高密度電法在礦區土層調查中的應用

龍思帆　陳志東

［關鍵詞］高密度電法；土層范圍；鉆孔；三維呈現

目前，淮北市內共發現礦產56種，查明儲量的礦產有16種，其中水泥用灰巖礦儲量位于全省第6位。礦山數量增速迅猛，但是由于管理不到位，導致其無序開采，從而產生了很多地質環境問題和潛在隱患[1]。為了已停水泥用灰巖礦露天采礦區的治理，提前調查該治理區地質環境情況，查明土層范圍、深度等成為進行各項環境治理修復的先決條件。目前，第四系地層的勘查以鉆探等為主，該勘查模式成本大、效率低下、成果相對粗糙。物探技術具有快速、高效、剖面連續的特點，物探勘查技術為主，輔助以鉆探驗證并提供修正參數從而獲取地層參數的勘查模式取得了較好的應用效果[2、3]。

通過國內外土層厚度調查案例分析，大部分地球物理方法存在探測精度不夠、分層效果不明顯等問題，其中高密度電阻率法與地質雷達法探測效果較好[4、5]。本次選擇高密度電阻率法進行密網詳查（地質雷達施工不便），輔以鉆孔控制，取芯驗證的方式開展作業。高密度電法反演劃分出不同電性層，土層和基巖層的電性差異明顯與鉆孔揭露情況吻合較好，確定了該方法圈定土層的可行性。最后通過縱橫交織的高密度電法測線，以3D的直觀顯示方式大致圈定了土層的范圍及深度，為該查區下一步工程設計施工提供科學依據，也可為其他類似的礦山環境治理提供參考。

1. 勘查區概況

1.1 地質概況

區內位于相山背斜東翼，西與寒武系中、上統組成的丘陵山地相連，東與閘河平原相接。根據地質及鉆孔等資料揭示，勘查區出露地層有寒武系張夏組；寒武系上統崮山組、第四系全新統（圖1）。現由老至新簡述如下：

1、寒武系中統徐莊組（?2x）：上中部灰巖，中厚層狀；底部為細砂及粉砂巖。主要分布于勘查區西部。

2、寒武系中統張夏組（?2Z）：灰巖，出露于山上厚度180.05m。主要分布于勘查區中北部。

3、寒武系上統崮山組（?3g）：灰巖，出露于山東坡上，與下伏張夏組界限清楚，厚度約為48m。主要分布于勘查區東部。

4、第四系全新統（Q4）：上部為亞粘土，中部為礫石土，礫石含量約60%，土含量約40%。全新統屬山麓坡積-洪積層。分布于礦床南北兩側谷地中和山坡邊緣。厚度0～25.81m，與基巖呈不整合接觸。主要分布于勘查區南部。

1.2 地球物理條件

根據區域物性資料，參考工程地質、水文地質條件等，地球物理方法在該工作區的應用分析如下：

1、第四系上層，主要為亞粘土、中細砂組成，質軟可塑，具含水性；表現為低電阻（8～28 Ω·m）。

2、第四系中下層，主要為含礫粉砂質黏土、礫石土，具含水性；表現為中低電阻（22～56 Ω·m）。

3、寒武系灰巖等基巖層，表現為高電阻（＞1000 Ω·m）。灰巖與第四系的不整合接觸部分表現為中高電阻（150～1000 Ω·m）。同時礦區附近無地表水體和地下泉水、無流散電流干擾，因此該工作區第四系的含土層與寒武系基巖層有明顯的電阻率差異，可通過電法分層。

2. 高密度電法工作

2.1 探測原理

高密度電法是一種視電阻率陣列式探測方法，與常規視電阻率法相比，其特點是設置了較大的測點密度，自動實現多種電極排列和多參數測量，可快速準確地測量地下二維或三維地質體在橫向和縱向的電阻率變化，進一步反演能獲取地質體三維地質特征[6、7]。在巖溶、地層、巖體缺陷探測中，溫納裝置（α）具有信號強度大，垂向分辨率高，對高阻異常特征反應明顯之特點，可適用于覆蓋層、層狀巖性界面及高阻體、構造帶探測工作[8]。本次高密度電阻率法選取的裝置類型為溫納α排列裝置。

