高密度电法物探技术在某矿区勘察中的应用

2021-06-28汤浩，陈杰

中国金属通报 2021年8期

汤浩，陈杰

（中水珠江规划勘测设计有限公司，广东广州 510611）

近年来，我国采矿行业迅猛发展。部分矿产企业盲目追求经济效益，对煤炭、金属矿等矿产资源进行大规模、无节制开采，这使得地下空间形成大片的采空区，加剧了地表沉陷。通过对地质灾害的诱导因素的调查分析可知，首当其冲的就是矿区。随着矿产资源开发程度的增大，地下采空区覆盖范围的扩张，地质环境逐步恶化，浅表地层开裂、地面凹陷积水以及地表大规模沉陷等地质灾害问题的发生率也随之上升[1]。

1 高密度电法物探技术的原理、装置形式与数据处理方式

1.1 高密度电法物探技术的原理

高密度电法物探技术与常规直流电法物探技术的原理相似，都是建立在稳定电流场空间分布的原理基础上的。与常规直流电法物探技术相比，高密度电法物探技术的自动化程度更高，资源信息采集效率更快，且信息结果更加精确。高密度电法物探技术的原理如下所述[2]。

在正式勘测前，将大量的电极布置在与勘测空间范围内，由于电极数量超过一定限度，可以实现不同空间范围电极的自由组合。当向地下空间中人工输送电流时，可以在地下空间中形成一个稳定的电流场，实现对整个勘测区域的全方位无死角覆盖勘测。与此同时，接入自动转换装置，还可以在采集与分析资源信息的基础上，实现信息的交互转换[3]。

1.2 高密度电法物探技术的装置形式

从本质上来说，高密度电法物探技术的装置形式是在勘测过程中不同空间范围电极的交互结合方式。电极的交互结合方式不同，产生的勘测结果也存在一定差异。例如，持续勘测周期、勘测深度与勘测精准性等各不相同。按照电极交互结合方式差异，可将高密度电法物探技术的装置配置形式划分为如下几类：施伦贝尔装置、偶极装置、微分装置、偶极装置以及温纳对称四极装置等[4]。

由于各区域的地下采空区的覆盖范围与分布密度不同，所以勘测人员要结合实际情况，采用对应类型的技术配置形式。例如，充分考虑采空区覆盖范围、地下资源开发深度和浅表层与深土层土壤厚度，选择合理的技术配置形式，加强勘测结果的精确性。

1.3 高密度电法物探技术的数据处理方法

高密度电法物探技术主要是利用数据处理软件对测网与测线数据进行采集整合。按照高密度电法物探技术装置配置形式和勘测空间范围内的电极分布情况，对采集的资源数据展开排列、预处理和格式结构转换。在此过程中，对海量化的资源数据实行筛选精分，及时且精确的剔除不符合客观规律的数据信息，以免影响整体勘测结果的精确性。根据视电阻率断面图，对勘测区域的地质构造特征、地质结构条件及矿产分布规律展开深入分析，且作出合理解释。总而言之，在矿区勘察作业中，合理利用高密度电法物探技术，可以根据获取的矿区地质结构特征信息，全面了解采空区分布情况，从根源上消除安全隐患，降低发生地质灾害事故的概率[5]。

2 高密度电法物探技术在某矿区勘察中的应用

2.1 矿区地质特征

对于矿区地质特征的了解，要从地层和构造两部分进行，本次研究所选矿区的地质特征总结如下：

2.1.1 地层

矿区所在位置的地层是隶属于塔里木南疆地层大区、塔里木低层区和分区中的一个小区内，区域内存在较多的中新生界地层，并以侏罗系和第四系为主[6]。

一是侏罗系。分为三种情况：其一，统塔里奇克组。该地层以河流相及泥炭沼泽相为主，土层结构以砂岩、粉砂岩构成，是区域内的含矿层位之一。区域内的工业矿层数量较多，厚度在73m~420m不等，上下分别衔接着黄山街组和侏罗统阿合组。该组是由三个旋回组成的，每个旋回下部岩层都适宜绿灰色、灰色砂岩和砂砾岩为主，纵横交错[7]。

其二，统阿合组。该结构又被称之为标准砂层岩，以单一矿石结构为主，硬度较高，被看做是陡峭的单面山结构。该地层具备三角洲特征，是河床相与河流交界处，内部岩石结构以粗碎屑岩为主。不过区域内岩性和岩相的变化特征并不显著，且多以上夹泥岩和矿线为主，厚度在200m~527m左右[8]。

其三，统阳霞组。该组是由河流相、泥炭沼泽相、湖泊相共同组成的，有灰白、黄灰绿色粗砂岩、砂状砂岩、细砂岩、粉砂岩、炭质泥岩及矿层组合，是一个较为复杂的地层结构。在该地层中含有少量的孢粉化石。总体厚度以212m~628m不等。在该地层的调查中了解到，其中包含矿物特性可分为四种情况，即炭质泥板岩段、B含矿段、砂砾岩段、下含矿段。炭质泥板岩段中涵盖泥板岩、泥质粉砂岩、粉砂岩，另外三层则因分布不均衡，被统称为含矿段，该段包含两个完整旋回。

