復(fù)雜城市背景下綜合物探方法在鐵礦采空區(qū)勘查中的應(yīng)用

朱釗銳，時彥芳，耿祥峰，苗德剛

山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(山東省地礦工程勘察院); 山東省地下水環(huán)境保護與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，山東 濟南 250014

0 引言

隨著經(jīng)濟和社會發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，之前的偏遠礦區(qū)一步步進入城市發(fā)展范圍內(nèi)，采空區(qū)的存在給城市建設(shè)和人民的生命財產(chǎn)安全造成了巨大隱患，因此對城市及周邊采空區(qū)開展勘查工作具有極其重要的現(xiàn)實意義[1-4]。

濟南東部城市交通一期工程線路起點為邢村，終點為山東大學(xué)(章丘)，途經(jīng)歷城區(qū)、高新區(qū)、章丘區(qū)，整條線路長度約22.6 km。沿線煤、鐵、粘土礦等地下固體礦產(chǎn)儲量豐富，分布廣泛，開發(fā)歷史悠久。礦山開采改變了原始地質(zhì)環(huán)境，存在較多地質(zhì)災(zāi)害問題，對擬建工程影響不可忽視[5-7]。因此，查明濟南東部城市交通沿線采空區(qū)分布范圍、埋藏特征意義重大。本線路經(jīng)過小龍?zhí)描F礦位于經(jīng)十東路，道路車流量大，兩側(cè)多分布有廠房、高壓線，施工環(huán)境復(fù)雜。

本文依托濟南東部城市交通地質(zhì)調(diào)查項目，討論了航空磁測、高密度電法、瞬變電磁三種方法在探測小龍?zhí)描F礦采空區(qū)時，應(yīng)用效果是可行的[8-10]。航空磁測圈定磁異常范圍，瞬變電磁采用中心回線裝置與高密度電法相互結(jié)合圈定電異常范圍，磁異常與電異常綜合對比分析，推測了鐵礦采空區(qū)范圍及分布特征，取得了較明顯的地質(zhì)效果，為后期對采空區(qū)域的綜合治理提供了技術(shù)支持[11-13]。

1 地質(zhì)背景及地球物理特征

1.1 礦區(qū)地層

礦區(qū)出露地層較單一，奧陶系灰?guī)r為基巖主體，第四系松散層遍布區(qū)域。

1.1.1 奧陶系

巖層受礦區(qū)構(gòu)造和火成巖影響，產(chǎn)狀不穩(wěn)定，總體北西—南東方向延展，閃長巖體附近產(chǎn)狀凌亂，局部近乎陡立或接近水平。

在礦區(qū)來看，構(gòu)成巖系上部為層次較薄質(zhì)純、黑灰色豹皮狀灰?guī)r，中部為中厚層褐黃色灰?guī)r，下部為厚層黑灰色結(jié)晶灰?guī)r和大理巖。

圖1 工作區(qū)地質(zhì)背景圖

1.1.2 第四系

第四系松散層由坡殘積和沖積物組成，以沖積物為主體，其厚度不一。坡殘積層主要分布于石灰?guī)r區(qū)的山坡和山麓地帶，風(fēng)化層變化較大；沖積層主要分布在平原地帶，由黃土、砂土、礫石組成。

1.2 巖漿巖

閃長巖是礦區(qū)主要的成礦巖體，總的來看，北部顏色較淺，黑色礦物含量較少，花崗結(jié)構(gòu)。南部以細(xì)粒和中粗粒結(jié)構(gòu)為主，邊緣部分為角閃石閃長巖，中心部分為黑云母閃長巖。

1.3 地球物理特征

1.3.1 電性特征

搜集測區(qū)物性資料可知，灰?guī)r、大理巖屬高阻地質(zhì)體，電阻率值在1 000 Ω·m以上。泥頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r、閃長巖屬中阻巖石，電阻率在幾十到幾百Ω·m之間。第四系電阻率一般15～50 Ω·m[14-17]。巖石破碎、巖溶發(fā)育區(qū)的電阻率顯著低于完整巖石，表現(xiàn)出低電阻率特征。綜合分析，第四系與基巖、各類巖石間電阻率差異明顯。

1.3.2 磁性特征

小龍?zhí)霉^(qū)位于奧陶系與火成巖侵入體接觸帶附近，巖體變化較大，磁性差異明顯。沉積巖表現(xiàn)為無磁-微弱磁性，呈平靜低負(fù)磁場。火成巖侵入體以閃長巖為主，磁性較強，磁化率為600～3 500(單位為10-3A/m，下同)，剩余磁化強度較高。磁鐵礦為強磁體，磁化率可達10 000～30 000[18-20]，多表現(xiàn)為局部磁異常或使磁性強度升高。

