基于音頻大地電磁法與高密度電法的礦山選廠地下水勘察

姚 文，蔣 偉，周洪兵，陳遙坤

（1.四川省金屬地質(zhì)調(diào)查研究所，四川 成都 611730；2.成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，四川 成都 610059）

1 引言

地球物理方法是勘察地下水分布必不可少的重要手段，能有效查明地下水蘊(yùn)含的巖層，再結(jié)合地質(zhì)和水文信息，能大致摸清地下水來源及分布［1－4］。音頻大地電磁法和高密度電法在我國(guó)廣泛地實(shí)踐于地質(zhì)勘查、工程勘探、水利水電領(lǐng)域的找礦、找水工程勘察實(shí)踐［5－7］。本文以西藏巨龍銅礦山選廠開展水文地質(zhì)地下水勘察為實(shí)例，首先采用音頻大地電磁法初步摸清了礦山選廠地質(zhì)構(gòu)造、地層分層特征；再結(jié)合高密度電法，達(dá)到了解重點(diǎn)勘察區(qū)第四系厚度、含水地段及預(yù)測(cè)地下水富集部位的目的。鉆探鉆孔成果成功地驗(yàn)證了地球物理異常，為最終解決礦山選廠安全生產(chǎn)及處置其地下水水位異常提供了重要依據(jù)［8－11］。

2 勘察區(qū)地質(zhì)水文和地球物理?xiàng)l件

2.1 地質(zhì)水文條件

西藏巨龍銅礦位于岡底斯山脈與念青唐古拉山脈結(jié)合部以北，在西藏地貌區(qū)劃中，隸屬于雅魯藏布江中游河谷區(qū)。地層位于滇藏地層大區(qū)南部，地層分區(qū)屬于岡底斯－騰沖區(qū)之拉薩－察隅地層分區(qū)。場(chǎng)區(qū)出露地層主要有第四系Q、侏羅系早－中統(tǒng)葉巴組J1－2y，主要含綠灰色英安巖、石英英安巖、流紋巖、巖屑晶屑凝灰?guī)r、英安質(zhì)流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r、英安質(zhì)流紋質(zhì)凝灰熔巖等。

礦山選廠地位于普窮朗Ⅰ級(jí)支流且津朗下游溝口以上段，場(chǎng)地海拔4360～4560m，屬極高山谷地地貌，整體地勢(shì)西高東低。重點(diǎn)勘察部位為原有河道朗窮普驅(qū)龍東溝與支流且津朗驅(qū)龍西溝匯流點(diǎn)，均存在有第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。地表水為常年流水，自然溝道內(nèi)水量略大于引流渠內(nèi)水量，工程切坡處，均見有不同程度的滲水，地表水存在一定程度的下滲。

鑒于礦山生產(chǎn)建設(shè)，原有水文地質(zhì)條件改變，包括地基開挖、向上抽取拉薩河水、回填河道等，無足夠資料清晰顯示地下水潛水面形態(tài)，勘察區(qū)的地表工作不足以明晰除松散巖類孔隙水、基巖裂隙水以外的地下水賦存形態(tài)，需解決地下水主要來源、證明或排除構(gòu)造裂隙水、地下水的賦存量等問題。

2.2 地球物理?xiàng)l件

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和勘察區(qū)地球物理的反演結(jié)果分析，推斷得出不同地質(zhì)體的電阻率值，見表1。影響地質(zhì)體電阻率大小的主要因素有地質(zhì)體的礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及含水情況等，可以看出較完整巖體與風(fēng)化度、破碎、含水破碎帶之間存在一定的電性差異，同時(shí)勘察區(qū)內(nèi)第四系殘坡積、基巖層之間存在明顯的電性差異，具備開展大地電磁法和高密度電法的地球物理勘察前提條件。在確定的電阻異常情況下，結(jié)合地質(zhì)信息對(duì)異常進(jìn)行綜合分析，可判定含水破碎帶的大小和范圍，進(jìn)一步確定地下水的賦存情況，預(yù)測(cè)地下水的含水區(qū)域和富集部位。

表1 勘察區(qū)地質(zhì)體電阻率參數(shù)Table 1 Resistivity parameter of geological body in survey area

