高密度电阻率法在海底金矿含水构造探测中的应用

马凤山， 底青云， 李克蓬， 付长民， 王善飞， 李威

1 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029 2 山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿， 山东莱州 261442



高密度电阻率法在海底金矿含水构造探测中的应用

马凤山1， 底青云1， 李克蓬1， 付长民1， 王善飞2， 李威2

1 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029 2 山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿， 山东莱州 261442

海底金矿上覆岩层中含水直接对矿床的开采构成威胁，选择山东三山岛金矿新立矿区海底-135 m水平沿脉巷道，采用地球物理高密度电阻率法对该巷道635 m测线以下200 m深度范围内岩体中的含水构造进行了坑道探测，利用三种装置(温纳装置(Wenner)、偶极装置(Dipole-Dipole)、Schlumberger装置)进行实施，相互验证，取得了很好的探测结果.温纳、偶极和Schlumberger三种装置的视电阻率反演结果反映在测线(-135 m沿脉巷道)以下至30 m深度为一高阻层，表明自-135～-165 m的岩体中已不含水或含少量的水；测线以下30～60 m段为低阻层，反映-165～-200 m的岩体中含基岩裂隙水；测线以下大于60 m的地段为特高阻层，反映-200 m以下岩体含水性逐渐变差.该探测结果与矿区水文地质结构调查分析结论具有很好的一致性，表明了坑道高密度电阻率法探测含水构造是可行的.

海底采矿； 含水构造； 高密度电阻率法； 坑道探测

1 引言

高密度电阻率法也叫电阻率层析成像(Resistivity Tomography)或简称电成像(Electrical Imaging)，它是20世纪80年代从美国和日本发展的一种新型的电阻率方法.此方法兼具电剖面与电测深的特点，在水文地质和工程地质方面已被广泛应用.如工程地基和工程质量检测，矿山采矿水文地质探查和突水通道检测，大河、水库堤坝漏水隐患检测等(张赛珍等，1994; 底青云等，1997,2001，2002，2003，2005；何继善，1997；黄晓容，2014；冷元宝等，2003；马文涛和文江泉，2015；宋文鹏等，2015； 吴小洁等，2015；肖乐乐等，2015； 杨阳等，2015).

高密度电阻率法是一种阵列勘探方法，野外测量时只需将全部电极(几十至上百根)置于测点上，利用程控电极转换开关和微机工程电测仪实现数据的快速和自动采集，并可在现场进行数据实时处理，对采集资料的质量进行实时监控，改变了电法勘探传统的工作模式，减轻了劳动强度，提高了资料采集的质量.同时采集的大量数据为高精度资料处理解释以及电阻率层析成像研究提供了基础，此对电法资料的处理解释起到了很大的推动，并为高精度、小目标体的浅层勘探提供了可靠的保证.

本项研究选择山东三山岛金矿新立矿区海面下-135 m中段沿脉巷道，应用高密度电阻率法，通过在巷道中布设电极测量地下介质的电性参数，计算出地下介质的真实电阻率，进而对该巷道以下200 m深度内岩体中的含水构造进行推断，其探测结果为海底采矿的水文地质工作提供了重要的物探资料.

图1 新立金矿床分布图1 第四系； 2 玲珑超单元崔召单元； 3 马连庄超单元栾家寨单元; 4 实测及推测断层(F1)； 5 金矿体.Fig.1 Distribution of the Xinli gold deposit1 Quaternary; 2 Cuizhao unit of Linglong super-unit; 3 Luanjiazhai unit of Malianzhuang super-unit; 4 Measured and supposed faults; 5 Gold deposits.

2 现场探测与数据采集

2.1 测区概况

探测区位于山东莱州湾畔三山岛金矿新立矿区.该矿区，主采矿体—新立金矿床(图1)，赋存于三山岛—仓上控矿断裂带(F1)蚀变带主裂面下0～35 m范围内，全部位于海下.矿床总体走向62°，倾向南东，平均倾角46°，平均厚度25 m，为接触热液蚀变成矿.

