高密度電法在礦區(qū)土層調(diào)查中的應(yīng)用

龍思帆　陳志東

［關(guān)鍵詞］高密度電法；土層范圍；鉆孔；三維呈現(xiàn)

目前，淮北市內(nèi)共發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)56種，查明儲(chǔ)量的礦產(chǎn)有16種，其中水泥用灰?guī)r礦儲(chǔ)量位于全省第6位。礦山數(shù)量增速迅猛，但是由于管理不到位，導(dǎo)致其無序開采，從而產(chǎn)生了很多地質(zhì)環(huán)境問題和潛在隱患[1]。為了已停水泥用灰?guī)r礦露天采礦區(qū)的治理，提前調(diào)查該治理區(qū)地質(zhì)環(huán)境情況，查明土層范圍、深度等成為進(jìn)行各項(xiàng)環(huán)境治理修復(fù)的先決條件。目前，第四系地層的勘查以鉆探等為主，該勘查模式成本大、效率低下、成果相對粗糙。物探技術(shù)具有快速、高效、剖面連續(xù)的特點(diǎn)，物探勘查技術(shù)為主，輔助以鉆探驗(yàn)證并提供修正參數(shù)從而獲取地層參數(shù)的勘查模式取得了較好的應(yīng)用效果[2、3]。

通過國內(nèi)外土層厚度調(diào)查案例分析，大部分地球物理方法存在探測精度不夠、分層效果不明顯等問題，其中高密度電阻率法與地質(zhì)雷達(dá)法探測效果較好[4、5]。本次選擇高密度電阻率法進(jìn)行密網(wǎng)詳查（地質(zhì)雷達(dá)施工不便），輔以鉆孔控制，取芯驗(yàn)證的方式開展作業(yè)。高密度電法反演劃分出不同電性層，土層和基巖層的電性差異明顯與鉆孔揭露情況吻合較好，確定了該方法圈定土層的可行性。最后通過縱橫交織的高密度電法測線，以3D的直觀顯示方式大致圈定了土層的范圍及深度，為該查區(qū)下一步工程設(shè)計(jì)施工提供科學(xué)依據(jù)，也可為其他類似的礦山環(huán)境治理提供參考。

1. 勘查區(qū)概況

1.1 地質(zhì)概況

區(qū)內(nèi)位于相山背斜東翼，西與寒武系中、上統(tǒng)組成的丘陵山地相連，東與閘河平原相接。根據(jù)地質(zhì)及鉆孔等資料揭示，勘查區(qū)出露地層有寒武系張夏組；寒武系上統(tǒng)崮山組、第四系全新統(tǒng)（圖1）?，F(xiàn)由老至新簡述如下：

1、寒武系中統(tǒng)徐莊組（?2x）：上中部灰?guī)r，中厚層狀；底部為細(xì)砂及粉砂巖。主要分布于勘查區(qū)西部。

2、寒武系中統(tǒng)張夏組（?2Z）：灰?guī)r，出露于山上厚度180.05m。主要分布于勘查區(qū)中北部。

3、寒武系上統(tǒng)崮山組（?3g）：灰?guī)r，出露于山東坡上，與下伏張夏組界限清楚，厚度約為48m。主要分布于勘查區(qū)東部。

4、第四系全新統(tǒng)（Q4）：上部為亞粘土，中部為礫石土，礫石含量約60%，土含量約40%。全新統(tǒng)屬山麓坡積-洪積層。分布于礦床南北兩側(cè)谷地中和山坡邊緣。厚度0～25.81m，與基巖呈不整合接觸。主要分布于勘查區(qū)南部。

1.2 地球物理?xiàng)l件

根據(jù)區(qū)域物性資料，參考工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等，地球物理方法在該工作區(qū)的應(yīng)用分析如下：

1、第四系上層，主要為亞粘土、中細(xì)砂組成，質(zhì)軟可塑，具含水性；表現(xiàn)為低電阻（8～28 Ω·m）。

2、第四系中下層，主要為含礫粉砂質(zhì)黏土、礫石土，具含水性；表現(xiàn)為中低電阻（22～56 Ω·m）。

3、寒武系灰?guī)r等基巖層，表現(xiàn)為高電阻（＞1000 Ω·m）?；?guī)r與第四系的不整合接觸部分表現(xiàn)為中高電阻（150～1000 Ω·m）。同時(shí)礦區(qū)附近無地表水體和地下泉水、無流散電流干擾，因此該工作區(qū)第四系的含土層與寒武系基巖層有明顯的電阻率差異，可通過電法分層。

