高密度電法在隱伏采空區(qū)識別分析中的應(yīng)用*

劉書瑤，張耀平,，劉 波，許傳金，王 瑞

(1.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業(yè)工程重點實驗室，江西 贛州 341000；3.江西理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 引言

電法勘探是地球物理勘探方法中的一個重要分支，因具有高效、高適用性和低成本的優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)勘查、水文地質(zhì)勘查，環(huán)境監(jiān)測以及礦產(chǎn)、煤田、石油、天然氣地質(zhì)構(gòu)造勘查等，其主要包括電阻率法、充電法、自然電場法、激發(fā)極化法和電磁感應(yīng)法[1]。與其他電法相比，電阻率法適用于研究各種非均勻地電斷面，這是由于電阻率法的實質(zhì)是根據(jù)地下巖石、礦石的導(dǎo)電性差異，通過人工施加穩(wěn)定電流場研究其分布規(guī)律以達(dá)到勘查目的，即電阻率法應(yīng)用的前提是勘查異常體與圍巖存在明顯的電阻率差異。巖性的不均勻會造成穩(wěn)定電流場的空間分布變化，表現(xiàn)為高阻體排斥電流線、低阻體吸引電流線。視電阻率作為電阻率法的一個基本參數(shù)，能夠綜合反映電場作用范圍內(nèi)的電性不均勻體以及地形起伏情況，因此可通過研究視電阻率的變化規(guī)律探究地下巖層的不均勻性，從而達(dá)到對均質(zhì)性較差巖層勘查的目的[2]。

高密度電法作為電阻率法的一個應(yīng)用分支，反演結(jié)果為二維視電阻率剖面，在采空區(qū)探測中，能夠通過其反映出的基巖構(gòu)造與界限，查明電性與周圍巖石存在差異的構(gòu)造裂隙的發(fā)育狀況，以此確定采空區(qū)規(guī)模。同時，高密度電法兼有電剖面法和電測深法的功能，具有點間距密集、高密度數(shù)據(jù)采集、能夠直觀體現(xiàn)巖體起伏狀態(tài)等優(yōu)點，因此可將其作為采空區(qū)、巖溶、斷裂構(gòu)造探測的有效方法[3]。

以仙人橋銅礦為研究對象，其采空區(qū)由老礦山開采形成，因資料缺失，采空區(qū)具體位置無法確定。本文針對該礦隱伏采空區(qū)探測，闡述高密度電法工作原理、野外工作方法和數(shù)據(jù)處理，采用高密度電法識別礦段采空區(qū)的分布情況，尋找礦段隱伏的斷裂、破碎帶、裂隙、導(dǎo)水通道等，提出災(zāi)害預(yù)警建議，指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)，并分析了高密度電法在隱伏采空區(qū)勘測中的實際效果，可為隱伏采空區(qū)識別研究提供參考。

1 工程地質(zhì)概況及地球物理特征

仙人橋銅礦勘查區(qū)位于丘陵平原地區(qū)，其礦體為隱伏礦體，埋深+100～-300 m。隱伏礦體主要賦存于矽卡巖中，含礦矽卡巖頂板為五通組石英砂巖和角礫巖，底板為石英閃長玢巖。

