高密度电法和等值反磁通瞬变电磁法在临武县矿区采空区勘查中的应用

何 禹，黎 雨

（湖南省地质调查院，湖南 长沙 410116）

临武县大理石资源储量丰富，通过深精加工大力发展碳酸钙新材料产业，并且引进碳酸钙的下游产业，形成新的产业集群，打造临武新的支柱产业，能够给当地居民增加收入，提供大量就业机会，增加地方政府财政收入，是当地保持经济发展和社会稳定的迫切需要。为此，临武县制定了《碳酸钙产业发展五年行动计划（2017-2021年）》，大力推进碳酸钙产业发展，计划建成碳酸钙深精加工区和关联产业区，建立国家或省级高新技术企业及技术研发平台，打造产值过百亿、利税过30亿、工程建设就业1万人以上的碳酸钙产业基地。在全县范围内选取碳酸钙深精加工项目（一期），进行碳酸钙深精加工项目（一期）建设。

此项建设过程中存在一条公路为贯穿矿区与矿区铁路之间的主道（工业大道）。在工业大道建设过程中，从地表发现一处巷道入口，巷道内大部被充填。查明巷道下方采空区的分布范围及埋藏深度，将是前期公路设计、治理的重要依据。

1 地质、水文地质概况

1.1 地形地貌

临武地处南岭山脉东段北麓地带，境内山系纵横，溪河交织，形成了北西高、南东低的地势轮廓。以西山及东山为分水岭，南北分属珠江水系和湘江水系，北西部随湘江水系向北倾斜；东南部为临武白垩系红层盆地，珠江水系贯穿其中；北东部及西部分别为桃竹山、东山、西山山地，东、西山北麓河流呈树枝状汇入湘江。境内海拔1000m以上的山峰有120余座，最高点为西山主峰天头岭，海拔1712m，最低点为五塘冲，海拔206m，相对高差1506m，地势高低起伏，山体层峦叠嶂，耸立绵亘，地势变化多姿。按中国专业标准ZBD14001-89分类，境内分为构造侵蚀堆积平原、构造剥蚀丘陵、构造侵蚀中～低山三个地貌类型。

1.2 地质概况

勘查区内地层仅出露二叠系上统龙潭组（P2l）。

二叠系上统龙潭组（P2l）：广泛分布于评估区，岩性为薄～中层状石英砂岩、砂岩、泥岩夹炭质页岩及矿层。出露厚度225m～381m。评估区内揭露的岩性主要为砂岩、泥岩、炭质页岩夹矿层，岩层倾向一般115°～140°，倾角一般25° ～45°。

勘查区内无岩浆岩分布。

2 在采空区勘查中的应用

2.1 方法、技术

本次勘查，主要采用高密度电法、等值反磁通瞬变电磁法辅进行勘探。

2.1.1 高密度电法

高密度电法（electrical resistivity imaging,简称ERI）起源于20世纪70年代末期的陈列电法探测思想，英国学者Johansson博士设计的电测深系统实际上就是高密度是最初模式[1]。

图1 11线高密度电法反演断面图

高密度电法是基于垂直电流电测深与电测断面法两个基本原理的基础上，通过高密度电法测量系统中的软件，控制着在同一条多芯电缆上布置多个电极，使其自动组成多个垂向测深点或多个没深度的探测断面，根据控制系统的探测装置类型，对电极进行相应的排列组合，按照测深点位置的排列顺序或探测断面的深度顺序，逐点或逐层探测，实现供电和测量电极的自动布点、自动跑极、自动供电、自动观测、自动记录、自动计算、自动存储。通过数据传输软件将探测系统中存储的探测数据调入计算机中，经过软件对数据处理后，可自动生成各测深点曲线及各断面层或整体地电断面的图像[2]。

本次高密度电法采用的电极距为5m的温纳装置进行测量。

2.1.2 等值反磁通瞬变电磁法

目前瞬变电磁法大多采用的是单扎或多扎感应线圈测量磁场的变化率，在发射电流关断时，接收线圈本身产生感应电动势，使得一次场磁通量不为零，并叠加在地下涡流场产生的感应电动势之上，因而造成瞬变电磁实测早期信号失真，从而影响浅部勘探的精度，形成探测盲区[3，4]。等值反磁通瞬变电磁法（OCTEM）就是基于怎么消除关断前后接收线圈中的一次场磁通量中本身产生的感应电动势这一思路提出来的。

等值反磁通瞬变电磁法与传统瞬变电磁法原理相同，与传统瞬变电磁法的装置不同是，OCTEM以2个相同线圈通以反向电流时产生等值反向磁通的规律为理论依据，采用上、下2个大小相同，平行共轴的线圈，分别向其通以大小相等、方向相反的电流作为发射源，在双线圈合成的一次场零磁通的平面上接收地下二次场，测量对地中收耦合的纯二次场。从而可根据接收到的二次磁场随时间的衰减规律获得地下介质地电信息[5]。

本次数据采集参数为：电源电压12V，发送机电流8.5A，发送频率6.25Hz，关断时间0.04ms，叠加周期为400次。

2.2 采空区勘查

垂直巷道入口方向共完成了3条瞬变电磁法剖面和1条高密度电法剖面。11线高密度电法反演断面图如图1所示。

通过分析11线高密度电法反演断面图，地表由于存在水洼、煤渣等电性不均匀体的存在，局部存在高阻、或低阻。在10m～28m埋深在10m～13m之间存在一个椭圆形低阻异常。由于矿区采空区经过长时间的稳定后，里面被水所充填，在高密度电法反演断面图上显示为相对低阻，即推测此处在11线在水平位置10m～28m，埋深在10m～13m处为采空区。

为了确定位于工业大道上采空区的分布，我们进一步采用了点距为1m的瞬变电磁法对11线进行了重复测量，并平行布置了12线和13线以得到采空区的空间分布范围。11线、12线和13线的反演断面图如图2所示。

瞬变电磁法二维反演断面图显示11线在水平位置10m～28m，深度10m～13m之间存在椭圆形低阻异常；13线在水平位置15m～20m，深度10m～13m之间存在椭圆形低阻异常；12线在水平位置5m～20m，深度10m～13m之间存在长条形低阻异常，推测在11线的10m～28m、13线的15m～20m、12线的5m～20m，深度在10m～13m之间为采空区，后期钻探验证与物探推测吻合。

图2 11线、12线和13线瞬变电磁法二维反演断面图

3 结论

通过上述高密度电法和瞬变电磁法在采空区勘查实例分析可以得出如下结论：

（1）在物探方法中，高密度电法集成了电测深法与联合剖面法的特点，比常规电法采集更便捷，自动化程度更好。所成等值线图通过和地质结合，能更直观的获得地下一定深度的地电异常分布。

（2）当矿层被开采达到稳定后，采空区被水充填，其与围岩之间的电性差异明显，但采空区地表不均匀体干扰严重且采空区一般地形条件复杂，对异常的解释应多种方法结合解释，相互验证。

（3）等值反磁通瞬变电磁法作为一种新的技术方法，具有较强的抗干扰能力、纵向分辨率较高、灵敏度、信噪比。

（4）在复杂矿区，高密度电法的勘探深度对于埋深小于100m的采空区效果较好，但是对于埋深超过100m的采空区进行勘探，应采用瞬变电磁法进行补充勘查。