3 地球物理勘查方法

地球物理方法的選擇應(yīng)針對(duì)需探明的工程地質(zhì)問題，并結(jié)合方法本身的技術(shù)特點(diǎn)和適用性：西藏巨龍銅礦山地下水勘察要求劃分地質(zhì)剖面、基巖埋藏深度及基巖面起伏形態(tài)，確定第四系厚度、含水層的分布和富水區(qū)域。

音頻大地電磁法與高密度電阻率法是基于地層巖性或地質(zhì)構(gòu)造的電阻率值差異，及其在地下的展布形態(tài)差異，探測(cè)和劃分地下地質(zhì)體及其空間分布的重要地球物理方法［12，13］。通過兩種方法的結(jié)合，達(dá)到探測(cè)地下地質(zhì)體電阻率差異和了解地下巖體富水性的目的。

3.1 音頻大地電磁法

音頻大地電磁法是重要的大地電磁測(cè)深方法，觀測(cè)頻帶寬，是被動(dòng)源的技術(shù)方法，其頻率范圍是20000～0.1Hz，高頻部分10000～1000Hz所在頻段人耳所能聽到，所以稱為“音頻”，探測(cè)深度為幾米至2000m。主要通過觀測(cè)具有區(qū)域性的天然交變電磁場(chǎng)來達(dá)到測(cè)深的目的，其主要特點(diǎn)是裝備輕便、無需人工源、信息豐富、技術(shù)成熟、處理手段多樣化。但其場(chǎng)源信號(hào)弱、抗干擾能力較差，適于在電磁干擾較小的區(qū)域工作。根據(jù)工作的技術(shù)和任務(wù)要求，以及地形、地質(zhì)情況，采用如下裝置進(jìn)行地面探測(cè)，見圖1。

圖1 音頻大地電磁法野外布置示意圖Fig.1 The field layout of audio magnetotelluric method

大地電磁法是利用太陽熱活動(dòng)所發(fā)出帶電粒子流太陽風(fēng)形成的天然電磁場(chǎng)和雷電形成的高頻電磁場(chǎng)作為勘探場(chǎng)源，這種高空電磁場(chǎng)可近似為平面電磁波、垂直入射到大地介質(zhì)中，在大地介質(zhì)中將產(chǎn)生感應(yīng)電磁場(chǎng)，此感應(yīng)電磁場(chǎng)帶來地下介質(zhì)的電磁響應(yīng)［14］。在均勻大地和水平層狀大地情況下，波阻抗是電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H的水平分量的比值。

式中，f為頻率（單位Hz）；ρ為電阻率（單位Ω·m）；E為電場(chǎng)強(qiáng)度（單位mV／km）；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度（單位nT）；φE為電場(chǎng)相位（單位rad）；φH為磁場(chǎng)相位（單位rad）。

在電磁理論中，把電磁場(chǎng)（E、H）在大地中傳播時(shí)，其振幅衰減到初始值1／e時(shí)的深度定義為穿透深度或趨膚深度（δ），即

由式（4）可知，趨膚深度δ（單位m）將隨電阻率（ρ）和頻率f變化。當(dāng)?shù)乇黼娮杪使潭〞r(shí)，電磁波的傳播深度或探測(cè)深度與頻率成反比。高頻信息反映地下淺部地層電性特征，反之，低頻信息反映地下中、深部地層電性特征，人們可以通過測(cè)得不同頻率的信號(hào)，從而達(dá)到電磁測(cè)深的目的。因此，可以在一個(gè)寬頻帶上觀測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)信息，并由此計(jì)算出視電阻率和相位，進(jìn)而確定出大地的地電特征和地下構(gòu)造。

3.2 高密度電法

高密度電法是傳統(tǒng)的直流電法探測(cè)系統(tǒng)［15，16］，是基于垂向直流電測(cè)深與電測(cè)剖面法兩個(gè)基本原理的基礎(chǔ)上，通過高密度電法測(cè)量系統(tǒng)中的軟件，控制著在同一條多芯電纜上布置連結(jié)的多個(gè)電極，使其自動(dòng)組成多個(gè)垂向測(cè)深點(diǎn)或多個(gè)不同深度的探測(cè)剖面，根據(jù)控制系統(tǒng)中選擇的探測(cè)裝置類型，對(duì)電極進(jìn)行相應(yīng)的排列組合，按照測(cè)深點(diǎn)位置的排列順序或探測(cè)剖面的深度順序，逐點(diǎn)或逐層探測(cè)，實(shí)現(xiàn)供電和測(cè)量電極的自動(dòng)布點(diǎn)、自動(dòng)跑極、自動(dòng)供電、自動(dòng)觀測(cè)、自動(dòng)記錄、自動(dòng)計(jì)算、自動(dòng)存儲(chǔ)。通過數(shù)據(jù)傳輸軟件把探測(cè)系統(tǒng)中存儲(chǔ)的探測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)入計(jì)算機(jī)中，經(jīng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理后，可自動(dòng)生成各測(cè)深點(diǎn)曲線及各剖面層或整體剖面的圖像，見圖2。

