等值反磁通瞬變電磁和微動(dòng)法在內(nèi)蒙古某螢石礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用效果淺析

蔡有良,吳文賢,彭清華,李懷遠(yuǎn)

(1.成都理工大學(xué) 管理科學(xué)院，四川 成都 610059;2.中國地質(zhì)調(diào)查局 應(yīng)用地質(zhì)研究中心，四川 成都 610036;3.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)院，四川 成都 610059)

1 引 言

近年來，全國因采空區(qū)塌陷誘發(fā)的各種事故時(shí)有發(fā)生，造成了巨大的社會(huì)安全隱患和人民生命財(cái)產(chǎn)損失[1]。目前采空區(qū)作為影響礦山安全生產(chǎn)的主要危害源之一，存在巨大的安全隱患，研究如何有效解決采空區(qū)的勘查問題，對(duì)保護(hù)人民財(cái)產(chǎn)及人身安全具有重要意義和社會(huì)價(jià)值[2,3]。目前，國內(nèi)采空區(qū)探測主要依靠傳統(tǒng)的鉆探工程，未能發(fā)揮地球物理方法技術(shù)的優(yōu)勢[4-6]。

瞬變電磁法利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖電磁場，以激勵(lì)探測目標(biāo)體感應(yīng)二次電流，在脈沖間隙測量二次場隨時(shí)間變化的響應(yīng)[7]。與傳統(tǒng)的瞬變電磁法不同，等值反磁通瞬變電磁法是采用雙線圈源建立一次場零磁通面來消除一次場對(duì)接收線圈的影響，接收地下純二次場響應(yīng)，以達(dá)到消除“盲區(qū)”的目的[8-10]。有效縮短了關(guān)斷時(shí)間，減少了淺層數(shù)據(jù)的失真，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，保證了數(shù)據(jù)精度和信號(hào)帶寬，傳感器采用超低噪聲放大器，降低了系統(tǒng)噪聲，可有效壓制外界干擾，在溶洞、采空區(qū)等災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查中應(yīng)用廣泛[11,12]。

微動(dòng)探測是指基于臺(tái)陣觀測的天然場源微動(dòng)信號(hào)中采用數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)提取面波(瑞利波)頻散信息，再通過瑞利波反演技術(shù)獲得地下介質(zhì)S波速度結(jié)構(gòu)的地球物理勘探方法[13,14]。其采用天然源的綠色環(huán)保特性，具有抗電磁干擾、振動(dòng)干擾能力強(qiáng)，儀器設(shè)備輕便、施工方便等優(yōu)勢，適用于土石界面、巖溶、空洞、斷裂構(gòu)造等的探測，且取得了一批具有工程應(yīng)用價(jià)值的成果[15-20]。

本文采用等值反磁通瞬變電磁法和微動(dòng)探測對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市某螢石礦采空區(qū)進(jìn)行探測，通過10條瞬變電磁法剖面測量和典型剖面微動(dòng)探測工作，查明了采空區(qū)形態(tài)、厚度、埋深等空間分布特征，為后續(xù)治理及儲(chǔ)量核實(shí)提供基礎(chǔ)參考資料。

2 研究區(qū)概況

2.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)大地構(gòu)造單元屬華北地臺(tái)狼山—白云鄂博臺(tái)緣坳陷東端，經(jīng)歷了長期復(fù)雜多期次的構(gòu)造活動(dòng)，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)頻繁，巖漿巖體發(fā)育。區(qū)域內(nèi)出露的地層有中元古界白云鄂博群、志留系上統(tǒng)—泥盆系下統(tǒng)、石炭系上統(tǒng)、侏羅系中統(tǒng)及第三、第四系地層，見表1。螢石礦體賦存于北東向破碎帶中，圍巖為晚二疊世似斑狀鉀長花崗巖。

表1 地層巖性特征

2.2 地球物理特征

本區(qū)主要出露第四系黏土和晚二疊世似斑狀鉀長花崗巖。區(qū)內(nèi)巖、礦石電性特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。本區(qū)黏土電阻率平均值最低，為148 Ω·m；其次為地表填土、碎石土，電阻率平均值為253 Ω·m；晚二疊世似斑狀鉀長花崗巖電阻率平均值最高，達(dá)721 Ω·m，但在凹地采集的風(fēng)化鉀長花崗巖的電阻率平均值明顯降低，僅357 Ω·m。通常地層完整，其橫向上電性相對(duì)均一、差異較小；但隨著地層破碎和積水，其與圍巖存在明顯的電性差異；當(dāng)因采礦引起上覆地層塌陷時(shí)，電阻率會(huì)迅速變化，且充水采空區(qū)的電阻率明顯低于同一層位巖層，具備開展電法勘探的前提。

