瞬變電磁法在鐵礦采空區探測中的應用研究

王 猛，劉媛媛，李海明，張 雪，董根旺，林曼曼，田 亮，田 華

（1.中國冶金地質總局地球物理勘查院，河北 保定 071051；2.華北地質勘查局五一九大隊，河北 保定 071051）

礦業活動引發的塌陷地質災害給人民生命財產帶來了巨大損失，并且先存的采空區使深部礦產資源的開采難度增加，不得不面臨越來越大的安全隱患，因而做好礦山采空區的勘查和治理工作顯得尤為重要。目前，瞬變電磁法已在礦產資源勘查、工程勘查、地下水調查、地質災害調查等領域有廣泛應用，其中在地質災害調查領域已有很多應用于煤礦采空區探測中的成功案例，但就目前的研究程度而言較少涉及鐵礦采空區的探測。本文基于瞬變電磁法對不同介質的電性差異分辨率高、探測深度大、工作效率高的特點，研究將該方法用于鐵礦采空區的探測工作中，結合工程實例，探討了瞬變電磁法對鐵礦采空區的探測效果。

1 瞬變電磁法方法原理

瞬變電磁法（Transient ElectromagneticMethod，簡稱“TEM”）是一種時間域人工源電磁探測方法，它主要遵循電磁感應原理，是導電介質在階躍變化的電磁場激發下而產生的渦流場效應，即利用一個不接地的回線Tx或磁偶極子，也可以用接地線源電偶極子向地下發射脈沖電磁波作為一次場，根據法拉第電磁感應定律，當發射線圈中的一次場斷電后在其中心以及周圍一定區域內存在的磁場會急劇衰減，處于該變化磁場中的良導地質體內部由于磁場的變化引發磁通量的變化進而產生感應電動勢，感應電動勢在良導地質體中產生二次渦流，該渦流場并不能立即消失將會有一個衰減過程，二次渦流的衰減又會產生一個衰減的二次磁場向地表傳播，再由地面的接收線圈Rx來接收二次磁場（見圖1）。

圖1 瞬變電磁法工作原理示意圖

產生二次電磁場的渦流以等效電流環向下并向外擴散，形如“煙圈”。隨著時間的推移，“煙圈”的傳播與分布將受到地下介質的影響，這樣從“煙圈”效應的觀點看，可得早期瞬變電磁場是近地表感應電流產生的，反映淺部電性分布；晚期瞬變電磁場主要是由深部的感應電流產生的，反映深部的電性分布。瞬變電磁法觀測的二次場包含有地下地質體豐富的地電信息，因此通過對這些相應信息的提取和分析，可研究瞬變電場隨時間的變化規律，即可探測地下地質體的分布情況[1-3]。

2 鐵礦采空區的電性特征

物性差異是開展地球物理工作的前提，對鐵礦采空區所處的地質背景而言，覆蓋層與基巖之間、鐵礦體與圍巖之間均存在著明顯的電性差異，呈現出覆蓋層相對低阻、基巖相對高阻，以及鐵礦體相對低阻、礦體圍巖相對高阻的特點。地層或巖體的含水率也是影響電性差異的主要因素之一，干燥的覆蓋層或基巖通常呈現相對高阻，而處于潛水面以下的巖石往往電阻率值急劇下降。

由鐵礦開采形成空洞后，地層或巖體原有的應力平衡狀態被破壞，若開采礦體的體積較小時，其頂板巖石受影響不大，保存相對完整，采空區以不充水或充水的空洞存在；若采礦體積較大，受重力和地層應力的作用，頂板變形嚴重，甚至塌落下來，空洞頂部自下而上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶（簡稱“采空區三帶”，見圖2），不論充水或不充水，采空區及其上部的“三帶”相對完整的覆蓋層或基巖均有明顯的電性變化[4，5]。

圖2 采空區及上部“三帶”分布示意圖（據文獻[5]修改）

若采空區為不充水的空洞，與完整基巖相比，空洞范圍通常表現為高阻異常，其上的“三帶”隨變形的發生也呈現為相對完整基巖的高阻異常，根據電阻率值的高低變化可以有效區分基巖、“三帶”及采空區的分布范圍；當采空區處于地下水位以下時，往往呈現充水特征，采空區內充水、坍塌，且充填物松散、潮濕，使得電阻率值變得很低，與礦體圍巖電性差異較大，其上的“三帶”含水率較高，也將呈現相對低阻的特征，易于識別和圈定。