新立矿区于2005年底建成投产，探测期间矿区只开采-165 m水平以下矿体，已开拓了7个采矿中段(-165 m、-200 m、-240 m、-280 m、-320 m、-360 m、-400 m).并在-105 m、-135 m水平保留了探矿巷道.2.2 探测方案

为了查明已开采矿床围岩中地下水的空间分布，根据矿区的探测条件，测线选择在位于海平面正下方的-135 m巷道内.该巷道宽度2 m左右，高度2.5 m左右，位于矿脉下盘，并沿矿脉走向展布.巷道岩体为二长花岗岩，巷道内空气潮湿，在巷道壁上有渗漏的海水滑落，地面布满泥水，给施工带来了一些困难，但这也正为电极的接地提供了良好的条件.

依据实际勘察情况与工区地球物理探测条件，提出了相应的工程地球物理勘探工作方法，并制定了勘测方案.此次测量布设测线1条，位于巷道的中心位置处，距离巷道左右墙壁各为1 m左右，点距为5 m，总测线长度635 m，采用高密度电阻率法进行实施，并应用128道进行数据采集.

2.3 工作原理

在众多高密度电法的观测装置中，存在三种观测形式：二个电极观测(二极装置)、三个电极观测(三极法)和四个电极观测(四极法).在实际工作中，两极装置要跑两个无穷远极，实际中采用不多；三极法中有正向三极和反向三极，实际工作中经常采用.在四个电极的观测方式中，使用较多的是对称四极装置和偶极-偶极装置.

四极观测方式，一般是通过两个供电电极(A和B)向地下供入电流(I)，在两个测量电极(M和N)间测量它们的电位差(ΔUMN)，则视电阻率(ρs)由以下公式计算而得：

式中,K是与四个电极排列方式有关的装置系数.

此次探测为了获得更加丰富的地下参数以得到更好的地质解释，采用了四极观测方式的三种装置进行了探测，分别是温纳装置(Wenner)、偶极-偶极装置(Dipole-Dipole)和Schlumberger装置.各种装置的工作与数据采集示意图如图2—4所示.

2.4 参数设置

本次现场探测仪器采用骄鹏集团生产的E60BN型电法勘探系统.该系统由主机、开关电缆、电极棒及相关软件组成.开关电缆由七芯电缆构成，可连接任意多道，十分轻便.由主机电源可自动生成恒压电源和恒流电源，供电非常方便.接地电极棒采用长40 cm、直径6 mm的不锈钢电极棒.

由于测试场地的接地电阻较小，所以各个采集装置类型均应用了恒压工作方式，供电电压为100 V.考虑到工作时间与效率，并为满足探测需要，探测层数分别设置为温纳42层、偶极60层、Schlumberger 30层.整个工作状况由计算机屏幕自动监视并将测量结果即时显示成图，见图5.

3 解译推断

3.1 解译原理

岩石(土)具有非常复杂的结构与组份，在勘探中，为了方便，可以近似地把岩石模型看成是由两相介质构成的，即矿物骨架(固相)和水(液相).因此不同组份的岩石(土)会有不同的电阻率，即使组份相同的岩石，也会由于结构和含水情况的不同而使电阻率在很大的范围内变化.

图2 温纳装置的工作与数据采集示意图Fig.2 Wenner working and data collecting scheme

图3 偶极装置的工作与数据采集示意图Fig.3 Dipole-Dipole working and data collecting scheme

图4 Schlumberger装置的工作与数据采集示意图Fig.4 Schlumberger working and data collecting scheme

图5 现场数据采集及主机画面Fig.5 Field data collection and image of host computer

地质解释的第一步即电阻率剖面中岩性与电阻率之间关系分析.依据电阻率值的等级，划分不同电性层，分析不同电性层和不同部位电性变化与地质层位、构造破碎、地下水活动的关系，最后用电性剖面图展示最终的工作成果.

3.2 解译流程

室内资料处理与解释，首先将原始数据导入计算机，经过格式转换后对原始数据进行平滑、剔除飞点等处理，再由计算机进行反演计算之后进行解释成图.本次在进行原始数据处理的时候，均对每层的数据进行了多次野值的剔除，每次剔除之后均进行一次数据反演并进行对比分析，以保证反演结果的可靠性.

资料处理大致流程为：原始资料→格式转换→编辑处理→反演→数据成像.

