高密度電阻率法在海底金礦含水構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用

馬鳳山， 底青云， 李克蓬， 付長(zhǎng)民， 王善飛， 李威

1 中國(guó)科學(xué)院頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 100029 2 山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦， 山東萊州 261442

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高密度電阻率法在海底金礦含水構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用

馬鳳山1， 底青云1， 李克蓬1， 付長(zhǎng)民1， 王善飛2， 李威2

1 中國(guó)科學(xué)院頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 100029 2 山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦， 山東萊州 261442

海底金礦上覆巖層中含水直接對(duì)礦床的開(kāi)采構(gòu)成威脅，選擇山東三山島金礦新立礦區(qū)海底-135 m水平沿脈巷道，采用地球物理高密度電阻率法對(duì)該巷道635 m測(cè)線以下200 m深度范圍內(nèi)巖體中的含水構(gòu)造進(jìn)行了坑道探測(cè)，利用三種裝置(溫納裝置(Wenner)、偶極裝置(Dipole-Dipole)、Schlumberger裝置)進(jìn)行實(shí)施，相互驗(yàn)證，取得了很好的探測(cè)結(jié)果.溫納、偶極和Schlumberger三種裝置的視電阻率反演結(jié)果反映在測(cè)線(-135 m沿脈巷道)以下至30 m深度為一高阻層，表明自-135～-165 m的巖體中已不含水或含少量的水；測(cè)線以下30～60 m段為低阻層，反映-165～-200 m的巖體中含基巖裂隙水；測(cè)線以下大于60 m的地段為特高阻層，反映-200 m以下巖體含水性逐漸變差.該探測(cè)結(jié)果與礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查分析結(jié)論具有很好的一致性，表明了坑道高密度電阻率法探測(cè)含水構(gòu)造是可行的.

海底采礦； 含水構(gòu)造； 高密度電阻率法； 坑道探測(cè)

1 引言

高密度電阻率法也叫電阻率層析成像(Resistivity Tomography)或簡(jiǎn)稱電成像(Electrical Imaging)，它是20世紀(jì)80年代從美國(guó)和日本發(fā)展的一種新型的電阻率方法.此方法兼具電剖面與電測(cè)深的特點(diǎn)，在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)方面已被廣泛應(yīng)用.如工程地基和工程質(zhì)量檢測(cè)，礦山采礦水文地質(zhì)探查和突水通道檢測(cè)，大河、水庫(kù)堤壩漏水隱患檢測(cè)等(張賽珍等，1994; 底青云等，1997,2001，2002，2003，2005；何繼善，1997；黃曉容，2014；冷元寶等，2003；馬文濤和文江泉，2015；宋文鵬等，2015； 吳小潔等，2015；肖樂(lè)樂(lè)等，2015； 楊陽(yáng)等，2015).

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，野外測(cè)量時(shí)只需將全部電極(幾十至上百根)置于測(cè)點(diǎn)上，利用程控電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集，并可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，對(duì)采集資料的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，改變了電法勘探傳統(tǒng)的工作模式，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了資料采集的質(zhì)量.同時(shí)采集的大量數(shù)據(jù)為高精度資料處理解釋以及電阻率層析成像研究提供了基礎(chǔ)，此對(duì)電法資料的處理解釋起到了很大的推動(dòng)，并為高精度、小目標(biāo)體的淺層勘探提供了可靠的保證.

本項(xiàng)研究選擇山東三山島金礦新立礦區(qū)海面下-135 m中段沿脈巷道，應(yīng)用高密度電阻率法，通過(guò)在巷道中布設(shè)電極測(cè)量地下介質(zhì)的電性參數(shù)，計(jì)算出地下介質(zhì)的真實(shí)電阻率，進(jìn)而對(duì)該巷道以下200 m深度內(nèi)巖體中的含水構(gòu)造進(jìn)行推斷，其探測(cè)結(jié)果為海底采礦的水文地質(zhì)工作提供了重要的物探資料.