3 工程實例

本文以河北邯邢地區某鐵礦采空區為例說明。

工作區大地構造位置屬于中朝準地臺山西斷隆武安向斜，西依山西陸臺、東以太行山前邢臺—安陽深大斷裂為界，與華北平原沉降區的臨清臺陷毗鄰，為山西斷隆或太行山隆起的一部分。本區古老基底為太古宙贊皇群，與上覆地層為角度不整合關系，巖性主要為片麻巖及部分片巖、斜長角閃巖、大理巖等。蓋層自下而上為長城系海相碎屑巖、寒武系—奧陶系濱淺海相碳酸鹽巖和石炭系—二疊系海陸交互相含煤碎屑巖。中奧陶馬家溝組、磁縣組和峰峰組為一套海相碳酸鹽巖，主要為白云質灰巖、灰巖，每個組下部均發育伴生石膏等鹽類的角礫巖層，為該區主要鐵礦床的控礦地層。區內燕山期中性巖漿巖體廣泛分布，是本區鐵礦的成礦母巖。

野外工作使用儀器為加拿大GEONICS公司生產的PROTEM67型瞬變電磁儀。工作裝置采用大定源回線裝置，回線內觀測，發射框為300m×300m，頻率選擇為25Hz，供電電流為15A，接收線圈面積為200m2。

3.1 視電阻率垂向變化特征

由全區不同深度電阻率等值線平面圖（圖3）可知，全區視電阻率在垂直方向上變化較大，在幾十歐姆米到上千歐姆米之間變化，總體表現為淺部低阻、中部高阻、深部高低阻相間的特征。

全區淺部大部分地區均被第四系覆蓋，電阻率值較低，其與下方的基巖風化層連在一起，形成大范圍的低阻區，電阻率值一般均小于200歐姆米，其深度范圍一般小于50m；在低阻層以下，迅速進入高阻的完整基巖層，該高阻層厚度約100m，其下地層表現為高低阻相間的特征，表明深部巖石礦化蝕變較發育，礦體范圍變大。

圖3 全區不同深度視電阻率分布圖

3.2 采空區的推斷解釋

由工作區水文地質調查成果可知，地下水位的高程一般在+150m左右，而本區已開采的礦體的高程一般在+200m以上，高于地下水位，因此本區的采空區含水性差；但由于礦體尚未完全開采，因此本區采空區應呈現低阻中的相對高阻異常的特征，即采空區的電阻率值略有升高，一般表現為在同一低阻層位上，出現不連續、孤立的小塊狀相對偏高阻異常。

采空區范圍電阻率值一般在150歐姆米～250歐姆米之間，相對圍巖呈現低阻特征，相對礦體呈現高阻特征，該采空區在海拔200m、225m深度視電阻率等值線平面圖上反映明顯，同一低阻層位上，出現不連續、孤立的相對偏高阻異常，而在推斷采空區的上方及下方的視電阻率等值線平面圖上，低阻區則較為連續，場值變化平緩（見圖4、圖5）。綜上可推斷，采空區主體位于海拔+225m～海拔+200m之間，最小頂板深度在+250m以下，最大底板深度在海拔+175m以上。

圖4 不同深度視電阻率等值線及推斷采空區范圍平面圖圖中紅線為推斷采空區范圍；a-海拔225m高程；b-海拔200m高程

圖5 不同深度視電阻率等值線平面圖a-海拔250m高程；b-海拔175m高程

4 結論

（1）當工區地形復雜、各類干擾因素較多時，會對瞬變電磁數據的采集產生影響，應采取措施盡量降低干擾，數據整理與圓滑時應注意消除假異常，高質量的原始資料是后期處理和解釋的必要條件；瞬變電磁法是基于地質體的電性差異進行異常解釋的，引起地質體電性差異的因素很多，因而瞬變電磁法與其它物探方法一樣具有多解性，應與當地的地質資料充分結合進行解釋。

（2）利用瞬變電磁法等電法勘探方法進行鐵礦采空區探測工作時，由于采空區存在充水、不充水的區別，且采空區頂部不變形或變形后形成“三帶”也是重要的影響因素，視電阻率圖呈現復雜多變的情況，不能單純的依靠低值或高值進行判斷。在實際應用TEM資料時，對采空區的推斷應結合采礦、鉆探成果、地表塌陷范圍等及時進行修正，提高推斷解釋的質量，力爭為地質災害治理工作提供精確、詳實、全面的物探基礎資料。