3.3 反演结果

本次工作是在坑道中沿坑道中线进行了三种装置视电阻率参数的测量.每种装置的图件有两个，上方的是装置的原始数据拟断面图(Measured Apparent Resistivity Pseudosection)，下方的是反演后的断面图(Inversed Resistivity Section)，如图6—8所示.

坑道电法与地面电法是不同的，地面电法是半空间问题，而坑道电法既不是半空间，也不是全空间，如果坑道较浅，仍会受到空气层的影响，如果坑道较深还要受到坑道本身空间的影响.此外，由于探测区有很多采矿中段，如-135 m探测巷道下方的-165 m、-200 m、-240 m等中段的生产会对电法测量带来强大干扰，矿区坑口的卷扬机的频繁提升下降也会给电法工作带来较大干扰.

尽管电法工作在坑道中有如此多的干扰和复杂性，但本次工作采取了很多措施，如拆除了-135 m探测巷道中的铁轨，使得电极处理的接地较好；仪器供电采集数据时，做到让坑口的卷扬机暂时停止工作，减少了卷扬机的频繁提升下降对电法测量带来的干扰；在现场数据采集工作中严格要求，采取了多种装置和重复检查观测等.由于实施探测的坑道离地面较深，加之高密度电法所用的电极距较小，基本可以作为全空间解释.考虑在坑道进行电法探测本就是很复杂的问题，本次坑道探测结果只能做半定量分析.

图6 温纳装置反演结果Fig.6 Inversion results of the Wenner (The above one is measured apparent resistivity pseudosection and the below one is inversed resistivity section)

图7 偶极装置反演结果Fig.7 Inversion results of the Dipole-Dipole (The above one is measured apparent resistivity pseudosection and the below one is inversed resistivity section)

图8 Schlumberger装置反演结果Fig.8 Inversion results of the Schlumberger (The above one is measured apparent resistivity pseudosection and the below one is inversed resistivity section)

图9 地下电阻率界面分布(0点为-135 m中段石门巷道，0点左侧西南巷道，0点右侧为东北巷道)Fig.9 Distribution of underground boundaries of resistivity(The zero is -135 m level crossdrift, left side of the zero point is the southwest section and right side of the zero point is the northeast section of the strike drift)

总体上，从解译图中可以看出，地下电阻率界面大致可以分为三层(图9)：30 m以上为一高阻层，电阻率为600 Ωm左右，30～60 m的中间层为低阻，电阻率小于100 Ωm，最下面为高阻层，电阻率为4000 Ωm以上.

下面对每张图沿剖面线的解译结果进行分析：

(1) 从图6可看出，在测线的160 m、250～270 m处有低阻反应.

(2) 从图7可看出，在测线的160 m、240 m、320 m、400 m、480 m、530 m处有低阻反应.其中240 m、320 m、400 m处反应明显.

(3) 从图8可看出，在测线的183～283 m处有明显的低阻反应，尤其是在183～243 m处形成明显的低阻异常.

(4) 关于反演的深度问题，实际上电法勘探在深度指标上的反演只能是一个半定量指标.此次反演显示的深度为理论深度的0.5～0.75之间，即在理论深度上探测已经达到了此次要求的200 m.

4 综合分析与结果验证

(1) 综合温纳装置、偶极装置和Schlumberger装置视电阻率反演结果，在剖面纵向上可以看出：测线(-135 m沿脉巷道)以下30 m为一高阻层，说明该段岩体中的地下水大部分已向-165 m中段排泄掉，表现为自-135～-165 m地段的岩体中已不含水或含少量的水.现场调查结果表明：-165 m中段量测到的渗水点较少. 测线以下30～60 m段的低阻层，反映该段岩体中含基岩裂隙水体.测线以下大于60 m的地段为特高阻层，反映-200 m中段以下岩体含水性逐渐变差.现场调查显示了-200 m中段渗水区域出水点较-165 m中段多，且局部出水量较大，渗水强度较高，取水样处流量都是上覆-165 m中段斜投影对应渗水区的10倍到30倍，表明-165 m至-200 m岩体内富含水；-240 m中段对应巷道也都是渗水发育程度较低，出水点零星分布的区域；-240 m中段与-320 m中段之间岩体整体的渗水程度均不高，渗水点少.