圖1 新立金礦床分布圖1 第四系； 2 玲瓏超單元崔召單元； 3 馬連莊超單元欒家寨單元; 4 實(shí)測(cè)及推測(cè)斷層(F1)； 5 金礦體.Fig.1 Distribution of the Xinli gold deposit1 Quaternary; 2 Cuizhao unit of Linglong super-unit; 3 Luanjiazhai unit of Malianzhuang super-unit; 4 Measured and supposed faults; 5 Gold deposits.

2 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)與數(shù)據(jù)采集

2.1 測(cè)區(qū)概況

探測(cè)區(qū)位于山東萊州灣畔三山島金礦新立礦區(qū).該礦區(qū)，主采礦體—新立金礦床(圖1)，賦存于三山島—倉(cāng)上控礦斷裂帶(F1)蝕變帶主裂面下0～35 m范圍內(nèi)，全部位于海下.礦床總體走向62°，傾向南東，平均傾角46°，平均厚度25 m，為接觸熱液蝕變成礦.

新立礦區(qū)于2005年底建成投產(chǎn)，探測(cè)期間礦區(qū)只開(kāi)采-165 m水平以下礦體，已開(kāi)拓了7個(gè)采礦中段(-165 m、-200 m、-240 m、-280 m、-320 m、-360 m、-400 m).并在-105 m、-135 m水平保留了探礦巷道.2.2 探測(cè)方案

為了查明已開(kāi)采礦床圍巖中地下水的空間分布，根據(jù)礦區(qū)的探測(cè)條件，測(cè)線選擇在位于海平面正下方的-135 m巷道內(nèi).該巷道寬度2 m左右，高度2.5 m左右，位于礦脈下盤(pán)，并沿礦脈走向展布.巷道巖體為二長(zhǎng)花崗巖，巷道內(nèi)空氣潮濕，在巷道壁上有滲漏的海水滑落，地面布滿泥水，給施工帶來(lái)了一些困難，但這也正為電極的接地提供了良好的條件.

依據(jù)實(shí)際勘察情況與工區(qū)地球物理探測(cè)條件，提出了相應(yīng)的工程地球物理勘探工作方法，并制定了勘測(cè)方案.此次測(cè)量布設(shè)測(cè)線1條，位于巷道的中心位置處，距離巷道左右墻壁各為1 m左右，點(diǎn)距為5 m，總測(cè)線長(zhǎng)度635 m，采用高密度電阻率法進(jìn)行實(shí)施，并應(yīng)用128道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.

2.3 工作原理

在眾多高密度電法的觀測(cè)裝置中，存在三種觀測(cè)形式：二個(gè)電極觀測(cè)(二極裝置)、三個(gè)電極觀測(cè)(三極法)和四個(gè)電極觀測(cè)(四極法).在實(shí)際工作中，兩極裝置要跑兩個(gè)無(wú)窮遠(yuǎn)極，實(shí)際中采用不多；三極法中有正向三極和反向三極，實(shí)際工作中經(jīng)常采用.在四個(gè)電極的觀測(cè)方式中，使用較多的是對(duì)稱四極裝置和偶極-偶極裝置.

四極觀測(cè)方式，一般是通過(guò)兩個(gè)供電電極(A和B)向地下供入電流(I)，在兩個(gè)測(cè)量電極(M和N)間測(cè)量它們的電位差(ΔUMN)，則視電阻率(ρs)由以下公式計(jì)算而得：

式中,K是與四個(gè)電極排列方式有關(guān)的裝置系數(shù).

此次探測(cè)為了獲得更加豐富的地下參數(shù)以得到更好的地質(zhì)解釋，采用了四極觀測(cè)方式的三種裝置進(jìn)行了探測(cè)，分別是溫納裝置(Wenner)、偶極-偶極裝置(Dipole-Dipole)和Schlumberger裝置.各種裝置的工作與數(shù)據(jù)采集示意圖如圖2—4所示.

