瞬變電磁法在鐵礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用研究

王 猛，劉媛媛，李海明，張 雪，董根旺，林曼曼，田 亮，田 華

（1.中國(guó)冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北 保定 071051；2.華北地質(zhì)勘查局五一九大隊(duì)，河北 保定 071051）

礦業(yè)活動(dòng)引發(fā)的塌陷地質(zhì)災(zāi)害給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大損失，并且先存的采空區(qū)使深部礦產(chǎn)資源的開(kāi)采難度增加，不得不面臨越來(lái)越大的安全隱患，因而做好礦山采空區(qū)的勘查和治理工作顯得尤為重要。目前，瞬變電磁法已在礦產(chǎn)資源勘查、工程勘查、地下水調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，其中在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查領(lǐng)域已有很多應(yīng)用于煤礦采空區(qū)探測(cè)中的成功案例，但就目前的研究程度而言較少涉及鐵礦采空區(qū)的探測(cè)。本文基于瞬變電磁法對(duì)不同介質(zhì)的電性差異分辨率高、探測(cè)深度大、工作效率高的特點(diǎn)，研究將該方法用于鐵礦采空區(qū)的探測(cè)工作中，結(jié)合工程實(shí)例，探討了瞬變電磁法對(duì)鐵礦采空區(qū)的探測(cè)效果。

1 瞬變電磁法方法原理

瞬變電磁法（Transient ElectromagneticMethod，簡(jiǎn)稱“TEM”）是一種時(shí)間域人工源電磁探測(cè)方法，它主要遵循電磁感應(yīng)原理，是導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的電磁場(chǎng)激發(fā)下而產(chǎn)生的渦流場(chǎng)效應(yīng)，即利用一個(gè)不接地的回線Tx或磁偶極子，也可以用接地線源電偶極子向地下發(fā)射脈沖電磁波作為一次場(chǎng)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)發(fā)射線圈中的一次場(chǎng)斷電后在其中心以及周圍一定區(qū)域內(nèi)存在的磁場(chǎng)會(huì)急劇衰減，處于該變化磁場(chǎng)中的良導(dǎo)地質(zhì)體內(nèi)部由于磁場(chǎng)的變化引發(fā)磁通量的變化進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在良導(dǎo)地質(zhì)體中產(chǎn)生二次渦流，該渦流場(chǎng)并不能立即消失將會(huì)有一個(gè)衰減過(guò)程，二次渦流的衰減又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次磁場(chǎng)向地表傳播，再由地面的接收線圈Rx來(lái)接收二次磁場(chǎng)（見(jiàn)圖1）。

圖1 瞬變電磁法工作原理示意圖

產(chǎn)生二次電磁場(chǎng)的渦流以等效電流環(huán)向下并向外擴(kuò)散，形如“煙圈”。隨著時(shí)間的推移，“煙圈”的傳播與分布將受到地下介質(zhì)的影響，這樣從“煙圈”效應(yīng)的觀點(diǎn)看，可得早期瞬變電磁場(chǎng)是近地表感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反映淺部電性分布；晚期瞬變電磁場(chǎng)主要是由深部的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反映深部的電性分布。瞬變電磁法觀測(cè)的二次場(chǎng)包含有地下地質(zhì)體豐富的地電信息，因此通過(guò)對(duì)這些相應(yīng)信息的提取和分析，可研究瞬變電場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，即可探測(cè)地下地質(zhì)體的分布情況[1-3]。

2 鐵礦采空區(qū)的電性特征

物性差異是開(kāi)展地球物理工作的前提，對(duì)鐵礦采空區(qū)所處的地質(zhì)背景而言，覆蓋層與基巖之間、鐵礦體與圍巖之間均存在著明顯的電性差異，呈現(xiàn)出覆蓋層相對(duì)低阻、基巖相對(duì)高阻，以及鐵礦體相對(duì)低阻、礦體圍巖相對(duì)高阻的特點(diǎn)。地層或巖體的含水率也是影響電性差異的主要因素之一，干燥的覆蓋層或基巖通常呈現(xiàn)相對(duì)高阻，而處于潛水面以下的巖石往往電阻率值急劇下降。

由鐵礦開(kāi)采形成空洞后，地層或巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，若開(kāi)采礦體的體積較小時(shí)，其頂板巖石受影響不大，保存相對(duì)完整，采空區(qū)以不充水或充水的空洞存在；若采礦體積較大，受重力和地層應(yīng)力的作用，頂板變形嚴(yán)重，甚至塌落下來(lái)，空洞頂部自下而上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶（簡(jiǎn)稱“采空區(qū)三帶”，見(jiàn)圖2），不論充水或不充水，采空區(qū)及其上部的“三帶”相對(duì)完整的覆蓋層或基巖均有明顯的電性變化[4，5]。

圖2 采空區(qū)及上部“三帶”分布示意圖（據(jù)文獻(xiàn)[5]修改）

若采空區(qū)為不充水的空洞，與完整基巖相比，空洞范圍通常表現(xiàn)為高阻異常，其上的“三帶”隨變形的發(fā)生也呈現(xiàn)為相對(duì)完整基巖的高阻異常，根據(jù)電阻率值的高低變化可以有效區(qū)分基巖、“三帶”及采空區(qū)的分布范圍；當(dāng)采空區(qū)處于地下水位以下時(shí)，往往呈現(xiàn)充水特征，采空區(qū)內(nèi)充水、坍塌，且充填物松散、潮濕，使得電阻率值變得很低，與礦體圍巖電性差異較大，其上的“三帶”含水率較高，也將呈現(xiàn)相對(duì)低阻的特征，易于識(shí)別和圈定。