(2) 综合这三种装置反演结果，沿剖面进行横向分析可以看出：测线的160 m、183～243 m、250～270 m、320 m、400 m、480 m、530 m处形成明显的低阻异常.现场调查表明，这低阻异常点分别对应-135 m中段西南沿脉巷道的155 m、132～75 m、65～45 m、石门巷道0 m、东北沿脉巷道的75 m、155 m、205 m处的渗水裂隙通道.

5 结论

(1) 利用温纳装置、偶极装置、Schlumberger装置进行海底矿区含水构造坑道高密度电法探测与反演有不同的效果.其中，温纳装置和偶极装置对直立含水构造效果明显，Schlumberger装置对水平层状含水构造敏感.另外，温纳装置、偶极装置装置成图时的断面图成三角形，不利于解释，而Schlumberger装置成图为规矩的四边齐整的方形，解释效果较好.

(2) 综合温纳、偶极、Schlumberger这三种装置视电阻率的反演结果，都反映了在-135 m水平以下30 m至60 m深度上有一层低阻，判断为探测深度范围内较大的含水构造.该探测结果与矿区水文地质结构调查分析结论具有很好地一致性，表明了坑道高密度电法探测含水构造是可行的.

Di Q Y, Wang M Y, Yan S M, et al. 1997. The application of the high density resistivity method for the seawave-proof dam in Zhuhai-Harbour.ProgressinGeophysics(in Chinese), 12(2): 79-88.

Di Q Y, Shi K F, Wang M Y, et al. 2001. Water resources exploration with CSAMT and high density electric resistivity method.ProgressinGeophysics(in Chinese), 16(3): 53-57.

Di Q Y, Wang M Y, Xu K, et al. 2002. The application to dam exploration with electical resistivity tomography.JournalofEngineeringGeology(in Chinese), 10(1): 74-77.

Di Q Y, Wang M Y. 2003. Prospecting possibility with electric method for thin water-bearing rock layer upper the coal layers.ProgressinGeophysics(in Chinese), 18(4): 707-710.

Di Q Y, Wu F Q, Wang G J, et al. 2005. Geophysical exploration over long deep tunnel for west route of south-to-north water transfer project.ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering(in Chinese), 24(20): 3631-3638.

He J S. 1997. Development and prospect of electrical prospecting method.ActaGeophysicaSinica(in Chinese), 40(S1): 308-316. Huang X R. 2014. Application of mine high-density resistivity method in detection of water-filled karst fissures.MiningSafety&EnvironmentalProtection(in Chinese), 41(5): 56-58, 68. Leng Y B, Huang J T, Zhang Z X, et al. 2003. Research progress in scatheless detection of hidden troubles in embankments.ProgressinGeophysics(in Chinese), 18(3): 370-379.

Ma W T, Wen J Q. 2015. Application of high density resistivity in testing karst grouting in Yun-gui railway subgrade.RailwayStandardDesign(in Chinese), 59(4): 35-37.

Song W P, Du W X. 2015. Application of high-density resistivity method in groundwater exploration of BaiYun western mine.MiningEngineering(in Chinese), 13(3): 12-14.

Wu X J, Zhang Q, Chen C L, et al. 2015. The application of comprehensive electrical prospecting to exploration of thermal mineral water in Wuzhishan area.ChineseJournalofEngineeringGeophysics(in Chinese), 12(3): 348-353.

Xiao L L, Wei J C, Niu C, et al. 2015. Comprehensive application of electrical surveying watery property of tectonic in driving roadway.CoalMiningTechnology(in Chinese), 20(3): 21-24. Yang Y, Xu H F, Li Z, et al. 2015. Huolinhe reservoir seepage detection and anti-seepage effectiveness analysis.JournalofChinaThreeGorgesUniversity(NaturalSciences) (in Chinese), 37(3): 11-14.

Zhang S Z, Wang Q Y, Luo Y Z. 1994. An overview on the development of the electrical prospecting method in China.ActaGeophysicaSinica(in Chinese), 37(S1): 408-424.

附中文参考文献

底青云, 王妙月, 严寿民等. 1997. 高密度电阻率法在珠海某防波堤工程中的应用. 地球物理学进展, 12(2): 79-88.

底青云, 石昆法, 王妙月. 2001. CSAMT法和高密度电法探测地下水资源. 地球物理学进展, 16(3): 53-57.