高密度電法勘探的地球物理條件是由于不同介質(zhì)的電阻率特征而導(dǎo)致電性存在差異[4]。一般來說，采空區(qū)或空洞由于巖石連續(xù)性和整體性被破壞，對電流產(chǎn)生排斥作用，從而與四周完整的巖層相比呈現(xiàn)高電阻率特征[5]；當(dāng)采空區(qū)含水時呈現(xiàn)低電阻率特征，會與周圍巖層的高電阻率形成比較明顯的電阻率差異[6]。裂隙及斷層引起的破碎亦是如此。在采空區(qū)塌陷或回填處，填充物通常由于其較圍巖結(jié)構(gòu)更為松散、易富集水而呈現(xiàn)出相對較低的電阻率特征[7]。當(dāng)勘查區(qū)無采空區(qū)、質(zhì)地均勻時，視電阻率分布呈均勻、連續(xù)水平層狀特征[8]。電阻率是巖土體本身的物理性質(zhì)與其所在環(huán)境造成的外界因素共同作用產(chǎn)生的結(jié)果[9]，主要取決于巖性、孔隙率、含水率[10]。斷裂、破碎或孔隙率高的風(fēng)化層等部位通常易于富集水，含水地質(zhì)體的電阻率遠(yuǎn)低于四周不含水圍巖的電阻率；風(fēng)化、破碎或滲水性好的巖石電阻率低于致密巖石。當(dāng)不同巖石的含水率相同時，由于其中水的礦化度存在差異，也會導(dǎo)致電阻率出現(xiàn)較大差別。

根據(jù)研究礦區(qū)的電性標(biāo)本采集工作成果，得到巖石的電阻率物性參數(shù)(見表1)。

表1 電阻率物性參數(shù)

分析表1及地質(zhì)、鉆孔資料可知，該地區(qū)的低阻體為礦體、含水?dāng)嗔?、含水破碎帶、含水采空區(qū)等，高阻體為清空的采空區(qū)(即不含水和礦石)、角巖等。

2 高密度電法工作原理及方法

2.1 高密度電法工作原理

高密度電法也稱電阻率層析成像[11]，在礦業(yè)工程中多用于淺部工程勘探，是在常規(guī)電阻率法的基礎(chǔ)上優(yōu)化而來的，其主要原理和常規(guī)的電阻率法基本一致。高密度電法基于地下介質(zhì)之間導(dǎo)電性的差異，電流I由供電電極傳輸至地下，測得測量電極之間的電位差ΔU，根據(jù)視電阻率ρs公式[見式(1)、式(2)]揭示地下介質(zhì)坡面視電阻率的變化情況。

(1)

(2)

式中：k為電極排列系數(shù)或裝置系數(shù)；AM、AN、BM、BN為各電極間的水平距離，m。

用電剖面法測量地電的橫向變化時，電極間距是恒定的，但記錄點位置是變化的；用電測深法測量地電的垂直變化時，電極距是變化的，而記錄點位置是固定的。高密度電法將這兩種技術(shù)結(jié)合，一次生成二維視電阻率剖面，同時反映了測點下方不同電性巖層在深度變化下的分布情況以及深度不變時水平方向上的地電剖面特征[12]。

綜上所述，高密度電法相對于傳統(tǒng)方法的優(yōu)點有：①電極布設(shè)能夠一次完成，操作簡便，可以減小因多次布設(shè)電極引起的干擾所造成的測量誤差；②可由多種電極排列方式獲取更多地電結(jié)構(gòu)剖面狀態(tài)的信息；③采集周期短(每一測點約2～5 s)；④可自動采集和錄入數(shù)據(jù)，減少了工作量，提高了信息收集效率，避免了手動操作可能造成的錯誤和誤差[13]。

由于地形起伏會改變地面電流場的分布，從而對探測結(jié)果造成影響，因此在布設(shè)測線時應(yīng)選擇地形起伏較小的地方。盡量避開輸電線、金屬管道、欄桿等金屬物體以及較大的工業(yè)游散電流，減小外部干擾信號對探測結(jié)果的影響[14]。為提高電流強度，在測量過程中應(yīng)盡量降低接地電阻：①在電極敷設(shè)過程中應(yīng)檢查接地電阻，接地電阻過大時可采取電極移位、澆鹽水等措施來降低接地電阻；②盡量減小同一測線鄰近電極的接地電阻差異；③電極敷設(shè)完成后進行全面接地電阻檢查；④測量過程中進行不定期接地電阻檢查，以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2.2 裝置類型