3.3 測(cè)線布置及技術(shù)參數(shù)

地面地球物理工作須在鉆探工程之前進(jìn)行，重點(diǎn)布置在依靠地表地質(zhì)信息難以判斷地下情況的地段、鉆探試驗(yàn)地段、鉆探困難地段或僅需初步探測(cè)某些地質(zhì)問題的地段。

音頻大地電磁法主要布設(shè)于勘察區(qū)內(nèi)的選廠西部溝谷和東部溝谷處，目的是了解選廠區(qū)域范圍內(nèi)地下地質(zhì)構(gòu)造、地層分界特征；2條大地電磁測(cè)深測(cè)線，分別為L(zhǎng)1線和L2線，測(cè)線長(zhǎng)度均為500m左右，見圖3。

圖3 工程測(cè)線布置及鉆孔位置Fig.3 Engineering survey line layout and drilling position

音頻大地電測(cè)法施工前開展音頻大地電磁測(cè)深參數(shù)試驗(yàn)，確定有效觀測(cè)記錄頻帶為19983.3～2.5Hz，全區(qū)所有測(cè)點(diǎn)使用相同的頻率范圍。野外Geode EM3D電磁勘探系統(tǒng)采集過程中，保證測(cè)量高頻段（20kHz～1000Hz）疊加次數(shù)50次以上，中頻段（1000Hz～2Hz）疊加次數(shù)10次以上，點(diǎn)距優(yōu)選為30m，多次疊加減少和弱化電磁干擾影響，保障觀測(cè)資料的質(zhì)量。

高密度電阻率法主要布設(shè)于勘察區(qū)內(nèi)的選廠上部溝谷和下部溝谷處，以橫切溝谷為測(cè)線方向，目的是確定第四系厚度、含水地段及預(yù)測(cè)地下水的富集部位；完成2條高密度電法測(cè)線，分別為L(zhǎng)3線和L4線，測(cè)線長(zhǎng)度均為500m左右，見圖3。

高密度電阻率法測(cè)量使用的是溫納排列裝置，如圖4所示。

圖4 溫納排列布極示意圖Fig.4 Schematic diagram of Wenner’s arrangement

其視電阻率計(jì)算公式為：

式中：ρs為視電阻率（單位Ω·m）；a為電極距（單位m）；ΔV為觀測(cè)電位差（單位V）；I為供電電流（單位A）。

溫納排列特點(diǎn)為信噪比最高，具有良好的垂向分辨率，優(yōu)選為本次高密度電法選擇的測(cè)量排列，點(diǎn)距設(shè)置為5m，兩條高密度測(cè)線實(shí)測(cè)中均重復(fù)測(cè)量?jī)纱?，兩次觀測(cè)誤差均小于7%，說明游散電流對(duì)方法干擾弱，達(dá)到規(guī)范要求，進(jìn)而進(jìn)行反演解譯。

4 勘察區(qū)地球物理成果分析及驗(yàn)證

4.1 音頻大地電磁法解譯及驗(yàn)證

勘察區(qū)內(nèi)開展大地電磁法測(cè)量2條測(cè)線，測(cè)線L1和L2均橫切溝谷，選擇能夠較好反映主構(gòu)造橫切斷面地電結(jié)構(gòu)的TM模式反演［17－24］。反演采用一維OCCAM與二維NLCG聯(lián)合反演方案，其結(jié)果同時(shí)具有一維反演的層狀性質(zhì)與二維反演的低擬合差特征，反演對(duì)初始模型的依賴性較弱，同時(shí)保證了最終解的平滑特性。2條測(cè)線的視電阻率－深度反演剖面圖如圖5和圖6所示。

圖5 L1線視電阻率－深度反演剖面Fig.5 The apparent resistivity－depth inversion profile of line L1