2.4 參數(shù)設(shè)置

本次現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)儀器采用驕鵬集團(tuán)生產(chǎn)的E60BN型電法勘探系統(tǒng).該系統(tǒng)由主機(jī)、開(kāi)關(guān)電纜、電極棒及相關(guān)軟件組成.開(kāi)關(guān)電纜由七芯電纜構(gòu)成，可連接任意多道，十分輕便.由主機(jī)電源可自動(dòng)生成恒壓電源和恒流電源，供電非常方便.接地電極棒采用長(zhǎng)40 cm、直徑6 mm的不銹鋼電極棒.

由于測(cè)試場(chǎng)地的接地電阻較小，所以各個(gè)采集裝置類型均應(yīng)用了恒壓工作方式，供電電壓為100 V.考慮到工作時(shí)間與效率，并為滿足探測(cè)需要，探測(cè)層數(shù)分別設(shè)置為溫納42層、偶極60層、Schlumberger 30層.整個(gè)工作狀況由計(jì)算機(jī)屏幕自動(dòng)監(jiān)視并將測(cè)量結(jié)果即時(shí)顯示成圖，見(jiàn)圖5.

3 解譯推斷

3.1 解譯原理

巖石(土)具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與組份，在勘探中，為了方便，可以近似地把巖石模型看成是由兩相介質(zhì)構(gòu)成的，即礦物骨架(固相)和水(液相).因此不同組份的巖石(土)會(huì)有不同的電阻率，即使組份相同的巖石，也會(huì)由于結(jié)構(gòu)和含水情況的不同而使電阻率在很大的范圍內(nèi)變化.

圖2 溫納裝置的工作與數(shù)據(jù)采集示意圖Fig.2 Wenner working and data collecting scheme

圖3 偶極裝置的工作與數(shù)據(jù)采集示意圖Fig.3 Dipole-Dipole working and data collecting scheme

圖4 Schlumberger裝置的工作與數(shù)據(jù)采集示意圖Fig.4 Schlumberger working and data collecting scheme

圖5 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及主機(jī)畫(huà)面Fig.5 Field data collection and image of host computer

地質(zhì)解釋的第一步即電阻率剖面中巖性與電阻率之間關(guān)系分析.依據(jù)電阻率值的等級(jí)，劃分不同電性層，分析不同電性層和不同部位電性變化與地質(zhì)層位、構(gòu)造破碎、地下水活動(dòng)的關(guān)系，最后用電性剖面圖展示最終的工作成果.

3.2 解譯流程

室內(nèi)資料處理與解釋，首先將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換后對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑、剔除飛點(diǎn)等處理，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行反演計(jì)算之后進(jìn)行解釋成圖.本次在進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理的時(shí)候，均對(duì)每層的數(shù)據(jù)進(jìn)行了多次野值的剔除，每次剔除之后均進(jìn)行一次數(shù)據(jù)反演并進(jìn)行對(duì)比分析，以保證反演結(jié)果的可靠性.

資料處理大致流程為：原始資料→格式轉(zhuǎn)換→編輯處理→反演→數(shù)據(jù)成像.

3.3 反演結(jié)果

本次工作是在坑道中沿坑道中線進(jìn)行了三種裝置視電阻率參數(shù)的測(cè)量.每種裝置的圖件有兩個(gè)，上方的是裝置的原始數(shù)據(jù)擬斷面圖(Measured Apparent Resistivity Pseudosection)，下方的是反演后的斷面圖(Inversed Resistivity Section)，如圖6—8所示.

坑道電法與地面電法是不同的，地面電法是半空間問(wèn)題，而坑道電法既不是半空間，也不是全空間，如果坑道較淺，仍會(huì)受到空氣層的影響，如果坑道較深還要受到坑道本身空間的影響.此外，由于探測(cè)區(qū)有很多采礦中段，如-135 m探測(cè)巷道下方的-165 m、-200 m、-240 m等中段的生產(chǎn)會(huì)對(duì)電法測(cè)量帶來(lái)強(qiáng)大干擾，礦區(qū)坑口的卷?yè)P(yáng)機(jī)的頻繁提升下降也會(huì)給電法工作帶來(lái)較大干擾.

