充电法和高密度电法在贵州贞丰者相二金矿岩溶勘查中的应用

羊 文，张西君，冯 娟，陈 丞，杨 磊

(1.贵州省地质矿产勘查开发局105地质大队，贵州 贵阳 550000；2.自然资源部基岩区矿产资源勘查工程技术创新中心，贵州 贵阳 550081；3.贵州省地质物探开发应用工程技术研究中心，贵州 贵阳 550081；4.贵州省地质调查院，贵州 贵阳 550081)

1 引言

绿色勘查是指在地质找矿过程中，以绿色发展理念为指导，通过运用先进的勘查手段、方法、设备、工艺和科学管理，最大限度的减少对生态环境的负面影响，实施地质勘查全过程环境影响最小化控制，实现找矿和环保双赢的一直勘查模式(贵州省自然资源厅，2019)。

岩溶作为一种典型的不良地质体，空间发育的不均匀性、不规则性以及覆盖层性质的不确定性，对地质和勘探都是一种挑战，是当今世界性的难题(陈清礼 等，2005)。目前，岩溶调查一般采用岩溶地质和水文地质调查，采用高密度电法、瞬变电磁法、浅层地震、可控源音频大地电磁测深等多方法组合探测和钻探(郑智杰 等，2017)。本文以贞丰县者相二金矿勘探区为例，针对研究区内龙井(S24)暗河出口，通过水文地质调查，初步判决岩溶发育程度、覆盖层厚度及结构，采用充电法和高密度电法组合进行探测研究，将反演结果与地质资料相结合进行对比解释，揭示龙井(S24)岩溶暗河的空间形态、规模，并指导钻探施工，有效降低了研究区勘探对浅部岩溶水系统的影响，确保矿区绿色勘查。

2 研究区水文地质及地球物理条件

2.1 岩溶水文地质特征

图1 研究区水文地质简图

2.2 地球物理条件

岩矿石的电性差异是电法勘探的前提条件，也是成果解释的基础，电性差异大小直接影响方法的选取及勘探精度。根据研究区水文地质情况，对出露的岩矿石进行对称小四极实地测量，其电性参数采测结果见表1。

由表1可知，研究区出露的岩矿石电阻率按灰岩→泥灰岩→粘土→覆土→水排序梯次降低，灰岩电阻率值最高，可达3 975.25 Ω·m，粘土电阻率值最低，约57.36 Ω·m。结合本次工作目的，目标体为物探剖面上可能存在的溶洞、岩溶-裂隙以及水体等，根据物性特征及以往工作经验，岩石因构造活动破碎且不同程度含水相对围岩表现为低电阻率特征，岩体因溶蚀形成溶洞、裂隙，破坏了岩体完整性，因含空气相对围岩表现为极高电阻率特征，若溶洞、裂隙含水相对围岩表现为低电阻率特征，当溶洞、裂隙充水时电阻率将进一步降低(张西君 等，2013，2015；黄启霖 等，2020)。水体相对围岩为良导体，地下水流经管道可视为等势体，在充电法电位梯度曲线上表现为0值点特征。由上可知，测区内各组岩矿石电性差异明显，本区具备开展物探电法工作的物性前提。

表1 研究区电阻率参数表

3 工作方法技术

3.1 工作原理

3.1.1 充电法工作原理

充电法是以不同岩性的电性差异为基础，在钻井、槽探、坑道、出水点等人工揭露的或天然露头上接一供电电极(A)，另一供电电极“无穷远极”B置于远离充电体的地方(确保供电AB极距大于良导体埋深20倍)，然后向供电线路里供电，这时充电体为一等位体或似等位体，电流由充电体流入围岩，形成稳定电流场，该电场的分布特征与充电体的形态、大小和产状等因素有关，利用专业设备在地面、坑道或钻井中沿垂直充电体走向的测线观测充电电场，通过研究其分布特征，从而解决诸如矿体的规模大小、赋存状态、连接关系以及地下水流速、流向、渗漏通道、滑坡位移等地质问题(李黔西，2003)。

