瞬變電磁法在某礦區巖溶勘查中的應用研究

龍秀潔，鄧宇靜

（1.廣西壯族自治區地球物理勘察院，廣西 柳州 545000；2.廣西泰寶礦業開發有限責任公司，廣西 貴港 537000）

在礦山開采過程中常常引發地面塌陷等地質災害，給人民生命財產安全和周邊居民建筑物的穩定性造成威脅。以桂平市錫基坑鉛鋅礦為例，由于礦區長期開采引發區域地下水位下降、導致巖溶地面塌陷等地質災害問題，因此查明該礦區巖溶發育分布規律、規模，成為急需解決的問題。然而礦區存在復雜干擾背景場給物探勘查帶來困難[1]。面對工程項目急且干擾源復雜的雙重困難下，前期在已知溶洞、巷道上方開展多種物探方法有效性試驗，如可控源音頻大地電磁法、高密電阻率法、微動、瞬變電磁法等，只有FCTEM60-1拖拽式高分辨率瞬變電磁法探測系統可以壓制礦區干擾，并準確有效的探測溶洞、巷道位置及埋深，所以利用瞬變電磁法能有效探測巖溶發育情況。

1 工程概況

桂平市錫基坑鉛鋅礦位于廣西桂平市厚祿鄉，礦山距離貴港市東北方向32km，桂平市西南方向26km處，距厚祿鄉約2.5km，行政區域隸屬桂平市厚祿鄉管轄，地理坐標：東經109°50′33″-109°51′14″,北緯23° 15′ 58″ -23° 16′ 46″。

該礦區面積約1.77km2，開采標高：+40m～-100m，以地下開采為主、露天開采為輔。+20m標高以下的礦體采用地下開采方式，+20m標高以上的局部礦體采用露天開采方式。礦區在開采過程中，揭露大量溶隙、溶洞、破碎帶等含導水構造，導致礦坑涌水災害，引發區域地下水位下降、巖溶地面塌陷等一系列問題，影響礦山安全開采及周邊生態環境安全[2]。因此，礦區巖溶裂隙帶、溶洞、含導水構造的精細化探測與有效封堵成為目前亟需開展的重要工作，通過物探手段查明巖溶發育情況及分布規律為后期災害治理提供可靠地學依據。

2 瞬變電磁法探測

（1）工作原理及設備。瞬變電磁法（TEM）是利用不接地回線或電極向地下發送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應的地下渦流產生的二次電磁場的空間和時間分布，來解決有關地質問題的時間域電磁法。本次野外工作使用重慶大學和重慶璀陸探測技術有限公司研發的FCTEM60-1拖拽式高分辨率瞬變電磁系統，具有以下特點：①觀測斷電后的純二次場，克服了復雜的一次場補償問題，受地形影響較小；②單脈沖激發就可得到多信息的整條瞬變電場衰減曲線，通過加大發射功率和多次疊加，可大幅度地提高信噪比，加大勘探深度；③采用不接地回線裝置，適宜于各種地理環境下的野外工作；④由于瞬變電磁法的探測深度僅取決于大地電阻率和儀器的采樣時間，故可通過調節發送功率、儀器采樣時間，方便地控制探測范圍；⑤采用不同的裝置形式，可以相應地提高橫向、縱向分辨能力；⑥對發送回線的形狀、方位和點位要求不嚴，測地工作簡單，可通過流水作業達到極高的工作效率；⑦在高阻圍巖地區不會產生地形起伏的假異常，在低阻圍巖區，由于是多道觀測，早期場的地形影響也較易分辨。

（2）測線布設。根據已知礦區地質資料、地形地貌及工作目的任務所需解決的地質問題，南北向布設6條測線，東西向布設9條測線，覆蓋整個礦區如圖4。布設15條瞬變電磁法剖面，剖面總長度為19005m，物理點數3816個，點距5m，設計勘探深度100m。