2.2 數據采集與處理

數據采集采用重慶地質儀器廠生產的DUK-4超高密度電法測量系統。該系統以DZD-8直流電法儀為測控主機，配以電極轉換器和電纜構成整個測量系統，供電電源為最大400V直流電池箱。采用溫納（α）排列裝置：電極距：3～4m；隔離系數：1～20；供電時間：0.5s（占空比1：1）。本次測量作業采用南方三鼎T66型GPS雙頻接收機（使用千尋CORS），RTK動態測量的方法進行，勘查區采用2000坐標系，1985國家高程基準。數據處理采用嬌佳Geogiga Rimager 5.02軟件，先進行預處理以剔除虛假點或突變點等，然后進行二維帶地形反演，最后使用surfer等軟件繪制成果圖。

2.3 剖面設計

治理區范圍內為露天采坑，整體地形西北高，東南低。由于露天開挖，地塊東西有約5m陡崖臺階，且區內分布荊棘林、房屋、建筑物，因此測線按東西兩塊地分別布置成不規則“井”字形。根據查區已有地質測線等資料顯示（圖1），第四系Q4主要分布在西南側，為重點查區。查區共布設高密度電阻率法測線16條，總長度約2000m，編號為L2-L22 線，重點查區布置工作量約70%。鉆孔共布置6個，主要布置在查區南側。

3. 勘查資料解釋與推斷

3.1 可行性分析

查閱淮北某礦區資料顯示，第四系上部棕紅色亞粘土視電阻率約為10～40Ω·m，灰巖視電阻率一般為200～700Ω·m。結合對巖芯用電表簡單測量后，統計查區不同地層（巖性）的電阻率，繪制統計表1：

根據以上信息，構建一個類似查區電性特征的多層近水平層狀的地電模型（圖2）：1～2層電阻率設為20Ω·m，對應粘土；3層設電阻率為50Ω·m，對應沙質土；4層設電阻率為150Ω·m，對應碎石土；5層設電阻率為250Ω·m，對應碎石；6～7 層設電阻率為500、1000Ω·m，對應基巖。通過對模型的高密度電法正演再反演，反演結果與地電模型十分接近，能比較清晰劃分地層，理論上說明高密度電法在該區劃分土、基巖層具有可行性。

3.2 剖面分析

查區鉆孔揭露情況主要為：ZK1在深度0～4m為棕紅色亞粘土，4～16m為含礫粉砂質粘土，未揭露基巖；ZK2 最大深度21m，0～20m 為含礫粉砂質粘土，20～21m為碎石土，均為土層；ZK3鉆孔深度不到1m，0～0.3m為含礫粉砂土，0.3m處揭露基巖；ZK4鉆孔深度1m，0～0.3m為含礫粉砂土，0.3m處揭露基巖；ZK5鉆孔深度17m，在深度0～9m 為棕紅色亞粘土，9～17m為碎石土，17m以下巖石堅硬無法繼續鉆進，推測為基巖；鉆孔ZK6鉆探深度約17m，0～6.4m為粘土、碎石土，6.4～8.6m主要為碎石，8.6～17m為較完整灰巖，判斷為基巖。

我們選取查區南西側的3線、20線，南東側的5線以及北西側的12線進行比較分析。將這4條測線數據，用相同的處理步驟、反演參數、成圖色標等繪制視電阻率反演剖面圖放在一起比較（圖3）。據占文鋒、黃真萍等研究認為對于電阻率反演成像來說，準確選取合適的深度轉化因子是非常重要的，會有一個較佳的取值區間（一般0.3～0.5），具體情況要具體分析[9、10]。本項目通過與在測線附近的已知工程鉆孔的比較，反復修正深度轉換因子后統一采用深度轉換因子為0.45時反演成果與鉆孔吻合較好，接近真深度。典型剖面分析如下：