1.3.3 鐵礦采空區(qū)特征

鐵礦開采前，礦體磁性較強，與圍巖差異較大，在高精度磁測△T等值線平面圖上表現(xiàn)為磁場強度較高、規(guī)律性較強特征。鐵礦采空區(qū)由于礦體的缺失，表現(xiàn)為磁場強度幅值降低或磁異常消失。采空區(qū)位于水位之下或被泥質(zhì)物充填,與周圍完整巖石相比視電阻率值明顯變低,呈低阻變化特征；若沒有被充填則表現(xiàn)出相對高阻特征。

2 鐵礦分布及開發(fā)利用情況

根據(jù)調(diào)查及相關(guān)資料記載，小龍?zhí)描F礦于1992年開始開采，1994年采掘完畢，鐵礦體長80 m、寬約15 m、厚約15 m、延深約20 m，埋深58～82 m，傾向NE，傾角約30°～45°。采用豎井和水平巷道開拓進入礦體，共分三個開采水平，分別為埋深58 m、70 m、82 m。開采完成后形成的空洞，采礦人從河道挖掘砂礫石混紅黏土進行回填，回填至最上一層水平巷道后停止，回填采空區(qū)用時2～3個月。該礦山屬于地下開采，已形成地下采空區(qū)。

圖2 小龍?zhí)描F礦礦體分布及開采示意圖

3 方法技術(shù)

3.1 工作布置

小龍?zhí)玫V區(qū)采用物探方法為：高密度電法、航空磁測、瞬變電磁。根據(jù)現(xiàn)場實際情況共布設(shè)測線9條，其中近東西向5條、采用方法為高密度電法、瞬變電磁，測線長度460～500 m；近南北向4條，采用方法為瞬變電磁，測線長度160～240 m；航空磁測開展面積性測量，線距20 m，測量面積0.35 km2。

圖3 小龍?zhí)玫V區(qū)測線布設(shè)及推測采空區(qū)分布圖

3.2 儀器設(shè)備及參數(shù)選擇

3.2.1 航空磁測

本次磁測工作飛行載體為大疆DJI M300 RTK多旋翼無人機，搭載銣光泵磁力儀、磁通門磁力儀及航磁補償采集系統(tǒng)進行測量。GTK航磁系統(tǒng)由微機電技術(shù)實現(xiàn)的芯片級原子光泵磁力儀、激光高度計、9軸姿態(tài)傳感器、氣壓高度計、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)組成，靜態(tài)噪聲水平0.01 nT、動態(tài)噪聲水平0.07 nT、分辨率0.000 1 nT、靈敏度優(yōu)于0.02 nT、最大梯度容差100 nT/cm。

采用仿地飛行作業(yè)模式，離地高度100 m，采樣頻率10 Hz，飛行速度根據(jù)飛行作業(yè)現(xiàn)場氣象條件在8～10 m/s之間選擇。

3.2.2 高密度電法

高密度電法使用儀器為重慶奔騰數(shù)碼研究所生產(chǎn)的WGMD-9超級高密度電法系統(tǒng)，測控主機為 WDA-1超級數(shù)字直流電法儀，電壓通道±32 V、測量精度0.2%～1%、視極化率測量精度1%、Sp補償范圍±10 V、最大發(fā)射功率7 200 W、最大供電電壓1 200 V、最大供電電流6 A。

采用溫納裝置開展數(shù)據(jù)采集工作，電極距5 m。

3.2.3 瞬變電磁

本次瞬變電磁測試選用的儀器為加拿大phoenix公司生產(chǎn)的V8多功能電法儀，T4發(fā)射機輸出電流最大40 A、輸出功率平均2.8 kW、占空比最大50%、線性關(guān)斷、輸入電池電壓0～108 V。

根據(jù)探測要求，瞬變電磁工作選擇中心回線裝置，試驗內(nèi)容包括：線框大小、發(fā)射頻率、積分時間，對每一項試驗記錄進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)回放，保證得到可靠的電磁信號衰減曲線，共試驗物理點44個。

圖4 不同試驗參數(shù)電磁信號衰減曲線對比圖

依據(jù)探測深度要求，盡可能壓制隨機干擾，提高施工效率，本次工作選取采集參數(shù)：發(fā)射線框20 m×20 m，發(fā)射電流20 A，發(fā)射頻率5 Hz，積分時間不小于60 s。

4 資料解釋與分析

4.1 航空磁測資料解釋

根據(jù)磁異常特征，以磁力值為50 nT的等值線圈定出具有一定規(guī)模的兩處高值磁異常區(qū)M1、M2。

M1磁異常位于工作區(qū)西南角，走訪調(diào)查可知為廠區(qū)廠房與鐵塔引起的干擾異常。

M2磁異常位于工作區(qū)中部，呈塊狀展布，為區(qū)內(nèi)面積最大、強度最高的磁力高異常，內(nèi)部包含三個磁力高異常中心。采用位場轉(zhuǎn)換技術(shù)對ΔT化極磁場數(shù)據(jù)進行向上延拓100 m處理(見圖6)，三個磁異常中心歸聚為一個較大磁異常，而ΔT化極磁場數(shù)據(jù)上延100 m垂向1階導(dǎo)數(shù)(見圖7)零值線與M2磁異常邊界基本吻合，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料分析，M2區(qū)域具備磁性礦物富集形成鐵礦體的必要條件，且磁異常強度大，梯度變化明顯，推斷為鐵礦體或鐵礦采空區(qū)引起。