在電法勘探中，裝置類型以電極排列方式區(qū)分。目前高密度電法常用的裝置類型有5種：溫納(Wenner)裝置、單極-單極(Pole-Pole)裝置、單極-偶極(Pole-Dipole)裝置、偶極-偶極(Dipole-Dipole)裝置、復(fù)合對稱四極(Wenner-Schlumberger)裝置。溫納裝置相較其他裝置的優(yōu)點是：具有較高的信噪比和抗噪性；分層效果好，具備極佳的縱向分辨率，對于確定異常埋深有較高的準(zhǔn)確性且耗時較少[15-17]。

本文觀測裝置采用適用于固定截面掃描測量的溫納裝置，其工作原理闡述如下。

溫納裝置的電極排列順序為A、M、N、B，其中A、B是供電電極，M、N是測量電極。該裝置的特點是測量時保持AM、MN、NB等距；AM=MN=NB=a，a為電極間距。記錄點位于MN中點[18]。采用溫納裝置測量時，視電阻率可表示為

(3)

隨著電極間距系數(shù)的增大，4個電極之間的間距也將同比例增大。在測量過程中，AM=MN=NB為電極間距，A、M、N、B同時點對點向右逐個移動，生成第一條截面線；然后AM、MN、NB增加一個電極間距，A、M、N、B同時點對點再次向右逐個移動，產(chǎn)生另一條截面線；逐次掃描測量后，最終可以得到倒梯形的測量斷面(見圖1)。

圖1 溫納裝置示意圖

3 數(shù)據(jù)處理及異常推理解譯

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

高密度電法的數(shù)據(jù)處理與分析步驟如下：

a.首先編輯、檢查野外收集的原始數(shù)據(jù)，去除不合理突變點，再進行地形校正；

b.將儀器存儲的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機中，加入地形文件，使用RES2DINV 2D & 3D軟件，采用最小二乘法對電阻率數(shù)據(jù)進行反演，生成反演視電阻率剖面圖[19]；

c.最后將反演結(jié)果與已知的工程、水文地質(zhì)資料和其他物探資料結(jié)合進行綜合解釋。

3.2 異常特征及地質(zhì)解釋

為查明勘查區(qū)內(nèi)采空區(qū)的延伸位置及分布情況，在勘查區(qū)內(nèi)開展高密度電法探測隱伏采空區(qū)工作。本次工作共布設(shè)測線15條，測線控制長度11.0 km，最小電極間距5 m。使用的儀器是重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A型高密度電法測量系統(tǒng)。從溫納裝置采集數(shù)據(jù)，測量層數(shù)為39層，電極數(shù)120根，單截面理論長度600 m。

本次勘查工作共推測采空區(qū)11處，其中+20～+60 m中段主要表現(xiàn)為相對低阻。標(biāo)高+60 m處共發(fā)現(xiàn)7個異常區(qū)，主要異常區(qū)位于測線中部，低阻異常體較大，為一較大規(guī)模采空區(qū)。標(biāo)高+20 m處共發(fā)現(xiàn)4個異常區(qū)，主要異常區(qū)位于A4-A6號測線，根據(jù)物探結(jié)果初步圈定采空區(qū)形態(tài)。因此，本文以A2、A4和A6號測線采集數(shù)據(jù)反演結(jié)果為例對探測效果進行分析。

圖2為A2號測線反演視電阻率剖面。從圖2中可以看出，視電阻率整體上呈由淺部到深部逐漸增大的趨勢。根據(jù)地質(zhì)資料，該測線0～538 m主要位于張性斷層帶上，538 m以后主要為墳頭組砂巖。

從A2號測線上看，主要的低阻異常區(qū)位于該測線243～288 m處標(biāo)高+60 m附近，該異常寬度約45 m，平均高度約10 m，結(jié)合地質(zhì)資料推測該處異常主要為含水采空區(qū)形成的低阻體。另一個低阻異常區(qū)位于該測線373～437 m處標(biāo)高+60 m附近，該處的視電阻率較低，一般判斷為采空區(qū)，但該處已經(jīng)回填，推測可能為回填后不密實，含水率較高所致。