表2 研究區(qū)巖石電性參數(shù)

3 方法試驗(yàn)效果分析

3.1 等值反磁通瞬變電磁測量

數(shù)據(jù)采集使用湖南省五維地質(zhì)科技有限公司生產(chǎn)的HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統(tǒng)，裝置類型為等值反磁通中心回線觀測，采用上下平行共軸的兩組相同線圈為發(fā)射源，且在該雙線圈源合成的一次場零磁通平面上，測量對(duì)地中心耦合的純二次場。點(diǎn)距2～4 m，發(fā)送頻率2.5 Hz，主機(jī)電源電壓：11.5～12.5 V，發(fā)射電流10 A以上，關(guān)斷時(shí)間65 μs，采集時(shí)間82.54～100 000 μs，疊加次數(shù)大于300 次，重復(fù)觀測2次。對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行廢點(diǎn)剔除、編輯、反演后得到剖面的電性分布特征。

3.2 微動(dòng)勘探

采用湖南省奧成科技有限公司生產(chǎn)的W3PU-3C微動(dòng)勘探系統(tǒng)，連接主頻為2 Hz的垂直分量寬頻帶拾震器(或稱檢波器)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，選用性能和參數(shù)均相同的器件，并系統(tǒng)化地調(diào)試各通道參數(shù)，保證各道頻率特性曲線一致，確保各通道具有良好的一致性；采用32-bit高精度ADC(模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，Analog Data Converter, ADC)，降低儀器自身的量化噪聲，提高儀器信噪比，獲取的微動(dòng)信號(hào)更加精確；通過接收GPS衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)自動(dòng)實(shí)時(shí)地進(jìn)行內(nèi)部時(shí)鐘校正，同步誤差小于15 ns，在長時(shí)間觀測中也能確保各數(shù)據(jù)采集器的同步性。布設(shè)方式采用三重圓觀測臺(tái)陣，如圖1所示，圓心處布設(shè)1臺(tái)數(shù)據(jù)采集器，圓周上布設(shè)3臺(tái)數(shù)據(jù)采集器。共完成微動(dòng)勘探物理點(diǎn)12個(gè)，施工采用皮尺布置臺(tái)陣。臺(tái)陣采用邊長為30 m的三重圓觀測臺(tái)陣。在利用SPAC法(空間自相關(guān)法，Spatial Auto Correlation,SPAC)時(shí)，圓形觀測臺(tái)陣的邊長稱為觀測邊長3P，最大探測深度H與觀測邊長3P之間通常存在以下關(guān)系：H=(3～5)3P。采樣時(shí)要求采樣時(shí)間大于20 min，當(dāng)頻散曲線形態(tài)趨于穩(wěn)定時(shí)，即可終止采集。微動(dòng)單點(diǎn)探測目的是獲得測點(diǎn)下方地層介質(zhì)的橫波速度及界面深度。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3P0線等值反磁通瞬變電磁(圖2)推斷采空區(qū)位于160～200號(hào)點(diǎn)段，標(biāo)高1 385～1 445 m，視電阻率值范圍為100～400 Ω·m，呈低阻特征，與已知螢石礦體產(chǎn)狀吻合；其西側(cè)為陡立中高阻異常，頂部視電阻率值為550 Ω·m的中高阻異常凸起，底部以低阻與中高阻梯度帶，因此采空區(qū)西邊界、頂板、底板均可劃定；因其東部恰為構(gòu)造破碎帶引起的低阻異常帶，未有明顯異常邊界或凸起等變化，主要參考礦體東邊界為采空區(qū)東邊界來劃定。深部視電阻率大于600 Ω·m，且較為連續(xù)，推測為花崗巖體的反映。180～240點(diǎn)段，標(biāo)高1 385 m以淺，整體為低阻特征，低阻帶傾向東南，傾角約75°，推測為控礦構(gòu)造F1，地表水滲透和地下水上涌，導(dǎo)致構(gòu)造破碎帶整體顯示為低阻特征，而螢石礦體恰位于F1構(gòu)造帶的西側(cè)，符合控礦條件。15 m以淺，電阻率值<150 Ω·m，為該斷面圖中視電阻率值最低,視電阻率等值線呈水平層狀分布，與下覆較完整的花崗巖體及構(gòu)造破碎帶的視電阻率等值線之間具有明顯的垂向突變特征，推斷為花崗巖風(fēng)化層，且東側(cè)比西側(cè)厚。

