高密度電法－氡氣測量在礦區隱伏斷層勘查中的應用*

張 賡 庹先國 汪楷洋 李 彬

(1.地球探測與信息技術教育部重點實驗室;2.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室;3.西南科技大學國防科技學院)

礦區隱伏斷層的發育在很大程度上影響礦山工程建設的開展，由于斷層的隱伏性，也加大了地表地質調查的難度。當工程建設無法避免穿越斷層發育區域的時候，斷層的準確定位、產狀、破碎帶寬度等特征成為工程勘查的重點。科學、合理的勘查成果又將直接為工程設計提供依據，進而實現優化設計和安全施工。

近年來，大量科研人員根據斷層的不同地球物理特征，采用各種地球物理方法對斷層進行探測，取得了良好的應用效果［1-6］。工程實踐表明，物探方法對于隱伏斷層的勘查相比地質調查而言更具有針對性和準確性;相比鉆探而言具有成本低、效率高的特點。本研究針對攀枝花白馬鐵礦Ⅰ#排土場及廢石膠帶輸送工程擬建場址區內的隱伏斷層采用高密度電法聯合氡氣測量進行了詳細勘查。

1 地質概況

擬建白馬鐵礦Ⅰ#排土場及廢石膠帶輸送工程場地地處攀枝花市米易縣，工區位于及及坪—田家村露天采場西側環山山腰地帶。地貌上屬于高中山區，地表剝蝕較強烈，沖溝發育，屬斜坡堆積與山區沖溝侵蝕堆積的復合地貌。地形起伏變化大，場地整體自北西向南東傾斜，地面自然坡度較陡，一般坡度為23°～48°。區內沖溝較發育，沖溝大致為北西向南東、南西向北東走向，與山坡傾向基本一致。工區主要巖土層分布有第四系全新統坡積粉質黏土(Qdl)、第四系全新世沖積漂石、卵石(Qal)、殘積砂質黏土(Qel)、晚古生代華力西期(ν34)全風化、強風化及中風化輝長巖。

擬建膠帶輸送工程沿線場地附近斷裂構造發育，可分為多個構造層，巖石為多期巖漿侵入體。受場地附近斷裂構造影響，場地內褶皺發育，地層產狀較紊亂。根據《區域地質調查報告(掛榜幅1∶50 000)》，萬年溝斷層隱伏段穿過擬建場址，并疑似穿過場址內的2a膠帶隧道，是本次工程建設中最值得關注的斷層。該斷層發育于安寧河斷裂南段西側，東距安寧河西支斷裂約5 km，西距磨盤山斷裂南端約4 km，全長約8 km，總體走向為NNE(近南北兩段為NNE走向，中段呈NNW走向)，傾向時東時西，規模較大，具壓扭性，含水豐富，對整體場址建設(特別是2a膠帶隧道工程)有重大影響。由于該斷層的隱伏性、壓扭性以及小比例尺填圖的精度原因，其通過2a膠帶隧道的具體部位及產狀、破碎帶寬度等信息不詳，急需通過地球物理工作進一步查明。

2 地球物理特征調查及方法選取

在現場踏勘的基礎上，結合對工區前期地質資料的研究表明:①工區探測主體為山體，地形起伏較大，施工條件受一定程度的限制;②工區為鐵礦區，礦體極易引起磁異常;③近地表的第四系覆蓋層的電阻率為10～100Ω·m，基巖電阻率為103～105Ω·m，斷層(破碎帶)含水豐富，可與圍巖形成較明顯的電性差異;④工區絕大部分地段覆蓋物較柔軟，土層類型基本相同，氣候干燥、濕度變化不大，且無重大工業污染。因此，綜合考慮施工條件、物性差異、探測效率以及物探方法的多解性，選取了高密度電法聯合氡氣測量進行綜合探測。

高密度電阻率法是以巖、礦石的電阻率差異為基礎，通過觀測和研究人工電場在地下分布的規律和特點來解決各類地質問題的一種勘探方法。測量時在探測剖面上同時布置多道電極，由人工源向地下發送電流，使地下形成穩定的電流場，通過自動控制轉換裝置對所布設的剖面進行自動觀測和記錄［7］。由于斷層及破碎帶含水較豐富，與圍巖相比具有更好的導電性，從而可形成低阻異常。

地氣(主要為氡氣，Rn)是一種在地下存在的特殊自然氣體，是巖石中所含鐳的衰變產生的。它能以游離原子的形式通過晶體缺陷或晶粒邊界、沿著巖石空隙或裂隙系統遷移，而構造破碎帶及裂隙發育地帶是氡氣遷移的良好通道，有利于氡氣的聚集。當地下存在斷層時，地表土壤中的氡濃度會出現局部增高，形成地表可探測的放射性氡異常區域［8］。

3 地球物理勘查

3.1 測線布置

為查明萬年溝斷層是否穿過2a膠帶隧道以及其穿越的具體部位，本次布線原則為測線分布于隧道兩側并盡可能平行隧道。但由于受地形限制及施工影響，實際布設了3條高密度測線(A－1、A－2、A－3)，并在初步探測成果的基礎上對A－2、A－3、A－4測線采用氡氣測量法進行進一步驗證和追蹤。

3.2 資料處理與解釋

本次采用瑞典RES2DINV軟件對電阻率原始數據進行處理，依次進行格式轉換、壞點剔除、平滑濾波、地形校正、反演參數設置、反演成圖，采用專業軟件對測氡數據進行標準化、儀器校正、平滑處理、數據統計和分析、異常下限計算和等值線圖的繪制。

