高密度電法和等值反磁通瞬變電磁法在臨武縣礦區采空區勘查中的應用

何 禹，黎 雨

（湖南省地質調查院，湖南 長沙 410116）

臨武縣大理石資源儲量豐富，通過深精加工大力發展碳酸鈣新材料產業，并且引進碳酸鈣的下游產業，形成新的產業集群，打造臨武新的支柱產業，能夠給當地居民增加收入，提供大量就業機會，增加地方政府財政收入，是當地保持經濟發展和社會穩定的迫切需要。為此，臨武縣制定了《碳酸鈣產業發展五年行動計劃（2017-2021年）》，大力推進碳酸鈣產業發展，計劃建成碳酸鈣深精加工區和關聯產業區，建立國家或省級高新技術企業及技術研發平臺，打造產值過百億、利稅過30億、工程建設就業1萬人以上的碳酸鈣產業基地。在全縣范圍內選取碳酸鈣深精加工項目（一期），進行碳酸鈣深精加工項目（一期）建設。

此項建設過程中存在一條公路為貫穿礦區與礦區鐵路之間的主道（工業大道）。在工業大道建設過程中，從地表發現一處巷道入口，巷道內大部被充填。查明巷道下方采空區的分布范圍及埋藏深度，將是前期公路設計、治理的重要依據。

1 地質、水文地質概況

1.1 地形地貌

臨武地處南嶺山脈東段北麓地帶，境內山系縱橫，溪河交織，形成了北西高、南東低的地勢輪廓。以西山及東山為分水嶺，南北分屬珠江水系和湘江水系，北西部隨湘江水系向北傾斜；東南部為臨武白堊系紅層盆地，珠江水系貫穿其中；北東部及西部分別為桃竹山、東山、西山山地，東、西山北麓河流呈樹枝狀匯入湘江。境內海拔1000m以上的山峰有120余座，最高點為西山主峰天頭嶺，海拔1712m，最低點為五塘沖，海拔206m，相對高差1506m，地勢高低起伏，山體層巒疊嶂，聳立綿亙，地勢變化多姿。按中國專業標準ZBD14001-89分類，境內分為構造侵蝕堆積平原、構造剝蝕丘陵、構造侵蝕中～低山三個地貌類型。

1.2 地質概況

勘查區內地層僅出露二疊系上統龍潭組（P2l）。

二疊系上統龍潭組（P2l）：廣泛分布于評估區，巖性為薄～中層狀石英砂巖、砂巖、泥巖夾炭質頁巖及礦層。出露厚度225m～381m。評估區內揭露的巖性主要為砂巖、泥巖、炭質頁巖夾礦層，巖層傾向一般115°～140°，傾角一般25° ～45°。

勘查區內無巖漿巖分布。

2 在采空區勘查中的應用

2.1 方法、技術

本次勘查，主要采用高密度電法、等值反磁通瞬變電磁法輔進行勘探。

2.1.1 高密度電法

高密度電法（electrical resistivity imaging,簡稱ERI）起源于20世紀70年代末期的陳列電法探測思想，英國學者Johansson博士設計的電測深系統實際上就是高密度是最初模式[1]。

圖1 11線高密度電法反演斷面圖

高密度電法是基于垂直電流電測深與電測斷面法兩個基本原理的基礎上，通過高密度電法測量系統中的軟件，控制著在同一條多芯電纜上布置多個電極，使其自動組成多個垂向測深點或多個沒深度的探測斷面，根據控制系統的探測裝置類型，對電極進行相應的排列組合，按照測深點位置的排列順序或探測斷面的深度順序，逐點或逐層探測，實現供電和測量電極的自動布點、自動跑極、自動供電、自動觀測、自動記錄、自動計算、自動存儲。通過數據傳輸軟件將探測系統中存儲的探測數據調入計算機中，經過軟件對數據處理后，可自動生成各測深點曲線及各斷面層或整體地電斷面的圖像[2]。

本次高密度電法采用的電極距為5m的溫納裝置進行測量。

2.1.2 等值反磁通瞬變電磁法

目前瞬變電磁法大多采用的是單扎或多扎感應線圈測量磁場的變化率，在發射電流關斷時，接收線圈本身產生感應電動勢，使得一次場磁通量不為零，并疊加在地下渦流場產生的感應電動勢之上，因而造成瞬變電磁實測早期信號失真，從而影響淺部勘探的精度，形成探測盲區[3，4]。等值反磁通瞬變電磁法（OCTEM）就是基于怎么消除關斷前后接收線圈中的一次場磁通量中本身產生的感應電動勢這一思路提出來的。

等值反磁通瞬變電磁法與傳統瞬變電磁法原理相同，與傳統瞬變電磁法的裝置不同是，OCTEM以2個相同線圈通以反向電流時產生等值反向磁通的規律為理論依據，采用上、下2個大小相同，平行共軸的線圈，分別向其通以大小相等、方向相反的電流作為發射源，在雙線圈合成的一次場零磁通的平面上接收地下二次場，測量對地中收耦合的純二次場。從而可根據接收到的二次磁場隨時間的衰減規律獲得地下介質地電信息[5]。

本次數據采集參數為：電源電壓12V，發送機電流8.5A，發送頻率6.25Hz，關斷時間0.04ms，疊加周期為400次。

2.2 采空區勘查

垂直巷道入口方向共完成了3條瞬變電磁法剖面和1條高密度電法剖面。11線高密度電法反演斷面圖如圖1所示。

通過分析11線高密度電法反演斷面圖，地表由于存在水洼、煤渣等電性不均勻體的存在，局部存在高阻、或低阻。在10m～28m埋深在10m～13m之間存在一個橢圓形低阻異常。由于礦區采空區經過長時間的穩定后，里面被水所充填，在高密度電法反演斷面圖上顯示為相對低阻，即推測此處在11線在水平位置10m～28m，埋深在10m～13m處為采空區。

為了確定位于工業大道上采空區的分布，我們進一步采用了點距為1m的瞬變電磁法對11線進行了重復測量，并平行布置了12線和13線以得到采空區的空間分布范圍。11線、12線和13線的反演斷面圖如圖2所示。

瞬變電磁法二維反演斷面圖顯示11線在水平位置10m～28m，深度10m～13m之間存在橢圓形低阻異常；13線在水平位置15m～20m，深度10m～13m之間存在橢圓形低阻異常；12線在水平位置5m～20m，深度10m～13m之間存在長條形低阻異常，推測在11線的10m～28m、13線的15m～20m、12線的5m～20m，深度在10m～13m之間為采空區，后期鉆探驗證與物探推測吻合。

圖2 11線、12線和13線瞬變電磁法二維反演斷面圖

3 結論

通過上述高密度電法和瞬變電磁法在采空區勘查實例分析可以得出如下結論：

（1）在物探方法中，高密度電法集成了電測深法與聯合剖面法的特點，比常規電法采集更便捷，自動化程度更好。所成等值線圖通過和地質結合，能更直觀的獲得地下一定深度的地電異常分布。

（2）當礦層被開采達到穩定后，采空區被水充填，其與圍巖之間的電性差異明顯，但采空區地表不均勻體干擾嚴重且采空區一般地形條件復雜，對異常的解釋應多種方法結合解釋，相互驗證。

（3）等值反磁通瞬變電磁法作為一種新的技術方法，具有較強的抗干擾能力、縱向分辨率較高、靈敏度、信噪比。

（4）在復雜礦區，高密度電法的勘探深度對于埋深小于100m的采空區效果較好，但是對于埋深超過100m的采空區進行勘探，應采用瞬變電磁法進行補充勘查。