二是第四系。该层位于矿区南部，伴随着沼泽和盐渍化现象，厚度在几米到十几米不等。由土壤层、卵砾石和砂构成。沼泽沉积层仅分布于矿区内东向冲沟侧，多呈条块状，有泉水出

露，地下水位埋深较浅。地层岩性主要为粉土、粉质粘土、淤泥，普遍有腐植层，饱含水分，富含植物根系，厚度0.3m~1.2m。

2.1.2 构造

矿区构造相对地层来说要简单很多，以断裂阿一断层和阿二断层为主，结合矿区不同走向，可将其划分为东西向、北东和北东动向、北西和北西西向这三个断层结构。

2.2 地球物理特性

矿区的整体地势呈平坦状，地形地貌受到后期矿产资源开发的影响较大。本次物探工作将选择矿区西部防洪景观大坝作为勘察重点区域，区域地层结构为第四系沼泽沉积层、第四系卵砾石层、侏罗系阿合组地层、侏罗系塔里奇克组上段、侏罗系塔里奇克组下段。矿石电性会随着外部物理条件的变化而发生改变。

在外部物理条件处于理想状态下时，对于后期构造的影响相对较小，这时电性的变化会呈现视电阻率大，新地层视电阻率小的特征。但如果外部物理条件发生改变，局部区域内矿层存在破碎、断裂、错动等情况，视电阻率的变化更加明显，在细砂岩、粗砂岩及砾岩结构对比上，含水率会逐渐提升，但视电阻率会逐渐下降。构造发育附近的地层结构，如果出现错位、褶皱、岩溶发育，地层会产生裂缝，为地层水体富集提供良好空间。当裂隙充水时，在纵向和横向上都打破了原有电性故有变化规律，呈现相对低阻。电法勘探正是利用岩层之间及岩层与异常体之间的电性差异，以区分不同的地质岩层，划分低阻异常，分析测区水文地质情况的。

2.3 高密度电法物探技术应用中的工作参数选择

本矿区在应用高密度电法物探技术实训勘察时，选用二维集中式高密度电阻率仪完成外界数据的收集和处理，利用温纳装置收集视电阻率变化情况。在高密度电阻率法中，温纳装置与异常对应间的关系较好，可提高数据获取精准度。最早在使用过密度视电阻率法时，一般会通过三电位电极系开展测量工作。该测量系统包括温纳装置、偶级装置和微分装置，通过这些装置间的连接运用，确保电极转换的合理性。该系统展开测量活动，能够获得三个较为精准的电极排列参数。

温纳装置自身对视电阻率的感应是较为敏感的，用其开展目标探测，能够准确获取区域地层结构数据。在温钠装置设置中，系数一般控制在2πa，虽然较其他装置系数小，但在同样情况下，可观测到较强的信号，可以在地质噪声较大的地方使用。另外，由于该装置系数小，在同样电极布置情况下，探测深度也小，且温纳装置的边界损失较大。

2.4 典型剖面解释

该剖面从西向东主要以河漫滩、人工大坝、塔里奇克上段地层结构为主，在勘察时共设置500个点位（如图1），不同点位位置及获取数据资料分别为：

200~440点，该点位与地表距离较近，深度在0m~15m之间。区域内存在低阻异常情况，视电阻率为200Ω.m左右，由于异常区域与地表距离较近，且呈现连续性分布特征，推测该层内可能含有较多的废物废料及沼泽沉积层，存在电性为人工堆积形成的。

460~510点，属于浅部位置区，深度在10m~20m左右，该区域存在较为高阻异常情况，视电阻率可达到400Ω.m~1000Ω.m之间。异常情况分布以层状为主，所以推测该区域的电性以第四系卵砾石反应为主。

0~80点，属于中阻异常区域，视电阻率值为250Ω.m~400Ω.m，属均匀性变化特征，该层电性推测为阿合组砾岩。

80~200点，上部结构，与浅部区一样都属于高阻异常区，不过该区域的视电阻率呈现不规则分布形态，所以推测其电性反应以不含水的塔里奇克组上段的细砂岩为主。不过在深层的下部结构，高阻异常逐渐转变成低阻异常，视电阻率值为200Ω.m以下，异常形态变化不大，推测为塔里奇克组上段细砂岩的电性反应。该套岩性赋水性强，周围有一定的水源供给，故该矿山勘查区地层深部可能含有地下水。

200~500点，属于中深部。分为上下两部分，上部为层状高阻异常区，视电阻率为400Ω.m~1000Ω.m。该区域由于地层结构相对完好，裂缝数量少，发育较完全，相应的视电阻率也会较高。下部则为中低阻异常区，视电阻率值为100Ω.m~200Ω.m，且呈现异常变化特征。同时在对下部勘察中，发现深部的视电阻率最低，这可能与区域内破碎充水情况显著有关。

图1 线高密度成果图

2.5 结论

矿区地层的电性以层状分布为主，不同地层之间存在的视电阻率存在明显界限，相互之间影响较小；断裂结构区域存在的错动情况显著，通过勘察了解到，深部断层纵断面的分层情况明显，而其他区域的视电阻率异常则较为显著，会根据形态变化而发生改变；塔里奇克组上下段砂岩结构处于低视电阻率区域，内部矿石的含水性较好。再加上结构构造发育完整，为水分存储提供良好空间。不过若想实行矿石开采，还需对该区域特征予以详细分析，进而制定合理的开采方案。