3 工程實(shí)例

本文以河北邯邢地區(qū)某鐵礦采空區(qū)為例說(shuō)明。

工作區(qū)大地構(gòu)造位置屬于中朝準(zhǔn)地臺(tái)山西斷隆武安向斜，西依山西陸臺(tái)、東以太行山前邢臺(tái)—安陽(yáng)深大斷裂為界，與華北平原沉降區(qū)的臨清臺(tái)陷毗鄰，為山西斷隆或太行山隆起的一部分。本區(qū)古老基底為太古宙贊皇群，與上覆地層為角度不整合關(guān)系，巖性主要為片麻巖及部分片巖、斜長(zhǎng)角閃巖、大理巖等。蓋層自下而上為長(zhǎng)城系海相碎屑巖、寒武系—奧陶系濱淺海相碳酸鹽巖和石炭系—二疊系海陸交互相含煤碎屑巖。中奧陶馬家溝組、磁縣組和峰峰組為一套海相碳酸鹽巖，主要為白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，每個(gè)組下部均發(fā)育伴生石膏等鹽類的角礫巖層，為該區(qū)主要鐵礦床的控礦地層。區(qū)內(nèi)燕山期中性巖漿巖體廣泛分布，是本區(qū)鐵礦的成礦母巖。

野外工作使用儀器為加拿大GEONICS公司生產(chǎn)的PROTEM67型瞬變電磁儀。工作裝置采用大定源回線裝置，回線內(nèi)觀測(cè)，發(fā)射框?yàn)?00m×300m，頻率選擇為25Hz，供電電流為15A，接收線圈面積為200m2。

3.1 視電阻率垂向變化特征

由全區(qū)不同深度電阻率等值線平面圖（圖3）可知，全區(qū)視電阻率在垂直方向上變化較大，在幾十歐姆米到上千歐姆米之間變化，總體表現(xiàn)為淺部低阻、中部高阻、深部高低阻相間的特征。

全區(qū)淺部大部分地區(qū)均被第四系覆蓋，電阻率值較低，其與下方的基巖風(fēng)化層連在一起，形成大范圍的低阻區(qū)，電阻率值一般均小于200歐姆米，其深度范圍一般小于50m；在低阻層以下，迅速進(jìn)入高阻的完整基巖層，該高阻層厚度約100m，其下地層表現(xiàn)為高低阻相間的特征，表明深部巖石礦化蝕變較發(fā)育，礦體范圍變大。

圖3 全區(qū)不同深度視電阻率分布圖

3.2 采空區(qū)的推斷解釋

由工作區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查成果可知，地下水位的高程一般在+150m左右，而本區(qū)已開(kāi)采的礦體的高程一般在+200m以上，高于地下水位，因此本區(qū)的采空區(qū)含水性差；但由于礦體尚未完全開(kāi)采，因此本區(qū)采空區(qū)應(yīng)呈現(xiàn)低阻中的相對(duì)高阻異常的特征，即采空區(qū)的電阻率值略有升高，一般表現(xiàn)為在同一低阻層位上，出現(xiàn)不連續(xù)、孤立的小塊狀相對(duì)偏高阻異常。

采空區(qū)范圍電阻率值一般在150歐姆米～250歐姆米之間，相對(duì)圍巖呈現(xiàn)低阻特征，相對(duì)礦體呈現(xiàn)高阻特征，該采空區(qū)在海拔200m、225m深度視電阻率等值線平面圖上反映明顯，同一低阻層位上，出現(xiàn)不連續(xù)、孤立的相對(duì)偏高阻異常，而在推斷采空區(qū)的上方及下方的視電阻率等值線平面圖上，低阻區(qū)則較為連續(xù)，場(chǎng)值變化平緩（見(jiàn)圖4、圖5）。綜上可推斷，采空區(qū)主體位于海拔+225m～海拔+200m之間，最小頂板深度在+250m以下，最大底板深度在海拔+175m以上。

圖4 不同深度視電阻率等值線及推斷采空區(qū)范圍平面圖圖中紅線為推斷采空區(qū)范圍；a-海拔225m高程；b-海拔200m高程

圖5 不同深度視電阻率等值線平面圖a-海拔250m高程；b-海拔175m高程

4 結(jié)論

（1）當(dāng)工區(qū)地形復(fù)雜、各類干擾因素較多時(shí)，會(huì)對(duì)瞬變電磁數(shù)據(jù)的采集產(chǎn)生影響，應(yīng)采取措施盡量降低干擾，數(shù)據(jù)整理與圓滑時(shí)應(yīng)注意消除假異常，高質(zhì)量的原始資料是后期處理和解釋的必要條件；瞬變電磁法是基于地質(zhì)體的電性差異進(jìn)行異常解釋的，引起地質(zhì)體電性差異的因素很多，因而瞬變電磁法與其它物探方法一樣具有多解性，應(yīng)與當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)資料充分結(jié)合進(jìn)行解釋。

（2）利用瞬變電磁法等電法勘探方法進(jìn)行鐵礦采空區(qū)探測(cè)工作時(shí)，由于采空區(qū)存在充水、不充水的區(qū)別，且采空區(qū)頂部不變形或變形后形成“三帶”也是重要的影響因素，視電阻率圖呈現(xiàn)復(fù)雜多變的情況，不能單純的依靠低值或高值進(jìn)行判斷。在實(shí)際應(yīng)用TEM資料時(shí)，對(duì)采空區(qū)的推斷應(yīng)結(jié)合采礦、鉆探成果、地表塌陷范圍等及時(shí)進(jìn)行修正，提高推斷解釋的質(zhì)量，力爭(zhēng)為地質(zhì)災(zāi)害治理工作提供精確、詳實(shí)、全面的物探基礎(chǔ)資料。