微動(dòng)探測(cè)法和高密度電法在廣東某礦山地下空洞探測(cè)中的應(yīng)用研究

彭海洋，李建平，趙俐紅，邵 奎

PENG Hai-yang1,2, LI Jian-ping 1,3, ZHAO Li-hong1, SHAO Kui 4

1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.青島地質(zhì)工程勘察院（青島地質(zhì)勘查開(kāi)發(fā)局），山東 青島 266000；3.山東省物化探勘查院，山東 濟(jì)南 221116；4.廣東省地球物理探礦大隊(duì)，廣東 廣州 510800

1.Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2.Qingdao Geo-Engineering Survering Institute(Qingdao Geological Exploration Development Bureau), Qingdao 266000, China; 3.Shandong Institute of Geophysical & Geochemical Exploration, Jinan 221116, China; 4.Geophysical Prospecting Brigade of Guangdong Province, Guangzhou 510800, China

1 引言

隨著礦產(chǎn)資源的不斷開(kāi)采，礦區(qū)地下產(chǎn)生了眾多的空洞，空洞的存在使上部地層失去支撐和發(fā)生變形，引起地面沉降和塌陷，如放任不管，會(huì)對(duì)周邊人們的交通出行、工程建設(shè)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，必須加以治理，而治理的前提首先要確定地下空洞的范圍和埋深[1,2]。

本文以廣東某礦山地下空洞探測(cè)為例，介紹了微動(dòng)法和高密度電法在該區(qū)域的應(yīng)用情況，通過(guò)對(duì)微動(dòng)法和高密度電法的資料對(duì)比解釋，準(zhǔn)確探測(cè)出了研究區(qū)基巖面的深度，進(jìn)而利用溶蝕和巖溶空洞的低阻特征，進(jìn)一步確定了基巖面附近的溶蝕和基巖中的空洞。

2 方法技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 微動(dòng)探測(cè)法

微動(dòng)是地表的一種微弱震動(dòng)，它來(lái)源于自然界和人類的各種活動(dòng)，微動(dòng)沒(méi)有特定的震源, 振動(dòng)波來(lái)自觀測(cè)點(diǎn)的四面八方, 攜帶有豐富的地球內(nèi)部信息，而微動(dòng)探測(cè)就是以微動(dòng)信號(hào)作為場(chǎng)源的一種勘探方法，該方法受場(chǎng)地限制較小，無(wú)需人工震源，對(duì)環(huán)境無(wú)破壞，已廣泛的應(yīng)用于各種工程勘查中[3,4]。

微動(dòng)數(shù)據(jù)常見(jiàn)的處理方法有空間自相關(guān)法、頻率—波數(shù)法和H/V普比法等[5,6]，本文中采用的就是H/V普比法。

2.2 高密度電法

高密度電法的基本原理與直流電法相同，都是以地殼中巖礦石的電阻率差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和研究人工電場(chǎng)的分布規(guī)律，從而解決地質(zhì)問(wèn)題的一種勘探方法[7-10]。高密度電法的優(yōu)點(diǎn)是將數(shù)十至數(shù)百個(gè)電極同時(shí)排列在測(cè)線上，通過(guò)對(duì)電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器的控制，實(shí)現(xiàn)常規(guī)電阻率法中不同裝置、不同極距的自動(dòng)組合，一次布極可測(cè)得多種裝置、多種極距情況下的多種視電阻率參數(shù)，它集電剖面和電測(cè)深于一體，與常規(guī)直流電法相比，顯著的提高了工作效率。

3 工程實(shí)例

3.1 工區(qū)概況

工區(qū)位于廣東梅州某礦業(yè)公司所屬礦區(qū)，該礦區(qū)內(nèi)曾出現(xiàn)地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，為對(duì)塌陷進(jìn)行治理，需查清區(qū)內(nèi)基巖面大致埋深30 m以內(nèi)的空洞發(fā)育情況。

工區(qū)被第四系覆蓋，下伏基巖為灰?guī)r。土層與灰?guī)r具有明顯的波阻抗與波速差異，且電阻率差異明顯，灰?guī)r為中高阻，溶洞、裂隙充填砂、粘土及水等低阻物質(zhì)，因此灰?guī)r中巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地段，導(dǎo)電率顯著降低，成為低阻地段，而低阻又位于基巖淺部，巖溶發(fā)育地段可低于100 Ω·m；對(duì)于基巖面上方的土洞，在視電阻率剖面上也呈低阻特征。結(jié)合工區(qū)的實(shí)際情況和探測(cè)目標(biāo)的物性差異，決定采用微動(dòng)法與高密度電法進(jìn)行綜合探測(cè)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集概況