圖6 L2線視電阻率－深度反演剖面Fig.6 The apparent resistivity－depth inversion profile of line L2

測(cè)線L1位于礦山選廠南部，近鄰選廠背部山體，測(cè)線橫切過地表水深溝，測(cè)線方向100°，包含11個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距50m左右，測(cè)線長(zhǎng)度516m，地形整體較為陡峭。L1線反演深度為500m，見圖5，整體反演剖面呈現(xiàn)垂向向下，電阻近似遞增的形態(tài)，傾向向西。海拔高度4200m以上，測(cè)點(diǎn)L1－4至L1－14之間，出現(xiàn)深藍(lán)色低阻異常帶，異常編號(hào)為MA－1，異常形態(tài)為近似橫向長(zhǎng)條狀，縱向深度約80m，橫向延伸約200m，視電阻率數(shù)值范圍為150～5000Ω·m（說明：剖面圖中電阻率取10的對(duì)數(shù)成圖），推斷為破碎基巖、部分含水破碎基巖和地表第四系殘坡積引起，為含水富水區(qū)域，地表河流流經(jīng)，推斷地表水沿地表裂隙下滲；海拔高度4040～1420m之間，測(cè)點(diǎn)L1－0至L1－2之間，出現(xiàn)深藍(lán)色低阻異常帶，異常編號(hào)為MA－2，異常埋藏較深，形態(tài)為近似橢圓形，寬度約80m，縱向延伸約80m，向西側(cè)延伸未封閉，視電阻率數(shù)值范圍為150～5000Ω·m，推斷為破碎基巖和部分含水破碎基巖引起；MA－1和MA－2之間存在淡藍(lán)色中低阻帶，推斷存在斷層錯(cuò)動(dòng)引起的較破碎基巖帶。剖面中深部出現(xiàn)大面積黃紅色高阻，視電阻率大于5000Ω·m，推斷為完整基巖。

測(cè)線L2位于礦山選廠西側(cè)部，測(cè)線橫切西側(cè)過地表水緩溝，測(cè)線方向40°，包含10個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距50m左右，測(cè)線長(zhǎng)度469m，地形整體平緩。L2線反演深度為500m，見圖6，整體反演剖面呈現(xiàn)高低電阻交錯(cuò)近似成層。海拔高度4050m以上，測(cè)點(diǎn)L2－2至L2－10之間，出現(xiàn)深藍(lán)色低阻異常帶，異常編號(hào)為MB－1，異常形態(tài)為近似橢圓形，縱向深度約150m，橫向延伸約150m，視電阻率數(shù)值范圍為4～50Ω·m（說明：剖面圖中視電阻率取10的對(duì)數(shù)成圖），推斷為含水破碎基巖，為富水區(qū)域；海拔高度4050m至4130m之間，測(cè)點(diǎn)L2－12至L2－16之間，出現(xiàn)淺色低阻異常帶，異常編號(hào)為MB－2，形態(tài)為近似橢圓形，縱橫向長(zhǎng)寬約50m，視電阻率數(shù)值為400Ω·m左右，推斷為破碎基巖引起。剖面中部L2－6至L2－14出現(xiàn)大面積紅色高阻間斷垂向向下，視電阻率大于5000Ω·m，地表顯示為凸起的山脊，推斷為完整基巖，含水性差。地表布置水文鉆孔ZK2，鉆孔深度40m，0～11.5m顯示為素土、含黏性土卵石和卵石，11.5～40m為中風(fēng)化千枚巖，由灰色和灰白色絹云母組成，巖體較完整，裂隙發(fā)育一般，導(dǎo)電性較弱。鉆孔未深入到異常體，布置目的是為了解淺層地下潛水面位置，揭露信息與電性反映的中阻較對(duì)應(yīng)。

4.2 高密度電法解譯及驗(yàn)證

勘察區(qū)內(nèi)共完成高密度電阻率法測(cè)線2條，測(cè)線L3和L4，均橫切溝谷，目的是確定第四系厚度、含水地段及預(yù)測(cè)地下水的富集部位。

