可控源音頻大地電磁法在硝鹽礦采空區溶腔探測中的應用

李 茹

(廣州市地質調查院，廣東 廣州 510000)

0 引言

地下資源開采后形成的采空區會引發地表沉降或塌陷等地質災害，給礦區的生產、地面工程和人民生命財產造成嚴重威脅，因此，實現對地下采空區快速、有效的探測已成為當前迫切的任務。可控源音頻大地電磁(CSAMT)因具有野外采集數據質量高、抗干擾能力強、解釋與處理簡單、分辨率高、探測深度大等優點，廣泛應用于巖溶塌陷勘查[1]、煤礦采空區探測[2]和巖溶水勘查[3]等。廣州市白云區太和鎮龍歸硝鹽礦采用水溶法開采，自2002年以來，礦區多次出現地面沉降，現沉降總面積超過1 km2。為探明地下采空區分布情況，采用CSAMT對礦區進行勘探，確定溶腔頂板埋深，為地面沉降機理分析和危險防治措施的制定提供依據。

1 礦區地質概況

龍歸硝鹽礦位于廣州市白云區太和鎮永太莊、高橋莊一帶。礦區主要開采鹽層埋深為480～640 m，井深大多在600 m以內。礦區基巖為第三系，主要為泥巖、粉砂巖及兩者互層。基巖上普遍由第四系沖積層覆蓋。礦區主要有四層含水層：第一含水層為第四系承壓孔隙水；第二含水層(帶)為承壓孔隙裂隙水；第三含水層為承壓裂隙鹵水帶，靠近鹽層或為鹽層的直接頂板；第四含水層為盆地基底下二疊統棲霞灰巖巖溶裂隙水，埋深多在585 m以下。

2 地球物理條件

通過礦區已有鉆孔的電阻率測井曲線得知，采空區鹽漬水為低阻，電阻率為1～5 Ω·m，而圍巖電阻率為15～40 Ω·m，采空區鹽漬水與圍巖的電性差異為可控源音頻大地電磁法在工作區的開展提供了地球物理條件。

3 工作參數和工作方法

野外采用華測天驕X90型RTK在礦區采空區上方地面布設三條測線(測線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，含測點108個，點距20 m。

本次CSAMT測量采用美國Zonge公司生產的 GDP-32Ⅱ多功能電法儀，采用赤道偶極裝置標量測量，測量X方向的電場和Y方向的磁場(圖1)。據以往工作經驗，采用以下CSAMT工作參數：(1)電源陷頻濾波器50/5；(2)Moving average filter: open；(3)工作頻率：4～8 192 Hz；發射電流：低頻段均為20 A，中高頻>10 A，高頻段>4 A；(4)收發距：4 980 m；(5)疊加次數：16～16 384次。

圖1 CSAMT標量測量裝置示意圖

通過可控源音頻大地電磁法(CSAMT)實時系統軟件進行靜態位移校正。本次反演采用美國Zonge公司SCS2D軟件，將處理好的卡尼亞電阻率和阻抗相位數據載入軟件進行二維反演，得出反演電阻率擬斷面圖。結合本次探測任務，采用“2D moving average of data”反演。

4 資料解譯分析

測線Ⅰ 800～1150測段、標高-100～-500 m之間分布著大規模的低阻(圖2)，異常電阻率小于20 Ω·m。根據地球物理條件，低阻異常電阻率20 Ω·m介于采空區鹽漬水(1～5 Ω·m)與圍巖(15～40 Ω·m)之間，因此異常處地層可能存在鹽分滲透，這間接表明地層發生了塌陷擾動。基于上述分析，將藍色虛線圈定的范圍推斷為“巖層彈性形變+陷落”范圍，整體形態上寬下窄，將綠色虛線劃定的界面推斷為“擾動的地層頂板(即溶腔頂板)”位置，整體形態兩端高中間低。從圖2中推斷測線溶腔埋深在360 m左右。

圖2 測線Ⅰ異常解釋推斷

綜合利用以往地震反射資料，測線地震波反射時間剖面圖如圖3所示。測點編號1047～1068之間、時間90～110 ms處，反射波組零亂和不連續(紅線標志)，推斷該段可能為“淺部坍塌體”引起的波組異常，異常頂板埋深約在85 m處；在測點編號1114～1144之間、時間70～100 ms處，同樣出現反射波組零亂和不連續，推斷該段可能為“淺部坍塌體”，異常頂板埋深約在65 m處。測線的地震反射資料推斷的兩處局部陷落體范圍正好落在CSAMT推斷的地層擾動塌陷范圍內，印證了測線CSAMT異常解釋推斷的可靠性。

根據測線Ⅱ剖面的低阻異常分布位置，推測溶腔埋深在310 m左右，根據測線Ⅲ剖面的低阻異常分布位置，推測溶腔埋深330 m左右。綜合分析3條測線頂板埋深位置，推測采空區頂板埋深在330 m左右。

圖3 地震波反射時間剖面圖

5 結論

(1)本次物探工作結果顯示，本次探測效果良好。采空區上覆地層的擾動表現為“主體彈性形變加局部陷落”，擾動的結果是采空區硝鹽水沿地層裂隙向上浸或者淺部地下水往采空區滲透，于采空區上方形成了厚大的低阻異常，并于“擾動的地層底板”形成低阻異常中心。

(2)根據3條測線剖面特征推測溶腔頂板埋深為330 m，可作為龍歸硝鹽礦采空區地面沉降防治評價的依據。

(3)影響地球物理勘探結果的因素較多，準確的溶腔位置還需用鉆探驗證。