2. 高密度電法工作

2.1 探測原理

高密度電法是一種視電阻率陣列式探測方法，與常規(guī)視電阻率法相比，其特點(diǎn)是設(shè)置了較大的測點(diǎn)密度，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種電極排列和多參數(shù)測量，可快速準(zhǔn)確地測量地下二維或三維地質(zhì)體在橫向和縱向的電阻率變化，進(jìn)一步反演能獲取地質(zhì)體三維地質(zhì)特征[6、7]。在巖溶、地層、巖體缺陷探測中，溫納裝置（α）具有信號(hào)強(qiáng)度大，垂向分辨率高，對高阻異常特征反應(yīng)明顯之特點(diǎn)，可適用于覆蓋層、層狀巖性界面及高阻體、構(gòu)造帶探測工作[8]。本次高密度電阻率法選取的裝置類型為溫納α排列裝置。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-4超高密度電法測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以DZD-8直流電法儀為測控主機(jī)，配以電極轉(zhuǎn)換器和電纜構(gòu)成整個(gè)測量系統(tǒng)，供電電源為最大400V直流電池箱。采用溫納（α）排列裝置：電極距：3～4m；隔離系數(shù)：1～20；供電時(shí)間：0.5s（占空比1：1）。本次測量作業(yè)采用南方三鼎T66型GPS雙頻接收機(jī)（使用千尋CORS），RTK動(dòng)態(tài)測量的方法進(jìn)行，勘查區(qū)采用2000坐標(biāo)系，1985國家高程基準(zhǔn)。數(shù)據(jù)處理采用嬌佳Geogiga Rimager 5.02軟件，先進(jìn)行預(yù)處理以剔除虛假點(diǎn)或突變點(diǎn)等，然后進(jìn)行二維帶地形反演，最后使用surfer等軟件繪制成果圖。

2.3 剖面設(shè)計(jì)

治理區(qū)范圍內(nèi)為露天采坑，整體地形西北高，東南低。由于露天開挖，地塊東西有約5m陡崖臺(tái)階，且區(qū)內(nèi)分布荊棘林、房屋、建筑物，因此測線按東西兩塊地分別布置成不規(guī)則“井”字形。根據(jù)查區(qū)已有地質(zhì)測線等資料顯示（圖1），第四系Q4主要分布在西南側(cè)，為重點(diǎn)查區(qū)。查區(qū)共布設(shè)高密度電阻率法測線16條，總長度約2000m，編號(hào)為L2-L22 線，重點(diǎn)查區(qū)布置工作量約70%。鉆孔共布置6個(gè)，主要布置在查區(qū)南側(cè)。

3. 勘查資料解釋與推斷

3.1 可行性分析

查閱淮北某礦區(qū)資料顯示，第四系上部棕紅色亞粘土視電阻率約為10～40Ω·m，灰?guī)r視電阻率一般為200～700Ω·m。結(jié)合對巖芯用電表簡單測量后，統(tǒng)計(jì)查區(qū)不同地層（巖性）的電阻率，繪制統(tǒng)計(jì)表1：

根據(jù)以上信息，構(gòu)建一個(gè)類似查區(qū)電性特征的多層近水平層狀的地電模型（圖2）：1～2層電阻率設(shè)為20Ω·m，對應(yīng)粘土；3層設(shè)電阻率為50Ω·m，對應(yīng)沙質(zhì)土；4層設(shè)電阻率為150Ω·m，對應(yīng)碎石土；5層設(shè)電阻率為250Ω·m，對應(yīng)碎石；6～7 層設(shè)電阻率為500、1000Ω·m，對應(yīng)基巖。通過對模型的高密度電法正演再反演，反演結(jié)果與地電模型十分接近，能比較清晰劃分地層，理論上說明高密度電法在該區(qū)劃分土、基巖層具有可行性。

3.2 剖面分析

查區(qū)鉆孔揭露情況主要為：ZK1在深度0～4m為棕紅色亞粘土，4～16m為含礫粉砂質(zhì)粘土，未揭露基巖；ZK2 最大深度21m，0～20m 為含礫粉砂質(zhì)粘土，20～21m為碎石土，均為土層；ZK3鉆孔深度不到1m，0～0.3m為含礫粉砂土，0.3m處揭露基巖；ZK4鉆孔深度1m，0～0.3m為含礫粉砂土，0.3m處揭露基巖；ZK5鉆孔深度17m，在深度0～9m 為棕紅色亞粘土，9～17m為碎石土，17m以下巖石堅(jiān)硬無法繼續(xù)鉆進(jìn)，推測為基巖；鉆孔ZK6鉆探深度約17m，0～6.4m為粘土、碎石土，6.4～8.6m主要為碎石，8.6～17m為較完整灰?guī)r，判斷為基巖。

我們選取查區(qū)南西側(cè)的3線、20線，南東側(cè)的5線以及北西側(cè)的12線進(jìn)行比較分析。將這4條測線數(shù)據(jù)，用相同的處理步驟、反演參數(shù)、成圖色標(biāo)等繪制視電阻率反演剖面圖放在一起比較（圖3）。據(jù)占文鋒、黃真萍等研究認(rèn)為對于電阻率反演成像來說，準(zhǔn)確選取合適的深度轉(zhuǎn)化因子是非常重要的，會(huì)有一個(gè)較佳的取值區(qū)間（一般0.3～0.5），具體情況要具體分析[9、10]。本項(xiàng)目通過與在測線附近的已知工程鉆孔的比較，反復(fù)修正深度轉(zhuǎn)換因子后統(tǒng)一采用深度轉(zhuǎn)換因子為0.45時(shí)反演成果與鉆孔吻合較好，接近真深度。典型剖面分析如下：

