可控源音頻大地電磁法在探測地下采空區上的應用探討

摘 要:可控源音頻大地電磁法是近年來發展的新技術、新方法，在探測地下采空區方面受到了廣大地質工作者的高度重視，在山東使用本方法進行了多個采空區的探測，取得了較好的地質效果。本文僅通過對山東省淄博市xx礦區地質災害調查與評估項目中探測鐵礦采空區的應用實例和效果，說明可控源音頻大地電磁法在探測采空區方面是有效可行的，并具有廣闊的應用前景。

關鍵詞:可控源音頻大地電磁法視電阻率擬斷面圖鐵礦采空區山東省

中圖分類號:P631文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(a)-0059-02

隨著地下礦產資源的不斷開采，在地下不同深度形成了形狀各異的采空區。一方面采空區充水給礦產的開采、施工及安全造成了極大的危害;另一方面采空區未充填或處理不當，給地面建筑物造成了損害，直接危害著人們的生命和財產安全。因此，查明地下采空區的具體位置與空間形態十分重要。目前，勘測較淺的采空區可選用的物探方法較多，但由于受施工條件限制，普通電法無法開展工作時，對于探測埋深大于200m深度的采空區，最有效的方法之一是可控源音頻大地電磁法(CSAMT)，也是近年來發展的新技術、新方法。近年來在山東使用本方法進行了多個采空區的探測，取得了較好的地質效果?，F以山東省淄博市xx礦區地質災害調查與評估項目的工作實例，探索研究采用CSAMT法確定地下埋深數百米鐵礦采空區上的應用效果。淄博市xx礦區是一大型富礦區，有數層鐵礦石，其單層厚度可達數十米，現已查明鐵礦石埋深130-700m，現已開采130-400m深度的礦石層。因此，鐵礦石采礦區空間較大，用CSAMT法探測取得了較好的地質效果。

1 地質及地球物理特征

1.1 地層與構造

工作區及周邊地層根據揭露情況由老到新有奧陶系馬家溝組、新近系與第四系。奧陶系馬家溝組主要巖性為石灰巖，在礦區內夾有不同厚度的鐵礦石層;

新近系主要巖性為粘土巖、砂頁巖;第四系主要巖性為粘土、粘質砂土、砂質粘土。

根據以往資料，工作區內未發現有斷裂構造存在。

1.2 地球物理特征

根據測井及電法資料統計，工作區主要巖層電阻率參數見表1。

由表中數據可以看出，含鐵礦石層與石灰巖間存在較大的電性差異，鐵礦石層的圍巖石灰巖電阻率最高，但夾有鐵礦石層時其電阻率明顯變低。當有采空現象時即鐵礦石層被挖出后地層的原有結構發生了變化，其電性特征也隨之發生變化，由此形成了采空區與圍巖之間的電性差異。在各種工程勘探中，尋找地下采空區或空洞時，會有兩種情況，一是采空區充水時呈現低阻特征，二是采空區未充水或空洞，呈現高阻特征。不同的采空區或空洞因其形狀、大小、圍巖電性特征不同，其電阻率具體數值也不盡相同，受到多種因素影響。

由以上可知，地下采空區、空洞與圍巖之間存在較大的電性差異，具備開展地球物理勘探工作的前提條件。

2 野外工作方法與技術

根據工作區地質條件及目的任務，本次工作選用了適宜工作區特點的物探新方法新技術即可控源音頻大地電磁法簡稱CSAMT法。

2.1 工作原理

可控源音頻大地電磁法是利用接地水平電偶源為信號源的一種頻率域電磁測深法，該方法是為了克服天然場源的隨機性和信號弱的缺點而在20世紀80年代末才興起的一種電磁測深新技術[1-4]，它基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程導出了水平電偶極源在地面上的電場及磁場公式:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，I供電電流強度;dAB供電偶極長度;R為場源到接收點之間的距離，即收發距;m0為自由空間磁導率。

將(1)式沿x方向的電場(Ex)與(5)式沿y方向的磁場(Hy)相比，并經過一些簡單的運算，就可以得到地下的視電阻率()的公式:

(7)

式中f為頻率，為電阻率，又稱為卡尼亞電阻，是由法國物理學家卡尼亞推導提出的。

又根據電磁波的傳播理論，導出了有效傳播深度公式d≈356。式中，d代表有效探測深度;代表電阻率;f為頻率?？梢姡數乇黼娮杪使潭〞r，電磁波的傳播深度(或探測深度)與頻率成反比，高頻時探測深度淺，低頻時探測深度深。我們可以通過調整供電頻率的高低，得到不同深度的地電信息，從而達到垂向頻率測深的目的，根據所測視電阻率變化規律，了解地下地質體的空間分布特征、分析推斷斷裂構造產狀及性質等。近幾年，CSAMT方法理論和儀器設備都得到了很大的發展，廣泛應用在勘探石油、天然氣、地熱、金屬礦產、水文、環境及地質災害調查等方面，從而成為地質學家高度重視的一種地球物理勘探新方法。

