高密度电法在南京市岔路口硫铁矿采空区探测中的应用

韩晓南

(安徽省勘查技术院，安徽 合肥 230031)

0 引言

采空区作为人类活动潜在的地质灾害之一，给工程建设和人民群众的生命财产造成了严重的威胁。高密度电法已被广泛应用于采空区探测及工程地质勘查。肖敏[1]等通过对北京地区浅层采空区的探测表明富水充填的小煤窑采空区表现为低视电阻率异常。母昌平[2]等采用高密度电法对程潮铁矿西区开采顶板围岩的电导率进行了探测，掌握了覆岩冒落的空间的形态特征。蒋富鹏[3]利用高密度电法方法研究了工程岩溶中电阻率的差别。李树琼[4]等运用高密度电法探测了昆明市空港开发区、深圳工业园、呈贡新城净配水工程北水厂岩溶区岩土工程地质特征，为后期市政施工提供了重要依据。

江苏省南京市岔路口硫铁矿矿区存在为数众多、大小不一、范围不详的采空区，它们有的互通、有的重叠、纵横交错。这些采空区的存在给工程建设带来了隐患。基于此在南京市岔路口硫铁矿矿区开展了高密度电法勘查工作。

1 研究区地质概况

1.1 地层

矿区内出露地层有三叠系中统周冲村组、黄马青组，上统范家塘组和侏罗系中下统象山群及第四系。基岩多出露于朝阳山、农场山山顶及南北两侧、聚宝山山脊和南北山坡，西杨坊之南有黄马青组呈零星出露。

山坡大部分为第四系覆盖。见于朝阳山、农场山南侧山坡及聚宝山之西和聚宝山之南较平坦地段，为残坡积物和褐色含粉砂亚粘土及黄褐色含砾亚粘土或杂色砂砾层。厚度0～38米。与下伏地层呈不整合接触。

1.2 构造

1.2.1 F5 断层

该断层走向128°，倾向218°，倾角80°，走向长 170米，断层南西盘(上盘)为周冲村组灰岩，盐溶角砾岩(角砾状灰岩)和灰质白云岩上升与北东盘(下盘)黄马青组紫红色粉砂质泥岩，泥质粉砂岩呈断层接触，断距约50～120米。该断层属压扭性断裂，形成时间稍晚于推覆构造。

1.2.2 F6 断层

该断层走向45°，倾向135°，倾角70°，走向长240米。断层南东盘(上盘)的周冲村组、黄马青组地层界线与北西盘(下盘)该界线发生错位，南东盘下降，北西盘上升，断距85～210米。断层面倾角陡，该断层亦属压扭性断裂。形成时间同于F5。

1.3 岩浆岩

矿区岩浆岩主要为中性岩—酸性岩类。区内有闪长岩、闪长玢岩、石英闪长岩、石英闪长玢岩和石英二长岩等。朝阳山矿段岩体呈西浅东深，北浅南深的趋势，地表岩体主要出露在北部及西北部，聚宝山矿段岩体呈脉状产出，脉厚2～110米，根据同位素年龄资料，矿区岩体属燕山晚期产物。

1.4 矿床特征

岔路口硫铁矿属岩浆期后中—低温热液充填型矿床。矿体主要赋存于周冲村组地层中。

1.4.1 岩浆活动与成矿的关系

矿段内闪长岩体是黄铁矿的成矿母岩，它们均受到中—低温热液蚀变和普遍黄铁化。

1.4.2 构造与成矿的关系

燕山晚期中酸性岩浆沿逆断层及断层附近的裂隙浸入上升，含矿热液随之运移，渗透到断层带及其附近的围岩孔洞或裂隙中，形成黄铁矿。

1.4.3 岩性和蚀变与成矿的关系

岩性对成矿起着非常重要的控制作用，岩溶角砾岩是主要含矿岩石，它们隙度大，有利于含矿气液的运移。

2 探测原理与方法

2.1 基本原理

高密度电阻率法是以岩(矿)石的导电性差异为基础的一类电探方法，在施加电场作用下，分析地中传导电流的分布规律，从而达到探测地质体目的。高密度电法由传统电阻率法发展而来，与传统的电阻率法相比，它具有高密度(小电极距，一般1～5米)、多道(一个排列60～120根电极)、高效(一次布设完所有电极，自动改变电极距，由浅入深自采自存)等优点。施工起来效率高、成本低，解释方便快捷，获得的信息丰富，在小电极距下可以达到较高的探测精度，尤其适合目前工程地质勘察中目标体埋深不大，规模较小等情况。所有这些新特征使之在工程领域得到越来越广泛的应用。

2.2 探测方法

2.2.1 工作线的布置

高密度电法剖面4条，勘探线方向为东西向，勘探线距为50m，总长度约 2.4km(见图 1)。

2.2.2 装置

本次工作采用2米点距的温纳(WN)装置进行施工。所谓温纳装置，即等比对称四极装置，其电极排列规律是：A，M，N，B(其中A，B是供电电极，M，N是测量电极)，AM=MN=NB为一个电极间距，随着剖面数n由n(min)逐渐增大到n(max)，四个电极之间的间距也均匀拉开。该装置适用于固定断面扫描测量，其特点是测量断面为倒梯形，电极排列如图2所示。