圖7 工作區(qū)ΔT化極上延100 m垂向1階導(dǎo)數(shù)推斷成果圖

4.2 物探測線解釋

沿經(jīng)十東路方向東西向布設(shè)測線5條，現(xiàn)以經(jīng)過已知5#孔XLT3線為例詳細(xì)分析：

該測線沿經(jīng)十東路近東西向布設(shè)，采用高密度電法、瞬變電磁兩種方法進行數(shù)據(jù)采集，從圖8可以看出，各斷面電性特征變化較為一致，表現(xiàn)為視電阻率值自淺至深逐漸升高，局部電性低阻變化為矽卡巖化蝕變引起。

圖8 XLT3線綜合剖面圖

已知5#孔位于測線180 m處，高程104.8 m以淺為填土、碎石，104.8～71.8 m為閃長巖，71.8～58.7 m為大理巖化灰?guī)r，58.7～56.3 m為矽卡巖，56.3～53.6 m為采空區(qū)，53.6～45.7 m為矽卡巖。已知采空區(qū)域電阻率明顯較圍巖低，電性變化特征明顯。

剖面水平位置100～270 m、高程62～52 m處視電阻率值變低，明顯低于圍巖電阻率值，等值線向下同向彎曲，呈“U”型低阻異常。該位置瞬變電磁電性異常反映與高密度電法一致，結(jié)合已知采空區(qū)電性特征綜合分析推測為鐵礦采空區(qū)。

綜合分析高密度電法和瞬變電磁探測結(jié)果，推測工作區(qū)電性異常分布見表1。

表1 高密度電法和瞬變電磁法推測小龍?zhí)貌煽諈^(qū)分布一覽表

4.3 小龍?zhí)描F礦采空區(qū)特征綜合分析

根據(jù)采集到的磁測數(shù)據(jù)和電性數(shù)據(jù)，對工區(qū)電性異常與磁測異常進行套合對比分析(圖9)。依據(jù)鐵礦采空區(qū)推斷原則，綜合分析工作區(qū)地層電性、磁性特征及異常變化，結(jié)合鉆探資料，推測了1處鐵礦采空區(qū)。該采空區(qū)主體位于經(jīng)十東路南側(cè)、巨野河西側(cè)，北西向延伸至經(jīng)十東路北，面積約15 500 m2。

5 采空區(qū)鉆探驗證

小龍?zhí)霉ぷ鲄^(qū)共布設(shè)勘察孔7個(編號1-7)，以驗證電性異常及磁性異常、控制采空區(qū)范圍為布孔原則。除2#、7#對比孔(布設(shè)于物探推測采空區(qū)外圍)外，其他5個鉆孔均布設(shè)于物探推測采空區(qū)范圍內(nèi)，其中揭露采空區(qū)勘察孔3個，采空區(qū)埋深58～66 m；揭露鐵礦(未開采)勘察孔2個，大致掌握了鐵礦體開采情況。

表2 勘察孔揭露地層一覽表

6 結(jié)論

(1)與地面高精度磁測相比，航空磁測方法具有較高的測量效率，且不受地形及場地環(huán)境制約。同時，由于飛行載體距離地表一定高度，很大程度上會減弱地表干擾環(huán)境對數(shù)據(jù)采集的影響，能夠更加清晰的反映出深部地質(zhì)體的磁場變化特征，在復(fù)雜城市背景下具有明顯的優(yōu)勢。

(2)與大線框定源回線裝置相比，小線框大電流中心回線觀測方式抗干擾能力較強，100 m內(nèi)淺信號也較強，且由于關(guān)斷延時小，可以最大程度的縮小淺部盲區(qū)，非常適合城市背景下淺部地質(zhì)體探測。

(3)鐵礦采空區(qū)與鐵礦體電性異常、磁性異常相似，單獨依靠物探方法準(zhǔn)確區(qū)分出兩者較困難，項目人員需根據(jù)鐵礦開采空前后△T異常變化特征進一步綜合分析判斷。

(4)矽卡巖型鐵礦多形成于侵入體與圍巖接觸帶，礦體多變，產(chǎn)狀不規(guī)則，這給采用物探方法精確圈定鐵礦采空區(qū)帶來了一定困難，后期需要根據(jù)鉆探結(jié)果進一步完善采空區(qū)分布特征。