盡管電法工作在坑道中有如此多的干擾和復(fù)雜性，但本次工作采取了很多措施，如拆除了-135 m探測(cè)巷道中的鐵軌，使得電極處理的接地較好；儀器供電采集數(shù)據(jù)時(shí)，做到讓坑口的卷?yè)P(yáng)機(jī)暫時(shí)停止工作，減少了卷?yè)P(yáng)機(jī)的頻繁提升下降對(duì)電法測(cè)量帶來(lái)的干擾；在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集工作中嚴(yán)格要求，采取了多種裝置和重復(fù)檢查觀測(cè)等.由于實(shí)施探測(cè)的坑道離地面較深，加之高密度電法所用的電極距較小，基本可以作為全空間解釋.考慮在坑道進(jìn)行電法探測(cè)本就是很復(fù)雜的問(wèn)題，本次坑道探測(cè)結(jié)果只能做半定量分析.

圖6 溫納裝置反演結(jié)果Fig.6 Inversion results of the Wenner (The above one is measured apparent resistivity pseudosection and the below one is inversed resistivity section)

圖7 偶極裝置反演結(jié)果Fig.7 Inversion results of the Dipole-Dipole (The above one is measured apparent resistivity pseudosection and the below one is inversed resistivity section)

圖8 Schlumberger裝置反演結(jié)果Fig.8 Inversion results of the Schlumberger (The above one is measured apparent resistivity pseudosection and the below one is inversed resistivity section)

圖9 地下電阻率界面分布(0點(diǎn)為-135 m中段石門(mén)巷道，0點(diǎn)左側(cè)西南巷道，0點(diǎn)右側(cè)為東北巷道)Fig.9 Distribution of underground boundaries of resistivity(The zero is -135 m level crossdrift, left side of the zero point is the southwest section and right side of the zero point is the northeast section of the strike drift)

總體上，從解譯圖中可以看出，地下電阻率界面大致可以分為三層(圖9)：30 m以上為一高阻層，電阻率為600 Ωm左右，30～60 m的中間層為低阻，電阻率小于100 Ωm，最下面為高阻層，電阻率為4000 Ωm以上.

下面對(duì)每張圖沿剖面線的解譯結(jié)果進(jìn)行分析：

(1) 從圖6可看出，在測(cè)線的160 m、250～270 m處有低阻反應(yīng).

(2) 從圖7可看出，在測(cè)線的160 m、240 m、320 m、400 m、480 m、530 m處有低阻反應(yīng).其中240 m、320 m、400 m處反應(yīng)明顯.

(3) 從圖8可看出，在測(cè)線的183～283 m處有明顯的低阻反應(yīng)，尤其是在183～243 m處形成明顯的低阻異常.

(4) 關(guān)于反演的深度問(wèn)題，實(shí)際上電法勘探在深度指標(biāo)上的反演只能是一個(gè)半定量指標(biāo).此次反演顯示的深度為理論深度的0.5～0.75之間，即在理論深度上探測(cè)已經(jīng)達(dá)到了此次要求的200 m.

4 綜合分析與結(jié)果驗(yàn)證

(1) 綜合溫納裝置、偶極裝置和Schlumberger裝置視電阻率反演結(jié)果，在剖面縱向上可以看出：測(cè)線(-135 m沿脈巷道)以下30 m為一高阻層，說(shuō)明該段巖體中的地下水大部分已向-165 m中段排泄掉，表現(xiàn)為自-135～-165 m地段的巖體中已不含水或含少量的水.現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果表明：-165 m中段量測(cè)到的滲水點(diǎn)較少. 測(cè)線以下30～60 m段的低阻層，反映該段巖體中含基巖裂隙水體.測(cè)線以下大于60 m的地段為特高阻層，反映-200 m中段以下巖體含水性逐漸變差.現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示了-200 m中段滲水區(qū)域出水點(diǎn)較-165 m中段多，且局部出水量較大，滲水強(qiáng)度較高，取水樣處流量都是上覆-165 m中段斜投影對(duì)應(yīng)滲水區(qū)的10倍到30倍，表明-165 m至-200 m巖體內(nèi)富含水；-240 m中段對(duì)應(yīng)巷道也都是滲水發(fā)育程度較低，出水點(diǎn)零星分布的區(qū)域；-240 m中段與-320 m中段之間巖體整體的滲水程度均不高，滲水點(diǎn)少.

