可控源音频大地电磁法在硝盐矿采空区溶腔探测中的应用

2021-03-04李茹

资源信息与工程 2021年1期

李茹

(广州市地质调查院，广东广州 510000)

0 引言

地下资源开采后形成的采空区会引发地表沉降或塌陷等地质灾害，给矿区的生产、地面工程和人民生命财产造成严重威胁，因此，实现对地下采空区快速、有效的探测已成为当前迫切的任务。可控源音频大地电磁(CSAMT)因具有野外采集数据质量高、抗干扰能力强、解释与处理简单、分辨率高、探测深度大等优点，广泛应用于岩溶塌陷勘查[1]、煤矿采空区探测[2]和岩溶水勘查[3]等。广州市白云区太和镇龙归硝盐矿采用水溶法开采，自2002年以来，矿区多次出现地面沉降，现沉降总面积超过1 km2。为探明地下采空区分布情况，采用CSAMT对矿区进行勘探，确定溶腔顶板埋深，为地面沉降机理分析和危险防治措施的制定提供依据。

1 矿区地质概况

龙归硝盐矿位于广州市白云区太和镇永太庄、高桥庄一带。矿区主要开采盐层埋深为480～640 m，井深大多在600 m以内。矿区基岩为第三系，主要为泥岩、粉砂岩及两者互层。基岩上普遍由第四系冲积层覆盖。矿区主要有四层含水层：第一含水层为第四系承压孔隙水；第二含水层(带)为承压孔隙裂隙水；第三含水层为承压裂隙卤水带，靠近盐层或为盐层的直接顶板；第四含水层为盆地基底下二叠统栖霞灰岩岩溶裂隙水，埋深多在585 m以下。

2 地球物理条件

通过矿区已有钻孔的电阻率测井曲线得知，采空区盐渍水为低阻，电阻率为1～5 Ω·m，而围岩电阻率为15～40 Ω·m，采空区盐渍水与围岩的电性差异为可控源音频大地电磁法在工作区的开展提供了地球物理条件。

3 工作参数和工作方法

野外采用华测天骄X90型RTK在矿区采空区上方地面布设三条测线(测线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，含测点108个，点距20 m。

本次CSAMT测量采用美国Zonge公司生产的 GDP-32Ⅱ多功能电法仪，采用赤道偶极装置标量测量，测量X方向的电场和Y方向的磁场(图1)。据以往工作经验，采用以下CSAMT工作参数：(1)电源陷频滤波器50/5；(2)Moving average filter: open；(3)工作频率：4～8 192 Hz；发射电流：低频段均为20 A，中高频>10 A，高频段>4 A；(4)收发距：4 980 m；(5)叠加次数：16～16 384次。

图1 CSAMT标量测量装置示意图

通过可控源音频大地电磁法(CSAMT)实时系统软件进行静态位移校正。本次反演采用美国Zonge公司SCS2D软件，将处理好的卡尼亚电阻率和阻抗相位数据载入软件进行二维反演，得出反演电阻率拟断面图。结合本次探测任务，采用“2D moving average of data”反演。

4 资料解译分析

测线Ⅰ 800～1150测段、标高-100～-500 m之间分布着大规模的低阻(图2)，异常电阻率小于20 Ω·m。根据地球物理条件，低阻异常电阻率20 Ω·m介于采空区盐渍水(1～5 Ω·m)与围岩(15～40 Ω·m)之间，因此异常处地层可能存在盐分渗透，这间接表明地层发生了塌陷扰动。基于上述分析，将蓝色虚线圈定的范围推断为“岩层弹性形变+陷落”范围，整体形态上宽下窄，将绿色虚线划定的界面推断为“扰动的地层顶板(即溶腔顶板)”位置，整体形态两端高中间低。从图2中推断测线溶腔埋深在360 m左右。

图2 测线Ⅰ异常解释推断

综合利用以往地震反射资料，测线地震波反射时间剖面图如图3所示。测点编号1047～1068之间、时间90～110 ms处，反射波组零乱和不连续(红线标志)，推断该段可能为“浅部坍塌体”引起的波组异常，异常顶板埋深约在85 m处；在测点编号1114～1144之间、时间70～100 ms处，同样出现反射波组零乱和不连续，推断该段可能为“浅部坍塌体”，异常顶板埋深约在65 m处。测线的地震反射资料推断的两处局部陷落体范围正好落在CSAMT推断的地层扰动塌陷范围内，印证了测线CSAMT异常解释推断的可靠性。

根据测线Ⅱ剖面的低阻异常分布位置，推测溶腔埋深在310 m左右，根据测线Ⅲ剖面的低阻异常分布位置，推测溶腔埋深330 m左右。综合分析3条测线顶板埋深位置，推测采空区顶板埋深在330 m左右。