(1)A－1測線靠近隧道峒室入口處，基本與隧道走向重合，點距5 m，總長295 m。該剖面視電阻率變化范圍主要為100～2 500Ω·m，見圖1。電性界面較連續，分層性較好，由此推測該段基巖較完整。表層的低阻反映了近地表為第四系覆蓋層，中、深部高阻為基巖的反映，未發現明顯斷層跡象，推測萬年溝斷層并未從該段穿過。

圖1 A－1測線電阻率剖面

(2)A－2測線位于施工便道上方，斜穿2a膠帶隧道，點距5 m，總長300 m，采用高密度電法以及氡氣測量進行綜合探測。該剖面視電阻率變化范圍主要為20～1 000Ω·m，氡濃度變化范圍為2 000～12 000 Bq/m3。在測線190～240 m段，視電阻率呈現低阻異常，截斷兩側同一電性界面，并有向下延伸的趨勢，氡濃度曲線在該段也出現異常高值，推測為萬年溝斷層，見圖2。

圖2 A－2測線綜合物探反演結果

(3)A－3測線位于施工便道下方，點距5 m，總長365 m，采用高密度電法以及氡氣測量進行綜合探測。該剖面視電阻率變化范圍主要為50～1 200 Ω·m，氡濃度變化范圍為2 000～6 000 Bq/m3。在測線190～230 m段，視電阻率出現低阻異常，異常呈條帶狀分布，并有向下延伸的趨勢，對應地段出現氡氣濃度高值，綜合推測為萬年溝斷層，見圖3。

(4)A－4測線總長415 m，由于受地形影響，該測線不具備高密度電法探測的條件。該測線氡濃度異常值為2 000～7 000 Bq/m3，見圖4。氡氣濃度從測線100 m處開始增大，在測線250 m處開始降低，并趨于正常背景值。其中氡氣濃度最大值出現在測線215 m附近地段，經過現場核實，該異常區段并無重大工業污染，氡氣濃度異常偏高疑為萬年溝斷層(破碎帶)引起的氡氣縱向遷移所致。

4 斷層解譯與鉆孔驗證

通過連接各測線異常以及對異常特征的分析，綜合推測萬年溝斷層在2a膠帶隧道的570～610 m地段穿過，走向為 N35°E，產狀為 125°∠68°～75°。由于萬年溝斷層具有壓扭性，呈“S”型，傾角較大，近南北兩段為NNE走向，中斷呈NNW走向，走向轉折點則出現斷層傾向突變。因此，本次物探成果與區域地質調查認識并不沖突。

圖3 A－3測線綜合物探反演結果

圖4 A－4測線氡濃度異常曲線

為進一步驗證斷層及傾向，設計布置了2個鉆孔，見圖5。ZK－81布設在推測斷層范圍內，ZK－82鉆孔布設在推測斷層范圍北則。從鉆孔巖芯來看，ZK－81淺部為粉質黏土，12.2 m以下為強風化輝長巖，巖體呈極破碎、破碎狀，節理裂隙極發育，從而確定了斷層通過該處;而ZK－82鉆孔巖芯10 m以下較為完整，說明斷層并未向北西傾，很大可能為向南東傾。

5 結論

(1)采用高密度電法進行前期探測，在此基礎上采用氡氣測量對異常進行進一步驗證和追蹤，這種組合方式在本次工作中充分體現出綜合地球物理方法的高效、準確、優勢互補、相互驗證的技術優勢。

(2)通過鉆探驗證，表明高密度電法聯合氡氣測量的綜合物探方法能對隱伏斷層進行有效探測。通過連接多條物探測線的異常帶，能勾劃出隱伏斷層的走向;利用異常特征能大致確定斷層的傾向及傾角。

圖5 萬年溝斷層解譯

(3)需要討論的是，A－2測線的綜合反演表明在視電阻率異常形態無法推測斷層傾向時，可結合氡濃度異常曲線進行綜合推斷。氡氣異常相比視電阻率深部低阻異常偏向測線末端，則表明斷層可能傾向測線始端。因為氡氣應富集在近地表的斷層(破碎帶)附近處，從而可利用氡氣異常確定斷層的淺部位置，再利用視電阻率深部異常確定斷層的深部位置，進而得出斷層傾向。

［1］ 張 賡，庹先國，李 彬，等.綜合地球物理方法在隱伏斷層探測中的技術優勢［J］.金屬礦山，2013(1):110-112.

［2］ 譚 明，吳傳勇，等.高密度電法在烏魯木齊市活斷層項目中的應用實例［J］.內陸地震，2008，22(2):135-142.

［3］ 王愛國，楊 斌，周俊喜.安遠盆地邊緣斷層高密度電法探測及活動特征［J］.地震研究，2008，31(3):262-267.

［4］ 陳希泉，陳 頡，羅先熔，等.地氣(氡氣)測量方法尋找隱伏含礦斷裂試驗［J］.物探與化探，2011，35(6):817-820.

［5］ 劉春來，庹先國，黃連美，等.地下氡氣測量推斷隱伏斷層走向［J］.物探與化探，2011，35(2):226-229.

［6］ 王愛國，馬 巍，張向紅，等.隱伏斷層電性特征及淺層電法探測［J］.西北地震學報，2006，28(3):242-247.

［7］ 祝 杰，杜 毅，亢會明，等.高密度電法在水域工程勘察中的應用［J］.工程勘查，2011(10):80-83.

［8］ 王詩東，庹先國，李懷良，等.氡氣測量法－高密度電法在斷層定位中的應用［J］.地學前緣，2011，18(2):315-320.