頻大地電磁法、高密電阻率法、微動、瞬變電磁法等，只有FCTEM60-1拖拽式高分辨率瞬變電磁法探測系統(tǒng)可以壓制礦區(qū)干擾，并準(zhǔn)確有效的探測溶洞、巷道位置及埋深，所以利用瞬變電磁法能有效探測巖溶發(fā)育情況。

1 工程概況

桂平市錫基坑鉛鋅礦位于廣西桂平市厚祿鄉(xiāng)，礦山距離貴港市東北方向32km，桂平市西南方向26km處，距厚祿鄉(xiāng)約2.5km，行政區(qū)域隸屬桂平市厚祿鄉(xiāng)管轄，地理坐標(biāo)：東經(jīng)109°50′33″-109°51′14″,北緯23° 15′ 58″ -23° 16′ 46″。

該礦區(qū)面積約1.77km2，開采標(biāo)高：+40m～-100m，以地下開采為主、露天開采為輔。+20m標(biāo)高以下的礦體采用地下開采方式，+20m標(biāo)高以上的局部礦體采用露天開采方式。礦區(qū)在開采過程中，揭露大量溶隙、溶洞、破碎帶等含導(dǎo)水構(gòu)造，導(dǎo)致礦坑涌水災(zāi)害，引發(fā)區(qū)域地下水位下降、巖溶地面塌陷等一系列問題，影響礦山安全開采及周邊生態(tài)環(huán)境安全[2]。因此，礦區(qū)巖溶裂隙帶、溶洞、含導(dǎo)水構(gòu)造的精細(xì)化探測與有效封堵成為目前亟需開展的重要工作，通過物探手段查明巖溶發(fā)育情況及分布規(guī)律為后期災(zāi)害治理提供可靠地學(xué)依據(jù)。

2 瞬變電磁法探測

（1）工作原理及設(shè)備。瞬變電磁法（TEM）是利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時間分布，來解決有關(guān)地質(zhì)問題的時間域電磁法。本次野外工作使用重慶大學(xué)和重慶璀陸探測技術(shù)有限公司研發(fā)的FCTEM60-1拖拽式高分辨率瞬變電磁系統(tǒng)，具有以下特點：①觀測斷電后的純二次場，克服了復(fù)雜的一次場補(bǔ)償問題，受地形影響較??；②單脈沖激發(fā)就可得到多信息的整條瞬變電場衰減曲線，通過加大發(fā)射功率和多次疊加，可大幅度地提高信噪比，加大勘探深度；③采用不接地回線裝置，適宜于各種地理環(huán)境下的野外工作；④由于瞬變電磁法的探測深度僅取決于大地電阻率和儀器的采樣時間，故可通過調(diào)節(jié)發(fā)送功率、儀器采樣時間，方便地控制探測范圍；⑤采用不同的裝置形式，可以相應(yīng)地提高橫向、縱向分辨能力；⑥對發(fā)送回線的形狀、方位和點位要求不嚴(yán)，測地工作簡單，可通過流水作業(yè)達(dá)到極高的工作效率；⑦在高阻圍巖地區(qū)不會產(chǎn)生地形起伏的假異常，在低阻圍巖區(qū)，由于是多道觀測，早期場的地形影響也較易分辨。

（2）測線布設(shè)。根據(jù)已知礦區(qū)地質(zhì)資料、地形地貌及工作目的任務(wù)所需解決的地質(zhì)問題，南北向布設(shè)6條測線，東西向布設(shè)9條測線，覆蓋整個礦區(qū)如圖4。布設(shè)15條瞬變電磁法剖面，剖面總長度為19005m，物理點數(shù)3816個，點距5m，設(shè)計勘探深度100m。

3 數(shù)據(jù)處理及資料解釋

瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理過程：首先將野外實測的感應(yīng)電位經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理，最后得到視電阻率斷面等值線圖的過程。

