高密度電法在南京市岔路口硫鐵礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

韓曉南

(安徽省勘查技術(shù)院，安徽 合肥 230031)

0 引言

采空區(qū)作為人類活動(dòng)潛在的地質(zhì)災(zāi)害之一，給工程建設(shè)和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的威脅。高密度電法已被廣泛應(yīng)用于采空區(qū)探測(cè)及工程地質(zhì)勘查。肖敏[1]等通過對(duì)北京地區(qū)淺層采空區(qū)的探測(cè)表明富水充填的小煤窯采空區(qū)表現(xiàn)為低視電阻率異常。母昌平[2]等采用高密度電法對(duì)程潮鐵礦西區(qū)開采頂板圍巖的電導(dǎo)率進(jìn)行了探測(cè)，掌握了覆巖冒落的空間的形態(tài)特征。蔣富鵬[3]利用高密度電法方法研究了工程巖溶中電阻率的差別。李樹瓊[4]等運(yùn)用高密度電法探測(cè)了昆明市空港開發(fā)區(qū)、深圳工業(yè)園、呈貢新城凈配水工程北水廠巖溶區(qū)巖土工程地質(zhì)特征，為后期市政施工提供了重要依據(jù)。

江蘇省南京市岔路口硫鐵礦礦區(qū)存在為數(shù)眾多、大小不一、范圍不詳?shù)牟煽諈^(qū)，它們有的互通、有的重疊、縱橫交錯(cuò)。這些采空區(qū)的存在給工程建設(shè)帶來了隱患。基于此在南京市岔路口硫鐵礦礦區(qū)開展了高密度電法勘查工作。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地層

礦區(qū)內(nèi)出露地層有三疊系中統(tǒng)周沖村組、黃馬青組，上統(tǒng)范家塘組和侏羅系中下統(tǒng)象山群及第四系。基巖多出露于朝陽山、農(nóng)場(chǎng)山山頂及南北兩側(cè)、聚寶山山脊和南北山坡，西楊坊之南有黃馬青組呈零星出露。

山坡大部分為第四系覆蓋。見于朝陽山、農(nóng)場(chǎng)山南側(cè)山坡及聚寶山之西和聚寶山之南較平坦地段，為殘坡積物和褐色含粉砂亞粘土及黃褐色含礫亞粘土或雜色砂礫層。厚度0～38米。與下伏地層呈不整合接觸。

1.2 構(gòu)造

1.2.1 F5 斷層

該斷層走向128°，傾向218°，傾角80°，走向長 170米，斷層南西盤(上盤)為周沖村組灰?guī)r，鹽溶角礫巖(角礫狀灰?guī)r)和灰質(zhì)白云巖上升與北東盤(下盤)黃馬青組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)粉砂巖呈斷層接觸，斷距約50～120米。該斷層屬壓扭性斷裂，形成時(shí)間稍晚于推覆構(gòu)造。

1.2.2 F6 斷層

該斷層走向45°，傾向135°，傾角70°，走向長240米。斷層南東盤(上盤)的周沖村組、黃馬青組地層界線與北西盤(下盤)該界線發(fā)生錯(cuò)位，南東盤下降，北西盤上升，斷距85～210米。斷層面傾角陡，該斷層亦屬壓扭性斷裂。形成時(shí)間同于F5。

1.3 巖漿巖

礦區(qū)巖漿巖主要為中性巖—酸性巖類。區(qū)內(nèi)有閃長巖、閃長玢巖、石英閃長巖、石英閃長玢巖和石英二長巖等。朝陽山礦段巖體呈西淺東深，北淺南深的趨勢(shì)，地表巖體主要出露在北部及西北部，聚寶山礦段巖體呈脈狀產(chǎn)出，脈厚2～110米，根據(jù)同位素年齡資料，礦區(qū)巖體屬燕山晚期產(chǎn)物。