從圖3可以看出，① 3線淺層基本是低阻，底層高阻，分界明顯；其中ZK1位于3線東端，鉆孔附近0～4m反演的電阻率＜30Ω·m；ZK6位于3線西端，鉆孔附近0～2m 的電阻率30～100Ω·m、2～7m 的電阻率＜40Ω·m、7～9m的電阻率100～250Ω·m、9m以下的電阻率約600Ω·m。② 5線反演視電阻率近似起伏層狀分布，淺層低阻底層高阻，其中ZK5在5線上，鉆孔附近0～9m反演的電阻率＜100Ω·m、9～17m電阻率約100～200Ω·m。③ 20 線北端靠近山體全都是高阻，肉眼可見基巖出露，視電阻率基本在600Ω·m以上；南端近山腳基本是低阻，ZK1附近0～16m反演的視電阻率不超過100Ω·m，高低電阻分界線由北向南似滑坡狀延伸。④ 12線除了最西端少部分為第四系出露低阻外，基本為視電阻率在650Ω·m 以上的高阻，其中ZK4在0.3m揭露基巖，此外12線中段底部出現視電阻率降低，推測可能由破碎或巖溶引起。通過以上4條典型測線成果與鉆孔資料對比，再次驗證了高密度電法反演視的電阻率與鉆孔吻合較好，能夠通過兩種方法的配合高效地、較精準地劃分巖性，識別土層與基巖層。

根據地層與視電阻率的對應關系，分別在視電阻率反演斷面圖中勾勒出了粘土與礫石土的分界線J1（大致沿視電阻率100Ω·m的等值線）、勾勒出了礫石土與基巖的分界線J2（大致沿視電阻率200Ω·m的等值線）。通過類似的方法步驟，將剩余每條測線在視電阻率斷面圖上勾勒出基巖分界線J2，其J2線以淺的地層即為本次勘查劃分的第四系土層（Q4）的范圍。

3.3 土層三維呈現

對每一條測線推斷解釋后，查區整體上土層與基巖層的界面已較為明晰，加上鉆孔控制已經能圈出土層的大致范圍與深度。為了更直觀展示土層的空間展布情況，本文通過反演三維柵格圖（圖4）來呈現。

將16條測線的反演成果剖面圖按實際坐標投放在大地XYZ的三維坐標里面，那么每一個剖面圖中每一處視電阻率都跟實際地下空間相對應（實現軟件為Geogiga Rimager）。從圖4可以看出，沿6線的西端到9線的東端的大致連線以北，地表以下基本為高阻（主要包括8線、14線、21線、22線、9線、11線等），反映了該片區地面以下基本就是基巖，沒有土層；連線以南，尤其東南，大部分為低阻（主要包括2線、3線、4線、5線等），反映了該片區土層較厚。進一步了解到，查區基巖面走向大致沿北西至南東，傾向為北向南傾、西向東傾；土層底界面北淺南深，西淺東深，東北開挖片區無土層，以土層厚度為0的實測界線與手繪地質界線對比，兩者基本吻合。查區土層厚度在北西部較薄約0～4m；中部、中西部在4～20m；南部邊界、東南邊界最厚約20～25m；土層最淺埋深高程約78m，最大埋深高程約32m。以上推測埋深較大的土層為山底谷地原生土質，中間土層為沿山體基巖滑落、堆積、風化形成的山麓坡積-洪積層，淺表土層為經年累月形成的沉積物。

4. 結論

本次以高密度電法勘查為主、輔以鉆孔校驗的由模型到實際，由線及面的工作方法對安徽某采礦區土層調查，取得了較好效果，較精細地圈定并立體化地展現出了土層的范圍、深度、厚度等信息。

高密度電法的高效與鉆孔的精確，兩種方法的聯合勘查是一種高效高質的方法手段，為類似的環境治理、土地調查等提供技術支撐。

高密度電法勘查中，先建立模型正演、反演確定可行性，再結合鉆探等方法的相互驗證，進一步修正參數，使反演結果更加接近實際，是高密度電法精細化勘查的核心。