本次充电法工作供电电极A位于龙井S24出水口，“无穷远极”B位于研究区东北角，AB极距860 m，大于研究区岩溶管道水埋深20倍以上，观测方式为梯度测量，MN电极位置采用网络RTK定位，设备采用重庆地质仪器厂生产的DZD-8多功能全波形直流电法仪。

3.1.2 高密度电法工作原理

高密度电法属于电法勘查中的电阻率法，基于常规电阻率法勘探原理并利用多路转换器的供电、测量电极的自动转换，配合常规电阻率的测量方法及电阻率成像(CT)等高新技术来进行高分辩、高效率电法勘探。它是通过程控式多路电极转换器选择不同的电极组合方式和不同的极距间隔，用供电电极(A、B)向地下供直流(或超低频)电流，同时在测量电极(M、N)间观测电势差(ΔUMN)，并计算出视电阻率值(ρs)，各电极同时或不同时沿选定的测线按规定的电距间隔移动(胡勘 等，2002；汤良明 等，2006；敖怀欢 等，2016)。测量前预先铺设好高密度电缆，打好全部电极并连接，经接地电阻测试，启动采集控制程序，仪器自动切换电极，自动记录，快速完成野外数据的采集。

本次高密度电法工作装置为温纳装置，该装置具有抗干扰强、测深分辨率高特点，工作电极距5 m(加密段为1 m)，电极位置采用网络RTK定位，采测设备为重庆地质仪器厂生产的DZD-8多功能全波形直流电法仪。

3.2 工作方法及布置

根据龙井(S24)暗河出口的岩溶特征及地面水文地质调查成果，初步判断其岩溶管道大致走向，首先应用充电法，从S24井口由近到远追索岩溶管道在研究区的分布和流向，为了进一步确定岩溶管道的空间分布范围、规模、大小，并针对拟施工可能造成影响的两个钻孔ZK60001、ZK60908孔位的选定问题，再用高密度电法精确确定其位置及地下展布形态，两者结果相互验证(陈松 等，2017)，指导拟施工钻孔有效避开岩溶管道，确保勘探过程不对龙井(S24)泉点造成影响。

测线布置为：充电法以龙井暗河出口(S24)为起点，在其北侧垂直水源方向布设6条充电法剖面，其中C0线150 m、C1线200 m、C2线400 m、C3线500 m、609线300 m、600线400 0m，采用电位梯度测量方式，点距5 m。针对LS07的0值点，在钻孔位置布置两条加密短剖面，点距1 m；高密度电法测线布置为勘探线600、609上分别以钻孔ZK60001、ZK60908为中心垂直岩溶管道走向布置高密度电法剖面，600勘探线上布置500 m剖面，609勘探线上布置600 m剖面，600线与604线之间布置300 m剖面(G1测线)，点距均5 m。为进一步圈定异常，对600、609两条剖面上的异常进行复核，加密段各120 m，点距1 m(图2)。

图2 充电法、高密度电法测线分布图

4 资料分析及解释

4.1 充电法成果分析

根据充电法充电场分布规律特征，与充电点水体相连通的位置电位梯度值为0值点，即可通过寻找电位梯度0值点来推测地下水径流分布情况。将充电法剖面采集数据绘制电位梯度曲线图(图3)，从图3中可看出每条剖面均出现0值(图中红三角处)，即说明龙井(S24)暗河出口水源流径每条测线，8条剖面共圈出33个0值点。从各测线电位梯度0值平面分布而言，泉点主要由北面、西北面水源流经汇聚而成，结合地面现场调查，初步推断主径流带5条，见图7。

图3 充电法电位梯度曲线图

4.2 高密度电法成果分析

根据充电法成果，研究区刚好有两条岩溶管道经过钻孔ZK60001、ZK60908附近，为进一步查清岩溶管道具体位置及埋深，判断钻孔是否处于岩溶管道上，于是针对两个钻孔布置3条高密度电法剖面，通过对三条高密度电法实测原始数据进行处理、反演解算，得到三条剖面电阻率断面综合推断解释图(图4-图6)，上图为电阻率断面图，中图为加密段的电阻率断面图，下图为地质推断解释图。