底青云, 王妙月, 许琨等. 2002. 电阻率成像在堤坝勘察中的应用. 工程地质学报, 10(1): 74-77.

底青云, 王妙月. 2003. 煤层上覆地层含水不均匀性电法探测的可能性. 地球物理学进展, 18(4): 707-710.

底青云, 伍法权, 王光杰等. 2005. 地球物理综合勘探技术在南水北调西线工程深埋长隧洞勘察中的应用. 岩石力学与工程学报, 24(20): 3631-3638.

何继善. 1997. 电法勘探的发展和展望. 地球物理学报, 40(S1): 308-316.

黄晓容. 2014. 矿井高密度电法在充水岩溶裂隙探测中的应用. 矿业安全与环保, 41(5): 56-58, 68.

冷元宝, 黄建通, 张震夏等. 2003. 堤坝隐患探测技术研究进展. 地球物理学进展, 18(3): 370-379.

马文涛, 文江泉. 2015. 高密度电法在云桂铁路路基岩溶注浆检测的应用. 铁道标准设计, 59(4): 35-37.

宋文鹏, 杜文秀. 2015. 高密度电法在白云西矿地下水勘探中的应用. 矿业工程, 13(3): 12-14.

吴小洁, 张前, 陈长亮等. 2015. 综合电法勘探在五指山地区找热矿水中的应用. 工程地球物理学报, 12(3): 348-353.

肖乐乐, 魏久传, 牛超等. 2015. 掘进巷道构造富水性电法探测综合应用研究. 煤矿开采, 20(3): 21-24.

杨阳, 徐海峰, 李卓等. 2015. 霍林河水库渗漏检测与防渗效果分析. 三峡大学学报: 自然科学版, 37(3): 11-14.

张赛珍, 王庆乙, 罗延钟. 1994. 中国电法勘探发展概况. 地球物理学报, 37(S1): 408-424.

(本文编辑 汪海英)

Application of high-density resistivity method in detecting water-bearing structures at a seabed gold mine

MA Feng-Shan1, DI Qing-Yun1, LI Ke-Peng1, FU Chang-Min1, WANG Shan-Fei2, LI Wei2

1KeyLaboratoryofShaleGasandGeoengineering,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China2SanshandaoGoldMine,ShandongGoldMining(Laizhou)CompanyLimited,ShandongLaizhou261442,China

The water in the overlying rock of seabed gold mine directly threats the exploitation safety. The strike drift at -135 m level of the Xinli mine district of Sanshandao gold mine in Shandong province, was selected to be the applicable site for high-density resistivity method, using which to detect water-bearing structures in surrounding rock 200 meters below a measuring line of 635 m long. Three DC devices including Wenner, Dipole-Dipole and Schlumberger were implemented in the selected drift respectively, authenticated each other and collected good detections. The apparent resistivity inversion results of these devices give the consistent conclusion that three different resistive layers exist under the strike drift. The rock mass of 30 m thick under the level of -135 m is a high resistivity layer, which indicates no or little water in the rock mass between the levels of -135 m and -165 m. The rock mass ranging from 30 m to 60 m in depth under the level of -135 m has low resistivity and bears fracture water. And a very high resistivity layer deeper than 60 m under -135 m indicates the aquosity of the rock mass under -200 m progressively decreases. These detection results show well agreement with the conclusions of field hydrogeology surveys and hydrological structure analyses and that high-density resistivity method is feasible for uncovering water-bearing structures in drift. Keywords Seabed mining; Water-bearing structure; High-density resistivity method; Gallery detection

10.6038/cjg20161205.

国家重点研发计划课题(2016YFC0402802)，国家自然科学基金面上项目(41172271, 41372323)联合资助．

马凤山，男，1964年生，研究员，主要从事地质工程与地质灾害研究．E-mail: fsma@mail.iggcas.ac.cn

10.6038/cjg20161205

P631

2016-05-29，2016-10-27收修定稿

马凤山， 底青云， 李克蓬等. 2016. 高密度电阻率法在海底金矿含水构造探测中的应用. 地球物理学报，59(12):4432-4438,

Ma F S, Di Q Y, Li K P,et al. 2016. Application of high-density resistivity method in detecting water-bearing structures at a seabed gold mine.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(12):4432-4438,doi:10.6038/cjg20161205.