图1 工作线布置图Fig.1 Line layout

图2 温纳电极排列示意图Fig.2 Wenner electrode arrangement diagram

采集的数据均按剖面数由小到大的顺序分层存储，每增大一个剖面系数则该层数据量减3，结果为梯形区域，显示为梯形图形和影像。当两者的通道总数为120道，最小剖面数nmin=1，最大剖面数nmax=30时，单排列温纳共采集2205个视电阻率数据；工作中每排列的文件名以测线号和装置模式为前提，便于检查、存储。

3 探测结果与讨论

3.1 分层解释

勘查区位于长江下游地区丘陵地区，该区雨水丰富、地表较平坦，表层土壤湿润电极接地电阻良好，利于高密度电阻率法的勘测。已有的工勘资料揭示本区只有第四系与三叠系地层以及侵入的岩浆岩，第四系地层电阻率较低，一般不大于10Ω·m；三叠系地层主要为周冲村组的灰岩，电阻率一般在20～100Ω·m左右；而侵入到三叠系地层中的岩浆岩电阻率一般大于100Ω·m；三种地层电阻率差异较明显。利用高密度电阻率法能基本确定第四系地层底界面。由于勘探区曾经发生过剧烈的构造运动、以及岩浆岩的侵入活动，之后又经历了长期的风化作用和硫铁矿的开采对地层的扰动，使地层岩石裂隙孔洞发育，岩石的完整性差、地层松动，浅地表由于受地下水的干扰给地质精细分层带来困难。特别是沿地层层面、断层裂隙和松散层孔隙裂隙发育的部位，严重扰乱地电分层特征，使部分地段难以通过电性进行分层。

图3 1线高密度电法视电阻率剖面图Fig.3 The 1 line of high density electrical resistivity profile

从处理得到的视电阻率剖面图上来看，第四系(Q)松散层电阻率较小，一般不大于10Ω·m，形态近似水平，特征很清楚，厚度小于20m，多数在10m以内；三叠系(T)地层电阻率也较小，一般在20～100Ω·m左右，厚度在20～150m左右；三叠系下覆地层为岩浆岩，电阻率一般大于100Ω·m。如图3。三叠系内部因裂隙发育受大量地下水等低阻干扰，部分地段层序不很明朗。

3.2 采空区解释

从已有的地质资料和钻孔资料显示勘查区的硫铁矿主要赋存于三叠系的灰岩裂隙中，由于硫铁矿是由于岩浆岩侵入到灰岩中发生接触交代作用形成，故采空区应该位于岩浆岩和沉积岩地层界线附近，且由于采矿活动造成采空区上覆岩石松动塌落，地下水容易沿着裂缝渗透下来，故在采空区及其上方附近形成相对低阻，从已有的钻孔资料揭示960/2、825/3、875/3、855/4下面有采空区，这些采空区上覆地层的是电阻率相对较低，且比附近电阻率低。通过与钻孔资料对比后，再分析高密度电阻率剖面， 推测 640/1、710/1、730/1、970/2、840/3、900/4点附近可能为采空区，值得注意的是3线825/3(ZK15～ZK16)、875/5下打到采空区，而他们之前的电阻率曲线下凹，电阻率较低，有可能有采空区。

3.3 采矿范围解释

矿石的开采破坏了原岩的完整性，采空区上覆地层在矿石开采后易发生塌落，从而使上覆地层发生松动，雨水容易沿着裂缝进入岩层，从而岩石的电性特征发生改变，形成相对低阻体，因此剖面范围内的相对低阻区域对圈定采矿范围有一定的指导意义，假定电阻率小于40Ω·m的地区为推断采矿异常区，电阻率小于40Ω·m的地区在地质解释图中分别以蓝色虚线圈标示，由各剖面电阻率分布图可以得出：剖面1上，推断采矿异常区主要分布于点600～点830这一区段，剖面2上，推断采矿异常区主要分布于点880～点1100这一区段，剖面3上，推断采矿异常区主要分布于点740～点1020这一区段，剖面4上，推断采矿异常区主要分布于点710～点990这一区段，整个工区电阻率低值区标高呈现由北向南逐渐加深的趋势。同时可以大致圈出矿区推断采矿异常区(电阻率小于40Ω·m)的范围，共有8个拐点，其拐点坐标如下：

表1 推断采矿异常区分布范围Tab.1 Inference mining anomaly area

4 结论

本次通过对实测二维高密度电阻率勘探法资料的细致分析研究和综合解释推断，取得如下主要认识：

(1)根据不同层位的电阻率特征结合已有的钻孔资料，对勘查区地层进行了初步划分，基本探明了勘探区的地层情况。

(2)结合钻孔资料分析了勘查区域内已知和潜在的采空区，采空区上覆地层有发生垮落松动现象，电阻率呈现相对低阻，对今后工程勘察具有一定的指导意义。

(3)矿石的开采改变了上覆地层电性特征，形成一个电阻率异常区域，通过对异常区域的划分，给出了采矿对地层的影响范围。

[1]肖敏,陈昌彦,白朝旭,等.北京地区浅层采空区高密度电法探测应用分析[J].工程地球物理学报,2014,11(1):29-35.

[2]母昌平,徐铁军,雷远坤,等.高密度电法在采空区覆岩冒落探测中的应用[J].现代矿业,2013,9(9):54-56.

[3]蒋富鹏,肖宏跃,刘垒,等.高密度电法在工程岩溶勘探中的应用[J].工程地球物理学报,2013,5(3):389-393.

[4]李树琼,蒋丛林,马志斌.高密度电法在岩溶地区勘查中的应用[J].矿物学报,2013,12(4):540-544.