圖2 螢石礦區(qū)3P0線等值反磁通瞬變電磁反演斷面

3P8線等值反磁通瞬變電磁圖3(a),推斷采空區(qū)位于160～192號(hào)點(diǎn)段，標(biāo)高1 345～1 440 m，視電阻率在100～400 Ω·m，呈低阻特征，與已知螢石礦體產(chǎn)狀吻合；其西側(cè)為陡立中高阻異常，頂部為視電阻率值為550 Ω·m的中高阻異常凸起，底部為電阻率梯度帶，因此采可劃定空區(qū)西邊界、頂板、底板；因其東部為構(gòu)造破碎帶引起的低阻異常帶，未有明顯異常邊界或凸起等，參考礦體東邊界來劃定采空區(qū)東部邊界。深部視電阻率大于600 Ω·m，且較連續(xù)，推測為花崗巖體的反映，且與3P0線特征一致。200～280點(diǎn)段，標(biāo)高1 405 m以淺，整體為低阻特征，低阻帶傾向東南，傾角約75°，推測為控礦構(gòu)造F1及采空工程活動(dòng)影響區(qū)，地表水滲透和地下水上涌，整體顯示為低阻特征。20 m以淺的視電阻率等值線呈水平層狀分布，與3P0線推斷花崗巖風(fēng)化層一致。

圖3 螢石礦區(qū)3P8線綜合物探成果

根據(jù)3P8線微動(dòng)勘探圖3(b)，推斷80 m以淺的采空區(qū)位于170～190號(hào)點(diǎn)，視橫波速度100～440 m/s，呈低速特征，微動(dòng)勘探和等值反磁通瞬變電磁法推斷的采空區(qū)范圍吻合。

4 綜合分析

3P0勘查線226點(diǎn)施工驗(yàn)證鉆孔ZK0-1未見采空區(qū)，而在120.9 m深度處見厚大螢石礦體，為本次采空區(qū)東部邊界的劃定提供了依據(jù)；192點(diǎn)施工驗(yàn)證鉆孔ZK0-2在43.8 m處見采空區(qū)，表明根據(jù)瞬變電磁視電阻率斷面圖推斷的采空區(qū)分布較合理，由此進(jìn)一步細(xì)化了采空區(qū)的頂板、底板及西邊界依據(jù)。

由于采空區(qū)受充水及破碎的影響呈低阻特征，圍巖巖體呈高阻特征，物性差異較大，低阻異常反映明顯。通過10條等值反磁通瞬變電磁剖面，視電阻率在橫向上總體呈中間低兩端高的“U”型電性特征，反映了采空區(qū)的基本特征。根據(jù)剖面低阻帶分布特征，推斷的采空區(qū)集中分布于各剖面170～210號(hào)點(diǎn)，視電阻率100～500 Ω·m，距離地表發(fā)現(xiàn)礦體南東側(cè)約30 m范圍內(nèi)、埋深20～90 m，與地表探槽及鉆孔中圈定的礦體位置相吻合。

采空區(qū)西側(cè)為陡立中高阻異常，頂部視電阻率值為550 Ω·m的中高阻異常凸起，底部為高低電阻率梯度帶，因此可劃定采空區(qū)西邊界、頂板、底板；由于東部構(gòu)造破碎帶也會(huì)引起低阻異常，主要參考礦體東邊界劃定采空區(qū)東邊界。深部視電阻率大于600 Ω·m，且較為連續(xù)，推測為完整花崗巖體的反映，由此推測采空區(qū)分布特征見圖4。

圖4 螢石礦區(qū)推斷采空區(qū)平面分布

5 結(jié) 論

鉆孔驗(yàn)證結(jié)果表明，等值反磁通瞬變電磁法及微動(dòng)勘探剖面測量兩種方法均能反映采空區(qū)形態(tài)、厚度、埋深等空間分布特征，為采空區(qū)邊界的詳細(xì)劃定提供依據(jù)。等值反磁通瞬變電磁法儀器輕便，采集時(shí)間短，受地形限制小，大大提高了野外的施工效率，是采空區(qū)勘查中物探方法首選；不足之處是微動(dòng)勘探在草原、戈壁等相對(duì)震源較少區(qū)采集數(shù)據(jù)較慢，信號(hào)差。

通過采空區(qū)的劃定，可進(jìn)一步為該礦區(qū)螢石礦儲(chǔ)量計(jì)算及分布情況提供參考依據(jù)。