資料的解釋是以不同地質(zhì)體電性差異為前提，地質(zhì)體的電阻率與所含礦物組成、含水量、自身的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等因素有關(guān)。當(dāng)?shù)叵掠袛嗔褬?gòu)造、巖溶破碎帶、巖溶裂隙、溶洞發(fā)育時，視電阻率等值線反映為梯度變化帶，充填型溶洞表現(xiàn)為低阻圈閉異常形態(tài)，未充填溶洞表現(xiàn)為高阻圈閉異常形態(tài)，斷裂構(gòu)造、破碎帶視電阻率表現(xiàn)為同步低阻下凹異常形態(tài)特征。根據(jù)瞬變電磁法電阻率斷面等值線圖異常形態(tài)進(jìn)行定性、定量解釋，結(jié)合已知地質(zhì)資料推斷斷裂構(gòu)造、巖溶破碎帶、巖溶裂隙發(fā)育、劃分地下水強(qiáng)徑流帶分布、地下水主要通道的位置和規(guī)模。文中僅僅對1線、3線、6線成果進(jìn)行分析：從1線瞬變電磁法電阻率斷面等值線圖中375m～400m、525m～550m、625m～675m、725m～750m、850m～900m、1025m～1100m、1125m～1400m呈低阻下凹異?；虻妥枞﹂]異常形態(tài)，埋深約20m～-20m，推斷該深度溶蝕裂隙較發(fā)育局部發(fā)育小規(guī)模充填型溶洞如圖1；從3線瞬變電磁法電阻率斷面等值線圖中500m～510m、725m～875m、975m～1125m、1625m～1675m呈 低 阻 下凹異?；虻妥枞﹂]異常形態(tài)，埋深約30m～-20m，推斷該深度溶蝕裂隙較發(fā)育局部發(fā)育小規(guī)模充填型溶洞如圖2；從6線瞬變電磁法電阻率斷面等值線圖中400m～475m、925m～1050m、1190m～1210m、1425m～1475m呈低阻下凹異?；虻妥枞﹂]異常形態(tài)，埋深約30m～-20m，推斷該深度溶蝕裂隙較發(fā)育局部發(fā)育小規(guī)模充填型溶洞如圖3；溶蝕裂隙發(fā)育位置電阻率值較低50Ω·m～210Ω·m，基巖相對完整位置電阻率值530Ω·m～11330Ω·m，1線與3線平行異常形態(tài)連續(xù)性較好，已知塌陷區(qū)集中1線、3線與低阻下凹異常吻合，表明低阻異常區(qū)巖溶較發(fā)育，存在較大的巖溶塌陷風(fēng)險。

圖1 1線瞬變電磁法電阻率斷面等值線圖（紅色圓圈為低阻異常區(qū)）

圖2 3線瞬變電磁法電阻率斷面等值線圖（紅色圓圈為低阻異常區(qū)）

圖3 6線瞬變電磁法電阻率斷面等值線圖（紅色圓圈為低阻異常區(qū)）

根據(jù)物探成果推斷整個礦區(qū)巖溶較發(fā)育，巖溶發(fā)育主要在10m～-20m標(biāo)高，視電阻率呈層狀圈閉低阻異常帶；局部有巖溶破碎帶、巖溶裂隙帶發(fā)育，視電阻率呈較大幅值低阻下凹異常，共圈定巖溶裂隙帶51處，巖溶破碎帶局部發(fā)育溶洞11處。研究發(fā)現(xiàn)物探異常呈局部分帶性，根據(jù)規(guī)律劃分成兩處物探異常帶分別為D1、D2：其中D1異常帶巖溶發(fā)育最強(qiáng)烈異常規(guī)模較大且分布密集，屬地下水強(qiáng)勁流帶；D2異常帶巖溶發(fā)育較D1異常帶弱，異常規(guī)模小且比較分散。結(jié)合地質(zhì)資料推斷數(shù)條北東～南西向構(gòu)造、一條北西～南東向斷層（F2），在構(gòu)造錯斷部位溶蝕較強(qiáng)烈、巖溶較發(fā)育，物探異常集中且明顯。圈定礦區(qū)巖溶發(fā)育較強(qiáng)烈主要位于礦區(qū)西南面，礦區(qū)南、東、北、西北面巖溶稍發(fā)育如圖4。

圖4 成果推斷圖

4 結(jié)論

（1）采用FCTEM60-1拖拽式高分辨率瞬變電磁法探測系統(tǒng)，查明礦區(qū)內(nèi)主要的地下水通道、巖溶裂隙、溶洞、巖溶破碎帶受到北東～南西向構(gòu)造、北西～南東斷層控制，物探異常集中的區(qū)域正是構(gòu)造錯斷部位，研究發(fā)現(xiàn)巖溶發(fā)育具有分帶性。結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)及水文地質(zhì)資料分析，低阻異常主要是由充填型溶洞、破碎帶、巖溶裂隙引起，已知塌陷位置與物探圈定的巖溶破碎帶吻合，證實該方法取得可靠的地學(xué)信息，為后期治理提供可靠的技術(shù)支撐。

（2）FCTEM60-1拖拽式高分辨率瞬變電磁法探測系統(tǒng)，所采集的數(shù)據(jù)通過專業(yè)軟件反演繪制二維電阻率斷面等值線圖，能夠較為準(zhǔn)確探測復(fù)雜干擾背景場地地下空間巖溶發(fā)育情況，使得復(fù)雜干擾背景下物探勘查成為可能。