3 數據處理及資料解釋

瞬變電磁法數據處理過程：首先將野外實測的感應電位經過數據預處理，然后對預處理后的數據進行反演處理，最后得到視電阻率斷面等值線圖的過程。

資料的解釋是以不同地質體電性差異為前提，地質體的電阻率與所含礦物組成、含水量、自身的結構、構造等因素有關。當地下有斷裂構造、巖溶破碎帶、巖溶裂隙、溶洞發育時，視電阻率等值線反映為梯度變化帶，充填型溶洞表現為低阻圈閉異常形態，未充填溶洞表現為高阻圈閉異常形態，斷裂構造、破碎帶視電阻率表現為同步低阻下凹異常形態特征。根據瞬變電磁法電阻率斷面等值線圖異常形態進行定性、定量解釋，結合已知地質資料推斷斷裂構造、巖溶破碎帶、巖溶裂隙發育、劃分地下水強徑流帶分布、地下水主要通道的位置和規模。文中僅僅對1線、3線、6線成果進行分析：從1線瞬變電磁法電阻率斷面等值線圖中375m～400m、525m～550m、625m～675m、725m～750m、850m～900m、1025m～1100m、1125m～1400m呈低阻下凹異?；虻妥枞﹂]異常形態，埋深約20m～-20m，推斷該深度溶蝕裂隙較發育局部發育小規模充填型溶洞如圖1；從3線瞬變電磁法電阻率斷面等值線圖中500m～510m、725m～875m、975m～1125m、1625m～1675m呈 低 阻 下凹異?；虻妥枞﹂]異常形態，埋深約30m～-20m，推斷該深度溶蝕裂隙較發育局部發育小規模充填型溶洞如圖2；從6線瞬變電磁法電阻率斷面等值線圖中400m～475m、925m～1050m、1190m～1210m、1425m～1475m呈低阻下凹異?；虻妥枞﹂]異常形態，埋深約30m～-20m，推斷該深度溶蝕裂隙較發育局部發育小規模充填型溶洞如圖3；溶蝕裂隙發育位置電阻率值較低50Ω·m～210Ω·m，基巖相對完整位置電阻率值530Ω·m～11330Ω·m，1線與3線平行異常形態連續性較好，已知塌陷區集中1線、3線與低阻下凹異常吻合，表明低阻異常區巖溶較發育，存在較大的巖溶塌陷風險。

圖1 1線瞬變電磁法電阻率斷面等值線圖（紅色圓圈為低阻異常區）

圖2 3線瞬變電磁法電阻率斷面等值線圖（紅色圓圈為低阻異常區）

圖3 6線瞬變電磁法電阻率斷面等值線圖（紅色圓圈為低阻異常區）

根據物探成果推斷整個礦區巖溶較發育，巖溶發育主要在10m～-20m標高，視電阻率呈層狀圈閉低阻異常帶；局部有巖溶破碎帶、巖溶裂隙帶發育，視電阻率呈較大幅值低阻下凹異常，共圈定巖溶裂隙帶51處，巖溶破碎帶局部發育溶洞11處。研究發現物探異常呈局部分帶性，根據規律劃分成兩處物探異常帶分別為D1、D2：其中D1異常帶巖溶發育最強烈異常規模較大且分布密集，屬地下水強勁流帶；D2異常帶巖溶發育較D1異常帶弱，異常規模小且比較分散。結合地質資料推斷數條北東～南西向構造、一條北西～南東向斷層（F2），在構造錯斷部位溶蝕較強烈、巖溶較發育，物探異常集中且明顯。圈定礦區巖溶發育較強烈主要位于礦區西南面，礦區南、東、北、西北面巖溶稍發育如圖4。

圖4 成果推斷圖

4 結論

（1）采用FCTEM60-1拖拽式高分辨率瞬變電磁法探測系統，查明礦區內主要的地下水通道、巖溶裂隙、溶洞、巖溶破碎帶受到北東～南西向構造、北西～南東斷層控制，物探異常集中的區域正是構造錯斷部位，研究發現巖溶發育具有分帶性。結合現場工程地質及水文地質資料分析，低阻異常主要是由充填型溶洞、破碎帶、巖溶裂隙引起，已知塌陷位置與物探圈定的巖溶破碎帶吻合，證實該方法取得可靠的地學信息，為后期治理提供可靠的技術支撐。

（2）FCTEM60-1拖拽式高分辨率瞬變電磁法探測系統，所采集的數據通過專業軟件反演繪制二維電阻率斷面等值線圖，能夠較為準確探測復雜干擾背景場地地下空間巖溶發育情況，使得復雜干擾背景下物探勘查成為可能。