圖7所示，L3測(cè)線總體電阻率趨勢(shì)為兩側(cè)高，溝底較低的趨勢(shì)。覆蓋層厚度為1～25m不等，覆蓋層因含水率的不同，電阻率為40～2000Ω·m不等。兩側(cè)山體基巖呈現(xiàn)較高電阻，推斷為較完整基巖。地表可見水溝位于測(cè)線140m處，該處表層10m內(nèi)呈現(xiàn)低阻異常，推斷為含水破碎帶，向下10m之后呈現(xiàn)大于800Ω·m的完整高阻區(qū)域，推斷為完整基巖。MC－1低阻異常區(qū)域電阻率10～70Ω·m未圈閉，且有向大里程深部延伸的趨勢(shì)；針對(duì)該異常地表布置鉆孔ZK3，鉆孔深度40.2m，0～14.2m顯示為素土、含黏性土卵石，14.2～19m為強(qiáng)風(fēng)化千枚巖，千枚巖構(gòu)造，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖芯較為破碎，導(dǎo)電性強(qiáng)，19～40m為中風(fēng)化千枚巖，絹云母組成，千枚巖較完整，裂隙發(fā)育一般，導(dǎo)電性減弱；鉆孔信息驗(yàn)證了物探異常的存在，與低阻異常對(duì)應(yīng)性強(qiáng)。

圖7 L3線剖面高密度電阻率法測(cè)量反演結(jié)果Fig.7 Inversion results of electrical resistivity tomography measurement in L4profile

圖8所示，L4測(cè)線總體電阻率趨勢(shì)為兩側(cè)高，溝底較低的趨勢(shì)。覆蓋層厚度為0.5～15m，覆蓋層因含水率的不同，電阻率為50～500Ω·m不等。中深部出現(xiàn)MD－1和MD－3低阻異常區(qū)域，電阻率40～300Ω·m。測(cè)線220～245m處MD－2深藍(lán)色低阻異常帶有向深部延伸的趨勢(shì)，推斷可能為含水破碎帶。50m處以及430m處為因施工便道引起的異常。其余橙黃色高阻推斷為完整基巖。針對(duì)溝底的MD－2和MD－3號(hào)低阻異常，地表布置鉆孔ZK4和SW4；ZK4鉆孔深度40.3m，0～15.8m范圍內(nèi)隨著深度的增加，分布為耕植土、漂石和含黏性卵石，其中2～5m漂石層結(jié)構(gòu)較破碎，巖芯呈碎塊狀，裂隙發(fā)育，為主要含水層，導(dǎo)電性強(qiáng)，與MD－2低阻異常對(duì)應(yīng)性強(qiáng)，15.8～40.2m為凝灰?guī)r，塊狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育，隨著深度的增加，巖性從強(qiáng)風(fēng)化逐漸轉(zhuǎn)化為中風(fēng)化，巖心逐漸完整，同時(shí)電性異常也對(duì)應(yīng)封閉。SW4鉆孔深度38.5m，0～13.3m范圍內(nèi)隨著深度的增加，分布為耕植土、卵石和角礫，13.3～38.5m是中風(fēng)化凝灰?guī)r，巖體破碎，裂隙發(fā)育，巖芯多為碎塊狀，導(dǎo)電性較強(qiáng)，整體與地質(zhì)異常較對(duì)應(yīng)。

圖8 L4線剖面高密度電阻率法測(cè)量反演結(jié)果Fig.8 Inversion results of electrical resistivity tomography measurement in L3profile

5 結(jié)論

西藏巨龍銅礦礦山選廠地下水勘察中，綜合運(yùn)用音頻大地電磁法和高密度電法兩種方法，獲得如下成果：音頻大地電磁法反演劃分出低阻異常4處，分別為MA－1和MA－2、MB－1和MB－2，推斷異常與破碎基巖、部分含水破碎基巖相關(guān)，為地下中深部富水區(qū)域；高密度電法反演成果劃分出低阻異常4處，其中MC－1鉆孔驗(yàn)證為風(fēng)化破碎帶，MD－2驗(yàn)證為含水層，MD－3驗(yàn)證為裂隙發(fā)育的破碎帶。

通過水文鉆孔成果，驗(yàn)證了上述地球物理勘查方法的有效性，初步查明選廠地下電性特征與破碎帶、含水層的關(guān)系。建議加強(qiáng)選廠周邊的水文地質(zhì)綜合調(diào)查，適當(dāng)擴(kuò)大地球物理勘查范圍，進(jìn)一步為地下水水位抬升異常的處置提供依據(jù)，保障礦山選廠的安全生產(chǎn)。