1.4 礦床特征

岔路口硫鐵礦屬巖漿期后中—低溫?zé)嵋撼涮钚偷V床。礦體主要賦存于周沖村組地層中。

1.4.1 巖漿活動(dòng)與成礦的關(guān)系

礦段內(nèi)閃長巖體是黃鐵礦的成礦母巖，它們均受到中—低溫?zé)嵋何g變和普遍黃鐵化。

1.4.2 構(gòu)造與成礦的關(guān)系

燕山晚期中酸性巖漿沿逆斷層及斷層附近的裂隙浸入上升，含礦熱液隨之運(yùn)移，滲透到斷層帶及其附近的圍巖孔洞或裂隙中，形成黃鐵礦。

1.4.3 巖性和蝕變與成礦的關(guān)系

巖性對(duì)成礦起著非常重要的控制作用，巖溶角礫巖是主要含礦巖石，它們隙度大，有利于含礦氣液的運(yùn)移。

2 探測(cè)原理與方法

2.1 基本原理

高密度電阻率法是以巖(礦)石的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的一類電探方法，在施加電場(chǎng)作用下，分析地中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，從而達(dá)到探測(cè)地質(zhì)體目的。高密度電法由傳統(tǒng)電阻率法發(fā)展而來，與傳統(tǒng)的電阻率法相比，它具有高密度(小電極距，一般1～5米)、多道(一個(gè)排列60～120根電極)、高效(一次布設(shè)完所有電極，自動(dòng)改變電極距，由淺入深自采自存)等優(yōu)點(diǎn)。施工起來效率高、成本低，解釋方便快捷，獲得的信息豐富，在小電極距下可以達(dá)到較高的探測(cè)精度，尤其適合目前工程地質(zhì)勘察中目標(biāo)體埋深不大，規(guī)模較小等情況。所有這些新特征使之在工程領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2.2 探測(cè)方法

2.2.1 工作線的布置

高密度電法剖面4條，勘探線方向?yàn)闁|西向，勘探線距為50m，總長度約 2.4km(見圖 1)。

2.2.2 裝置

本次工作采用2米點(diǎn)距的溫納(WN)裝置進(jìn)行施工。所謂溫納裝置，即等比對(duì)稱四極裝置，其電極排列規(guī)律是：A，M，N，B(其中A，B是供電電極，M，N是測(cè)量電極)，AM=MN=NB為一個(gè)電極間距，隨著剖面數(shù)n由n(min)逐漸增大到n(max)，四個(gè)電極之間的間距也均勻拉開。該裝置適用于固定斷面掃描測(cè)量，其特點(diǎn)是測(cè)量斷面為倒梯形，電極排列如圖2所示。

圖1 工作線布置圖Fig.1 Line layout

圖2 溫納電極排列示意圖Fig.2 Wenner electrode arrangement diagram

采集的數(shù)據(jù)均按剖面數(shù)由小到大的順序分層存儲(chǔ)，每增大一個(gè)剖面系數(shù)則該層數(shù)據(jù)量減3，結(jié)果為梯形區(qū)域，顯示為梯形圖形和影像。當(dāng)兩者的通道總數(shù)為120道，最小剖面數(shù)nmin=1，最大剖面數(shù)nmax=30時(shí)，單排列溫納共采集2205個(gè)視電阻率數(shù)據(jù)；工作中每排列的文件名以測(cè)線號(hào)和裝置模式為前提，便于檢查、存儲(chǔ)。

3 探測(cè)結(jié)果與討論

3.1 分層解釋

勘查區(qū)位于長江下游地區(qū)丘陵地區(qū)，該區(qū)雨水豐富、地表較平坦，表層土壤濕潤電極接地電阻良好，利于高密度電阻率法的勘測(cè)。已有的工勘資料揭示本區(qū)只有第四系與三疊系地層以及侵入的巖漿巖，第四系地層電阻率較低，一般不大于10Ω·m；三疊系地層主要為周沖村組的灰?guī)r，電阻率一般在20～100Ω·m左右；而侵入到三疊系地層中的巖漿巖電阻率一般大于100Ω·m；三種地層電阻率差異較明顯。利用高密度電阻率法能基本確定第四系地層底界面。由于勘探區(qū)曾經(jīng)發(fā)生過劇烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、以及巖漿巖的侵入活動(dòng)，之后又經(jīng)歷了長期的風(fēng)化作用和硫鐵礦的開采對(duì)地層的擾動(dòng)，使地層巖石裂隙孔洞發(fā)育，巖石的完整性差、地層松動(dòng)，淺地表由于受地下水的干擾給地質(zhì)精細(xì)分層帶來困難。特別是沿地層層面、斷層裂隙和松散層孔隙裂隙發(fā)育的部位，嚴(yán)重?cái)_亂地電分層特征，使部分地段難以通過電性進(jìn)行分層。

圖3 1線高密度電法視電阻率剖面圖Fig.3 The 1 line of high density electrical resistivity profile

從處理得到的視電阻率剖面圖上來看，第四系(Q)松散層電阻率較小，一般不大于10Ω·m，形態(tài)近似水平，特征很清楚，厚度小于20m，多數(shù)在10m以內(nèi)；三疊系(T)地層電阻率也較小，一般在20～100Ω·m左右，厚度在20～150m左右；三疊系下覆地層為巖漿巖，電阻率一般大于100Ω·m。如圖3。三疊系內(nèi)部因裂隙發(fā)育受大量地下水等低阻干擾，部分地段層序不很明朗。