图4 600线高密度电法综合推断解释图

图5 609线高密度电法综合推断解释图

图6 G1线高密度电法综合推断解释图

1—第四系；2—嘉陵江组一段；3—物探推测断裂；4—电性层分界线；5—低阻异常；6—推测岩溶；7—剖面方位；8—物探测点编号

4.3 综合分析

对比分析高密度电法600线及充电法C600线，在充电法C600线上，存在45、145、185、285、320、365点等六个“0值点”。对应高密度电法600线分别显示为：45号点显示为正常岩层，推测应为小型节理裂隙富水，为次要管道之一；145号点低阻异常，为第四系覆盖层；185号点低阻异常，为陡倾斜的断裂引起岩溶破碎富水，推测应为次要管道之一；285号点存在半封闭低阻异常，推测应为岩溶主管道之一；320号点存在半封闭低阻异常，推测应为岩溶主管道之一；365号点存在半封闭低阻异常，推测应为岩溶主管道之一。

对比分析高密度电法609线及充电法C609线，在充电法C609线上，存在15、89、121、165点等四个“0值点”。对应高密度电法609线分别显示为：15号对应高密度电法609线260点存在半封闭低阻异常，推测应为岩溶主管道之一；89号点对应高密度电法609线345点附近，存在半封闭低阻异常，推测应为岩溶主管道之一；121号点对应高密度电法609线340号点附近，为陡倾斜的断裂引起岩溶破碎富水，推测应为次要管道之一；165点对应高密度电法609线385号点，为陡倾斜的断裂引起岩溶破碎富水，推测应为次要管道。

通过对比分析不同物理方法对比反应同一地点、同一地质现象，综合分析充电法电位梯度曲线成果、高密度电法电阻率断面成果以及现场调查的地表溶坑，结合研究区已有地质、水文资料，将不同地球物理方法解释均为岩溶管道及“0值点”的相连可得：研究区中部发育五条主岩溶管道(编号GD1-GD5)横穿测线(图7)。从图中可看出，岩溶管道GD1、GD2、GD3从西北部经G1、600、609、C2、C1、C0测线发育至泉点，其中岩溶管道GD2、GD3于C2测线合为一条，而管道GD1经过C2线后则发育成2条分别穿C1、C0线，最后合于泉点；岩溶管道GD4、GD5从北部经C3、C2、C1、C0测线发育至泉点。对比物探成果及ZK60001、ZK60908设计位置，两个钻孔未处于龙井(S24)暗河主岩溶管道上。

图7 研究区物探综合成果图

4.4 钻探工程验证及效果分析

根据物探成果，两钻孔ZK60001、ZK60908均未处于S24暗河主岩溶管道上，随后两个钻孔相继施工，经钻孔揭露，钻孔ZK60001、ZK60908分别于3.67 m、4.13 m(第四系覆土)进入嘉陵江组一段，分别于35.55 m、43.43 m进入夜郎组地层，在嘉陵江段均未揭露到龙井(S24)暗河岩溶管道，与物探推测的结果比较吻合，效果明显，整个勘探过程也均未对该水点造成影响，确保了绿色勘查的有效实施，达到了勘查目的。

5 结论

(1)通过对者相二金矿勘探区的充电法及高密度电法数据进行采集、处理，取得了良好的地质效果，既验证了物探方法的选择的针对性及有效性，又清晰的查明了岩溶管道的空间分布形态，并有效的指导了勘探钻孔的施工。ZK60001、ZK60908两个钻孔的施工均未揭露到龙井(S24)暗河岩溶管道，整个探测和勘探过程也均未对该水点造成影响，确保了绿色勘查的有效实施，达到了勘查目的。

(2)充电法、高密度电法具有经济、高效、环保特点，并成功应用于本次岩溶勘查，两种物探方法组合为碳酸盐岩矿区解决岩溶问题提供范例，以期应用于相似地区解决相似问题。