微動(dòng)探測(cè)采用DTCC公司開(kāi)發(fā)的IGU-16HR 3C型無(wú)纜三分量地震儀，該設(shè)備所用的smartsolo傳感器在提供全面且高質(zhì)量的地震勘探數(shù)據(jù)的同時(shí)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且操作方便。高密度電法使用深圳賽盈地脈技術(shù)有限公司生產(chǎn)的GD-10高密度電法儀，該儀器是目前國(guó)內(nèi)較先進(jìn)的高密度電法儀，采用分布式電纜，可對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。根據(jù)任務(wù)要求和場(chǎng)地條件，在測(cè)區(qū)內(nèi)布置了5條微動(dòng)測(cè)線和4條高密度電法測(cè)線，微動(dòng)測(cè)線長(zhǎng)120 m，道間距2 m，高密度電法測(cè)線長(zhǎng)160 m，采用斯倫貝謝裝置，電極距2 m。微動(dòng)測(cè)線和高密度測(cè)線的位置基本一致，高密度測(cè)線略長(zhǎng)。

3.3 數(shù)據(jù)處理方法簡(jiǎn)介

微動(dòng)法采集的數(shù)據(jù)采用H/V譜比法進(jìn)行處理，步驟如下：

導(dǎo)出各測(cè)點(diǎn)的X、Y、Z三分量數(shù)據(jù)。

將水平分量與垂直分量的頻譜進(jìn)行比值計(jì)算，獲取單點(diǎn)H/V曲線，并拾取峰值頻率F0。

（4）根據(jù)各單點(diǎn)計(jì)算出來(lái)的H/V剖面，經(jīng)橫向擬合光滑計(jì)算，獲得二維H/V剖面。

高密度電法數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，首先剔除了地表電性不均勻性造成的畸變點(diǎn)，再利用RES2DINV軟件通過(guò)最小二乘法進(jìn)行了快速反演，反演達(dá)到預(yù)期后輸出數(shù)據(jù)并用專業(yè)軟件繪圖。

3.4 資料的推斷與解釋

本次探測(cè)利用微動(dòng)H/V譜比法進(jìn)行基巖面的劃分，結(jié)果如圖1所示，從測(cè)線L1-L5的H/V譜比峰值標(biāo)高等值線來(lái)看，測(cè)區(qū)基巖面埋深較淺，位于標(biāo)高77～80 m之間，且起伏不大，局部峰值不連續(xù)或峰值紊亂地段可能存在溶蝕等現(xiàn)象。

圖1 微動(dòng)法L1-L5線HV譜比峰值標(biāo)高等值線斷面圖Fig.1 Contour section of HV spectral ratio of line L1-L5

高密度電法數(shù)據(jù)的反演結(jié)果如圖2和圖3所示，從圖中可知，在標(biāo)高78 m附近存在明顯的電阻率分界線，推斷為基巖面，且與微動(dòng)法的探測(cè)結(jié)果一致，進(jìn)一步表明了探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，G1線25-35、60-80、105-115號(hào)點(diǎn)，G2線20-40、125-155號(hào)點(diǎn)，G3線30-40、50-70、110-120、130-160號(hào)點(diǎn)，G4線20-30、105-120、130-160號(hào)點(diǎn)均在基巖面附近出現(xiàn)了相對(duì)低阻異常，推斷為溶蝕現(xiàn)象引起。在G1線80、90、120號(hào)點(diǎn)附近標(biāo)高60～65 m之間，G2線145號(hào)點(diǎn)附近標(biāo)高60～62 m之間，G3-G4線136-150號(hào)點(diǎn)附近標(biāo)高50～65 m之間存在一些小范圍的低阻異常，推斷為小型溶洞引起；在G1線136-150號(hào)點(diǎn)、標(biāo)高60～74 m之間，存在范圍較大的低阻異常，推斷為規(guī)模較大的巖溶引起，經(jīng)148號(hào)點(diǎn)附近鉆孔ZK10-1驗(yàn)證，該推斷是正確的。

圖2 高密度電法G1-G2線二維電阻率反演等值線斷面圖Fig.2 2D resistivity inversion contour section of line G1-G2

圖3 高密度電法G3-G4線二維電阻率反演等值線斷面圖Fig.3 2D resistivity inversion contour section of line G3-G4

4 結(jié)論

本次探測(cè)的工區(qū)地表被第四系土層覆蓋，下伏基巖為灰?guī)r。土層與灰?guī)r具有明顯的波阻抗、波速和電阻率差異，因此工區(qū)具備了微動(dòng)探測(cè)法和高密度電法的物性前提。

實(shí)測(cè)結(jié)果經(jīng)鉆孔驗(yàn)證表明，該區(qū)域的基巖面大致位于標(biāo)高78 m左右，對(duì)應(yīng)于微動(dòng)斷面圖中的峰值連線和高密度電法斷面圖中的電阻率分界線，說(shuō)明兩種方法均能較準(zhǔn)確的劃分基巖面。針對(duì)基巖中的溶洞，由于灰?guī)r為中高阻，溶洞中的填充物為低阻，二者電阻率差異較大，故高密度電法較好的探測(cè)出了基巖中的空洞。

綜上所述，微動(dòng)探測(cè)法和高密度電法在該區(qū)域地下空洞探測(cè)中取得了較好的效果，為后續(xù)同類勘探提供了參考實(shí)例。