從圖3可以看出，① 3線淺層基本是低阻，底層高阻，分界明顯；其中ZK1位于3線東端，鉆孔附近0～4m反演的電阻率＜30Ω·m；ZK6位于3線西端，鉆孔附近0～2m 的電阻率30～100Ω·m、2～7m 的電阻率＜40Ω·m、7～9m的電阻率100～250Ω·m、9m以下的電阻率約600Ω·m。② 5線反演視電阻率近似起伏層狀分布，淺層低阻底層高阻，其中ZK5在5線上，鉆孔附近0～9m反演的電阻率＜100Ω·m、9～17m電阻率約100～200Ω·m。③ 20 線北端靠近山體全都是高阻，肉眼可見基巖出露，視電阻率基本在600Ω·m以上；南端近山腳基本是低阻，ZK1附近0～16m反演的視電阻率不超過100Ω·m，高低電阻分界線由北向南似滑坡狀延伸。④ 12線除了最西端少部分為第四系出露低阻外，基本為視電阻率在650Ω·m 以上的高阻，其中ZK4在0.3m揭露基巖，此外12線中段底部出現(xiàn)視電阻率降低，推測可能由破碎或巖溶引起。通過以上4條典型測線成果與鉆孔資料對比，再次驗(yàn)證了高密度電法反演視的電阻率與鉆孔吻合較好，能夠通過兩種方法的配合高效地、較精準(zhǔn)地劃分巖性，識(shí)別土層與基巖層。

根據(jù)地層與視電阻率的對應(yīng)關(guān)系，分別在視電阻率反演斷面圖中勾勒出了粘土與礫石土的分界線J1（大致沿視電阻率100Ω·m的等值線）、勾勒出了礫石土與基巖的分界線J2（大致沿視電阻率200Ω·m的等值線）。通過類似的方法步驟，將剩余每條測線在視電阻率斷面圖上勾勒出基巖分界線J2，其J2線以淺的地層即為本次勘查劃分的第四系土層（Q4）的范圍。

3.3 土層三維呈現(xiàn)

對每一條測線推斷解釋后，查區(qū)整體上土層與基巖層的界面已較為明晰，加上鉆孔控制已經(jīng)能圈出土層的大致范圍與深度。為了更直觀展示土層的空間展布情況，本文通過反演三維柵格圖（圖4）來呈現(xiàn)。

將16條測線的反演成果剖面圖按實(shí)際坐標(biāo)投放在大地XYZ的三維坐標(biāo)里面，那么每一個(gè)剖面圖中每一處視電阻率都跟實(shí)際地下空間相對應(yīng)（實(shí)現(xiàn)軟件為Geogiga Rimager）。從圖4可以看出，沿6線的西端到9線的東端的大致連線以北，地表以下基本為高阻（主要包括8線、14線、21線、22線、9線、11線等），反映了該片區(qū)地面以下基本就是基巖，沒有土層；連線以南，尤其東南，大部分為低阻（主要包括2線、3線、4線、5線等），反映了該片區(qū)土層較厚。進(jìn)一步了解到，查區(qū)基巖面走向大致沿北西至南東，傾向?yàn)楸毕蚰蟽A、西向東傾；土層底界面北淺南深，西淺東深，東北開挖片區(qū)無土層，以土層厚度為0的實(shí)測界線與手繪地質(zhì)界線對比，兩者基本吻合。查區(qū)土層厚度在北西部較薄約0～4m；中部、中西部在4～20m；南部邊界、東南邊界最厚約20～25m；土層最淺埋深高程約78m，最大埋深高程約32m。以上推測埋深較大的土層為山底谷地原生土質(zhì)，中間土層為沿山體基巖滑落、堆積、風(fēng)化形成的山麓坡積-洪積層，淺表土層為經(jīng)年累月形成的沉積物。

4. 結(jié)論

本次以高密度電法勘查為主、輔以鉆孔校驗(yàn)的由模型到實(shí)際，由線及面的工作方法對安徽某采礦區(qū)土層調(diào)查，取得了較好效果，較精細(xì)地圈定并立體化地展現(xiàn)出了土層的范圍、深度、厚度等信息。

高密度電法的高效與鉆孔的精確，兩種方法的聯(lián)合勘查是一種高效高質(zhì)的方法手段，為類似的環(huán)境治理、土地調(diào)查等提供技術(shù)支撐。

高密度電法勘查中，先建立模型正演、反演確定可行性，再結(jié)合鉆探等方法的相互驗(yàn)證，進(jìn)一步修正參數(shù)，使反演結(jié)果更加接近實(shí)際，是高密度電法精細(xì)化勘查的核心。