(2) 綜合這三種裝置反演結(jié)果，沿剖面進(jìn)行橫向分析可以看出：測(cè)線的160 m、183～243 m、250～270 m、320 m、400 m、480 m、530 m處形成明顯的低阻異常.現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，這低阻異常點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)-135 m中段西南沿脈巷道的155 m、132～75 m、65～45 m、石門(mén)巷道0 m、東北沿脈巷道的75 m、155 m、205 m處的滲水裂隙通道.

5 結(jié)論

(1) 利用溫納裝置、偶極裝置、Schlumberger裝置進(jìn)行海底礦區(qū)含水構(gòu)造坑道高密度電法探測(cè)與反演有不同的效果.其中，溫納裝置和偶極裝置對(duì)直立含水構(gòu)造效果明顯，Schlumberger裝置對(duì)水平層狀含水構(gòu)造敏感.另外，溫納裝置、偶極裝置裝置成圖時(shí)的斷面圖成三角形，不利于解釋，而Schlumberger裝置成圖為規(guī)矩的四邊齊整的方形，解釋效果較好.

(2) 綜合溫納、偶極、Schlumberger這三種裝置視電阻率的反演結(jié)果，都反映了在-135 m水平以下30 m至60 m深度上有一層低阻，判斷為探測(cè)深度范圍內(nèi)較大的含水構(gòu)造.該探測(cè)結(jié)果與礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查分析結(jié)論具有很好地一致性，表明了坑道高密度電法探測(cè)含水構(gòu)造是可行的.

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(本文編輯 汪海英)

Application of high-density resistivity method in detecting water-bearing structures at a seabed gold mine

MA Feng-Shan1, DI Qing-Yun1, LI Ke-Peng1, FU Chang-Min1, WANG Shan-Fei2, LI Wei2

1KeyLaboratoryofShaleGasandGeoengineering,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China2SanshandaoGoldMine,ShandongGoldMining(Laizhou)CompanyLimited,ShandongLaizhou261442,China

The water in the overlying rock of seabed gold mine directly threats the exploitation safety. The strike drift at -135 m level of the Xinli mine district of Sanshandao gold mine in Shandong province, was selected to be the applicable site for high-density resistivity method, using which to detect water-bearing structures in surrounding rock 200 meters below a measuring line of 635 m long. Three DC devices including Wenner, Dipole-Dipole and Schlumberger were implemented in the selected drift respectively, authenticated each other and collected good detections. The apparent resistivity inversion results of these devices give the consistent conclusion that three different resistive layers exist under the strike drift. The rock mass of 30 m thick under the level of -135 m is a high resistivity layer, which indicates no or little water in the rock mass between the levels of -135 m and -165 m. The rock mass ranging from 30 m to 60 m in depth under the level of -135 m has low resistivity and bears fracture water. And a very high resistivity layer deeper than 60 m under -135 m indicates the aquosity of the rock mass under -200 m progressively decreases. These detection results show well agreement with the conclusions of field hydrogeology surveys and hydrological structure analyses and that high-density resistivity method is feasible for uncovering water-bearing structures in drift. Keywords Seabed mining; Water-bearing structure; High-density resistivity method; Gallery detection

10.6038/cjg20161205.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFC0402802)，國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41172271, 41372323)聯(lián)合資助．

馬鳳山，男，1964年生，研究員，主要從事地質(zhì)工程與地質(zhì)災(zāi)害研究．E-mail: fsma@mail.iggcas.ac.cn

10.6038/cjg20161205

P631

2016-05-29，2016-10-27收修定稿

馬鳳山， 底青云， 李克蓬等. 2016. 高密度電阻率法在海底金礦含水構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用. 地球物理學(xué)報(bào)，59(12):4432-4438,

Ma F S, Di Q Y, Li K P,et al. 2016. Application of high-density resistivity method in detecting water-bearing structures at a seabed gold mine.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(12):4432-4438,doi:10.6038/cjg20161205.