圖2 A2號測線反演視電阻率剖面

圖3為A4號測線反演視電阻率剖面。從圖3中可以看出，視電阻率整體上呈由淺部到深部逐漸增大的趨勢。根據(jù)地質(zhì)資料，該測線0～324 m為閃長玢巖，324～914 m主要位于張性斷層帶上，914 m以后主要為墳頭組砂巖。

從A4號測線上看，主要的低阻異常區(qū)位于該測線383～463 m標(biāo)高+60 m及+20 m附近，結(jié)合地質(zhì)資料推測該處異常主要為含水采空區(qū)形成的低阻體。其中標(biāo)高+60 m附近的采空區(qū)寬度約80 m，平均高度約13 m；標(biāo)高+20 m附近的采空區(qū)寬度約35 m，高度約12 m。另一個低阻異常區(qū)位于該測線705～735 m附近，結(jié)合地質(zhì)資料及前期物探資料分析，推測為斷層引起的破碎及導(dǎo)水通道所致。

圖3 A4號測線反演視電阻率剖面

圖4為A6號測線采集數(shù)據(jù)溫納裝置反演視電阻率剖面。從圖4中可以看出，視電阻率整體上呈由淺部到深部逐漸增大的趨勢。根據(jù)地質(zhì)資料，該測線0～405 m為閃長玢巖，405～600 m為五通組含礫石英砂巖，740 m以后主要位于張性斷層帶上。

從A6號測線上看，主要的低阻異常區(qū)位于該測線390～440 m標(biāo)高+60 m及+20 m附近，結(jié)合地質(zhì)資料推測該處異常主要為含水采空區(qū)形成的低阻體。其中標(biāo)高+60 m附近的采空區(qū)寬度約50 m，高度約15 m；標(biāo)高+20 m附近的采空區(qū)寬度約65 m，高度約15 m。另外一個低阻異常區(qū)位于該測線695～750 m附近，結(jié)合地質(zhì)資料及前期物探資料分析，推測為斷層引起的破碎及導(dǎo)水通道所致。

圖4 A6號測線反演視電阻率剖面

3.3 測線異常綜合分析

將標(biāo)高+60 m及+20 m的低阻異常采空區(qū)統(tǒng)一編號，根據(jù)所測的15條測線反演結(jié)果、兩個平面切片圖及剖面圖統(tǒng)計采空區(qū)體積。標(biāo)高+60 m處共有7個異常區(qū)，主要異常區(qū)位于測線中部，低阻異常體較大，為一較大規(guī)模的采空區(qū)，A4號測線表現(xiàn)尤為明顯。標(biāo)高+20 m處共有4個異常區(qū)，主要異常區(qū)位于A4-A6號測線。各測線采空區(qū)體積如圖5所示。

(a)標(biāo)高+60 m測線采空區(qū)體積

(b)標(biāo)高+20 m測線采空區(qū)體積

4 結(jié)論

a.采用高密度電法，結(jié)合工程地質(zhì)資料，根據(jù)各測線反演視電阻率剖面圖對電阻率分布和變化趨勢進行分析，能夠有效確定采空區(qū)(低阻異常區(qū))的位置和形態(tài)。

b.本次采空區(qū)勘查工作共推測采空區(qū)11處，其中+20～+60 m中段主要表現(xiàn)為相對低阻。標(biāo)高+60 m的異常區(qū)表現(xiàn)為以A4測線為代表形成的采空區(qū)，標(biāo)高+20 m主要異常區(qū)位于A4-A6號測線。

c.高密度電法勘探會受體積效應(yīng)及地電影響，需布置一定數(shù)量的勘探孔進行驗證，以提高勘探結(jié)果的可靠性。