充電法和高密度電法在貴州貞豐者相二金礦巖溶勘查中的應(yīng)用

羊 文，張西君，馮 娟，陳 丞，楊 磊

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局105地質(zhì)大隊，貴州 貴陽 550000；2.自然資源部基巖區(qū)礦產(chǎn)資源勘查工程技術(shù)創(chuàng)新中心，貴州 貴陽 550081；3.貴州省地質(zhì)物探開發(fā)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550081；4.貴州省地質(zhì)調(diào)查院，貴州 貴陽 550081)

1 引言

綠色勘查是指在地質(zhì)找礦過程中，以綠色發(fā)展理念為指導(dǎo)，通過運(yùn)用先進(jìn)的勘查手段、方法、設(shè)備、工藝和科學(xué)管理，最大限度的減少對生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，實施地質(zhì)勘查全過程環(huán)境影響最小化控制，實現(xiàn)找礦和環(huán)保雙贏的一直勘查模式(貴州省自然資源廳，2019)。

巖溶作為一種典型的不良地質(zhì)體，空間發(fā)育的不均勻性、不規(guī)則性以及覆蓋層性質(zhì)的不確定性，對地質(zhì)和勘探都是一種挑戰(zhàn)，是當(dāng)今世界性的難題(陳清禮 等，2005)。目前，巖溶調(diào)查一般采用巖溶地質(zhì)和水文地質(zhì)調(diào)查，采用高密度電法、瞬變電磁法、淺層地震、可控源音頻大地電磁測深等多方法組合探測和鉆探(鄭智杰 等，2017)。本文以貞豐縣者相二金礦勘探區(qū)為例，針對研究區(qū)內(nèi)龍井(S24)暗河出口，通過水文地質(zhì)調(diào)查，初步判決巖溶發(fā)育程度、覆蓋層厚度及結(jié)構(gòu)，采用充電法和高密度電法組合進(jìn)行探測研究，將反演結(jié)果與地質(zhì)資料相結(jié)合進(jìn)行對比解釋，揭示龍井(S24)巖溶暗河的空間形態(tài)、規(guī)模，并指導(dǎo)鉆探施工，有效降低了研究區(qū)勘探對淺部巖溶水系統(tǒng)的影響，確保礦區(qū)綠色勘查。

2 研究區(qū)水文地質(zhì)及地球物理條件

2.1 巖溶水文地質(zhì)特征

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)簡圖

2.2 地球物理條件

巖礦石的電性差異是電法勘探的前提條件，也是成果解釋的基礎(chǔ)，電性差異大小直接影響方法的選取及勘探精度。根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)情況，對出露的巖礦石進(jìn)行對稱小四極實地測量，其電性參數(shù)采測結(jié)果見表1。

由表1可知，研究區(qū)出露的巖礦石電阻率按灰?guī)r→泥灰?guī)r→粘土→覆土→水排序梯次降低，灰?guī)r電阻率值最高，可達(dá)3 975.25 Ω·m，粘土電阻率值最低，約57.36 Ω·m。結(jié)合本次工作目的，目標(biāo)體為物探剖面上可能存在的溶洞、巖溶-裂隙以及水體等，根據(jù)物性特征及以往工作經(jīng)驗，巖石因構(gòu)造活動破碎且不同程度含水相對圍巖表現(xiàn)為低電阻率特征，巖體因溶蝕形成溶洞、裂隙，破壞了巖體完整性，因含空氣相對圍巖表現(xiàn)為極高電阻率特征，若溶洞、裂隙含水相對圍巖表現(xiàn)為低電阻率特征，當(dāng)溶洞、裂隙充水時電阻率將進(jìn)一步降低(張西君 等，2013，2015；黃啟霖 等，2020)。水體相對圍巖為良導(dǎo)體，地下水流經(jīng)管道可視為等勢體，在充電法電位梯度曲線上表現(xiàn)為0值點(diǎn)特征。由上可知，測區(qū)內(nèi)各組巖礦石電性差異明顯，本區(qū)具備開展物探電法工作的物性前提。

表1 研究區(qū)電阻率參數(shù)表

3 工作方法技術(shù)

3.1 工作原理

3.1.1 充電法工作原理

充電法是以不同巖性的電性差異為基礎(chǔ)，在鉆井、槽探、坑道、出水點(diǎn)等人工揭露的或天然露頭上接一供電電極(A)，另一供電電極“無窮遠(yuǎn)極”B置于遠(yuǎn)離充電體的地方(確保供電AB極距大于良導(dǎo)體埋深20倍)，然后向供電線路里供電，這時充電體為一等位體或似等位體，電流由充電體流入圍巖，形成穩(wěn)定電流場，該電場的分布特征與充電體的形態(tài)、大小和產(chǎn)狀等因素有關(guān)，利用專業(yè)設(shè)備在地面、坑道或鉆井中沿垂直充電體走向的測線觀測充電電場，通過研究其分布特征，從而解決諸如礦體的規(guī)模大小、賦存狀態(tài)、連接關(guān)系以及地下水流速、流向、滲漏通道、滑坡位移等地質(zhì)問題(李黔西，2003)。