2.2 使用儀器

工作中使用的儀器為加拿大鳳凰地球物理有限公司研制開發的最新一代V8-6R多功能電法系統，是目前國內外使用的最先進的電磁勘探設備之一。

2.3 工作布置與技術參數選擇

2.3.1 測線與測點布設

在調查區內共布置7條CSAMT剖面線即1、2、3、4、5、6、7線，其中1、2、3、4線近東西方向，其剖面長度均為720 m、物理點36個，線距150～200m;5、6、7線近南北方向，其剖面長度均為900m、物理點45個，線距250～300m。點距均為20m，各剖面線及測點均用手持GPS布設，誤差要求按有關規范執行。

2.3.2 技術參數選擇

在CSAMT野外工作中，采用赤道偶極測量裝置，一般觀測區域布置在以發射偶極AB形成的60°角的一個梯形面積內，本次野外工作采取把測線布置在以AB為邊的矩形面積內，以保證測量區域有足夠大的信號強度。發射電偶極距AB=1500m，接受電偶極距MN=20m，收發距R=7000m，點距20m，測量頻率范圍為1～9600HZ。施工過程中保持12個不極化電極的接地電阻均小于5kΩ，低頻發射電流控制在18A，這樣既抑制了工業電流和地表人為設施的干擾，又保證了采集數據的準確可靠。

3資料的分析與解釋

3.1 采空區的一般異常特征

把野外采集的數據輸入電腦經專用軟件圓滑處理、預處理后，選用BUICK反演數據繪制了各剖面的視電阻率等值線擬斷面圖。由地球物理特征和視電阻率等值線擬斷面圖特征并結合礦區已知地質資料推斷了采空區位置。

工作區的正常地層結構為奧陶系石灰巖中分布有一層或數層鐵礦石，屬少有的富礦區，鐵礦石單層厚度可達幾十米，本區鐵礦開采多層，綜合開采厚度達數百米。當鐵礦石被挖出后成為了空洞(未充水)，其電阻率變大，當空洞具有一定規模時就在CSAMT視電阻率等值線擬斷面圖的一定深度上形成高阻閉合圈。當采空區被充填時，因充填物為高阻物體，在CSAMT視電阻率擬斷面圖上同樣形成高阻閉合圈異常。由于圍巖即奧陶系石灰巖在鐵礦區內含鐵量較大，因而其視電阻率比正常值低。本工作區采空區已被充填，由于采空區的深度及厚度不同，其反演ρa值也不盡相同，一般80～260Ω·m。石灰巖中含鐵礦石層或含鐵量大時，反演ρa值一般20～60Ω·m。

3.2 剖面實例分析與解釋

以5、6剖面為例，具體分析、解釋如下:

5剖面(圖1):在地面85310～85523m位置、垂向深度220～270m、以反演ρa=80Ω·m等值線圈出了一高阻半閉合圈，因現場不能施工南端異常未閉合，該異常具有一定的規律性和獨立性，結合地質情況推測此高阻半閉合圈為采空區位置。與已知礦區資料對比，此地段為采空區且已充填。

6剖面(圖2):在地面85423～85633m位置、垂向深度200～358m、反演ρa=120Ω·m等值線形成了一高阻閉合圈，閉合圈反演ρa最大值220Ω·m。該異常高阻特征明顯，結合地質情況推測為采空區位置。由已知礦區資料可知，此地段原為富礦區，厚度大且具多層礦體，現已采空且充填。

4 結語

通過本次CSAMT工作成果，得出以下幾點認識與體會:

(1)尋找地下采空區，首先要大致了解采空區目前的狀態即是充水的還是空洞，當采空區被充填時，要了解其充填的方法以及充填的成分。

(2)采空區未充水時，在二維反演ρa等值線擬斷面圖上形成高阻、密集的閉合圈異常;采空區充水時，在等值線擬斷面圖上形成低阻閉合圈或低阻異常;采空區被高阻體充填時，在等值線擬斷面圖上形成高阻、密集的閉合圈異常。

(3)根據工作地區的地形、地質及影響因素等情況，可選擇合適的物探方法組合，有條件的地區最好選用2-3種的綜合方法開展工作。根據經驗，較深的采空區可選用CSAMT和TEM(瞬變電磁)或CSAMT、TEM與電阻率測深的組合，以便能較準確地推斷采空區的空間形態，為地質災害的防治與處理提供可靠的依據。

(4)本區采用CSAMT新方法、新技術推斷鐵礦采空區取得了較好的地質效果，后與礦區開采圖對比證實符合實際，也證明了該法在尋找及確定地下采空區方面是行之有效的物探手段，但要取得良好的地質效果，在實際工作中，一定要注重參數的選擇，特別是在采空區的頂、底部邊界位置要保證有足夠的頻點，以使成果圖能較好的反映出采空區的空間形態。

參考文獻

[1]石昆法.可控源音頻大地電磁法理論與應用[M].北京:科學出版社，1999.

[2]湯井田等.可控源音頻大地電磁法及其應用[M].湖南:中南大學出版社，2005.

[3]黃力軍，陸貴福，劉瑞德.可控源音頻大地電磁法應用實例[J].物探化探計算技術，2006，28(4):337.

[4]雷達，孟小紅，王書民，等.復雜地形條件下的可控源音頻大地電磁測深數據二維反演技術及應用效果[J].物探與化探，2004，28(4):323.