3.2 采空區(qū)解釋

從已有的地質(zhì)資料和鉆孔資料顯示勘查區(qū)的硫鐵礦主要賦存于三疊系的灰?guī)r裂隙中，由于硫鐵礦是由于巖漿巖侵入到灰?guī)r中發(fā)生接觸交代作用形成，故采空區(qū)應(yīng)該位于巖漿巖和沉積巖地層界線附近，且由于采礦活動(dòng)造成采空區(qū)上覆巖石松動(dòng)塌落，地下水容易沿著裂縫滲透下來，故在采空區(qū)及其上方附近形成相對(duì)低阻，從已有的鉆孔資料揭示960/2、825/3、875/3、855/4下面有采空區(qū)，這些采空區(qū)上覆地層的是電阻率相對(duì)較低，且比附近電阻率低。通過與鉆孔資料對(duì)比后，再分析高密度電阻率剖面， 推測(cè) 640/1、710/1、730/1、970/2、840/3、900/4點(diǎn)附近可能為采空區(qū)，值得注意的是3線825/3(ZK15～ZK16)、875/5下打到采空區(qū)，而他們之前的電阻率曲線下凹，電阻率較低，有可能有采空區(qū)。

3.3 采礦范圍解釋

礦石的開采破壞了原巖的完整性，采空區(qū)上覆地層在礦石開采后易發(fā)生塌落，從而使上覆地層發(fā)生松動(dòng)，雨水容易沿著裂縫進(jìn)入巖層，從而巖石的電性特征發(fā)生改變，形成相對(duì)低阻體，因此剖面范圍內(nèi)的相對(duì)低阻區(qū)域?qū)θΧú傻V范圍有一定的指導(dǎo)意義，假定電阻率小于40Ω·m的地區(qū)為推斷采礦異常區(qū)，電阻率小于40Ω·m的地區(qū)在地質(zhì)解釋圖中分別以藍(lán)色虛線圈標(biāo)示，由各剖面電阻率分布圖可以得出：剖面1上，推斷采礦異常區(qū)主要分布于點(diǎn)600～點(diǎn)830這一區(qū)段，剖面2上，推斷采礦異常區(qū)主要分布于點(diǎn)880～點(diǎn)1100這一區(qū)段，剖面3上，推斷采礦異常區(qū)主要分布于點(diǎn)740～點(diǎn)1020這一區(qū)段，剖面4上，推斷采礦異常區(qū)主要分布于點(diǎn)710～點(diǎn)990這一區(qū)段，整個(gè)工區(qū)電阻率低值區(qū)標(biāo)高呈現(xiàn)由北向南逐漸加深的趨勢(shì)。同時(shí)可以大致圈出礦區(qū)推斷采礦異常區(qū)(電阻率小于40Ω·m)的范圍，共有8個(gè)拐點(diǎn)，其拐點(diǎn)坐標(biāo)如下：

表1 推斷采礦異常區(qū)分布范圍Tab.1 Inference mining anomaly area

4 結(jié)論

本次通過對(duì)實(shí)測(cè)二維高密度電阻率勘探法資料的細(xì)致分析研究和綜合解釋推斷，取得如下主要認(rèn)識(shí)：

(1)根據(jù)不同層位的電阻率特征結(jié)合已有的鉆孔資料，對(duì)勘查區(qū)地層進(jìn)行了初步劃分，基本探明了勘探區(qū)的地層情況。

(2)結(jié)合鉆孔資料分析了勘查區(qū)域內(nèi)已知和潛在的采空區(qū)，采空區(qū)上覆地層有發(fā)生垮落松動(dòng)現(xiàn)象，電阻率呈現(xiàn)相對(duì)低阻，對(duì)今后工程勘察具有一定的指導(dǎo)意義。

(3)礦石的開采改變了上覆地層電性特征，形成一個(gè)電阻率異常區(qū)域，通過對(duì)異常區(qū)域的劃分，給出了采礦對(duì)地層的影響范圍。

[1]肖敏,陳昌彥,白朝旭,等.北京地區(qū)淺層采空區(qū)高密度電法探測(cè)應(yīng)用分析[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2014,11(1):29-35.

[2]母昌平,徐鐵軍,雷遠(yuǎn)坤,等.高密度電法在采空區(qū)覆巖冒落探測(cè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè),2013,9(9):54-56.

[3]蔣富鵬,肖宏躍,劉壘,等.高密度電法在工程巖溶勘探中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2013,5(3):389-393.

[4]李樹瓊,蔣叢林,馬志斌.高密度電法在巖溶地區(qū)勘查中的應(yīng)用[J].礦物學(xué)報(bào),2013,12(4):540-544.