本次充電法工作供電電極A位于龍井S24出水口，“無窮遠(yuǎn)極”B位于研究區(qū)東北角，AB極距860 m，大于研究區(qū)巖溶管道水埋深20倍以上，觀測方式為梯度測量，MN電極位置采用網(wǎng)絡(luò)RTK定位，設(shè)備采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DZD-8多功能全波形直流電法儀。

3.1.2 高密度電法工作原理

高密度電法屬于電法勘查中的電阻率法，基于常規(guī)電阻率法勘探原理并利用多路轉(zhuǎn)換器的供電、測量電極的自動轉(zhuǎn)換，配合常規(guī)電阻率的測量方法及電阻率成像(CT)等高新技術(shù)來進(jìn)行高分辯、高效率電法勘探。它是通過程控式多路電極轉(zhuǎn)換器選擇不同的電極組合方式和不同的極距間隔，用供電電極(A、B)向地下供直流(或超低頻)電流，同時在測量電極(M、N)間觀測電勢差(ΔUMN)，并計算出視電阻率值(ρs)，各電極同時或不同時沿選定的測線按規(guī)定的電距間隔移動(胡勘 等，2002；湯良明 等，2006；敖懷歡 等，2016)。測量前預(yù)先鋪設(shè)好高密度電纜，打好全部電極并連接，經(jīng)接地電阻測試，啟動采集控制程序，儀器自動切換電極，自動記錄，快速完成野外數(shù)據(jù)的采集。

本次高密度電法工作裝置為溫納裝置，該裝置具有抗干擾強(qiáng)、測深分辨率高特點(diǎn)，工作電極距5 m(加密段為1 m)，電極位置采用網(wǎng)絡(luò)RTK定位，采測設(shè)備為重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DZD-8多功能全波形直流電法儀。

3.2 工作方法及布置

根據(jù)龍井(S24)暗河出口的巖溶特征及地面水文地質(zhì)調(diào)查成果，初步判斷其巖溶管道大致走向，首先應(yīng)用充電法，從S24井口由近到遠(yuǎn)追索巖溶管道在研究區(qū)的分布和流向，為了進(jìn)一步確定巖溶管道的空間分布范圍、規(guī)模、大小，并針對擬施工可能造成影響的兩個鉆孔ZK60001、ZK60908孔位的選定問題，再用高密度電法精確確定其位置及地下展布形態(tài)，兩者結(jié)果相互驗證(陳松 等，2017)，指導(dǎo)擬施工鉆孔有效避開巖溶管道，確?？碧竭^程不對龍井(S24)泉點(diǎn)造成影響。

測線布置為：充電法以龍井暗河出口(S24)為起點(diǎn)，在其北側(cè)垂直水源方向布設(shè)6條充電法剖面，其中C0線150 m、C1線200 m、C2線400 m、C3線500 m、609線300 m、600線400 0m，采用電位梯度測量方式，點(diǎn)距5 m。針對LS07的0值點(diǎn)，在鉆孔位置布置兩條加密短剖面，點(diǎn)距1 m；高密度電法測線布置為勘探線600、609上分別以鉆孔ZK60001、ZK60908為中心垂直巖溶管道走向布置高密度電法剖面，600勘探線上布置500 m剖面，609勘探線上布置600 m剖面，600線與604線之間布置300 m剖面(G1測線)，點(diǎn)距均5 m。為進(jìn)一步圈定異常，對600、609兩條剖面上的異常進(jìn)行復(fù)核，加密段各120 m，點(diǎn)距1 m(圖2)。

圖2 充電法、高密度電法測線分布圖

4 資料分析及解釋

4.1 充電法成果分析

根據(jù)充電法充電場分布規(guī)律特征，與充電點(diǎn)水體相連通的位置電位梯度值為0值點(diǎn)，即可通過尋找電位梯度0值點(diǎn)來推測地下水徑流分布情況。將充電法剖面采集數(shù)據(jù)繪制電位梯度曲線圖(圖3)，從圖3中可看出每條剖面均出現(xiàn)0值(圖中紅三角處)，即說明龍井(S24)暗河出口水源流徑每條測線，8條剖面共圈出33個0值點(diǎn)。從各測線電位梯度0值平面分布而言，泉點(diǎn)主要由北面、西北面水源流經(jīng)匯聚而成，結(jié)合地面現(xiàn)場調(diào)查，初步推斷主徑流帶5條，見圖7。

圖3 充電法電位梯度曲線圖

4.2 高密度電法成果分析

根據(jù)充電法成果，研究區(qū)剛好有兩條巖溶管道經(jīng)過鉆孔ZK60001、ZK60908附近，為進(jìn)一步查清巖溶管道具體位置及埋深，判斷鉆孔是否處于巖溶管道上，于是針對兩個鉆孔布置3條高密度電法剖面，通過對三條高密度電法實測原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、反演解算，得到三條剖面電阻率斷面綜合推斷解釋圖(圖4-圖6)，上圖為電阻率斷面圖，中圖為加密段的電阻率斷面圖，下圖為地質(zhì)推斷解釋圖。

圖4 600線高密度電法綜合推斷解釋圖

圖5 609線高密度電法綜合推斷解釋圖

圖6 G1線高密度電法綜合推斷解釋圖

1—第四系；2—嘉陵江組一段；3—物探推測斷裂；4—電性層分界線；5—低阻異常；6—推測巖溶；7—剖面方位；8—物探測點(diǎn)編號

4.3 綜合分析

對比分析高密度電法600線及充電法C600線，在充電法C600線上，存在45、145、185、285、320、365點(diǎn)等六個“0值點(diǎn)”。對應(yīng)高密度電法600線分別顯示為：45號點(diǎn)顯示為正常巖層，推測應(yīng)為小型節(jié)理裂隙富水，為次要管道之一；145號點(diǎn)低阻異常，為第四系覆蓋層；185號點(diǎn)低阻異常，為陡傾斜的斷裂引起巖溶破碎富水，推測應(yīng)為次要管道之一；285號點(diǎn)存在半封閉低阻異常，推測應(yīng)為巖溶主管道之一；320號點(diǎn)存在半封閉低阻異常，推測應(yīng)為巖溶主管道之一；365號點(diǎn)存在半封閉低阻異常，推測應(yīng)為巖溶主管道之一。

對比分析高密度電法609線及充電法C609線，在充電法C609線上，存在15、89、121、165點(diǎn)等四個“0值點(diǎn)”。對應(yīng)高密度電法609線分別顯示為：15號對應(yīng)高密度電法609線260點(diǎn)存在半封閉低阻異常，推測應(yīng)為巖溶主管道之一；89號點(diǎn)對應(yīng)高密度電法609線345點(diǎn)附近，存在半封閉低阻異常，推測應(yīng)為巖溶主管道之一；121號點(diǎn)對應(yīng)高密度電法609線340號點(diǎn)附近，為陡傾斜的斷裂引起巖溶破碎富水，推測應(yīng)為次要管道之一；165點(diǎn)對應(yīng)高密度電法609線385號點(diǎn)，為陡傾斜的斷裂引起巖溶破碎富水，推測應(yīng)為次要管道。

通過對比分析不同物理方法對比反應(yīng)同一地點(diǎn)、同一地質(zhì)現(xiàn)象，綜合分析充電法電位梯度曲線成果、高密度電法電阻率斷面成果以及現(xiàn)場調(diào)查的地表溶坑，結(jié)合研究區(qū)已有地質(zhì)、水文資料，將不同地球物理方法解釋均為巖溶管道及“0值點(diǎn)”的相連可得：研究區(qū)中部發(fā)育五條主巖溶管道(編號GD1-GD5)橫穿測線(圖7)。從圖中可看出，巖溶管道GD1、GD2、GD3從西北部經(jīng)G1、600、609、C2、C1、C0測線發(fā)育至泉點(diǎn)，其中巖溶管道GD2、GD3于C2測線合為一條，而管道GD1經(jīng)過C2線后則發(fā)育成2條分別穿C1、C0線，最后合于泉點(diǎn)；巖溶管道GD4、GD5從北部經(jīng)C3、C2、C1、C0測線發(fā)育至泉點(diǎn)。對比物探成果及ZK60001、ZK60908設(shè)計位置，兩個鉆孔未處于龍井(S24)暗河主巖溶管道上。

圖7 研究區(qū)物探綜合成果圖

4.4 鉆探工程驗證及效果分析

根據(jù)物探成果，兩鉆孔ZK60001、ZK60908均未處于S24暗河主巖溶管道上，隨后兩個鉆孔相繼施工，經(jīng)鉆孔揭露，鉆孔ZK60001、ZK60908分別于3.67 m、4.13 m(第四系覆土)進(jìn)入嘉陵江組一段，分別于35.55 m、43.43 m進(jìn)入夜郎組地層，在嘉陵江段均未揭露到龍井(S24)暗河巖溶管道，與物探推測的結(jié)果比較吻合，效果明顯，整個勘探過程也均未對該水點(diǎn)造成影響，確保了綠色勘查的有效實施，達(dá)到了勘查目的。

5 結(jié)論

(1)通過對者相二金礦勘探區(qū)的充電法及高密度電法數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，取得了良好的地質(zhì)效果，既驗證了物探方法的選擇的針對性及有效性，又清晰的查明了巖溶管道的空間分布形態(tài)，并有效的指導(dǎo)了勘探鉆孔的施工。ZK60001、ZK60908兩個鉆孔的施工均未揭露到龍井(S24)暗河巖溶管道，整個探測和勘探過程也均未對該水點(diǎn)造成影響，確保了綠色勘查的有效實施，達(dá)到了勘查目的。

(2)充電法、高密度電法具有經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保特點(diǎn)，并成功應(yīng)用于本次巖溶勘查，兩種物探方法組合為碳酸鹽巖礦區(qū)解決巖溶問題提供范例，以期應(yīng)用于相似地區(qū)解決相似問題。